Химия белков. Лекция № 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛКОВ
В тканях и клетках всех живых организмов имеются белковые вещества - высокомолекулярные органические соединения. С ними связаны основные проявления жизни: пищеварение, раздражимость, сократимость, способность к росту и раздражению.

Продукты -источник белка

Белковые вещества содержат углерода, кислород, водород, обязательно азот и некоторое количество серы.
Высушенное тело человека состоит на 45% из белковых веществ, причем в некоторых органах количество белка превышает 80% веса высушенного органа.

СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКОВ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ
ЧЕЛОВЕКА
Кожа 63 %
Кости 28%
Зубы 24%
Поперечно-полосатые мышцы 80%
Мозг и нервная ткань 45%
Печень 57%
Лёгкие 82%

Из 9 - 10% сухого остатка плазмы крови на долю белков приходится 65 - 85%. Физиологическая роль белков плазмы крови многогранна:

Физиологическая роль белков плазмы крови :
Поддержание коллоидно-осмотического (онкотического) давления и тем самым сохранение объема циркулирующей крови. Белки, связывают воду и задерживают её, не позволяя выходить из русла крови.

Белки принимают участие в свертывании крови, являясь компонентами системы свертывания крови.
Белки поддерживают рН крови, являясь важнейшей буферной системой крови.

Транспортная функция. Белки плазмы крови соединяются с рядом нерастворимых веществ (липиды, билирубин, жирные кислоты, гормоны, жирорастворимые витамины др.) и переносят их в ткани и органы.

Белки плазмы крови играют важную роль в иммунных процессах организма.

Поддержание уровней катионов в крови. Например, 40 -50% кальция, значительная часть железа, магния, меди и других элементов связаны с белками сыворотки

Сывороточные белки образуют "белковый резерв" организма. При голодании они могут распадаться до аминокислот, которые используются для синтеза белков головного мозга, миокарда и других органов.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Белки имеют высокую молекулярную массу, растворимы в воде, способны к набуханию, характеризуются оптической активностью, подвижностью в электрическом поле и некоторыми другими свойствами.

Белки - это полимеры, состоящие из многих тысяч мономеров - аминокислот. В составе миоглобина (белок мышц) содержится 153 аминокислотных остатка и его молекулярная масса составляет примерно 17 000, а гемоглобина - 64 500 (574 аминокислотных остатка)

точным методом определения молекулярной массы является метод седиментации, предложенный Т. Сведбергом. Он основан на том, что при ультрацентрифугировании с ускорением до 900000 g скорость осаждения белков зависит от их молекулярной массы.

Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые, так и основные свойства, т.е. выступать в роли амфотерных электролитов

Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и наоборот

Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие общий заряд белковой молекулы. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или аноду в зависимости от величины их общего заряда

Так, в щелочной среде (рН 7 - 14) белок отдает протон и заряжается отрицательно, тогда как в кислой среде (рН 1 - 7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом.

Таким образом, фактором определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН.

Однако при определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, т.е. она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН называется изоэлектрической точкой.

В изоэлектрической точке белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок.

Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8 -5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых кислот.

Водные растворы белков имеют свои особенности. Белки обладают большим сродством к воде, т.е. они гидрофильны. Это значит, что молекулы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку

Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Альбумины легко связываются с молекулами воды и имеют большую водную оболочку, тогда как глобулины, фибриноген присоединяют воду хуже и гидратная оболочка у них меньше

устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами: наличием электрического заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее водной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым.

Обратимое осаждение белков (высаливание)
предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (сульфат натрия и аммония и др.)

Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей

глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой, - при полном насыщении.

Необратимое осаждение
связано с глубокими внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит к потере ими нативных свойств (растворимости, биологической активности и др.). Такой белок называется денатурированным, а процесс - денатурацией.

Денатурация белков происходит в желудке, где имеется сильно кислая среда (рН 0,5 - 1,5), и это способствует расщеплению белков протеолитическими ферментами.

