КЛАСИФІКАЦІЯ І ВЛАСТИВСТІ АМІНОКИСЛОТ

Тема: Білки і нуклеїнові кислоти.

Мета вивчення:визначити загальну характеристику білків, їх функції, будову амінокислот, фізико-хімічні властивості білків, що таке прості та складні білки і їх будову.

Обладнання:плакати, комп’ютер, відеомагнітофон.

План лекції:

1. Загальна характеристика білків.

2. Функції білків.

3. Амінокислотний склад білків.

4. Фізико-хімічні властивості білків.

5. Прості та складні білки.

Література:

1. Збарский Б. И. Биологическая химия / Збарский Б. И., Иванов И. И., Мардашев С. Р. - Ленинград.: Медицина, 1986. - 519 с.

2. Покровский А. А. Рекомендации по питанию спортсменов / Покровский А. А. - М.: Физкультура и спорт, 1975. - 252 с.

3. Пустовалова Л. М. Практикум по биохимии для студентов вузов / Пустовалова Л. М. - Ростов-на-Дону.: Феникс, 1999. - 521 с.

Ключові поняття:білки, амінокислоти, коагуляція, протеїни, низькомолекулярні, каталітична функція, білок-рецептор, білки-олігомери, альбуміни, глобуліни.

Основний зміст

Питання 1.

Білки — це особливий клас речовин, що зустрічається в усіх живих організмах. Без білків життя не існує. Учення про білки сформувалося у XVIII-XIX ст. Назва пов'язана з тим, що саме у XVIII ст. в живих організмах було відкрито речовини, які мають деяку подібність до білка курячого яйця. Зокрема, всі вони утворюють в'язкі клейкі розчини, коагулюються при нагріванні, а під час горіння дають запах спаленої шерсті. Зараз у всьому світі білки називають протеїнами (від грецьк. слова protos— перший, важливіший). Цим терміном підкреслюється надзвичайно важлива роль білків у життєдіяльності організмів. Виходячи із структури, білками називаються високомолекулярні азотовмісні органічні речовини, побудовані з амінокислот, що з'єднані між собою пептидними зв'язками і мають складну структурну організацію. Іншими словами, білки — це високомолекулярні полімери, мономерами яких є амінокислоти.

Різноманітність білків у природі вражаюча. Так, за сучасними даними, в клітині кишкової палички міститься приблизно 3000 різних білків, а в організмі людини — більше 50000. Якщо виходити з 20 основних амінокислот, то кількість можливих білків, що містять лише 50 амінокислотних залишків, повинна складати 20 • 1050. Але реально в природі існує значно менше білків, бо порядок чергування амінокислот і їх послідовність у молекулі білка визначаються не законами математики, а закодовані у ДНК живого організму.

Так чи інакше, білки надзвичайно поширені в живій природі та є основою будови організму. Вони становлять у середньому 18-20 % загальної маси тіла людини і близько 50 % його сухої маси.

Питання 2.

Функції білків

Білки виконують в організмі цілий ряд функцій.

Каталітична функція

Найбільш добре відома роль білків в організмі - каталіз різних хімічних реакцій. Ферменти - група білків, що володіє специфічними каталітичними властивостями, тобто кожен фермент каталізує одну або декількасхожих реакцій. Ферменти каталізують реакції розщеплювання складних молекул (катаболізм) та їх синтезу (анаболізм), а також реплікації і репарації ДНК і матричного синтезу РНК. Відомо кілька тисяч ферментів, серед них такі, як, наприклад пепсин, розщеплюють білки впроцесі травлення. У процес посттрансляційної модифікації деякі ферменти додають або видаляють хімічні групи на інших білках. Відомо близько 4000 реакцій, що каталізуються білками. Молекули, які приєднуються до ферменту і змінюються в результаті реакції,називаються субстратами. Хоча ферменти зазвичай складаються з сотень амінокислот, тільки невелика частина з них взаємодіє з субстратом, і ще менша кількість - в середньому 3-4 амінокислоти, часто розташовані далеко один від одного в первинної амінокислотної послідовності - безпосередньо беруть участь в каталізі. Частина ферменту, яка приєднує субстрат і містить каталітичні амінокислоти, називається активним центром ферменту.

