Химические свойства белков

Физические свойства белков

Физические и химические свойства белков. Цветные реакции белков

Свойства белков так же разнообразны, как и функции, которые они выполняют. Одни белки растворяются в воде, образуя, как правило, коллоидные растворы (например, белок яйца); другие растворяются в разбавленных раство­рах солей; третьи нерастворимы (например, белки покров­ных тканей).

В радикалах аминокислотных остатков белки содержат различные функциональные группы, которые способны вступать во многие реакции. Белки вступают в реакции окисления-восстановления, этерификации, алкилирования, нитрования, могут образовывать соли как с кислота­ми, так и с основаниями (белки амфотерны).

1. Гидролиз белков: H +

[− NH 2 ─CH─ CO─NH─CH─CO − ] n +2nH 2 O → n NH 2 − CH − COOH + n NH 2 ─ CH ─ COOH

│ │ ‌‌│ │

Аминокислота 1 аминокислота 2

2. Осаждение белков :

а) обратимое

Белок в растворе ↔ осадок белка. Происходит под действием растворов солей Na + , K +

б) необратимое (денатурация)

При денатурации под действием внешних факторов (температура; механическое воздействие – давление, растирание, встряхивание, ультразвук; действия химических агентов – кислот, щелочей и др.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т.е её нативной пространственной структуры. Первичная структура, а, следовательно, и химический состав белка не меняются.

При денатурации изменяются физические свойства белков: снижается растворимость, теряется биологическая активность. В тоже время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а, следовательно, он легче гидролизуется.

Например, альбумин - яичный белок - при темпера­туре 60-70° осаждается из раствора (свертывается), теряя способность растворяться в воде.

Схема процесса денатурации белка (разрушение третичной и вторичной структур белковых молекул)

,3. Горение белков

Белки горят с образованием азота, углекислого газа, воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жженых перьев

4. Цветные (качественные) реакции на белки:

а) ксантопротеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих бензольные кольца):

Белок + HNO 3 (конц.) → желтое окрашивание

б) биуретовая реакция (на пептидные связи):

Белок + CuSO 4 (насыщ) + NaOH (конц) → ярко-фиолетовое окрашивание

в) цистеиновая реакция (на остатки аминокислот, содер­жащих серу):

Белок + NaOH + Pb(CH 3 COO) 2 → Черное окрашивание

Белки являются основой всего живого на Земле и выпол­няют в организмах многообразные функции.

Физические свойства белков

1. В живых организмах белки находятся в твердом и растворенном состоянии. Многие белки являются кристаллами, однако, они не дают истинных растворов, т.к. молекула их имеет очень большую величину. Водные растворы белков – это гидро-фильные коллоиды, находящиеся в протоплазме клеток, и это активные белки. Кристаллические твердые белки – это запасные соединения. Денатурированные белки (кератин волос, миозин мускулов) являются опорными белками.

2. Все белки имеют, как правило, большую молекулярную массу. Она зависит от условий среды (t°, рН) и методов выделения и колеблется от десятков тысяч до миллионов.

3. Оптические свойства. Растворы белка преломляют световой поток, и чем больше концентрация белка, тем сильнее преломление. Пользуясь этим свойством, можно определить содержание белка в растворе. В виде сухих пленок белки поглощают инфракрасные лучи. Они поглощаются пептид-ными группами.Денатурация белка – это внутримолекулярная перегруппировка его молекулы, нарушение нативной конформа-ции, не сопровождающиеся расщеплением пептидной связи. Аминокислотная последовательность белка не изменяется. В результате денатурации происходит нарушение вторичной, третичной и четвертичной структур белка, образованных нековалентными связями, и биологическая активность белка утрачивается полностью или частично, обратимо или необратимо в зависимости от денатурирующих агентов, интенсивности и продолжительности их действия. Изоэлектрическая точка Белки, как и аминокислоты, - амфотерные электролиты, которые мигрируют в электрическом поле со скоростью, зависящей от их суммарного заряда и рН среды. При определенном для каждого белка значении рН его молекулы электронейтральны. Это значение рН называется изоэлектрической точкой белка. Изо-электрическая точка белка зависит от числа и природы заряженных групп в молекуле. Белковая молекула заряжена положительно, если рН среды ниже величины ее изоэлектрической точки, и отрицательно, если рН среды выше значения изоэлектрической точки данного белка. В изоэлектриче-ской точке белок обладает наименьшей растворимостью и наибольшей вязкостью, в результате чего происходит наиболее легкое осаждение белка из раствора – коагуляция белка. Изоэлектрическая точка – одна из характерных констант белков. Однако если довести раствор белка до изоэлектрической точки, то сам по себе белок все же не выпадает в осадок. Это объясняется гидрофильностью белковой молекулы.

