Proprietățile chimice ale proteinelor de reacție. Proteine: structură și funcții. Proprietățile proteinelor

Punct izoelectric

Amfoteritate - proprietăți acido-bazice ale proteinelor.

Structura cuaternară

Multe proteine ​​sunt compuse din mai multe subunități (protomeri), care pot avea aceeași compoziție de aminoacizi sau diferită. În acest caz, proteinele au structura cuaternară. Proteinele conțin de obicei un număr par de subunități: două, patru, șase. Interacțiunea are loc datorită legăturilor ionice, de hidrogen și forțelor van der Waals. Hemoglobina umană adultă HbA constă din patru subunități identice pe perechi ( A 2 β 2).

Structura cuaternară oferă multe beneficii biologice:

a) are loc o economisire de material genetic, lungimea genei structurale și ARNm, în care se înregistrează informații despre structura primară a proteinei, scade.

b) este posibilă înlocuirea subunităților, ceea ce vă permite să schimbați activitatea

enzimă în legătură cu condițiile în schimbare (a se adapta). Hemoglobină

nou-născutul este format din proteine ​​( A 2 y 2) . dar în primele luni compoziţia devine ca a unui adult (a 2 β 2) .

8.4. Proprietățile fizico-chimice ale proteinelor

Proteinele, ca și aminoacizii, sunt compuși amfoteri și au proprietăți de tamponare.

Proteinele pot fi împărțite în neutru, acid și bazic.

Proteine ​​neutre conţin un număr egal de grupe predispuse la ionizare: acide şi bazice. Punctul izoelectric al unor astfel de proteine ​​este într-un mediu apropiat de neutru dacă pH-ul< pI , то белок становится положительно заряженным катионом, pH >pI, atunci proteina devine un anion încărcat negativ.

NH 3 - proteină - COOH<-->+ NH 3 - proteine ​​- COO –<-->NH 2 - proteine ​​- COO –

pH< pI soluție apoasă I pH > pI

Proteine ​​acide conține număr inegal de grupe predispuse la ionizare: există mai multe grupări carboxil decât grupări amino. Într-o soluție apoasă, acestea capătă o sarcină negativă, iar soluția devine acidă. Când se adaugă acid (H +), proteina intră mai întâi în punctul izoelectric și apoi, în exces de acid, este transformată într-un cation. Într-un mediu alcalin, o astfel de proteină este încărcată negativ (încărcarea grupului amino dispare).

Proteine ​​acide

NH 3 - proteină - COO – + H + + NH 3 - proteină - COO – + H + + NH 3 - proteină - COOH

| <--> | <--> |

COO – COON COOH

Soluție apoasă pH = p I pH< pI

Proteine ​​în exces de acid

incarcat pozitiv

Proteina acidă într-un mediu alcalin este încărcată negativ

NH 3 - proteină - COO – OH – NH 2 - proteină - COO –

| <--> |

COO – COO –

pH > pI

Proteinele de bază conține număr inegal de grupe predispuse la ionizare: există mai multe grupări amino decât grupări carboxil. Într-o soluție apoasă, acestea capătă o sarcină pozitivă, iar soluția devine alcalină. Când se adaugă alcali (OH –), proteina intră mai întâi în punctul izoelectric, iar apoi, în exces de alcali, se transformă într-un anion. Într-un mediu acid, o astfel de proteină este încărcată pozitiv (încărcarea grupului carboxil dispare)

Compoziția de aminoacizi și organizarea spațială a fiecărei proteine ​​determină proprietățile fizico-chimice ale acesteia. Proteinele au proprietăți acido-bazice, tampon, coloidale și osmotice.

Proteinele ca macromolecule amfotere

Proteinele sunt polielectroliți amfoteri, adică Ele combină, ca și aminoacizii, proprietățile acide și bazice. Cu toate acestea, natura grupurilor care conferă proprietăți amfotere proteinelor este departe de a fi aceeași cu cea a aminoacizilor. Proprietățile acido-bazice ale aminoacizilor sunt determinate în primul rând de prezența grupărilor α-amino și α-carboxil (perechea acid-bază). În moleculele de proteine, aceste grupări participă la formarea legăturilor peptidice, iar amfoteritatea este conferită proteinelor de către grupările acido-bazice ale radicalilor laterali ai aminoacizilor incluși în proteină. Desigur, fiecare moleculă a unei proteine ​​native (lanț polipeptidic) are cel puțin o grupare α-amino și α-carboxil terminală (dacă proteina are doar o structură terțiară). Într-o proteină cu structură cuaternară, numărul de grupări terminale -NH2 și -COOH este egal cu numărul de subunități sau protomeri. Cu toate acestea, un număr atât de mic din aceste grupuri nu poate explica amfoteritatea macromoleculelor proteice. Deoarece majoritatea grupurilor polare sunt situate pe suprafața proteinelor globulare, ele determină proprietățile acido-bazice și încărcarea moleculei proteice. Proprietățile acide ale proteinelor sunt date de aminoacizii acizi (aspartic, glutamic și aminocitric) și proprietăți alcaline- aminoacizi bazici (lizina, arginina, histidina). Cu cât o proteină conține mai mulți aminoacizi acizi, cu atât proprietățile sale acide sunt mai pronunțate și cu cât o proteină conține mai mulți aminoacizi bazici, cu atât proprietățile sale de bază sunt mai pronunțate. Disocierea slabă a grupului SH al cisteinei și a grupului fenolic al tirozinei (pot fi considerați acizi slabi) nu are aproape niciun efect asupra amfoterității proteinelor.

Proprietăți tampon. Deși proteinele au proprietăți tampon, capacitatea lor la valorile fiziologice ale pH-ului este limitată. Excepție fac proteinele care conțin multă histidină, deoarece numai grupul lateral al histidinei are proprietăți de tamponare în intervalul de pH apropiat de cel fiziologic. Există foarte puține astfel de proteine. Hemoglobina, aproape singura proteină care conține până la 8% histidină, este un puternic tampon intracelular în celulele roșii din sânge, menținând pH-ul sângelui la un nivel constant.

Sarcina unei molecule proteice depinde de conținutul de aminoacizi acizi și bazici din ea sau, mai precis, de ionizarea grupărilor acide și bazice ale radicalului lateral al acestor aminoacizi. Disocierea grupelor COOH de aminoacizi acizi determină apariția unei sarcini negative pe suprafața proteinei, iar radicalii laterali ai aminoacizilor alcalini poartă o sarcină pozitivă (datorită adăugării de H + la grupele principale). Într-o moleculă de proteină nativă, sarcinile sunt distribuite asimetric în funcție de aranjamentul spațial al lanțului polipeptidic. Dacă într-o proteină predomină aminoacizii acizi față de cei bazici, atunci în general molecula proteică este electronegativă, adică este un polianion, și invers, dacă predomină aminoacizii bazici, atunci este încărcată pozitiv, adică se comportă ca un policatie.