Денатурация белков положена в основу лечения отравлений тяжелыми металлами, когда больному вводят per os молоко или сырые яйца с тем, чтобы металлы, денатурируя белки молока и яиц, адсорбировались на их поверхности и не действовали на белки слизистой оболочки желудка, а также не всасывались в кровь

Размер белковых молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм и, следовательно, они являются коллоидными частицами, которые в воде образуют коллоидные растворы

Эти растворы характеризуются высокой вязкостью, способностью рассеивать лучи видимого света (явление Тиндаля), не проходят через полупроницаемые мембраны.

Вязкость раствора зависит от молекулярной массы и концентрации растворенного вещества. Чем выше молекулярная масса, тем раствор более вязкий. Белки как высокомолекулярные соединения образуют вязкие растворы, например раствор яичного белка в воде

При пропускании пучка света через коллоидный раствор путь луча имеет вид светящегося конуса. Это связано с тем, что крупные частицы коллоидного (белкового) раствора вызывают рассеивание света
(явление опалесценции, мутности)

Коллоидные частицы не проходят через полупроницаемые мембраны (целлофан, коллоидную пленку, стенку мочевого пузыря быка), т.к. их поры меньше коллоидных частиц. Непроницаемым для белка являются все биологические мембраны

Это свойство белковых растворов широко используется в медицине и химии для очистки белковых препаратов от посторонних примесей. Такой процесс разделения называется диализом.

Явление диализа лежит в основе действия аппарата "искуственная почка", который широко используется в клиниках для лечения почечной недостаточности

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ
При изучении состава белков было установлено, что все они построены по единому принципу и имеют четыре уровня организации:
первую
вторую
третью
четвертичную структуры.

Первичная структура
Представляет собой линейную цепь аминокислот, расположенных в определенной последовательности и соединенных между собой пептидными связями

П е п т и д н а я с в я з ь образуется за счет α-карбоксильной группы одной аминокислоты и α-аминной группы другой. Соединение, состоящее из двух аминокислот, называется дипептидом, из трех - трипептидом и т.д. Цепи, состоящие из многих аминокислот, называются полипептидами.

Все многообразие белков организма зависит не только от количества входящих в их состав аминокислот, а прежде всего от последовательности соединения аминокислот между собой

Вторичная структура
Представляет собой упорядоченную и компактную упаковку полипептидной цепи. По конфигурации она бывает в виде спирали и складчатой структуры. Основу - спирали составляет пептидную цепь, а радикалы аминокислот направлены кнаружи, располагаясь по спирали. Такая форма характерна для белков, имеющих одну полипептидную цепь (альбуминов, глобулинов и д.р.).

В организме имеются сложные по структуре белки, состоящие из нескольких так называемых субъединиц, каждая из которых представляет собой молекулу белка со своей специфической структурой, вплоть до третичной. Такое объединение субъединиц называют четвертичной структурой

Особенностью белков с четвертичной структурой является их способность проявлять свои функции и свойства только при наличии всех субъединиц. Удаление хотя бы одной из них приводит к потере функций. К таким белкам относятся гемоглобин, миоглобин, ряд ферментов и др

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Различают два основных структурных класса белка.
1. ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ. Представляют собой сильно вытянутые (нитеобразные) устойчивые нерастворимые в воде соединения. Их полипептидные цепи располагаются параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна или фибриллы.

ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ
К ним относятся коллаген сухожилий и костной ткани, кератин волос, кожи, роговых образований, ногтей, а также эластин упругой соединительной ткани.

ГЛОБУЛЯРНЫЕ БЕЛКИ
Легко растворимы в воде и легко диффундируют. Более 1000 известных ферментов относится к глобулярным белкам.

ГЛОБУЛЯРНЫЕ БЕЛКИ
К ним также относятся антитела, некоторые гормоны, различные транспортные белки - сывороточный альбумин, глобулины яичного белка, молока, сыворотки крови, дыхательный пигмент гемоглобин. Эти белки выполняют свою функцию лишь в том случае, если их молекулы сохраняют свою форму

Некоторые белки принадлежат к промежуточному классу. Миозин - структурный компонент мышц, фибриноген крови необходим для тромбообразования. Эти белки, как и глобулярные, легко растворимы в воде, но подобно фибриллярным белкам состоят из длинных палочкообразных структур.