• 
  Физические свойства белков . 1. В живых организмах белки находятся в твердом и растворенном состоянии. Многие белки являются кристаллами, однако...


• 
  Физическо -химические свойства белков определяются их высокомолекулярной природой, компактность укладки полипеп-тидных цепей и взаимным расположением остатков аминокислот.


• 
  Физические свойства белков 1. В живых организмах белки находятся в твердом и рас. Классификация белков . Все природные белки (протеины) подразделяют на два больших класса...


• 
  Вещества, которые присоединяются к белкам (белки , углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты), - лиганды. Физико -химические свойства белков


• 
  Первичная структура сохраняется, но изменяются нативные свойства белка и нарушается функция. Факторы, приводящие к денатурации белков


• 
  Физические свойства белков 1. В живых организмах белки находятся в твердом и растворенном состоянии... подробнее ».


• 
  Физическо -химические свойства белков определяются их высокомолекулярной природой, компактност.

Классификация белков базируется на их химическом составе. Согласно этой классификации белки бывают простые и сложные . Простые белки состоят только из аминокислот, то есть из одного или нескольких полипептидов. К простым белкам, имеющимся в организме человека, относятся альбумины, глобулины, гистоны, белки опорных тканей.

В молекуле сложного белка, кроме аминокислот, ещё имеется неаминокислотная часть, называемая простетической группой. В зависимости от строения этой группы выделяют такие сложные белки, как фосфопротеиды(содержат фосфорную кислоту), нуклеопротеиды (содержат нуклеиновую кислоту), гликопротеиды (содержат углевод), липопротеиды (содержат липоид) и другие.

Согласно классификации, которая базируется на пространственной форме белков, белки разделяются на фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки состоят из спиралей, то есть преимущественно из вторичной структуры. Молекулы глобулярных белков имеют шаровидную и эллипсоидную форму.

Примером фибриллярных белков является коллаген – самый распространенный белок в теле человека. На долю этого белка приходится 25-30% от общего числа белков организма. Коллаген обладает высокой прочностью и эластичностью. Он входит в состав сосудов мышц, сухожилий, хрящей, костей, стенки сосудов.

Примером глобулярных белков являются альбумины и глобулины плазмы крови.

Физико-химические свойства белков.

Одной из главных особенностей белков является их большая молекулярная масса , которая колеблется в диапазоне от 6000 до нескольких миллионов дальтон.

Другим важным физико-химическим свойством белков является их амфотерность, то есть наличие, как кислотных, так и основных свойств. Амфотерность связана с наличием в составе некоторых аминокислот свободных карбоксильных групп, то есть кислотных, и аминогрупп, то есть щелочных. Это приводит к тому, что в кислой среде белки проявляют щелочные свойства, а в щелочной среде – кислотные. Однако при определенных условиях белки проявляют нейтральные свойства. Значение рН, при котором белки проявляют нейтральные свойства, называется изоэлектрической точкой . Изоэлектрическая точка для каждого белка индивидуальна. Белки по этому показателю делят на два больших класса – кислые и щелочные, так как изоэлектрическая точка может быть сдвинута либо в одну, либо в другую сторону.

Еще одно важное свойство белковых молекул – это растворимость. Несмотря на большой размер молекул белки довольно хорошо растворимы в воде. Причем растворы белков в воде весьма устойчивы. Первой причиной растворимости белков является наличие на поверхности молекул белков заряда, благодаря чему белковые молекулы практически не образуют нерастворимые в воде агрегаты. Второй причиной устойчивости белковых растворов является наличие у белковой молекулы гидратной (водной) оболочки. Гидратная оболочка отделяет белки друг от друга.