Sarcina totală a unei molecule proteice, în mod natural, depinde de pH-ul mediului: într-un mediu acid este pozitivă, în mediu alcalin este negativ. Valoarea pH-ului la care o proteină are o sarcină netă zero se numește punctul izoelectric al proteinei. În acest moment, proteina nu are mobilitate în câmpul electric. Punctul izoelectric al fiecărei proteine ​​este determinat de raportul dintre grupele acide și bazice ale radicalilor laterali de aminoacizi: cu cât raportul dintre aminoacizi acizi/bazici dintr-o proteină este mai mare, cu atât punctul izoelectric al acesteia este mai mic. Proteinele acide au un pH de 1< 7, у нейтральных рН 1 около 7, а у основных рН 1 >7. La valorile pH-ului sub punctul său izoelectric, proteina va purta o sarcină pozitivă, iar deasupra va purta o sarcină negativă. Punctul izoelectric mediu al tuturor proteinelor citoplasmatice se află în 5,5. În consecință, la o valoare fiziologică a pH-ului (aproximativ 7,0 - 7,4), proteinele celulare au o sarcină globală negativă. Excesul de sarcini negative ale proteinelor din interiorul celulei este echilibrat, după cum sa menționat deja, de cationi anorganici.

Cunoașterea punctului izoelectric este foarte importantă pentru înțelegerea stabilității proteinelor în soluții, deoarece proteinele sunt cel mai puțin stabile în stare izoelectrică. Particulele de proteine ​​neîncărcate se pot lipi și precipita.

Proprietățile coloidale și osmotice ale proteinelor

Comportarea proteinelor în soluții are unele particularități. Soluțiile coloidale convenționale sunt stabile doar în prezența unui stabilizator, care previne precipitarea coloizilor prin localizarea la interfața dizolvat-solvent.

Soluțiile apoase de proteine ​​sunt stabile și echilibrate; nu precipită (nu se coagulează) în timp și nu necesită prezența stabilizatorilor. Soluțiile de proteine ​​sunt omogene și, în esență, pot fi clasificate ca soluții adevărate. Cu toate acestea, greutatea moleculară mare a proteinelor conferă soluțiilor lor multe proprietăți ale sistemelor coloidale:

• proprietăți optice caracteristice (opalescența soluțiilor și capacitatea lor de a împrăștia razele de lumină vizibilă) [spectacol] .

  Proprietățile optice ale proteinelor. Soluțiile de proteine, în special cele concentrate, au o opalescență caracteristică. Când o soluție proteică este iluminată din lateral, razele de lumină din ea devin vizibile și formează un con luminos sau o dungă - efectul Tyndall (în soluțiile de proteine ​​foarte diluate, opalescența nu este vizibilă, iar conul luminos Tyndall este aproape absent). Acest efect de împrăștiere a luminii se explică prin difracția razelor de lumină de către particulele de proteine ​​​​în soluție. Se crede că în protoplasma celulei proteina este sub forma unei soluții coloidale - un sol. Capacitatea proteinelor și a altor molecule biologice ( acizi nucleici, polizaharide etc.) lumina împrăștiată este utilizată în studiul microscopic al structurilor celulare: într-un microscop cu câmp întunecat, particulele coloidale sunt vizibile ca incluziuni luminoase în citoplasmă.

  Capacitatea de împrăștiere a luminii a proteinelor și a altor substanțe cu un nivel molecular înalt este utilizată pentru determinarea lor cantitativă prin nefelometrie, comparând intensitatea împrăștierii luminii de către particulele în suspensie ale solului de test și standard.

• rata de difuzie redusa [spectacol] .

  Rată de difuzie scăzută. Difuzia este mișcarea spontană a moleculelor de dizolvat datorită unui gradient de concentrație (de la zone de concentrație mare la zone de concentrație scăzută). Proteinele au viteza limitata difuzie în comparație cu moleculele și ionii obișnuiți, care se mișcă de sute și mii de ori mai repede decât proteinele. Viteza de difuzie a proteinelor depinde mai mult de forma moleculelor lor decât de greutatea lor moleculară. Proteinele globulare din soluții apoase sunt mai mobile decât proteinele fibrilare.

  Difuzia proteinelor este importantă pentru functionare normala celule. Sinteza proteinelor în orice parte a celulei (unde există ribozomi) ar putea duce, în absența difuziei, la acumularea de proteine ​​la locul formării lor. Distribuția intracelulară a proteinelor are loc prin difuzie. Deoarece viteza de difuzie a proteinei este scăzută, aceasta limitează viteza proceselor care depind de funcția proteinei care difuzează în regiunea corespunzătoare a celulei.

• incapacitatea de a pătrunde în membranele semipermeabile [spectacol] .

  Proprietățile osmotice ale proteinelor. Proteinele, datorită greutății lor moleculare ridicate, nu pot difuza printr-o membrană semi-permeabilă, în timp ce substanțele cu greutate moleculară mică trec ușor prin astfel de membrane. Această proprietate a proteinelor este folosită în practică pentru a-și purifica soluțiile de impurități cu greutate moleculară mică. Acest proces se numește dializă.

  Incapacitatea proteinelor de a difuza prin membranele semipermeabile determină fenomenul de osmoză, adică mișcarea moleculelor de apă prin membrana semipermeabilă în soluția proteică. Dacă o soluție proteică este separată de apă printr-o membrană de celofan, atunci, încercând să atingă echilibrul, moleculele de apă difuzează în soluția de proteină. Cu toate acestea, mutarea apei în spațiul în care se află proteina crește presiunea hidrostatică a acesteia (presiunea coloanei de apă), ceea ce împiedică difuzarea în continuare a moleculelor de apă către proteină.

  Presiunea sau forța care trebuie aplicată pentru a opri fluxul osmotic de apă se numește presiune osmotică. Presiunea osmotică în soluțiile de proteine ​​foarte diluate este proporțională cu concentrația molară a proteinei și cu temperatura absolută.

  Membranele biologice sunt, de asemenea, impermeabile la proteine, astfel încât presiunea osmotică creată de proteină depinde de concentrația acesteia în interiorul și în afara celulei. Presiunea osmotică cauzată de proteină se mai numește și presiune oncotică.

• vâscozitatea ridicată a soluțiilor [spectacol] .

  Viscozitatea ridicată a soluțiilor de proteine. Vâscozitatea ridicată este caracteristică nu numai soluțiilor de proteine, ci, în general, soluțiilor de compuși cu greutate moleculară mare. Pe măsură ce concentrația de proteine ​​​​crește, vâscozitatea soluției crește deoarece forțele de aderență dintre moleculele proteice cresc. Vâscozitatea depinde de forma moleculelor. Soluțiile de proteine ​​fibrilare sunt întotdeauna mai vâscoase decât soluțiile de proteine ​​globulare. Vâscozitatea soluțiilor este puternic influențată de temperatură și de prezența electroliților. Odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea soluțiilor proteice scade. Adăugările de anumite săruri, precum calciul, cresc vâscozitatea prin promovarea aderenței moleculelor prin punți de calciu. Uneori, vâscozitatea unei soluții de proteine ​​crește atât de mult încât își pierde fluiditatea și se transformă într-o stare asemănătoare gelului.

