Физико-химические свойства белков
Наиболее характерными физико-химическими свойствами белков являются высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность кнабуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическоедавление, способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм (это свойство, обусловленное наличием в белках ароматических аминокислот, используется для количественного определения белков).
Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных аминокислот белки в растворе несут или отрицательный, или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду. Это свойство используется при очистке белков методом электрофореза.
Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Растворы белков имеют очень низкое осмотическое давление, высокую вязкость и незначительную способность к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. С коллоидным состоянием белков связан ряд характерных свойств, в частности явление светорассеяния, лежащее в основе количественного определения белков методом нефелометрии. Этот эффект используется, кроме того, в современных методах микроскопии биологических объектов. Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны (целлофан, пергамент, коллодий), а также биомембраны растительных и животных тканей, хотя при органических поражениях, например, почек капсула почечного клубочка (Шумлянского-Боумена) становится проницаемой для альбуминов сыворотки крови и последние появляются в моче.
Гемы выступают в роли простетических групп (небелковых частей) белков - гемопротеинов (гемоглобинов, миоглобина, цитохромов и др.).
Наиболее распространенным гемом является гем B - железный комплекс протопорфирина IX, входящий в состав гемоглобинов, миоглобинов и цитохромов.
Позвоночные синтезируют гем из более простых азотистых соединений (глицина и сукцината) и из резервного железобелкового комплекса — ферритина, находящегося в селезёнке, печени,костном мозге. Гем, выделенный из крови различных позвоночных животных, имеет одинаковую химическую структуру.
Свободный гем легко окисляется на воздухе до гематина, в котором атом железа трёхвалентен. Многолетние исследования структуры гема завершились синтезом гемина — солянокислого гематина (Г. Фишер, 1929).
Альбумины (лат.: albus, белый) — простые растворимые в воде белки, умеренно растворимые в концентрированных растворах соли и свёртывающиеся при нагревании (денатурация белка). Их относительная молекулярная масса составляет примерно 65000, не содержатуглеводов. Вещества, содержащие альбумин, такие как яичный белок, называются альбуминоиды. Альбуминоидами являются такжесыворотка крови, семена растений.
Проявляют высокую связывающую способность по отношению к различным низкомолекулярным соединениям, содержат гидрофильные и липофильные связи.
Наиболее известный вид альбумина — сывороточный альбумин. Он содержится в крови в сыворотке (отсюда название), но он также может встречаться в других жидкостях (например, вспинно-мозговой жидкости).
Сывороточный альбумин синтезируется в печени и составляет большую часть среди всех сывороточных белков. Альбумин, содержащийся в крови человека, называется человеческий сывороточный альбумин, он составляет около 60 % от всех белков, содержащихся в плазме крови.
Поскольку концентрация альбумина высока, а размеры его молекулы невелики, этот белок на 80 % определяет коллоидно-осмотическое давление плазмы.
Общая площадь поверхности множества мелких молекул сывороточного альбумина очень велика, поэтому они особенно хорошо подходят для выполнения функции переносчиков многих транспортируемых кровью и плохо растворимых в воде веществ. К веществам, связываемым сывороточным альбумином, относятся билирубин, уробилин, жирные кислоты, соли желчных кислот, некоторые экзогенные вещества — пенициллин, сульфамиды, ртуть, липидные гормоны, некоторые лекарства, такие как варфарин, фенобутазон, хлофибрат и фенитоин и т. д. Одна молекула альбумина может одновременно связать 25—50 молекул билирубина (молекулярная масса 500). По этой причине сывороточный альбумин иногда называют «молекулы-такси». Соревнования между лекарствами при использовании ими «посадочных мест» на молекуле альбумина может вызвать увеличение их активности и лечебного действия.
На мембранах клеток имеются рецепторы к альбуминам — альбандины.
Наиболее широко используются человеческий сывороточный альбумин и бычий сывороточный альбумин, часто применяемый в медицинских и молекулярно-биологических лабораториях.
Нормальный уровень сывороточного альбумина у взрослых составляет от 35 до 50 г/л. Для детей в возрасте менее 3-х лет нормальный уровень — в пределах 25—55 г/л.