Третье важное физико-химическое свойство белков – это высаливание, то есть способность выпадать в осадок под действием водоотнимающих средств. Высаливание – процесс обратимый. Эта способность то переходить в раствор, то выходить из него очень важна для проявления многих жизненных свойств.

Наконец, важнейшим свойством белков является его способность к денатурации. Денатурация - это потеря белком нативности. Когда мы делаем яичницу на сковороде, мы получаем необратимую денатурацию белка. Денатурация заключается в постоянном или временном нарушении вторичной и третичной структуры белка., но при этом первичная структура сохраняется. Помимо температуры(выше 50 градусов) денатурацию могут вызвать другие физические факторы: излучении, ультразвук, вибрация, сильные кислоты и щелочи. Денатурация может быть обратимой и необратимой. При небольших воздействиях разрушение вторичной и третичной структур белка происходит незначительное. Поэтому белок при отсутствии денатурирующего воздействия может восстановить свою нативную структуру. Процесс обратный денатурации называется ренатурация. Однако при продолжительном и сильном воздействии ренатурация становится невозможной, а денатурация, таким образом, необратимой.

Прежде чем рассказать про свойства белков, стоит дать краткое определение данному понятию. Это высокомолекулярные органические вещества, которые состоят из соединенных пептидной связью альфа-аминокислот. Белки являются важной частью питания человека и животных, поскольку не все аминокислоты вырабатываются организмом - некоторые поступают именно с едой. Каковы же их свойства и функции?

Амфотерность

Это первая особенность белков. Под амфотерностью подразумевается их способность проявлять как кислотные, так и основные свойства.

Белки в своей структуре имеют несколько видов химических группировок, которые способны ионизировать в растворе Н 2 О. К таковым относятся:

• Карбоксильные остатки. Глутаминовая и аспарагиновая кислоты, если быть точнее.
• Азотсодержащие группы. ε-аминогруппа лизина, аргининовый остаток CNH(NH 2) и имидазольный остаток гетероциклической альфа-аминокислоты под названием гистидин.

У каждого белка имеется такая особенность, как изоэлектрическая точка. Под данным понятием понимают кислотность среды, при которой поверхность или молекула не имеет электрического заряда. При таких условиях сводится к минимуму гидратация и растворимость белка.

Показатель определяется соотношением основных и кислых аминокислотных остатков. В первом случае точка приходится на щелочную область. Во втором - на кислую.

Растворимость

По данному свойству белки подразделяются на небольшую классификацию. Вот какими они бывают:

• Растворимыми . Их называют альбуминами. Они умеренно растворяются в концентрированных соляных растворах и сворачиваются при нагревании. Эта реакция называется денатурацией. Молекулярная масса альбуминов составляет около 65 000. В них нет углеводов. А вещества, которые состоят из альбумина, именуются альбуминоидами. К таковым относится яичный белок, семена растений и сыворотка крови.
• Нерастворимыми . Их называют склеропротеинами. Яркий пример - кератин, фибриллярный белок с механической прочностью, уступающей только хитину. Именно из этого вещества состоят ногти, волосы, рамфотека птичьих клювов и перьев, а также рога носорога. Еще в эту группу белков включены цитокератины. Это структурный материал внутриклеточных филаментов цитоскелета клеток эпителия. Еще к нерастворимым белкам относят фибриллярный белок под названием фиброин.
• Гидрофильными . Они активно взаимодействуют с водой и впитывают ее. К таковым относятся белки межклеточного вещества, ядра и цитоплазмы. В том числе пресловутый фиброин и кератин.
• Гидрофобными . Они отталкивают воду. К ним относятся белки, являющиеся составляющими биологических мембран.

Денатурация

Так называется процесс видоизменения белковой молекулы под воздействием определенных дестабилизирующих факторов. При этом аминокислотная последовательность остается той же. Но белки теряют их естественные свойства (гидрофильность, растворимость и другие).