Структурна функція

Структурні білки цитоскелета, як свого роду арматура, надають форму клітин і багатьом органоїдам і беруть участь у зміні форми клітин. Колаген і еластин - основні компоненти міжклітинної речовини сполучної тканини (наприклад, хряща), а з іншого структурного білка кератину складаються волосся, нігті, пір'я птахів і деякі раковини. Дуже велика кількість білків (більше 15 г): сир голландський і плавлений, сир нежирний, м'ясо тварин і курей I і II категорій, більшість риб, соя, горох, квасоля, горіхи фундук і волоські.

Великий вміст білків (10-15 г): сир жирний, свинина м'ясна і жирна, ковбаси варені, сосиски, яйця, крупи манна, гречана, вівсяна, пшоно, борошно пшеничне, макарони. Помірний вміст білків (5-99 г): хліб житній і пшеничний, крупа перлова, рис, горошок зелений. Малий вміст білків (2-49 г):молоко, кефір, вершки, сметана, морозиво вершкове, шпинат, капуста цвітна, картопля. Дуже малий вміст білків (04-19 г): масло вершкове, майже всі овочі, фрукти, ягоди та гриби. Рослинні білки менш повноцінні (недостатньо збалансований амінокислотний склад) і важко перетравлюються.

Захисна функція

Існують декілька видів захисних функцій білків:

1. Фізичний захист. У ній бере участь колаген - білок, який утворює основу міжклітинної речовини сполучнихтканин (у тому числі кісток, хряща, сухожиль і глибоких шарів шкіри) дерми); кератин, що становить основу рогових щитків, волосся, пір'я, рогів та ін похідних епідермісу. Зазвичай такі білки розглядають як білки зі структурною функцією. Прикладами цієї групи білків служать фібриноген і тромбін, що беруть участь у процесахзгортання крові.

2. Хімічний захист. Зв'язування токсинів білковими молекулами може забезпечувати їх детоксикацію. Особливо важливу роль в детоксикації у людини відіграють ферменти печінки, що розщеплюють отрути або переводять їх у розчинну форму, що сприяє їх швидкому виведенню з організму.

3. Імунний захист. Білки, що входять до складу крові та інших біологічних рідин, беруть участь в захисному відповіді організму як на пошкодження, так і на атаку патогенів. Білки системи комплементу і антитіла (імуноглобуліни) відносяться до білків другої групи, вони нейтралізують бактерії, віруси або чужорідні білки. Антитіла, що входять до складу адаптатівной імунної системи, приєднуються до чужорідних для даного організму речовин, антигенів, і тим самим нейтралізують їх, спрямовуючи до місць знищення.

Регуляторна функція

Багато процесів всередині клітин регулюються білковими молекулами, які не служать ні джерелом енергії, ні будівельним матеріалом для клітини. Ці білки регулюють транскрипцію, трансляцію, сплайсинг, а також активність інших білків. Регуляторну функцію білки здійснюють або за рахунок ферментативної активності (наприклад, протеїнкінази), або за рахунок специфічного зв'язування з іншими молекулами, як правило, впливає на взаємодію з цими молекулами ферментів. Так, транскрипція генів визначається приєднанням факторів транскрипції - білків-активаторів і білків-репрессоров до регуляторних послідовностей генів. На рівні трансляції зчитування багатьох мРНК також регулюється приєднанням білкових чинників, а деградація РНК і білків також проводитьсяспеціалізованими білковими комплексами. Найважливішу роль в регуляції внутрішньоклітинних процесів грають протеїнкінази - ферменти, які активують або пригнічують активність інших білків шляхом приєднання до них фосфатних груп.

Сигнальна функція

Сигнальна функція білків - здатність білків служити сигнальними речовинами, передаючи сигнали між тканинами, клітинами або організмами. Часто сигнальну функцію об'єднують з регуляторною, так як багато внутрішньоклітинні регуляторні білки теж здійснюють передачу сигналів. Сигнальну функцію виконують білки-гормони, цитокіни, фактори росту та ін. Гормони переносяться кров'ю. Більшість гормонів тварин - це білки або пептиди.