Низкий уровень альбумина (гипоальбуминемия) может возникать из-за болезни печени, нефритического синдрома, ожогов, энтеропатии с потерей белка, недоедания, на поздних сроках беременности, злокачественных новообразований. Приём ретинола (витамина А) в некоторых случаях может повысить уровень альбумина до высоких субнормальных значений(49 г/л). Лабораторные эксперименты показали, что приём ретинола регулирует синтез человеческого альбумина.
Высокий уровень альбумина (гиперальбуминемия) почти всегда возникает в результате обезвоживания.
Глобулин — растворимый в разбавленных растворах солей и слаборастворимый в воде белок, входящий в состав растительных и животных тканей. Глобулины
составляют почти половину белков крови;
определяют иммунные свойства организма;
определяют свертываемость крови;
участвуют в транспорте железа и в других процессах.
БИЛЕТ 6
Ферментативный гидролиз белков. Наряду с осахариванием крахмала при затирании протекает ряд других процессов, ка-тализуемых различными ферментами солода. Под действием протеолитических ферментов (протеиназ и пептидаз) происходит гидролитическое расщепление белков, которое характеризуется разрывом пептидной связи в соответствии с уравнением:
Возможно, что под действием протеолитических ферментов происходит не только гидролитический разрыв пептидных связей, но также имеет место распад белковых макромолекул на субъединицы, как крахмала на декстрины. Под субъединицей белков понимают одну полипептидную цепь.
Схема ферментативного расщепления белков может быть представлена в таком виде:
бежи -* альбумозы -* пептоны -* полипептиды -» пептиды и аминокислоты.
Первые продукты расщепления белков - альбумозы; они осаждаются .в насыщенном растворе сульфата аммония, но в отличие от белков не коагулируют при нагревании. Пептоны - продукты дальнейшего расщепления белков; они не осаждаются в насыщенном растворе сульфата аммония, но могут осаждаться фосфорно-молибденовой кислотой и танином; при нагревании не коагулируют. Полипептиды - продукты более глубокой стадии расщепления белка, чем пептоны. Их роль в реакциях осаждения точно не известна. Пептиды и аминокислоты - последние продукты ферментативного расщепления белков. Эти азотистые вещества солями не осаждаются.
Пептоны и полипептиды обусловливают ценообразование изготовляемых напитков; пептиды и аминокислоты необходимы для питания дрожжей.
Оптимальные условия для действия солодовой протеиназы: рН 4,5-5,0 и температура 50° С. Температура 50° С является наиболее благоприятной для низкомолекулярных фракций бел-
ков и называется температурой пептонизацни. Оптимальная температура обусловливает наиболее сильное расщепление белков, и поэтому при 50° С обычно соблюдают белковую выдержку. Однако при 60° С расщепляется также много белковых веществ; растворение высокомолекулярных белков протекает быстрее с накоплением белковых фракций, осаждаемых сернокислым магнием.
Ферментативный гидролиз белков при 60° С приводит к накоплению .всех компонентов фракции «стойко растворимых белков» (альбумоз, пептонов, полипептидов и аминокислот, не коагулируемых при кипячении), т. е. при этой температуре накопляются продукты распада, обеспечивающие пенообразование; при 50° С ферментативный гидролиз белков приводит к накоплению наибольшего количества аминокислот.
Пока еще нет легко выполняемых способов контроля ферментативного гидролиза белков. Но все же обстоятельное представление о расщеплении белков дает метод Лундина.
Лундин подразделяет растворимые азотсодержащие вещества сусла в зависимости от их осаждаемости танином и фос-форно-молибденовой кислотой на три группы:
1) фракция А - высокомолекулярные азотистые вещества: лейкозин, эдестин, альбумозы;
2) фракция В - среднемолекулярные азотистые вещества: пептоны и высшие полипептиды;
3) фракция С - неосаждаемые азотистые вещества: низшие полипептиды и аминокислоты.
Фракция В обеспечивает пенообразование.
В среднем соотношение между указанными фракциями составляет в %: фракция А-25, фракция В-15 и фракция С-60.