Стоит отметить, что любое весомое изменение внешних условий способно привести к нарушениям структур белка. Чаще всего денатурацию провоцирует повышение температуры, а также оказываемое на белок воздействие щелочи, сильной кислоты, радиации, соли тяжелых металлов и даже определенных растворителей.

Интересно, что нередко денатурация приводит к тому, что частицы белка агрегатируются в более крупные. Ярким примером является, например, яичница. Всем ведь знакомо, как в процессе жарки белок образуется из прозрачной жидкости.

Еще следует рассказать о таком явлении, как ренатурация. Этот процесс обратен денатурации. Во время него белки возвращаются к природной структуре. И это действительно возможно. Группа химиков из США и Австралии нашла способ, с помощью которого можно ренатурировать сваренное вкрутую яйцо. Уйдет на это всего несколько минут. А потребуется для этого мочевина (диамид угольной кислоты) и центрифугирование.

Структура

О ней необходимо сказать в отдельности, раз речь идет о значении белков. Всего выделяют четыре уровня структурной организации:

• Первичная . Подразумевается последовательность остатков аминокислот в цепи полипептидов. Главная особенность - это консервативные мотивы. Так называются устойчивые сочетания остатков аминокислот. Они есть во многих сложных и простых белках.
• Вторичная . Имеется в виду упорядочивание какого-либо локального фрагмента цепи полипептидов, которое стабилизируют водородные связи.
• Третичная . Так обозначается пространственное строение цепи полипептидов. Состоит данный уровень из некоторых вторичных элементов (их стабилизируют разные типы взаимодействий, где гидрофобные являются важнейшими). Здесь в стабилизации участвуют ионные, водородные, ковалентные связи.
• Четвертичная . Ее еще называют доменной или субъединичной. Данный уровень состоит из взаимного расположения цепей полипептидов в составе цельного белкового комплекса. Интересно, что в состав белков с четвертичной структурой входят не только идентичные, но еще и отличающиеся цепочки полипептидов.

Данное деление было предложено датским биохимиком по имени К. Линдстрем-Ланг. И пусть считается, что оно устарело, пользоваться им все равно продолжают.

Типы строения

Рассказывая про свойства белков, следует также отметить, что эти вещества делятся на три группы в соответствии с типом строения. А именно:

• Фибриллярные белки. Они имеют нитевидную вытянутую структуру и большую молекулярную массу. Большинство из них не растворяется в воде. Структура этих белков стабилизируется взаимодействиями между полипептидными цепями (они состоят как минимум из двух остатков аминокислот). Именно фибриллярные вещества образуют полимер, фибриллы, микротрубочки и микрофиламенты.
• Глобулярные белки. Вид структуры обуславливает их растворимость в воде. А общая форма молекулы отличается сферичностью.
• Мембранные белки. Строение этих веществ имеет интересную особенность. У них есть домены, которые пересекают клеточную мембрану, но их части выступают в цитоплазму и межклеточное окружение. Эти белки играют роль рецепторов - передают сигналы и отвечают за трансмембранную транспортировку питательных веществ. Важно оговориться, что они весьма специфичны. Каждый белок пропускает лишь определенную молекулу или сигнал.

Простые

О них тоже можно рассказать чуть подробнее. Простые белки состоят лишь из цепей полипептидов. К ним относятся:

• Протамин . Ядерный низкомолекулярный белок. Его присутствие является защитой ДНК от действия нуклеаз - ферментов, атакующих нуклеиновые кислоты.
• Гистоны . Сильноосновные простые белки. Они сосредоточены в ядрах клеток растений и животных. Принимают участие в «упаковке» ДНК-нитей в ядре, а еще в таких процессах, как репарация, репликация и транскрипция.
• Альбумины . О них уже говорилось выше. Самые известные альбумины - сывороточный и яичный.
• Глобулин . Участвует в свертывании крови, а также в других иммунных реакциях.
• Проламины . Это запасные белки злаков. Названия у них всегда разные. У пшеницы они именуются птиалинами. У ячменя - гордеинами. У овса - авснинами. Интересно, что проламины делятся на свои классы белков. Их всего две: S-богатые (с содержанием серы) и S-бедные (без нее).