• capacitatea de a forma geluri [spectacol] .

  Capacitatea proteinelor de a forma geluri. Interacțiunea dintre macromoleculele de proteine ​​​​în soluție poate duce la formarea de rețele structurale în care se află moleculele de apă prinse. Astfel de sisteme structurate se numesc geluri sau jeleuri. Se crede că proteina protoplasmei celulare se poate transforma într-o stare asemănătoare gelului. Un exemplu tipic este că corpul unei meduze este ca un jeleu viu, al cărui conținut de apă este de până la 90%.

  Gelificarea are loc mai ușor în soluții de proteine ​​fibrilare; forma lor în formă de tijă contribuie la contact mai bun capete ale macromoleculelor. Acest lucru este bine cunoscut din practica de zi cu zi. Jeleurile alimentare se prepară din produse (oase, cartilaj, carne) care conțin cantități mari de proteine ​​fibrilare.

  În timpul vieții corpului, starea de gel a structurilor proteice are o semnificație fiziologică importantă. Proteinele de colagen ale oaselor, tendoanelor, cartilajului, pielii etc. au rezistență, elasticitate și elasticitate ridicate deoarece sunt într-o stare asemănătoare gelului. Depunerea de saruri minerale in timpul invechirii le reduce fermitatea si elasticitatea. Actomiozina, care îndeplinește o funcție contractilă, se găsește în celulele musculare sub formă de gel sau gelatinoasă.

  Într-o celulă vie, au loc procese care seamănă cu tranziția sol-gel. Protoplasma celulară este un lichid vâscos asemănător solului în care se găsesc insule de structuri asemănătoare gelului.

Hidratarea proteinelor și factorii care le afectează solubilitatea

Proteinele sunt substanțe hidrofile. Dacă dizolvați proteina uscată în apă, atunci mai întâi, ca orice compus hidrofil cu molecule înalte, se umflă, iar apoi moleculele proteice încep să treacă treptat în soluție. Când se umflă, moleculele de apă pătrund în proteină și se leagă de grupările sale polare. Ambalarea densă a lanțurilor polipeptidice este slăbită. O proteină umflată poate fi considerată un fel de soluție inversă, adică o soluție de molecule de apă într-o substanță cu molecul mare - proteină. Absorbția ulterioară a apei duce la separarea moleculelor de proteine ​​din masa totală și la dizolvare. Dar umflarea nu duce întotdeauna la dizolvare; Unele proteine, cum ar fi colagenul, rămân umflate după absorbția unor cantități mari de apă.

Dizolvarea este asociată cu hidratarea proteinelor, adică legarea moleculelor de apă de proteine. Apa de hidratare este atât de strâns legată de macromolecula proteică, încât poate fi separată cu mare dificultate. Aceasta nu indică o simplă adsorbție, ci mai degrabă legarea electrostatică a moleculelor de apă cu grupările polare ale radicalilor laterali ale aminoacizilor acizi, care poartă o sarcină negativă, și aminoacizilor bazici, care poartă o sarcină pozitivă.

Cu toate acestea, o parte din apa de hidratare este legată de grupări peptidice, care formează legături de hidrogen cu moleculele de apă. De exemplu, polipeptidele cu grupări laterale nepolare se umflă și ele, adică leagă apa. Astfel, o cantitate mare de apă leagă colagenul, deși această proteină conține predominant aminoacizi nepolari. Apa, legându-se de grupările peptidice, împinge lanțurile polipeptidice alungite. Cu toate acestea, legăturile între lanțuri (punți) împiedică moleculele de proteine ​​să se desprindă unele de altele și să intre în soluție. Când materiile prime care conțin colagen sunt încălzite, punțile intercatenare din fibrele de colagen sunt rupte și lanțurile polipeptidice eliberate intră în soluție. Această fracțiune de colagen solubil parțial hidrolizat se numește gelatină. Gelatina este asemănătoare ca compoziție chimică cu colagenul, se umflă ușor și se dizolvă în apă, formând lichide vâscoase. Proprietate caracteristică gelatinele sunt capacitatea de a se gelifica. Soluțiile apoase de gelatină sunt utilizate pe scară largă în practica medicală ca agent hemostatic și înlocuitor de plasmă, iar capacitatea lor de a forma geluri este utilizată la fabricarea capsulelor în practica farmaceutică.

Factori care afectează solubilitatea proteinelor. Solubilitatea diferitelor proteine ​​variază foarte mult. Este determinată de compoziția lor de aminoacizi (aminoacizii polari conferă o solubilitate mai mare decât cei nepolari), caracteristicile organizatorice (proteinele globulare, de regulă, sunt mai solubile decât cele fibrilare) și proprietățile solventului. De exemplu, proteinele vegetale - prolaminele - se dizolvă în alcool 60-80%, albumine - în apă și în soluții slabe de sare, iar colagenul și cheratinele sunt insolubile în majoritatea solvenților.

Stabilitatea soluțiilor proteice este asigurată de încărcarea moleculei proteice și a învelișului de hidratare. Fiecare macromoleculă a unei proteine ​​individuale are o sarcină totală de același semn, ceea ce le împiedică să se lipească în soluție și să precipite. Orice lucru care ajută la menținerea învelișului de încărcare și hidratare facilitează solubilitatea proteinei și stabilitatea acesteia în soluție. Există o relație strânsă între sarcina unei proteine ​​(sau numărul de aminoacizi polari din ea) și hidratare: cu cât mai mulți aminoacizi polari într-o proteină, cu atât se leagă mai multă apă (la 1 g de proteină). Învelișul de hidratare a unei proteine ​​atinge uneori dimensiuni mari, iar apa de hidratare poate reprezenta până la 1/5 din masa sa.

Adevărat, unele proteine ​​sunt mai hidratate și mai puțin solubile. De exemplu, colagenul leagă mai multă apă decât multe proteine ​​globulare foarte solubile, dar nu se dizolvă. Solubilitatea sa este îngreunată de caracteristicile structurale - legăturile încrucișate între lanțurile polipeptidice. Uneori, grupurile de proteine ​​încărcate opus formează multe legături ionice (sare) în cadrul unei molecule de proteine ​​sau între moleculele de proteine, ceea ce împiedică formarea de legături între moleculele de apă și grupurile de proteine ​​încărcate. Se observă un fenomen paradoxal: proteina conține multe grupări anionice sau cationice, dar solubilitatea sa în apă este scăzută. Punțile intermoleculare de sare fac ca moleculele de proteine ​​să se lipească și să precipite.

Ce factori de mediu afectează solubilitatea proteinelor și stabilitatea acestora în soluții?

• Efectul sărurilor neutre [spectacol] .

  Sărurile neutre în concentrații mici cresc solubilitatea chiar și a acelor proteine ​​în care sunt insolubile apă curată(de exemplu, euglobuline). Acest lucru se explică prin faptul că ionii de sare, interacționând cu grupuri de molecule de proteine ​​încărcate opus, distrug punțile de sare dintre moleculele de proteine. Creșterea concentrației de săruri (creșterea puterii ionice a soluției) are efectul opus (vezi mai jos - sărare).