Фосфопротеиды
фосфопротеины, сложные белки, в состав которых входит фосфорильная группа, присоединённая к аминокислотным остаткам полипептидной цепи белка. Обычно фосфорильная группа (–PO32-) присоединена к молекулам Ф. через остатки аминокислот Серина илиТреонина; в митохондриях животных тканей обнаружены Ф., в которых фосфорильная группа присоединена к белку через имидазольное кольцо Гистидина. Перенос фосфорильного остатка на белок катализируется ферментом протеинкиназой из группы фосфотрансфераз (См.Фосфотрансферазы), донором фосфата при этом служит молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Под действием щёлочи происходит неферментативное отщепление фосфорильной группы; к влиянию кислот Ф. сравнительно устойчивы. К Ф. относятся: Казеин – один из основных белков молока, овальбумин и вителлин – белки куриного яйца, фосфорилированные модификации гистонов (См. Гистоны), ферменты РНК-полимеразы, некоторые фосфотрансферазы, фосфатазы и др. Ф. широко распространены в живых организмах, участвуя в обмене веществ, регуляции ядерной активности клетки, транспорте ионов и окислительных процессах в митохондриях (См. Митохондрии).
3 Хроматография, электрофорез, высаливание
Определение свободных аминокислот важно для изучения обмена белков в организме. В норме в плазме крови содержится около 21,42 ммоль/л (30мг %) аминокислот. С мочой выделяется до 0,5 г аминокислот. Изменения в содержании аминокислот в сыворотке крови и в моче наблюдается при недостаточной функции печени: усиленном распаде белков, нарушении распада аминокислот (дезаминирование, переаминирование), а также при нарушении выделительной функции почек. Недостаток аминокислот сказывается в первую очередь на сердечной мышце, например при нарушении процессов переваривания и всасывания белков в ЖКТ.
БИЛЕТ 7
Молекула белка является объемным, трехмерным образованием, имеющим определенную пространственную форму. Для удобства рассмотрения пространственного строения молекулы белка условно выделяют четыре уровня ее структурной организации . Первый уровень пространственной организации белковой молекулы называется первичной структурой и представляет собой последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях. Фиксируется эта структура прочными пептидными связями. Другими словами, первичная структура характеризует химическое строение полипептидов, образующих белковую молекулу . Каждый индивидуальный белок имеет уникальную первичную структуру. Второй уровень пространственной организации - вторичная структура - описывает пространственную форму полипептидных цепей. Например, у многих белков полипептидные цепи имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и различными нековалентными связями. Третий уровень пространственной организации - третичная структура - отражает пространственную форму вторичной структуры. Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может укладываться в пространстве в виде глобулы, т. е. имеет шаровидную или яйцевидную форму. Стабилизируется третичная структура слабыми нековалентными связами, а также дисульфидными связями и поэтому является самой неустойчивой структурой. Четвертичной структурой обладают только некоторые белки. Четвертичная структура - это сложное надмолекулярное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры. Каждый белок, входящий в состав четвертичной структуры, называется субъединицей. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех субъединиц двух типов (а и Р) и имеет строение а2рг- Ассоциация субъединиц в четвертичную структуру приводит к возникновению нового биологического свойства, отсутствующего у свободных субъединиц. Например, формирование четвертичной структуры в ряде случаев сопровождается появлением каталитической активности, которой нет у отдельных субъединиц. Объединяются субъединицы в четвертичную структуру за счет слабых нековалентных связей, и поэтому четверичная структура неустойчива и легко диссоциирует на субъединицы. Образование и диссоциация четвертичной структуры является еще одним механизмом регуляции биологических функций белков.
Липопротеи́ны (липопротеиды) — класс сложных белков, простетическая группа которых представлена каким-либо липидом. Так, в составе липопротеинов могут быть свободные жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолипиды, холестериды.
Липопротеины представляют собой комплексы, состоящие из белков (аполипопротеинов; сокращенно — апо-ЛП) и липидов, связь между которыми осуществляется посредством гидрофобных и электростатических взаимодействий.
