По форме белковые молекулы делятся на фибриллярные и глобулярные.

Билет№32

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ.

Они определяются структурой белка. Белки – высокомолекулярные соединения, их молекулярная масса колеблется (в зависимости от вида белка) от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон. Принято считать белками такой полипептид, молекулярная масса которого превышает 5000 дальтон и при этом он несет ту или иную биологическую функцию. Например, молекулярная масса инсулина составляет около 6000 дальтон, гемоглобина – 68000 дальтон, каталазы около 250000 дальтон, миозин – 500000, белки вируса табачной палочки – до 1000000 дальтон.

Размеры белковых молекул зависят от ряда факторов (число аминокислотных остатков в полипептидной цепи, молекулярный вес белка, наконец, его форма) и колеблется от 0,001 до 0,1 мкм , то-есть в принципе, соизмеримы с коллоидными частицами, и, соответственно обладают некоторыми свойствами, близкими к свойствами коллоидных растворов:

1)низкая скорость диффузии белков в растворах (при этом глобулярные белки более подвижны чем фибриллярные).

2)Высокая вязкость (увеличение вязкости белков плазмы крови создает дополнительную нагрузку на миокард). Вязкость белковых растворов связана с большой молекулярной массой, связями в белковых молекулах, и наличием гидратной оболочки.

3)Белки неспособны проходить через полупроницаемую мембрану. В участках с высокой концентрацией белка создается избыточное гидростатическое давление. Притягивая воду, белки создают онкотическое давление. Это очень важный фактор для перераспределения воды между сосудистым руслом и тканями. Изменение ( уменьшение) онкотического давления может привести к отекам, а увеличение может привести к увеличению объема циркулирующей крови.

4)Некоторые белки (особенно фибриллярные) способны к гемообразованию (например, коллаген – это повышает его прочность).

По форме белковые молекулы делятся на фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки – это устойчивые, как правило нерастворимые в воде и в разбавленных солевых растворах вещества. Располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, полипептидные цепи образуют длинные волокна – фибриллы. Это основные структурные элементы соединительной ткани (коллаген, кератин, эластин). У глобулярных белков полипептидные цепи плотно свернуты в компактные сферические структуры. Большинство этих белков растворимы в воде и слабых солевых растворах. Это почти все ферменты, антитела, альбумины, гемоглобин. Некоторые белки принадлежат к промежуточному типу. Подобно фибриллярным, они состоят из длинных палочковидных структур, в тоже время они, как и глобулярные, растворимы в водных солевых растворах. Это миозин, фибриноген. Белки обладают и свойствами истинных растворов.

Растворимость. Большинство белков растворимы в воде и водных солевых растворах, образуя растворы высокомолекулярных соединений (истинные растворы), по своим свойствам напоминающие коллоидные, так-как размеры белковых молекул сопостовимы с размерами коллоидных частиц. Растворы белков устойчивы. Растворимость белка тем выше, чем больше гидрофильных групп на его поверхности . На растворимость белков влияет добавление солей: так альбумины хорошо растворимы в воде, глобулины растворяются в присутствии 5-10% KCl или NaCl. Присутствие соли уменьшает(ослабляет) внутренние ионные связи.

Факторы стабилизации белковых растворов:

1) Наличие заряда.

2) Высокая степень гидротации.

Наличие заряда обусловлено способностью к ионизации гидрофильных группировок аминокислот, входящих в состав белка. Это группы –СООН, -ОН, -SH, -NH2 и т.д. Основной фактор ионизации – величина pH среды. Чем щелочнее среда, тем больший отрицательный заряд приобретает белковая молекула. Это можно изобразить схемотично:

-СООН щелочная среда -СОО ^-

-ОН -О ^-

-SH >pH -S ^-

и наоборот, чем кислее среда, тем больше положительный заряд:

-NH2 кислая среда -NH3⁺

<pH

-NH2 -NH3⁺

В большей степени ионизации подвергают группы –СООН и –NH2, в меньшей –ОН и –SH –группы. То значение рН, при котором группы -СООН или –NH2 ионизированы на 50%, называется показатель ионизации(Рк). Для карбоксильных групп Рк=2-4, для аминогрупп 10-12. Появление заряда на белковой молекуле приводит к образованию ионных связей. Способность к ионизации обуславливает буферное свойство белков( (при защелачивании среды белки могут являтся донорами протонов – в основном за счет карбоксильных групп, при закислении среды белки являются акцепторами протонов, при этом Н+ присоединяется к аминогруппам). В щелочной среде белок ведет себя как анион, и если раствор такого белка поместить в постоянное электрическое поле, то он мигрирует по направлению к аноду. Напротив, в кислой среде белок ведет себя как катион и в постоянном электрическом поле двигается по направлению к катоду. Эти свойства белков использовал Тизелиус, который в 1937 году предложил новый метод разделения сложных белковых смесей – электрофорез. В медицине явление электрофореза широко используется. Он применяется для разделения белков в сыворотке крови на фракции, для введения лекарственных веществ и т.д. При определенном значении рН среды количество положительных и отрицательных зарядов становится равным(т.е. суммарный заряд молекул белка равен 0). Такое состояние белка называется изоэлектрическим. Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой и обозначается Pi. Изоэлектрическая точка белков варьирует между значениями рН от 1 (для пепсина)до 10 (для гистонов).Для большинства белков изоэлектрическая точка лежит в более узких пределах: от 4 до 7. Снять заряд можно добавлением электролита или приближением рН к Pi (т.е., по сути, подкислением раствора).