Зв'язування гормону з рецептором є сигналом, що запускає в клітці відповідну реакцію. Гормони регулюють концентрації речовин в крові і клітинах, зростання, розмноження та інші процеси. Прикладом таких білків служить інсулін, який регулює концентрацію глюкози в крові Клітини взаємодіють один з одним за допомогою сигнальнихбілків, які передаються через міжклітинний речовина. До таких білків належать, наприклад, цитокіни та фактори росту. Цитокіни - невеликі пептидні інформаційні молекули. Вони регулюють взаємодії між клітинами, визначають їх виживання, стимулюють або пригнічуютьзростання, диференціювання, функціональну активність і апоптоз, забезпечують узгодженість дій імунної, ендокринної та нервової систем. Прикладом цитокінів може служити фактор некрозу пухлин, який передає сигнали запалення між клітинами організму.

Транспортна функція

Розчинні білки, що беруть участь в транспорті малих молекул, повинні мати високу спорідненість до субстрату, коли він присутній у високій концентрації, і легко його вивільняти в місцях низької концентрації субстрату. Прикладом транспортних білків можна назвати гемоглобін, який переносить кисень з легень до решти тканин і вуглекислий газ від тканин до легень, а також гомологічні йому білки, знайдені у всіх царствах живих організмів. Деякі мембранні білки беруть участь в транспорті малих молекул через мембрану клітини, змінюючи її проникність. Ліпідний компонент мембрани водонепроникний (гідрофобний), що запобігає дифузію полярних або заряджених (іони) молекул.

Мембранні транспортні білки прийнято поділяти на білки-канали і білки-переносники. Білки-канали містять внутрішні, заповнені водою пори. Білки-переносники зв'язують, подібно ферментам, кожну молекулу або іон і, на відміну від каналів, можуть здійснювати активний транспорт з використанням енергії АТФ.

Запасна (резервна) функція білків

До таких білків належать так звані резервні білки, які запасаються в якості джерела енергії і речовини в насінні рослин і яйцеклітинах тварин; білки третинних оболонок яйця (овальбуміни) і основний білок молока (казеїн) також виконують, головним чином, живильну функцію. Ряд інших білків використовується в організмі як джерело амінокислот, які в свою чергу є попередниками біологічно активних речовин, що регулюють процеси метаболізму.

Рецепторна функція

Білкові рецептори можуть як знаходитися в цитоплазмі, так і вбудовуватися в клітинну мембрану. Одна частина молекули рецептора сприймає сигнал, яким найчастіше служить хімічна речовина, а в деяких випадках - світло, механічний вплив (наприклад, розтягнення) та інші стимули. При впливі сигналу на певну ділянку молекули білок-рецептор відбуваються її конформаційні зміни. В результаті змінюється конформація іншій частині молекули, що здійснює передачу сигналу на інші клітинні компоненти. Існує кілька механізмів передачі сигналу. Деякі рецептори каталізують певну хімічну реакцію, інші служать іонними каналами, які при дії сигналу відкриваються або закриваються, треті специфічно пов'язують внутрішньоклітинні молекули-посередники. У мембранних рецепторів частина молекули, що зв'язуються з сигнальної молекулою, знаходиться на поверхні клітини, а домен, що передає сигнал, всередині.

Вміст білків в органах і тканинах

В організмі людей і тварин вміст білка значно вищий ніж у рослин. У м'язах, легенях, селезінці, нирках на білки припадає більше 70-80 % сухої маси; в печінці — 57 %, у мозку — 45 %. Найнижчий вміст білка в кістках і у зубах — 20 і 18 %. Неоднаковий вміст білка і в різних субклітинних органелах. Найбільше білка в гіалоплазмі (внутрішньоклітинний сік). Якщо прийняти загальний білок клітини за 100 %, то на гіалоплазму припадає 40 %. Мітохондрії та мікросоми містять по 20 %, ядро — 12 %, лізосоми — 2 %, пероксисоми — 2,5 %, плазматична мембрана — 1,5 % білка.

