Лекция № 6-9. Физико-химические свойства белков, их структурная организация, классификация белков

1. Физико-химические свойства белков. Понятие структурной организации белков

Характерными физическими свойствами белков являют­ся высокая вязкость растворов, ограниченная способность к диф­фузии, способность к значительному набуханию, оптическая ак­тивность, подвижность в электрическом поле. Белки обладают большой гидрофильностью, чем обусловлено высокое онкотическое давление белков. Растворы белков имеют низкое осмотиче­ское давление.

Белки способны к поглощению ультрафилетового излучения с длиной волны менее 280 нм.

Белковые молекулы обладают большой молекулярной массой (6000—1 000 000) и не способны проникать через полупроницае­мые искусственные мембраны и биомембраны здоровых живых организмов.

Форма белковых молекул

В природе существует два вида белковых молекул: нитевидные (фибриллярные) и шарообразные (глобулярные). Физико-химиче­ские и биологические свойства белков в свободном или связанном состоянии определяются их пространственной структурой.

Денатурация белков — нарушение общего плана строения белковой молекулы, приводящее к потере характерных для нее свойств под влиянием различных физических и химических факторов. Внешне денатурация проявляется потерей раствори­мости, повышением вязкости, резким снижением биологиче­ской активности белка.

Ренатурация белка (обратный процесс с полным восстанов­лением структуры и функции молекулы белка) возможна при не­продолжительном действии денатурирующего агента. Денатура­ция необратима при нарушении первичной структуры белка.

Изоэлектрическая и изоионная точки белков

Значение pH раствора, при котором суммарный заряд белко­вых молекул равен нулю, — это изоэлектрическая точка белка (pI). Она определяется аминокислотным составом белка. В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе, лег­ко осаждаются.

Изоионный раствор белка — раствор, содержащий только ионизированные остатки аминокислот и ионы, образующиеся при диссоциации воды.

Изоионной точкой белка называется значение pH изоионного раствора этого белка.

Понятие о структурной организации белка Полипептидная теория

Полипептидная теория развита и экспериментально доказана Э.Фишером (1902-1919) на основе высказанного ранее А.Я. Данилевским предположения, что пептидная группа является основной связью в белковой молекуле.

Особенности пептидной связи.

1. Аминокислоты соединяются в полипептидные цепи в реакции поликонденсации с образованием пептидной связи за счет α-карбоксильной

группы одной аминокислоты и α-аминогруппы другой.

2. Повторяющиеся группы –NH-CH-CO- образуют пептидный остов.

Атомы N и С в нем располагаются примерно в одной плоскости, а атомы Н и радикалы -CH-R группировок направлены к этой плоскости под углом 109°. При этом в соседних аминокислотных остатках расположение атомов Н и радикалов (R) противоположно.

3. Пептидная связь является промежуточной между простой и двойной связями, т.к. расстояние между С и N в ней меньше (0,1325 нм), чем между Сα и N той же цепи (0,146 нм). Но оно больше, чем расстояние между С и N, соединенных двойной связью (0,127нм). Поэтому по месту пептидных связей легко осуществляется перегруппировка атомов и переход пептидной связи из кето-формы в енольную, которая отличается повышенной реакционной способностью.

4. Вращение вокруг С – N связи является запретным. Поэтому все четыре атома пептидной связи лежат в одной плоскости, образуя достаточно жесткую планарную ( плоскостную) структуру. Однако возможно вращение между N и соседним Сα (связь N - Сα ) и С пептидной связи и соседним Сα (связь С-Сα). Благодаря этому линейная структура полипептидной цепи может приобретать более сложную пространственную конфигурацию.

5. Пептидная связь имеет транс-конфигурацию, т.е Сα-атомы располагаются по разные стороны от пептидной связи. Такая структура энергетически более выгодна. Образуются прочные ковалентные связи, формирующие энергетический остов молекулы.

6. Каждая пептидная связь может образовывать по две водородные связи с другими группами, в том числе пептидными. Исключение составляют пептидные связи, в образовании которых участвует пролин (формируется одна водородная связь). Там, где находится пролин, полипептидная цепь легко изгибается.

Полимеры, состоящие из аминокислот, образуют пептиды или белки в зависимости от числа входящих в них аминокислоных остатков. Но переход от пептида к пространственно структурированной молекуле белка определяется не механическим удлинением цепи, а специфической последовательностью аминокислот. К белкам относят полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру. Таким образом, отличительный признак белков – это самосборка пространственной структуры, стабилизация которой требует хорошо развитой системы нековалентных взаимодействий. Это может быть достигнуто лишь начиная с некоторой длины полипептидной цепи.

Линейная последовательность расположе­ния аминокислот в полипептиде представляет собой первичную структуру белка.

Всего существует четыре уровня структурной организации белка — первичная, вторичная, третичная и четвертичная струк­тура. Структура большинства белков состоит из трех уровней.