Гидратация объясняется полярными взаимодействиями гидрофильных групп белков(-COOH,-OH,-SH,-NH2) с диполями воды, при этом вокруг молекулы белка образуется «водная шуба», которые препятствует взаимодействию молекул белка между собой. Гидратацию можно уменьшить, изменяя конформацию белка (то-есть нарушая третичную структуру) – убирая гидрофильнуые группы внутрь белковой молекулы или добавляя вещества, жадно поглощающие воду (спирт, соли серной кислоты). Таким образом, для осаждения белка необходимо снять заряд и убрать гидратную оболочку. Вязкость растворов белка во многом определяет его оптические свойства.

Оптические свойства.

Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, аминокислотным составом наличием пептидных связей, степенью спирализации и так далее.

1)Для белковых растворов характерна рефракция (преломление света). Если через раствор белка пропустить свет, то луч света отклоняется. Причем величина отклонения прямо пропорциональна концентрации белка в растворе.

2) Растворы белков способны вращать плоскость поляризованного света. Это обусловлено тем, что аминокислоты, из которых состоит белок, содержит ассиметричный атом углерода (то-есть все связи у этого атома заняты разными группами), например это альфа-углеродный атом. При этом возможны разные оптические изомеры (L,D). Все природные аминокислоты является L-производными. При хранении останков животных L-изомеры постепенно переходят в D-изомеры. Это свойство используют в экспертизе по определении времени сохранности останков. Как правило, растворы белка вращают плоскость поляризации влево, так как большинство аминокислот левовращающие.

3) Белковые растворы рассеивают свет. Это явление обусловлено тем, что размеры белковых молекул соизмеримы с длинной волны света как маленькие зеркала, повернутые во все стороны, куда они и рассеивают падающий свет.

4) Растворы белков поглощают свет (в ультрафиолетовой части спектра) в диапазоне 250 –300 нанометров. Также поглощение идет в диапазоне 210 - 230 нанометров. Поглощение в диапазоне 250 - 300 связано с наличием в составе белковых молекул ароматических (циклических) аминокислот (фенилаланина, тирозина, триптофана) . Поглощение же света в диапазоне 210 – 230 нанометров определяется наличием пептидных связей. Белковые растворы обладают дихроизмом, то-есть красные лучи (как более длинные) проходят через белки, а голубые (короткие) – рассеиваются.Все оптические свойства имеют практические значение. На использовании этих свойств основана работа соответствующих приборов, позволяющих определять концентрацию белка в растворах.

Антисвёртывающая система

В норме процесс свёртывания крови у человека представляет собой очень динамичную систему. Система свёртывания и антисвёртывающая система находятся в динамическом равновесии, при котором фибриновые сгустки постоянно образуются а затем растворяются. Можно выделить три основные группы антикоагулянтов: 1)Фибринолитическая система 2)Ингибиторы тромбина 3)Ингибиторы тромбопластина. 1) Основным фактором фибринолиза является плазмин. Он представляет собой сериновую протеазу, способную гидролизовать фибрин и фибриноген, факторы V и VIII. В норме плазмин содержится в плазме в форме неактивного плазминогена. Плазминоген осаждается вместе с фибрином, входя, таким образом, в состав фибринового сгустка. Образующийся в результате активации плазминогена плазмин расщепляет молекулы фибрина на растворимые фрагменты и сгусток исчезает. Активаторами плазминогена являются урокиназа – это протеолитический фермент, содержащийся в почках и тканевый активатор плазминогена (ТАП) – это сериновая уреаза, которая при контакте с фибрином способна активировать плазминоген. И тот и другой активатор действует по механизму частичного протеолиза. Активирующим действием обладают каллекреины, трипсин, фактор XII. Концентрация активаторов плазминогена повышается при ряде заболеваний, в том числе при некоторых формах рака, при шоке, при циррозе печени. Некоторые бактериальные продукты, например, стрептокиназа активируют плазминоген без протеолиза. Такой же активирующей активностью обладают и некоторые яды змей и насекомых. Применение полученного методом генной инженерии ТАПа могло бы способствовать восстановлению проходимости коронарных артерий.