Сложные

Что касательно сложных белков? Они содержат простетические группы или те, в которых нет аминокислот. К ним относятся:

• Гликопротеины . В их состав входят углеводные остатки с ковалентной связью. Эти сложные белки - важнейший структурный компонент клеточных мембран. К ним относятся также многие гормоны. А еще гликопротеины эритроцитовых мембран определяют группу крови.
• Липопротеины . Состоят из липидов (жироподобных веществ) и играют роль «транспорта» данных веществ в крови.
• Металлопротеиды . Эти белки в организме имеют огромное значение, так как без них не протекает обмен железа. В состав их молекул входят ионы металлов. А типичными представителями данного класса являются трансферрин, гемосидерин и ферритин.
• Нуклеопротеиды . Состоят из РКН и ДНК, не имеющих ковалентной связи. Яркий представитель - хроматин. Именно в его составе реализуется генетическая информация, репарируется и реплицируется ДНК.
• Фосфопротеины . Их составляют остатки фосфорной кислоты, связанные ковалентно. В качестве примера можно привести казеин, который изначально содержится в молоке, как соль кальция (в связанном виде).
• Хромопротеиды . У них простое строение: белок и окрашенный компонент, относящийся к простетической группе. Они принимают участие в клеточном дыхании, фотосинтезе, окислительно-восстановительных реакциях и т. д. Также без хромопротеидов не происходит аккумулирование энергии.

Обмен веществ

Выше уже было многое рассказано про физико-химические свойства белков. Об их роли в обмене веществ тоже нужно упомянуть.

Есть аминокислоты, являющиеся незаменимыми, поскольку они не синтезируются живыми организмами. Млекопитающие сами получают их из пищи. В процессе ее переваривания белок разрушается. Начинается этот процесс с денатурации, когда его помещают в кислотную среду. Затем - гидролиз, в котором участвуют ферменты.

Определенные аминокислоты, которые в итоге получает организм, участвуют в процессе синтеза белков, свойства которых необходимы для его полноценного существования. А оставшаяся часть перерабатывается в глюкозу - моносахарид, являющийся одним из основных источников энергии. Белок очень важен в условиях диет или голодания. Если он не будет поступать вместе с едой - организм начнет «есть себя» - перерабатывать собственные белки, особенно мускульные.

Биосинтез

Рассматривая физико-химические свойства белков, нужно заострить внимание и на такой теме, как биосинтез. Эти вещества формируются на основе той информации, которая закодирована в генах. Любой белок - это уникальная последовательность остатков аминокислот, определяемая геном, кодирующим его.

Как это происходит? Ген, кодирующий белок, переносит информацию с ДНК на РНК. Это называется транскрипцией. В большинстве случаев синтез затем происходит на рибосомах - это важнейший органоид живой клетки. Данный процесс именуется трансляцией.

Есть еще так называемый нерибосомный синтез. Его тоже стоит упомянуть, раз речь идет о значении белков. Этот вид синтеза наблюдается у некоторых бактерий и низших грибов. Процесс осуществляется посредством высокомолекулярного белкового комплекса (известен как NRS-синтаза), и рибосомы в этом участия не принимают.

И, конечно же, существует еще химический синтез. С его помощью можно синтезировать короткие белки. Для этого используются методы вроде химического лигирования. Это противоположность пресловутого биосинтеза на рибосомах. Таким же методом удается получить ингибиторы определенных ферментов.

К тому же благодаря химическому синтезу можно вводить в состав белков те остатки аминокислот, которые в обычных веществах не встречаются. Допустим те, у боковых цепей которых есть флюоресцентные метки.

Стоит оговориться, что методы химического синтеза не безупречны. Есть определенные ограничения. Если в белке содержится более 300 остатков, то искусственно синтезированное вещество, скорее всего, получит неправильную структуру. А это отразится на свойствах.