БЕЛКИ
ПРОСТЫЕ
(ПРОТЕИНЫ)
Альбумины Глобулины Протамины Гистоны Склеропротеиды
Коллагены Кератины Эластин
СЛОЖНЫЕ (ПРОТЕИДЫ) Фосфопротеиды Липопротеиды Хромопротеиды Нуклеопротеиды Гликопротеиды Металлопротеиды

БЕЛКИ
Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты, сложные - на аминокислоты и на органические или неорганические соединения. Небелковую часть сложного белка называют простетической группой. Сложные белки классифицируют исходя из природы простетической группы.

ПРОСТЫЕ БЕЛКИ
Альбумины.
Являются самыми легкими белками крови. Сывороточные альбумины быстро обновляются (период полураспада альбуминов человека равен семи дням)

Альбумины
Альбумины обладают высокой гидрофильностью. Они выполняют важную функцию по транспортировке многих биологически активных веществ (например гормонов)

Альбумины
Гормоны, связанные с альбумином, теряют свою активность и не могут проникать через клеточные мембраны. Уменьшение количества альбуминов ведет к серьезным гормональным расстройствам.

Альбумины
Альбумины способны связываться с холестерином, желчными пигментами, свободными жирными кислотами, ионами кальция, лекарственными веществами, красителями

Глобулины
Их выделяют из плазмы крови, молока, яиц.
В группу глобулинов входят белки с ферментными и иммунологическими свойствами, белки, принимающие участие в свертывании крови, белки, связывающие металлы, липиды, углеводы.

Глобулины
В крови человека находится много типов глобулинов, различающихся по электрофоретической подвижности.
выделяют α - , β -, γ - глобулины, которые, в свою очередь, можно разделить еще на несколько фракций

Глобулины
α-Глобулины соединяются преимущественно с углеводами, в меньшей степени с липидами

Глобулины
Фракция β-глобулинов представлена липопротеидами, фибриногеном, трансферрином и целым рядом других белков

Глобулины
Фибриноген - фибриллярный белок. В состав молекулы входит 2,36 % углеводов и один атом фосфора.
В плазме человека фибриноген составляет О,2 - О,4 % общего количества белка или 2-4 г/л.

Глобулины
Трансферрин - бесцветный белок. Его комплекс с железом ( III ) окрашен в оранжевый цвет. В норме только одна треть трансферрина насыщена железом, поэтому имеется определенный резерв трансферрина, способного связывать этот элемент.

Глобулины
γ-Глобулиновая фракция представлена антителами

Гистоны
Белки, имеющие выраженные основные свойства, содержатся в ядрах соматических клеток. Комплекс гистонов с ДНК называется хроматином. Это белки с небольшой молекулярной массой, содержащие до 25 % остатков аргинина и лизина.

Протамины
Белки, содержащие до 70 % аргинина, выделены из спермы, из ядер соматических клеток не получены.

Склеропротеиды
Нерастворимые или плохо растворимые в воде белки, имеют волокнистую структуру. Представлены коллагенами и кератинами. Различаются по аминокислотному составу.

Коллаген
фибриллярные белки соединительной ткани. В эту группу включают белки сухожилий, хрящей, костей, дентина, связок. Коллаген растворим в разбавленных растворах уксусной и лимонной кислот. При продолжительном нагревании с водой коллаген превращается в желатин.