2) Нормальная плазма характеризуется и несколькими видами антитромбиновой активности. Небольшой вклад в неё вносит ₁-антитрипсин. На долю специфического ₂глобулина приходится 25% все антитромбиновой активности плазмы. Он образует необратимый комплекс с тромбином и другими протеазами, препятствуя связыванию этих ферментов с субстратом. ₂глобулин является и ингибитором плазмина. Наибольшая антитромбиновая активность присуща антитромбину-III. Переход этого соединеия из неактивной формы в активную происходит при соединении с гепарином. При этом изменяется конформация антитромбина-III и он может связаться со всеми сериновыми протеазами, включая трипсин, химотрипсин и плазмин. В системе связывания крови антитрипсин-III ингибирует активность тромбина, факторов IX-A, X-A, XI-A, XII-A. При недостаточности антитромбина-III отмечается склонность к образованию тромбов. Гепарин часто используется в клинической практике как антикоагулянт. Небольшое его количество находится на стенках сосудов, вследствие этого снижается активация внутреннего пути свёртывания крови. Препараты группы кумарина ингибируют витамин-К-зависимый синтез факторов II, VII, IX. X. При введении витамина К этот блок снимается (это действие наблюдается только через 12-24 часа). Противосвёртывающую активность гепарина можно подавить сильно катионными полипептидами, например, протамином (это действие происходит практически сразу).

3) Ингибиторы тромбина представлены белками, фосфолипидами, в частности – фосфатидилсерин. К ним относятся антифакторы VIII, , XI, XII, которые препятствуют образованию тромбопластина. Некоторые ингибиторы этой группы разрушают липидные компоненты уже образованного тромбопластина. При недостаточности различных компонентов системы свёртывания крови развивается целый ряд наследственных болезней. Так, при недостаточности фактора VIII, развивается гемофилия А (соответствующий ген локализован в Х-хромосоме). При недостаточности фактора IX отмечается патология, названная гемофилия В. Ген локализован в той же Х-хромосоме. При этих видах гемофилий передача недостаточной наследственной информации происходит от женщин, хотя сами женщины гемофилией не болеют. При недостаточности фактора VIII в сочетании с нарушением адгезии тромбоцитов, развивается болезнь Виллебрандта, при которой ещё более увеличивается продолжительность кровотечения. При активации свёртывающей системы повышается тромбообразование. При нарушении тромбоцитарного гемостаза отмечается тромбоцитопения (уменьшение количества тромбоцитов), тромбоцитопатия (снижена способность тромбоцитов к адгезии и агрегации), тромбофилия (нарушается образование антитромбинов).

Кровь должна свёртываться только в соответствующих ситуациях, иначе возникает опасность тромбов, а снижение свёртываемости приводит к различного рода гемофилиям.

COOH

NH2 COOH COOH COOH COOH CH2

| | -HS-KoA;-CO2 | | - 2H2O | |

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

| + | дельта-аминолевулат | + | порфобилиноген | |

COOH CO-S-KoA синтетаза CO CO синтетаза C C

глицин Сукцинил | | || ||

КоА CH2 CH2 C CH

| | | |

NH2 NH2 CH2 NH

Дельта-аминолевулиновая |

кислота NH2

Порфобилиноген

+еще 3 молекулы уропорфириноген -4СО2 Копропорфириноген

билиногена (содержит 4 пирольных (из СООН-СН2) (содержит 4 метильных

кольца, связанных между группы)

- 4 NH3 собой группами –СН=)

проторфирин Гем

-2 СО2; - 2Н2 (содержит 2 винильные +Fе (из ферритина)

(из СООН – СН2 – СН2) группы СН2 = СН -)

Белковый компонент гемоглобина присоединяется к 5 координационному положению железа. К 6 – присоединяется СО2 или О2, или СО. В синтезе гемоглобина принимают участие витамины В6, В12. фолиевая кислота, биотин (витамин Н).

CH2 CH2

|| ||

CH3 CH CH3 CH

| | | |

1 2

N N

CH Fe CH

N N

3 4 Г Е М

CH3 CH2 CH2 CH3

| |

CH2 CH2

| |

COOH COOH

При нарушении синтеза гема в крови, тканях накапливаются промежуточные продукты-порфирины – соответственно возникает заболевания порфирии. Порфирии представляют собой группу наследственных заболеваний, при которых частичный дефицит одного из ферментов синтеза приводит к уменьшению образования гема. Это в свою очередь устраняет подавляющий эффект гема, на дельта-аминолевулинатсинтазу, что приведет к накоплению дельта-аминолевулиновой кислоты и порфобилиногена, или последующих порфиринов. Если в избытке образуются предшественники порфиринов, то клинические проявления носят неврологический характер, так как предшественники являются нейротоксинами. Если накапливаются порфирины, то нарушается светочувствителность,при этом образуются токсичные свободные радикалы. Все порфирии-заболевания достаточно редкие. Например, в Великобритании, где она наблюдается наиболее часто, число случаев составляет 1 – 2 на 100000 населения. Порфирии нередко возникают при поражениях печени. Возможно образование других изомерных форм порфиринов. Синтез вроде бы идет до конца, а гема – нет, то-есть образуются его изомерные формы, которые не могут использоваться. При порфириях поражается нервная система, печень, увеличивается выделение порфиринов с мочой. Отмечена большая группа заболеваний кожи, связанная с нарушением порфиринового обмена. Часто при порфириях человек не может загорать, настолько повышена чувствительность к УФЛ