Липопротеины подразделяют на свободные, или растворимые в воде (липопротеины плазмы крови, молока и др.), и нерастворимые, т. н. структурные (липопротеины мембран клетки, миелиновой оболочки нервных волокон, хлоропластов растений).
Среди свободных липопротеинов (они занимают ключевое положение в транспорте и метаболизме липидов) наиболее изучены липопротеины плазмы крови, которые классифицируют по их плотности. Чем выше содержание в них липидов, тем ниже плотность липопротеинов. Различают липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), низкой плотности (ЛПНП), высокой плотности (ЛПВП) и хиломикроны. Каждая группа липопротеинов очень неоднородна по размерам частиц (наиболее крупные — хиломикроны) и содержанию в ней апо-липопротеинов. Все группы липопротеинов плазмы содержат полярные и неполярные липиды в разных соотношениях.
Липопротеины являются:
структурными элементами мембран клеток животных организмов;
транспортными белками, транспортирующими холестерин и другие стероиды, фосфолипиды и др.
Протами́ны — низкомолекулярные белки в ядрах сперматозоидов большинства групп животных. Составляют фракцию основного белка в зрелой сперме рыб. Протамины служат для организации хроматина в ядрах сперматозоидов. В ядрах всех других типов клеток (кроме сперматозоидов) ДНК ассоциирована с гистонами. Во времяспермиогенеза гистоны удаляются из ядра сперматиды, и ДНК связывается протаминами. Это позволяет значительно плотнее конденсировать хроматин и уменьшить размер ядра сперматозоида. В отличие от хроматина с участием гистонов, хроматин с участием протаминов неактивен — в ядре сперматозоидов невозможны процессы транскрипции. В ядрах клеток протамины ассоциируются с дезоксирибонуклеиновыми кислотами в нуклеопротамины. Цепочка протаминов обматывается третьей нитью вокруг двойной спирали ДНК.Молекулярная масса протамина — 4 000…12 000. Протамины содержат большое количество основных аминокислот, в основном, аргинина (70—80%). Хорошо растворяются в воде, кислой и нейтральной среде.
Осаждаются щелочами.
Отсутствует денатурации при нагревании.
Образуют соли с кислотами и комплексы с кислыми белками.
Гистоны — основной класс нуклеопротеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Существует пять различных типов гистонов, названных H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Последовательность аминокислот в этих белках практически не различается в организмах различного уровня организации. Гистоны — небольшие, сильно основные белки, связывающиеся непосредственно с ДНК. Гистоны принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счет положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре.
Благодаря этому 46 молекул ДНК диплоидного генома человека общей длиной около 2 м, содержащих в сумме 6·109 пар оснований (п.о.), могут поместиться в клеточном ядре диаметром всего 10 мкм.
По две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной 146 п.о., образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица диаметром 7 нм называется нуклеосомой. Участок ДНК (линкерная ДНК), непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует с гистоном Н1.
Группа негистоновых белков высоко гетерогенна и включает структурные ядерные белки, множество ферментов и факторов транскрипции, связанных с определенными участками ДНК и осуществляющих регуляцию генной экспрессии и других процессов.
Гистоновые белки интересны со многих точек зрения. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина они, как уже упоминалось, проявляют сильно основные свойства. Кроме того, последовательность аминокислот гистонов, то есть их первичная структура, мало изменилась в процессе эволюции. Это хорошо видно при сравнении аминокислотной последовательности гистонов млекопитающих, растений и дрожжей. Так, Н4 человека и пшеницы отличаются лишь несколькими аминокислотами. К тому же размер молекулы белка и ее полярность довольно постоянны. Из этого можно заключить, что гистоны были оптимизированы еще в эпоху общего предшественника животных, растений и грибов (более 700 млн лет назад). Хотя с тех пор в гистоновых генах происходили бесчисленные точковые мутации, все они, очевидно, приводили к вымиранию мутантных организмов.
Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, формирование (конденсация) хромосом связано с фосфорилированием гистонов, а усиление транскрипции — с ацетилированием в них остатков лизина. Детали механизма регуляции до конца не выяснены.