Питання 3.

Амінокислотний склад білків

Мономерами білків, як було сказано вище, є амінокислоти. Спільною ознакою для всіх амінокислот є наявність карбоксильної та амінної груп.

У білках знаходяться 20 різновидів амінокислот. Як правило, природні амінокислоти мають L-конфігурацію, але в клітинах мікроорганізмів зустрічаються і D-амінокислоти.

Усього у світі їх відкрито понад 200. В організмі людини міститься близько 60 амінокислот і їх похідних, але у склад білків входять лише 20. Решта або знаходяться у клітині у вільному вигляді (як проміжні продукти обміну), або входять до складу інших небілкових сполук.

Амінокислоти

До складу білків входять a-амінокислоти. Відомо 20 a-амінокислот, які генетично кодуються, і декілька їх похідних, що утворюються шляхом ферментативної модифікації.

Кожна амінокислота, крім гліцину, містить один чи більше асиметричних атомів карбону, тобто проявляє оптичну активність. За абсолютною конфігурацією амінокислоти в організмах належать до L-ряду. Лише у складі пептидів деяких мікроорганізмів зустрічаються D-амінокислоти, наприклад в токсині бутулізму.

Амінокислоти - слабкі електроліти. Вони містять групи як кислотного, так і основного характеру, тобто є біполярними йонами. Їх заряд залежить від кількості цих груп і рН середовища.

КЛАСИФІКАЦІЯ І ВЛАСТИВСТІ АМІНОКИСЛОТ

Питання 4.

Фізико-хімічні властивості білків

Властивості білків визначаються хімічним складом, розмірами і формою молекули. Білки мають молекулярну масу від 6 тисяч до мільйону і більше (для білків-олігомерів).

Розчинність. Фібрилярні білки не розчиняються у воді, так як містять переважно гідрофобні радикали, рівномірно розташовані вздовж витягнутої молекули. Глобулярні білки утворюють гідрофільні колоїди з розміром частинок 1-100 нм, в яких молекули води оточують глобули гідратними оболонками і взаємодіють з полярними групами на їх поверхні.

Дія дегідратуючих речовин порушує стабільність білкових колоїдів і викликає їх коагуляцію. Тому, наприклад, вживання алкоголю приводить до порушення функцій ферментів травного тракту. Нейтральні солі у великих концентраціях також викликають коагуляцію білкових колоїдів та їх осадження (висолювання білків).

Внаслідок великого розміру білкові молекули не проходять через напівпроникні мембрани. Це дозволяє очистити білок від низькомолекулярних домішок. Суміш в мішечку з напівпроникною оболонкою поміщають в посудину з проточною водою і витримують у ньому протягом кількох діб. Цей метод називається діалізом.

В більшості біологічних рідин підтримується рН біля 7

Суміш різних білків можна розділити в електричному полі за напрямком і швидкістю переміщення молекул з різним зарядом. Цей метод називається електрофорезом. При повільному концентруванні білки утворюють кристали характерної форми. Цю властивість використовують для виділення індивідуальних білків.

Вплив температури. Білки переважно втрачають свою конформацію при температурі вище 50-60°С, хоч відомі термофільні бактерії, білки яких витримують і вищі температури. Найбільш чутливі до підвищення температури водневі зв’язки. При температурі нижче 25° послаблюються гідрофобні взаємодії. В межах фізіологічних температур зміна просторової структури приводить лише до зміни біологічної активності, а не до її втрати. Особливу чутливість до зміни температури проявляє білок сполучної тканини колаген, який денатурує при температурі на 20-30° меншій, ніж більшість білків, і лише на 1-2° вищій від температури тіла. Колаген дощових черв’яків, які живуть при 20°С, денатурує при 22°С, колаген коропа з теплих водойм (температура води 28 – 30⁰ С) - при 29-32°С. Така подібність температури тіла і денатурації колагену має пристосувальне значення. Стан молекул на межі денатурації полегшує розщеплення їх в процесі обміну і покращує їх взаємодію при утворенні фібрил та їх скороченні.

Таке явище ми спостерігаємо, наприклад, при варінні чи смаженні яєць.