Вещества животного происхождения

Их рассмотрению необходимо уделить особое внимание. Животный белок - это вещество, содержащийся в яйцах, мясе, молочных продуктах, птице, морепродуктах и рыбе. В них имеются все аминокислоты, необходимые организму, в том числе и 9 незаменимых. Вот целый ряд важнейших функций, которые выполняет животный белок:

• Катализ множества химических реакций. Данное вещество запускает их и ускоряет. За это «ответственны» ферментативные белки. Если в организм не будет поступать их достаточное количество, то окисление и восстановление, соединение и разрыв молекулярных связей, а также транспортировка веществ не будут протекать полноценно. Интересно, что лишь малая часть аминокислот вступают в различного рода взаимодействия. И еще меньшее количество (3-4 остатка) непосредственно задействовано в катализе. Все ферменты делят на шесть классов - оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Каждый из них отвечает за ту или иную реакцию.
• Формирование цитоскелета, образующего структуру клеток.
• Иммунная, химическая и физическая защита.
• Транспортировка важных компонентов, необходимых для роста и развития клеток.
• Передача электрических импульсов, важных для работы всего организма, поскольку без них невозможно взаимодействие клеток.

И это далеко не все возможные функции. Но даже так понятна значимость данных веществ. Синтез белка в клетках и в организме невозможен, если человек не будет употреблять в пищу его источники. А ими является мясо индейки, говядина, баранина, крольчатина. Еще много белка содержится в яйцах, сметане, йогурте, твороге, молоке. Также активировать синтез белка в клетках организма можно, добавив в свой рацион ветчину, субпродукты, колбасу, тушенку и телятину.

Изоэлектрическая точка

Амфотерность - кислотно- основные свойства белков.

Четвертичная структура

Многие белки состоят из нескольких субъединиц(протомеров), которые могут иметь одинаковый или различный аминокислотный состав. В этом случае белки имеют четвертичную структуру . Белки обычно содержат четное число субъединиц: две, четыре, шесть. Взаимодействие происходит за счет ионных, водородных связей, Ван-дер-ваальсовых сил. Гемоглобин взрослого человека HbA состоит из четырех попарно одинаковых субъединиц (а 2 β 2).

Четвертичная структура дает многие биологические преимущества:

а) возникает экономия генетического материала., уменьшается длина структурного гена и иРНК, в которых записана информация о первичной структуре белка.

б) возможно осуществлять замену субъединиц, что позволяет изменять активность

фермента в связи с изменяющимися условиями(осуществлять адаптацию). Гемоглобин

новорожденного состоит из белков (а 2 γ 2) . но в течение первых месяцев состав становится как у взрослого человека (а 2 β 2) .

8.4 . Физико-химические свойства белка

Белки, как и аминокислоты, являются амфотерными соединениями и обладают буферными свойствами.

Белки можно разделить на нейтральные, кислые и основные .

Нейтральные белки содержат равное число групп, склонных к ионизации: кислотных и основных. Изоэлектрическая точка таких белков находится в среде, близкой к нейтральной, если рН < pI , то белок становится положительно заряженным катионом, pH > pI , то белок становится отрицательно заряженным анионом.

NH 3 - белок - COOН <--> + NH 3 - белок - COO – <--> NH 2 - белок - COO –

рН < pI водный растворI pH > pI

Кислые белки содержат неравное число групп, склонных к ионизации: карбоксильных больше, чем аминогрупп. В водном растворе они приобретают отрицательный заряд, а раствор становится кислым. При добавлении кислоты (Н +) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а затем в избытке кислоты – превращается в катион. В щелочной среде такой белок заряжен отрицательно(исчезает заряд аминогруппы).

Кислый белок

NH 3 - белок - COO – + Н + + NH 3 - белок - COO – + Н + + NH 3 -белок- COOН

| <--> | <--> |

CОО – CООН COOН

Водный раствор рН = р I рН < pI

В избытке кислоты белок

заряжен положительно

Кислый белок в щелочной среде заряжен отрицательно

NH 3 - белок - COO – ОН – NH 2 - белок - COO –

| <--> |

CОО – CОО –

pH > pI

Основные белки содержат неравное число групп, склонных к ионизации: аминогрупп больше, чем карбоксильных. В водном растворе они приобретают положительный заряд, а раствор становится щелочным. При добавлении щелочи (ОН –) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а далее в избытке щелочи – превращается в анион. В кислой среде такой белок заряжен положительно(исчезает заряд карбоксильной группы)