Кератины
синтезируются в клетках эпидермиса. Это белки волос, эпидермиса, ногтей и других производных эпидермальных клеток. Кератины не растворяются в воде, не поддаются ферментативному гидролизу, содержат много серы, цистина.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Нуклеопротеиды. Соединения, играющие первостепенную роль в передаче генетической информации. Их простетической группой являются нуклеиновые кислоты. Нуклеопротеиды подразделяются на дезоксирибонуклеопротеиды и рибонуклеопротеиды.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Нуклеопротеиды. Простетическая группа легко отделяется от белка, особенно у дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП). ДНП классифицируют по белковому компоненту, различая нуклеопротамины и нуклеогистоны, составляющие значительную часть ядер соматических клеток.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Липопротеиды. Сложные комплексные соединения, в состав которых кроме белка входит липидный компонент, представленный свободным и эфиросвязанным холестерином, фосфолипидами и триглицеридами.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Липопротеиды обнаружены в клеточных мембранах, нервной ткани, цитоплазме клеток и сыворотке крови. Липиды, связываясь с белками обеспечивают прозрачность сыворотки. Эти липопротеиды высаливают из раствора сульфатом аммония. Сыворотка здорового человека содержит 0,5 - 0,7 % липидов

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Гликопротеиды. Имеют простетическую группу из углеводов и их производных: галактоза, манноза, глюкозамины, галактозамины, глюкуроновая, серная, уксусная и сиаловые кислоты. Все гликопротеиды делятся на собственно гликопротеиды и мукопротеиды.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Мукопротеиды являются белками, содержащими 2 - 80 % углеводов.
К ним относятся две подгруппы - нейтральные и кислые.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Нейтральные мукопротеиды не содержат серной и глюкуроновой кислот, но в их составе много сиаловых кислот, глюкозы. Они входят в состав - глобулинов, резус - антител, ферментов, групповых факторов крови (типа А, В, О), тканей мозга, слизистой желудка, хрящей, соединительной ткани, слюны.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Кислые мукопротеиды содержат маннозу, глюкозамины, гиалуроновую и хондроитинсерную кислоты. Гиалуроновая кислота - основная часть межклеточного вещества, которая соединяет клетки, заполняя межклеточное пространство.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Это фильтр, который задерживает микробы, участвует в обмене воды. Хондроитинсерная кислота - компонент хрящей, связок, клапанов сердца, пупочного канатика, способствует отложению кальция.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Гиалуроновая и хондроитинсерная кислоты входят в состав гликозоаминогликанов (ГАК) или мукополисахаридов (старое название), которые являются простетической группой мукопротеидов.
Гликопротеиды слюны, кишечного сока, хрящей, роговицы называют мукоцинами.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Хромопротеиды. Простетическая группа представлена гемом. К ним относятся гемоглобин и миоглобин, а также белки, переносящие и депонирующие кислород, и белки, участвующие в тканевом дыхании (пероксидазы, каталазы, цитохромоксидазы).

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Гемоглобин состоит из двух частей - глобина и гема. Глобин - это белок, построенный из 600 "кирпичиков" - аминокислот. Гем - железосодержащее органическое соединение небелковой природы. Молекула гемоглобина включает в себя одну частицу глобина и четыре - гема.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Для гемоглобина характерна способность связываться с кислородом воздуха. При этом гемоглобин крови поглощает в 60 раз большее количество кислорода, чем то, которое может быть физически растворено в плазме при температуре живого организма.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Нормальное содержание гемоглобина в эритроците - 30 - 38 пг. Повышенное по сравнению с нормой содержание гемоглобина и эритроцитов описывается как гиперхромия, пониженное - как гипохромия.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Если "распластать" все имеющиеся в сосудистом русле эритроциты, разместив их друг около друга, то образуемая ими площадь окажется в 1 500 - 2000 раз больше поверхности человеческого тела.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Это позволяет гемоглобину эритроцитов очень быстро насыщаться кислородом и отдавать его тканям. Насыщенный кислородом гемоглобин называется оксигемоглобином. Оксигемоглобин, отдавший кислород тканям, именуется восстановленным гемоглобином.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
гемоглобин активно освобождает ткани от избытка углекислого газа, образующегося в процессе обмена веществ, способствуя выведению из организма до 90 % углекислоты.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ
Гемоглобин способен вступать в связь с окисью углерода с образованием карбоксигемоглобина, что делает организм весьма чувствительным к угарному газу (так как в нем содержится большое количество окиси углерода) и приводит к кислородному голоданию