Вплив рН середовища. При екстремальних значеннях рН білки денатурують внаслідок зміни заряду функціональних груп. Однак осадження білку при цьому не спостерігається, оскільки молекули мають значний однойменний заряд і взаємно відштовхуються.

Денатуруючу дію на білки мають також деякі речовини з тих, що утворюють з ними солі. Це трихлороцтова та хлорна кислоти, катіони важких металів (Pb2+, Cu2+ та інші). При їх дії спостерігається осадження білків.

При денатурації первинна структура білків не порушується і в деяких випадках денатурований білок відтворює свого природну конформацію - відбувається ренатурація. Отже, денатурація може бути необоротна і оборотна.

Питання 5.

Класифікація білків за особливостями хімічної будови

Загальноприйнятою є класифікація білків за хімічною структурою компонентів, що входять у склад білкової молекули. Усі білки діляться на 2 групи: прості й складні.

Прості білки (апопротеїни) при гідролізі розщеплюються тільки до амінокислот. Складні білки (голопротеїни) — це двокомпонентні білки. Вони складаються з будь-якого простого білка та небілкового компонента, який називається простетичною групою. Але і ця класифікація не позбавлена недоліків. Річ у тому, що прості білки зустрічаються дуже рідко, бо функціональні групи білків здатні утворювати комплексні сполуки з різними небілковими речовинами. Отже, поняття прості білки надто відносне.

Складні білки поділяються на підгрупи, залежно від будови небілко­вого компонента. Звідси розрізняють: хромопротеїни, гемопротеїни, флаво-протеїни, нуклеопротеїни, глікопротеїни, ліпопротеїни, фосфопротеїни, металопротеїни та інші. Недосконалість цієї класифікації полягає в тому, що деякі складні білки можуть бути віднесені до різних груп речовин. Наприклад глікопротеїни можна розглядати як складні білки та як складні вуглеводи.

ПРОСТІ БІЛКИ

Поділ білків за формою молекул

Форма молекул білка, як було сказано при розгляді їх структурної організації, залежить від розміру поліпептидних ланцюгів і їх кількості, від характеру розміщення у просторі (їх упаковки).

Поліпептидні ланцюги в молекулах білків можуть скручуватися у вигляді спіралей, дисків або набувати витягнутих форм (видовжених) у вигляді різних джгутів. Тому за формою молекул білки діляться на глобулярні й фібрилярні.

Глобулярні білки. Значна частина розчинних білків,наприклад,альбуміни і глобуліни сировотки крові, білки молока яєць та інші, мають заокруглену форму,що наближається до еліпсоїдної. Такі білки були названі глобулярними (globulus — кулька з лат.).

Фібрилярні білки. Багато білків мають витягнуту, ниткоподібну або фібрилярну (fibrilla — волокно з лат.) форму молекули. У таких білках довжина молекули значно переважає над товщиною (сотні й тисячі разів). Сюди відносяться білок сполучної тканини — колаген, шкіри — кератин, артеріальних стінок — еластин та інші. Цим білкам притаманна висока пружність, міцність на розрив та еластичність, що дає їм змогу скорочуватись та розпрямлятись.

До простих білків відносять гістони, протаміни, альбуміни, глобуліни, проламіни, глютеліни і протеїноііди, або склеропротеїни. Як було сказано вище, ці білки при гідролізі розщеплюються до амінокислот, але разом із тим відрізняються між собою набором амінокислот, їх кількісним та якісним складом, що в кінцевому результаті надає їм відмінних фізико-хімічних та біологічних властивостей.