• Influența pH-ului mediului [spectacol] .

  pH-ul mediului afectează sarcina proteinei și, prin urmare, solubilitatea acesteia. Proteina este cel mai puțin stabilă în stare izoelectrică, adică atunci când sarcina sa totală este zero. Îndepărtarea încărcăturii permite moleculelor de proteine ​​să se apropie cu ușurință unele de altele, să se lipească împreună și să precipite. Aceasta înseamnă că solubilitatea și stabilitatea proteinei vor fi minime la un pH corespunzător punctului izoelectric al proteinei.

• Efectul temperaturii [spectacol] .

  Nu există o relație strictă între temperatură și natura solubilității proteinei. Unele proteine ​​(globuline, pepsină, fosforilază musculară) se dizolvă mai bine în soluții apoase sau saline odată cu creșterea temperaturii; altele (aldolaza musculara, hemoglobina etc.) sunt mai rau.

• Efectul proteinei încărcate diferit [spectacol] .

  Dacă o proteină care este un polication (proteină de bază) este adăugată la o soluție a unei proteine ​​care este un polianion (proteină acidă), atunci acestea formează agregate. În acest caz, stabilitatea datorată neutralizării sarcinilor se pierde și proteinele precipită. Uneori, această caracteristică este utilizată pentru a izola proteina dorită dintr-un amestec de proteine.

Sărare

Soluțiile de săruri neutre sunt utilizate pe scară largă nu numai pentru a crește solubilitatea proteinelor, de exemplu, atunci când se izolează material biologic, dar și pentru precipitarea selectivă a diferitelor proteine, adică fracționarea acestora. Procesul de precipitare a proteinelor cu soluții de sare neutră se numește sărare. O trăsătură caracteristică a proteinelor obținute prin sărare este păstrarea lor nativ proprietăți biologice după îndepărtarea sării.

Mecanismul de sărare este că anionii și cationii adăugați în soluția salină îndepărtează învelișul de hidratare a proteinelor, care este unul dintre factorii stabilității acesteia. Este posibil ca neutralizarea sarcinilor proteice de către ionii de sare să se producă simultan, ceea ce favorizează și precipitarea proteinelor.

Capacitatea de a sărare este cea mai pronunțată în anionii de sare. În funcție de puterea efectului de sărare, anionii și cationii sunt aranjați în următoarele rânduri:

• SO 4 2- > C 6 H 5 O 7 3- > CH 3 COO - > Cl - > NO 3 - > Br - > I - > CNS -
• Li + >Na + > K + > Pb + > Cs +

Aceste serii se numesc liotrope.

Sulfații au un efect puternic de sărare în această serie. În practică, sulfatul de sodiu și de amoniu sunt cel mai adesea folosite pentru a elimina proteinele. Pe lângă săruri, proteinele sunt precipitate cu agenți organici de îndepărtare a apei (etanol, acetonă, metanol etc.). De fapt, aceasta este aceeași sărare.

Sărarea este utilizată pe scară largă pentru a separa și purifica proteinele, deoarece multe proteine ​​variază în ceea ce privește dimensiunea învelișului lor de hidratare și amploarea sarcinilor lor. Fiecare dintre ele are propria sa zonă de sărare, adică o concentrație de sare care permite proteinei să se deshidrateze și să precipite. După îndepărtarea agentului de sărare, proteina își păstrează toate proprietățile și funcțiile naturale.

Denaturare (denativare) și renaturare (renativare)

Sub influența diferitelor substanțe care perturbă niveluri superioare organizarea moleculei proteice (secundar, terțiar, cuaternar) cu menținerea structurii primare, proteina își pierde proprietățile fizico-chimice native și, cel mai important, biologice. Acest fenomen se numește denaturare (denativare). Este tipic doar pentru moleculele care au o organizare spațială complexă. Peptidele sintetice și naturale nu sunt capabile de denaturare.

În timpul denaturarii, se rup legăturile care stabilizează structurile cuaternare, terțiare și chiar secundare. Lanțul polipeptidic se desfășoară și este în soluție fie sub formă desfășurată, fie sub formă de spirală aleatorie. În acest caz, învelișul de hidratare se pierde și proteina precipită. Cu toate acestea, proteina denaturată precipitată diferă de aceeași proteină precipitată prin sărare, deoarece în primul caz își pierde proprietățile native, dar în al doilea își păstrează. Acest lucru indică faptul că mecanismul de acțiune al substanțelor care provoacă denaturarea și sărarea este diferit. La sărare, structura nativă a proteinei este păstrată, dar atunci când este denaturată este distrusă.

Factorii denaturanți se împart în

• fizic [spectacol] .

  Factorii fizici includ: temperatura, presiunea, stresul mecanic, radiațiile ultrasonice și ionizante.

  Denaturarea termică a proteinelor este procesul cel mai studiat. Era considerată una dintre trasaturi caracteristice proteine. Se știe de mult că atunci când sunt încălzite, proteinele se coagulează (coagulează) și precipită. Majoritatea proteinelor sunt labile la căldură, dar se cunosc proteine ​​care sunt foarte rezistente la căldură. De exemplu, tripsina, chimotripsina, lizozima, unele proteine membrane biologice. Proteinele bacteriilor care trăiesc în izvoarele termale sunt deosebit de rezistente la temperatură. Evident, în proteinele termostabile, mișcarea termică a lanțurilor polipeptidice cauzată de încălzire nu este suficientă pentru a rupe legăturile interne ale moleculelor proteice. La punctul izoelectric, proteinele sunt mai ușor supuse denaturarii termice. Această tehnică este folosită în munca practica. Unele proteine, dimpotrivă, se denaturează la temperaturi scăzute.

• chimic [spectacol] .

  LA factori chimici care cauzează denaturarea includ: acizi și alcalii, solvenți organici (alcool, acetonă), detergenți ( detergenti), unele amide (uree, săruri de guanidină etc.), alcaloizi, metale grele (mercur, cupru, bariu, zinc, săruri de cadmiu etc.). Mecanismul acțiunii de denaturare a substanțelor chimice depinde de proprietățile lor fizico-chimice.

  Acizii și alcaliile sunt utilizate pe scară largă ca precipitanți proteici. Multe proteine ​​sunt denaturate la valori extreme ale pH-ului - sub 2 sau peste 10-11. Dar unele proteine ​​sunt rezistente la acizi și alcalii. De exemplu, histonele și protaminele nu sunt denaturate nici măcar la pH 2 sau pH 10. Soluțiile puternice de etanol și acetonă au, de asemenea, un efect de denaturare asupra proteinelor, deși pentru unele proteine ​​acești solvenți organici sunt utilizați ca agenți de sărare.

  Metalele grele și alcaloizii au fost folosiți de mult timp ca precipitanți; formează legături puternice cu grupele polare de proteine ​​și astfel rup sistemul de hidrogen și legături ionice.

  O atenție deosebită trebuie acordată sărurilor de uree și guanidină, care în concentrații mari (pentru uree 8 mol/l, pentru clorhidrat de guanidină 2 mol/l) concurează cu grupările peptidice pentru formarea legăturilor de hidrogen. Ca rezultat, proteinele cu structură cuaternară se disociază în subunități, iar apoi desfășoară lanțurile polipeptidice. Această proprietate a ureei este atât de izbitoare încât este utilizată pe scară largă pentru a demonstra prezența unei structuri cuaternare a unei proteine ​​și importanța organizării sale structurale în implementarea funcțiilor fiziologice.

Proprietățile proteinelor denaturate . Cele mai tipice semne pentru proteinele denaturate sunt următoarele.

• Creșterea numărului de reactivi sau grup functional comparativ cu molecula proteică nativă (grupele funcționale sunt grupele de radicali laterali ai aminoacizilor: COOH, NH 2, SH, OH). Unele dintre aceste grupuri sunt de obicei localizate în interiorul moleculei de proteine ​​și nu sunt detectate de reactivi speciali. Desfăşurarea lanţului polipeptidic în timpul denaturarii face posibilă detectarea acestor grupări suplimentare sau ascunse.
• Solubilitate redusă și precipitare a proteinei (asociată cu pierderea învelișului de hidratare, desfășurarea moleculei proteice cu „expunerea” radicalilor hidrofobi și neutralizarea sarcinilor grupărilor polare).
• Modificarea configurației unei molecule de proteine.
• Pierderea activității biologice cauzată de perturbarea organizării structurale native a moleculei.
• Scindarea mai ușoară de către enzimele proteolitice în comparație cu proteina nativă, tranziția structurii native compacte într-o formă liberă extinsă facilitează accesul enzimelor la legăturile peptidice ale proteinei, pe care le distrug.

Ultima calitate a proteinei denaturate este cunoscută pe scară largă. Prelucrarea termică sau de altă natură a produselor care conțin proteine ​​(în principal carne) promovează o digestie mai bună cu ajutorul enzimelor proteolitice tract gastrointestinal. Stomacul oamenilor și animalelor produce un agent de denaturare natural - acidul clorhidric, care, prin denaturarea proteinelor, ajută la descompunerea acestora de către enzime. Cu toate acestea, prezența acidului clorhidric și a enzimelor proteolitice nu permite utilizarea medicamentelor proteice pe cale orală, deoarece acestea sunt denaturate și imediat descompuse, pierzându-și activitatea biologică.

De asemenea, rețineți că substanțele denaturante care precipită proteinele sunt utilizate în practica biochimică în alte scopuri decât cele de sărare. Sarea ca tehnică este utilizată pentru a izola o proteină sau un grup de proteine, iar denaturarea este utilizată pentru a elibera un amestec de substanțe de proteine. Prin eliminarea proteinei, puteți obține o soluție fără proteine ​​sau puteți elimina efectul acestei proteine.

S-a crezut mult timp că denaturarea este ireversibilă. Cu toate acestea, în unele cazuri, îndepărtarea agentului de denaturare (astfel de experimente au fost făcute folosind uree) restabilește activitatea biologică a proteinei. Procesul de restabilire a proprietăților fizico-chimice și biologice ale unei proteine ​​denaturate se numește renaturare sau renativare. Dacă o proteină denaturată (după îndepărtarea substanțelor denaturante) se autoorganizează din nou în structura sa originală, atunci activitatea sa biologică este restabilită.

Pagină 4

total pagini: 7

Proprietăți chimice proteine

Proprietățile fizice ale proteinelor

Proprietățile fizice și chimice ale proteinelor. Reacții de culoare a proteinelor

Proprietățile proteinelor sunt la fel de diverse ca și funcțiile pe care le îndeplinesc. Unele proteine ​​se dizolvă în apă, formând de obicei soluții coloidale (de exemplu, albuș de ou); altele se dizolvă în soluții de sare diluată; încă altele sunt insolubile (de exemplu, proteinele țesuturilor tegumentare).

În radicalii reziduurilor de aminoacizi, proteinele conțin diferite grupe funcționale care sunt capabile să participe la multe reacții. Proteinele suferă reacții de oxidare-reducere, esterificare, alchilare, nitrare și pot forma săruri atât cu acizii, cât și cu bazele (proteinele sunt amfotere).

1. Hidroliza proteinelor: H+

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

│ │ ‌‌│ │

Aminoacid 1 aminoacid 2

2. Precipitarea proteinelor:

a) reversibile

Proteine ​​în soluție ↔ precipitat proteic. Apare sub influența soluțiilor de săruri Na +, K +

b) ireversibilă (denaturare)

În timpul denaturarii sub influența factorilor externi (temperatură; acțiune mecanică - presiune, frecare, scuturare, ultrasunete; acțiunea agenților chimici - acizi, alcaline etc.), are loc o modificare în structurile secundare, terțiare și cuaternare ale proteinei. macromolecula, adică structura sa spațială nativă. Structura primară și, în consecință, compoziția chimică a proteinei nu se modifică.

În timpul denaturarii, proprietățile fizice ale proteinelor se modifică: solubilitatea scade și activitatea biologică se pierde. În același timp, activitatea anumitor grupe chimice crește, efectul enzimelor proteolitice asupra proteinelor este facilitat și, prin urmare, este mai ușor de hidrolizat.

De exemplu, albumina - albușul de ou - la o temperatură de 60-70° precipită din soluție (coagulează), pierzându-și capacitatea de a se dizolva în apă.

Schema procesului de denaturare a proteinelor (distrugerea structurilor terțiare și secundare ale moleculelor de proteine)

,3. Arderea proteinelor

Proteinele ard pentru a forma azot, dioxid de carbon, apă, precum și alte substanțe. Arderea este însoțită de mirosul caracteristic de pene arse

4. Reacții de culoare (calitative) la proteine:

a) reacție xantoproteică (la resturile de aminoacizi care conțin inele benzenice):

Proteină + HNO 3 (conc.) → culoare galbenă

b) reacția biuretului (la legături peptidice):

Proteine ​​+ CuSO 4 (sat) + NaOH (conc) → culoare violet strălucitor

c) reacția cisteinei (la reziduuri de aminoacizi care conțin sulf):

Proteină + NaOH + Pb(CH 3 COO) 2 → Culoare neagră

Proteinele sunt baza întregii vieți de pe Pământ și îndeplinesc diverse funcții în organism.

Doneţk şcoală cuprinzătoare I – III etape Nr.21

„Vverite. Prepararea proteinelor prin policondensarea aminoacizilor. Structuri primare, secundare și terțiare ale proteinelor. Proprietățile chimice ale proteinelor: combustie, denaturare, hidroliză și reacții de culoare. Funcțiile biochimice ale proteinelor”.

Pregătit

profesor de chimie

profesor - metodolog

Donețk, 2016

„Viața este un mod de existență a corpurilor proteice”

Subiectul lecției. Veverițe. Prepararea proteinelor prin policondensarea aminoacizilor. Structuri primare, secundare și terțiare ale proteinelor. Proprietățile chimice ale proteinelor: combustie, denaturare, hidroliză și reacții de culoare. Funcțiile biochimice ale proteinelor.