Альбуміни і глобуліни

Альбуміни і глобуліни — дуже поширені у тваринному та рослинному світі білки. Вони містяться в плазмі крові, в клітинах та біологічних рідинах. Залежно від походження, розрізняють сероальбуміни (serum — сироватка крові), лактоальбуміни (lact — молоко з лат.), міоальбуміни (міо — м'яз). Аналогічні назви є і серед глобулінів. За формою молекул альбуміни і глобуліни відносяться до глобулярних білків. Альбуміни та глобуліни відрізняються між собою за молекулярною масою та розчинністю. Якщо для альбумінів характерна невелика молекулярна маса (15-70 тис. дальтон), то в глобулінів вона перевищує 150 тисяч. Альбуміни мають неком-пенсований від'ємний заряд і кислі властивості (ізоелектрична точка — 4,7) за рахунок великої кількості глутамінової кислоти. Вони добре розчиняються у воді й сольових розчинах, характеризуються високою гідрофільністю та високою дисперсністю. Тому альбуміни випадають в осад тільки при високих концентраціях речовин, які зв'язують воду. Альбумінам притаманна висока адсорбційна здатність, завдяки чому вони виконують транспортну функцію: переносять іони металів, ліки, жирні кислоти та пігменти тощо.

Глобуліни, на противагу альбумінам, не розчиняються в чистій воді, а тільки в слабких сольових розчинах. Це слабкокислі або нейтральні білки (ізоелектричнаточка лежить в межах рН 6-7,3), які містять менше, ніж альбуміни, кислих амінокислот. Глобуліни, будучи слабогідра-тованими білками, випадають в осад за менших концентрацій (NH₄)₂SO₄ в розчинах, тоді як для осадження альбумінів потрібне 100 % насичення їх сульфатом амонію.

Альбумін і глобуліни плазми крові. У плазмі крові (рідка частина крові без клітинних елементів) вміст білків знаходиться в межах від 60 до 85 г/л. Із них на альбуміни припадає 40-50 г/л, на глобуліни — 20-35 г/л. За структурою ці білки неоднорідні й діляться на ряд фракцій, кількість яких залежить від способу розділення. Так, електрофорезом на папері в плазмі крові виявляють 5 фракцій: альбумін та 4 фракції глобулінів: альфа-1, альфа-2, бета та гамма. Якщо проводити імуноелектрофорез або електрофорез у поліакриламідному гелі, то кожна з фракцій глобулінів, одержаних при електрофорезі на папері, поділяється на ряд підфракцій, кількість яких, залежно від способу розділення, може сягати декількох десятків. Однак інтерпретація цих підфракцій не завжди до кінця зрозуміла. Відносно однорідною є тільки альбумінова фракція білків крові, але і вона при деяких впливах на організм розшаровується. У практичній медицині велике значення надається вивченню змін вмісту білків плазми крові та їх фракцій. Зменшення вмісту білка в сироватці крові (сироватка — це дефібринована плазма крові; вміст фібриногену складає 2-4 г/л) називається гіпопротеїнемією. Вона може викликатися надходженням в організм недостатньої кількості білків (голодування, порушення травлення і всмоктування в кишечнику), порушенням синтезу білків у печінці, хронічними хворобами нирок, гострими і хронічними крововтратами.

Підвищення вмісту білків крові — гіперпротеїнемія — буває абсолютною і відносною. Відносна супроводжує втрату організмом рідини, загальна кількість білків крові залишається при цьому незмінною, хоча концентрація їх зростає. Це має місце при профузних проносах, тривалому блюванні, нецукровому діабеті, порушенні гемодинаміки.

Абсолютна гіперпротеїнемія спостерігається за умов підвищеного синтезу глобулінів плазми крові, що має місце при потраплянні в організм мікроорганізмів та виробленні імунітету. Порушення співвідношення між фракціями білків крові — диспротеїнемія — найчастіше зумовлене хронічними захворюваннями (туберкульоз, рак, ревматизм та ін.)

СКЛАДНІ БІЛКИ

Білки, що містять у своєму складі, крім білкової, ще небілкову частину, називаються складними білками або голопротеїнами. Небілкова частина голопротеїнів — простетичною частиною білка (від грец. prostheto — приєдную). Складний білок при розщепленні утворює білкову частину — апопротеїн і небілкову — простетичну:

Складні білки поділяють на групи залежно від природи їх небілкової частини:

Питання для самостійної роботи:

1. Розрахувати кількість білків в раціоні спортсменів різних видів спорту.

2. ДНК тест – що це таке?

3. Нормативна кількість білків в раціоні дітей молодшого віку, школярів та студентів.

• ⇐ Назад
• 1
• 23