Obiectivele lecției. Să familiarizeze elevii cu proteinele ca cel mai înalt grad de dezvoltare a substanțelor din natură care au dus la apariția vieții; arată structura, proprietățile și diversitatea funcțiilor biologice ale acestora; extindeți conceptul de reacție de policondensare folosind exemplul producției de proteine, informați școlarii despre igiena alimentară și menținerea sănătății acestora. Pentru a dezvolta gândirea logică la elevi.

Reactivi si echipamente. Tabelul „Structuri primare, secundare și terțiare ale proteinelor”. Reactivi: HNO3, NaOH, CuSO4, proteina de pui, fir de lana, sticla chimica.

Metoda lecției. Informare și dezvoltare.

Tipul de lecție. O lecție de învățare a noilor cunoștințe și abilități.

În timpul orelor

eu. Organizarea timpului.

II. Verificarea temelor, actualizarea și corectarea cunoștințelor de bază.

Sondaj rapid

1. Explicați termenul „aminoacid”.

2. Numiți grupele funcționale care alcătuiesc aminoacizii.

3. Nomenclatura aminoacizilor și izomeria acestora.

4. De ce aminoacizii prezintă proprietăți amfotere? Scrieți ecuațiile reacțiilor chimice.

5. Datorită ce proprietăți formează aminoacizii polipeptide? Scrieți reacția de policondensare a aminoacizilor.

III. Mesajul subiectului, obiectivele lecției, motivația pentru activități de învățare.

IV. Percepția și conștientizarea primară a noului material.

Profesor.

„Oriunde întâlnim viața, descoperim că aceasta este asociată cu un tip de corp proteic”, a scris F. Engels în cartea sa „Anti-Dühring”. Lipsa proteinelor din alimente duce la o slăbire generală a organismului, la copii - la o încetinire a mentalității și dezvoltarea fizică. Astăzi, mai mult de jumătate din umanitate nu primește suficientă hrană cantitatea necesară proteine. O persoană are nevoie de 115 g de proteine ​​pe zi; proteinele nu sunt stocate în rezervă, spre deosebire de carbohidrați și grăsimi, așa că trebuie să vă monitorizați dieta. Suntem familiarizați cu cheratina - proteina care alcătuiește părul, unghiile, pene, pielea - îndeplinește o funcție de construcție; sunt familiarizați cu proteina pepsină - se găsește în sucul gastric și este capabilă să distrugă alte proteine ​​în timpul digestiei; proteina trombină este implicată în coagularea sângelui; hormon pancreatic - insulina - regleaza metabolismul glucozei; hemoglobina transportă O2 către toate celulele și țesuturile corpului etc.

De unde provine această varietate infinită de molecule de proteine, varietatea funcțiilor lor și rolul lor special în procesele vieții? Pentru a răspunde la această întrebare, să ne întoarcem la compoziția și structura proteinelor.

Ce atomi conțin proteinele?...

Pentru a răspunde la această întrebare, să facem o încălzire. Ghiciți ghicitorile și explicați semnificația răspunsurilor.

1. El este peste tot și peste tot:

În piatră, în aer, în apă.

El este în roua dimineții

Și pe cerul albastru.

(oxigen)

2. Sunt cel mai ușor element

Nici un pas în natură fără mine.

Și cu oxigen sunt în momentul de față

3. În aer este gazul principal,

Ne înconjoară peste tot.

Viața plantelor se estompează

Fără el, fără îngrășăminte.

Trăiește în celulele noastre

4. Scolarii au mers intr-o zi in drumetie

(Aceasta este o abordare a unei probleme chimice).

Noaptea s-a aprins un foc sub lună,

Se cântau cântece despre foc strălucitor.

Lasă-ți sentimentele deoparte:

Ce elemente au ars în foc?

(carbon, hidrogen)

Da, așa este, acestea sunt principalele elemente chimice care alcătuiesc proteinele.

Despre aceste patru elemente putem spune în cuvintele lui Schiller: „Cele patru elemente, îmbinând împreună, dau viață și construiesc lumea.”

Proteinele sunt polimeri naturali constând din resturi de α-aminoacizi legate între ele prin legături peptidice.

Proteinele conțin 20 de aminoacizi diferiți, ceea ce înseamnă că există o mare varietate de proteine ​​în diferite combinații. Există până la 100.000 de proteine ​​în corpul uman.

Referință istorică.

Prima ipoteză despre structura moleculei proteice a fost propusă în anii '70. al XIX-lea Aceasta a fost teoria ureide a structurii proteinelor.

În 1903 Oamenii de știință germani au prezentat teoria peptidelor, care a dat cheia secretului structurii proteinelor. Fischer a propus că proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor legați prin legături peptidice.

Ideea că proteinele sunt formațiuni polimerice a fost exprimată în anii 70-88. al XIX-lea , om de știință rus. Această teorie a fost confirmată în lucrările moderne.

Deja prima cunoaștere cu proteinele oferă o idee despre extrem structura complexa moleculele lor. Proteinele sunt obținute prin policondensarea aminoacizilor:

https://pandia.ru/text/80/390/images/image007_47.gif" width="16" height="18">H – N – CH2 – C + H – N – CH2 – C →

https://pandia.ru/text/80/390/images/image012_41.gif" height="20">

NH2 - CH – C – N – CH – C – N – CH – C - … + nH2O →

⸗ O ⸗ O ⸗ O

→ NH2 – CH – C + NH2 – CH – C + NH2 – CH – C + …

OH OH OH

4. Profesorul demonstrează experimentul: arderea unui fir de lână; poți simți mirosul de pene arse - așa poți deosebi lâna de alte tipuri de țesături.

V. Generalizarea și sistematizarea cunoștințelor.

1. Faceți un rezumat de fond despre proteine.

baza vieții ← Proteine ​​→ polipeptide

(C, H, O, N) ↓ ↓ ↓ \ structuri proteice

funcții chimice de culoare

care sunt proprietățile reacțiilor proteice

2. Scrieți ecuațiile de reacție pentru formarea unei dipeptide din glicină și valină.

VI. Rezumând lecția, teme.

Învață §38 p. 178 – 184. Finalizarea sarcinilor de testare p. 183.

Conținutul articolului

PROTEINE (Articolul 1)– o clasă de polimeri biologici prezenți în fiecare organism viu. Cu participarea proteinelor, au loc principalele procese care asigură funcțiile vitale ale corpului: respirația, digestia, contracția musculară, transmiterea impulsurilor nervoase. Țesutul osos, pielea, părul și formațiunile cornoase ale ființelor vii constau din proteine. Pentru majoritatea mamiferelor, creșterea și dezvoltarea organismului are loc datorită alimentelor care conțin proteine ​​ca componentă alimentară. Rolul proteinelor în organism și, în consecință, structura lor este foarte diversă.

Compoziția proteinelor.

Toate proteinele sunt polimeri, ale căror lanțuri sunt asamblate din fragmente de aminoacizi. Aminoacizii sunt compusi organici, conţinând în compoziţia lor (conform denumirii) o grupare amino NH 2 şi un acid organic, adică. carboxil, grupa COOH. Din întreaga varietate de aminoacizi existenți (teoretic, numărul de aminoacizi posibili este nelimitat), doar cei care au un singur atom de carbon între gruparea amino și gruparea carboxil participă la formarea proteinelor. ÎN vedere generala aminoacizii implicaţi în formarea proteinelor pot fi reprezentaţi prin formula: H 2 N–CH(R)–COOH. Gruparea R atașată atomului de carbon (cea dintre grupările amino și carboxil) determină diferența dintre aminoacizii care formează proteine. Acest grup poate consta numai din atomi de carbon și hidrogen, dar mai des conține, pe lângă C și H, diverse grupări funcționale (capabile de transformări ulterioare), de exemplu, HO-, H 2 N- etc. Există, de asemenea, o opțiune când R = H.

Organismele ființelor vii conțin mai mult de 100 de aminoacizi diferiți, însă nu toți sunt folosiți în construcția proteinelor, ci doar 20, așa-numiții „fundamentali”. În tabel 1 arată numele acestora (majoritatea denumirilor dezvoltate istoric), formula structurală, precum și abrevierea utilizată pe scară largă. Toate formulele structurale sunt aranjate în tabel astfel încât fragmentul principal de aminoacid să fie în dreapta.

Tabelul 1. AMINOACIZI IMPLICAȚI ÎN CREAREA PROTEINELOR

Nume	Structura	Desemnare
GLICINA		GLI
ALANIN		ALA
VALINĂ		ARBORE
LEUCINE		LEI
ISOLEUCINĂ		ILE
SERINĂ		SER
TREONINA		TRE
CISTEINĂ		CIS
METIONINĂ		ÎNTÂLNIT
LIZINA		LIZ
ARGININA		ARG
ACID ASPARAGIC		ASN
ASPARAGINE		ASN
ACID GLUTAMIC		GLU
GLUTAMINĂ		GLN
FENILALANINĂ		USCĂTOR DE PĂR
TIROZINA		TIR
TRIPTOFAN		TREI
HISTIDINA		GIS
PROLINE		PRO
În practica internațională, denumirea prescurtată a aminoacizilor enumerați folosind abrevieri latine cu trei litere sau o literă este acceptată, de exemplu, glicină - Gly sau G, alanină - Ala sau A.

Dintre acești douăzeci de aminoacizi (Tabelul 1), numai prolina conține o grupare NH lângă gruparea carboxil COOH (în loc de NH2), deoarece face parte din fragmentul ciclic.

Opt aminoacizi (valină, leucină, izoleucină, treonină, metionină, lizină, fenilalanină și triptofan), așezați în masă pe un fundal gri, sunt numiți esențiali, deoarece organismul trebuie să îi primească constant din alimente proteice pentru creșterea și dezvoltarea normală.

O moleculă de proteină se formează ca rezultat al conexiunii secvenţiale a aminoacizilor, în timp ce gruparea carboxil a unui acid interacționează cu gruparea amino a unei molecule învecinate, ducând la formarea unei legături peptidice –CO–NH– și eliberarea de o moleculă de apă. În fig. 1 afișat conexiune serială alanină, valină și glicină.

Orez. 1 CONEXIUNEA DE SERIE DE AMINOACIZIîn timpul formării unei molecule proteice. Calea de la gruparea amino terminală a H2N la gruparea carboxil terminală a COOH a fost aleasă ca direcție principală a lanțului polimeric.

Pentru a descrie în mod compact structura unei molecule de proteină, sunt utilizate abrevieri pentru aminoacizi (Tabelul 1, a treia coloană) implicați în formarea lanțului polimeric. Fragmentul moleculei prezentat în Fig. 1 se scrie astfel: H2N-ALA-VAL-GLY-COOH.

Moleculele proteice conțin de la 50 la 1500 de resturi de aminoacizi (lanțurile mai scurte sunt numite polipeptide). Individualitatea unei proteine ​​este determinată de setul de aminoacizi care alcătuiesc lanțul polimeric și, nu mai puțin important, de ordinea alternanței acestora de-a lungul lanțului. De exemplu, molecula de insulină este formată din 51 de resturi de aminoacizi (aceasta este una dintre proteinele cu cel mai scurt lanț) și este formată din două lanțuri paralele de lungime inegală conectate între ele. Ordinea de alternanță a fragmentelor de aminoacizi este prezentată în Fig. 2.

Orez. 2 MOLECULA DE INSULINA, construite din 51 de resturi de aminoacizi, fragmentele de aminoacizi identici sunt marcate cu o culoare de fundal corespunzătoare. Reziduurile de aminoacizi de cisteină conținute în lanț (abreviat CIS) formează punți disulfurice –S-S-, care leagă două molecule de polimer sau formează punți într-un singur lanț.

Moleculele de aminoacizi de cisteină (Tabelul 1) conțin grupări sulfhidride reactive –SH, care interacționează între ele, formând punți disulfură –S-S-. Rolul cisteinei în lumea proteinelor este special; cu participarea sa, se formează legături încrucișate între moleculele de proteine ​​​​polimer.

Combinația de aminoacizi într-un lanț polimeric are loc într-un organism viu sub controlul acizilor nucleici; aceștia asigură o ordine strictă de asamblare și reglează lungimea fixă ​​a moleculei de polimer ().

Structura proteinelor.

Compoziția moleculei proteice, prezentată sub formă de resturi de aminoacizi alternante (Fig. 2), se numește structura primară a proteinei. Legăturile de hidrogen () apar între grupările imino HN și grupările carbonil CO prezente în lanțul polimeric, în urma cărora molecula proteică capătă o anumită formă spațială, numită structură secundară. Cele mai comune tipuri de structură secundară a proteinelor sunt două.

Prima opțiune, numită α-helix, este realizată folosind legături de hidrogen într-o singură moleculă de polimer. Parametrii geometrici ai moleculei, determinați de lungimile și unghiurile de legătură, sunt astfel încât formarea legăturilor de hidrogen este posibilă pentru grupele H-N și C=O, între care se află două fragmente peptidice H-N-C=O (Fig. 3).

Compoziția lanțului polipeptidic prezentat în Fig. 3, scris sub forma prescurtată după cum urmează:

H 2 N-ALA VAL-ALA-LEY-ALA-ALA-ALA-ALA-VAL-ALA-ALA-ALA-COOH.

Ca urmare a efectului de constrângere al legăturilor de hidrogen, molecula capătă forma unei spirale - așa-numita α-helix, este descrisă ca o panglică spirală curbată care trece prin atomii care formează lanțul polimeric (Fig. 4)

Orez. 4 MODEL 3D AL O MOLECULE DE PROTEINĂ sub formă de α-helix. Legăturile de hidrogen sunt prezentate cu linii punctate verzi. Forma cilindrică a helixului este vizibilă la un anumit unghi de rotație (atomii de hidrogen nu sunt prezentați în figură). Colorarea atomilor individuali este dată în conformitate cu regulile internaționale, care recomandă negru pentru atomii de carbon, albastru pentru azot, roșu pentru oxigen și roșu pentru sulf. galben(pentru atomii de hidrogen care nu sunt prezentați în figură, se recomandă albul; în acest caz, întreaga structură este reprezentată pe un fundal întunecat).

O altă versiune a structurii secundare, numită structură β, este, de asemenea, formată cu participarea legăturilor de hidrogen, diferența este că grupările H-N și C=O a două sau mai multe lanțuri polimerice situate în paralel interacționează. Deoarece lanțul polipeptidic are o direcție (Fig. 1), opțiunile sunt posibile atunci când direcția lanțurilor coincide (structură β paralelă, Fig. 5) sau acestea sunt opuse (structura β antiparalelă, Fig. 6).

Lanțurile polimerice de diferite compoziții pot participa la formarea structurii β, în timp ce grupările organice care încadrează lanțul polimeric (Ph, CH 2 OH etc.) joacă în majoritatea cazurilor un rol secundar; poziția relativă a H-N și C. =O grupuri este decisivă. Deoarece relativ polimer lanțuri H-Nși grupele C=O sunt direcționate în direcții diferite (în sus și în jos în figură), interacțiunea simultană a trei sau mai multe lanțuri devine posibilă.

Compoziția primului lanț polipeptidic din Fig. 5:

H 2 N-LEY-ALA-FEN-GLY-ALA-ALA-COOH

Compoziția celui de-al doilea și al treilea lanț:

H 2 N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH

Compoziția lanțurilor polipeptidice prezentată în Fig. 6, la fel ca în Fig. 5, diferența este că al doilea lanț are direcția opusă (comparativ cu Fig. 5).

Formarea unei structuri β în interiorul unei molecule este posibilă atunci când un fragment de lanț dintr-o anumită zonă este rotit cu 180°; în acest caz, două ramuri ale unei molecule au direcții opuse, ducând la formarea unei structuri β antiparalele ( Fig. 7).

Structura prezentată în fig. 7 într-o imagine plată, prezentată în Fig. 8 sub forma unui model tridimensional. Secțiunile structurii β sunt de obicei desemnate pur și simplu printr-o panglică ondulată plată care trece prin atomii care formează lanțul polimeric.

Structura multor proteine ​​alternează între α-helix și structuri β asemănătoare panglicii, precum și lanțuri polipeptidice unice. Aranjamentul și alternanța lor reciprocă în lanțul polimeric se numește structura terțiară a proteinei.

Metodele de reprezentare a structurii proteinelor sunt prezentate mai jos folosind exemplul crambinei proteice vegetale. Formulele structurale ale proteinelor, care conțin adesea până la sute de fragmente de aminoacizi, sunt complexe, greoaie și greu de înțeles, prin urmare, uneori se folosesc formule structurale simplificate - fără simboluri ale elementelor chimice (Fig. 9, opțiunea A), dar la păstrează în același timp culoarea loviturilor de valență în conformitate cu regulile internaționale (Fig. 4). În acest caz, formula este prezentată nu într-o imagine plată, ci într-o imagine spațială, care corespunde structurii reale a moleculei. Această metodă permite, de exemplu, să se distingă punțile disulfurice (asemănătoare cu cele găsite în insulină, Fig. 2), grupările fenil din cadrul lateral al lanțului etc. Imaginea moleculelor sub formă de modele tridimensionale (bile). legat prin tije) este ceva mai clar (Fig. 9, opțiunea B). Cu toate acestea, ambele metode nu permit arătarea structurii terțiare, așa că biofizicianul american Jane Richardson a propus reprezentarea structurilor α sub formă de panglici răsucite spiralat (vezi Fig. 4), structurilor β sub formă de panglici ondulate plate (Fig. 8), și conectându-le lanțuri simple - sub formă de mănunchiuri subțiri, fiecare tip de structură are propria sa culoare. Această metodă de reprezentare a structurii terțiare a unei proteine ​​este acum utilizată pe scară largă (Fig. 9, opțiunea B). Uneori, pentru mai multe informații, structura terțiară și o formulă structurală simplificată sunt prezentate împreună (Fig. 9, opțiunea D). Există, de asemenea, modificări ale metodei propuse de Richardson: α-helicele sunt descrise ca cilindri, iar β-structurile sunt reprezentate sub formă de săgeți plate care indică direcția lanțului (Fig. 9, opțiunea E). O metodă mai puțin obișnuită este în care întreaga moleculă este reprezentată sub forma unei frânghii, unde structurile inegale sunt evidențiate cu culori diferite, iar punțile disulfură sunt prezentate ca punți galbene (Fig. 9, opțiunea E).

Cea mai convenabilă pentru percepție este opțiunea B, când atunci când descrieți structura terțiară, caracteristicile structurale ale proteinei (fragmente de aminoacizi, ordinea alternanței lor, legături de hidrogen) nu sunt indicate și se presupune că toate proteinele conțin „detalii”. ” luat dintr-un set standard de douăzeci de aminoacizi (Tabelul 1). Sarcina principală atunci când descrieți o structură terțiară este de a arăta aranjarea spațială și alternanța structurilor secundare.

Orez. 9 DIFERITE OPȚIUNI PENTRU REPREZENTAREA STRUCTURII PROTEINEI CRUMBIN.
A – formula structurală în imaginea spațială.
B – structura sub forma unui model tridimensional.
B – structura terțiară a moleculei.
D – combinație de opțiuni A și B.
D – imagine simplificată a structurii terțiare.
E – structură terțiară cu punți disulfurice.

Cea mai convenabilă pentru percepție este structura terțiară volumetrică (opțiunea B), eliberată de detaliile formulei structurale.

O moleculă de proteină cu o structură terțiară, de regulă, capătă o anumită configurație, care este formată din interacțiuni polare (electrostatice) și legături de hidrogen. Ca rezultat, molecula ia forma unei bile compacte - proteine ​​globulare (globuli, lat. minge), sau proteine ​​filamentoase - fibrilare (fibra, lat. fibră).

Un exemplu de structură globulară este albumina proteică; clasa albuminelor include proteine ou de gaina. Lanțul polimeric al albuminei este asamblat în principal din alanină, acid aspartic, glicină și cisteină, alternând în într-o anumită ordine. Structura terțiară conține elice α legate prin lanțuri simple (Fig. 10).

Orez. 10 STRUCTURA GLOBULĂ A ALBUMINEI

Un exemplu de structură fibrilă este fibroina proteică. Conțin un număr mare de reziduuri de glicină, alanină și serină (fiecare al doilea reziduu de aminoacid este glicină); Nu există reziduuri de cisteină care conțin grupări sulfhidride. Fibroina, componenta principală a mătăsii naturale și a pânzelor de păianjen, conține structuri β legate prin lanțuri simple (Fig. 11).

Orez. unsprezece PROTEINĂ FIBRILARĂ FIBROINĂ

Posibilitatea formării unei structuri terțiare de un anumit tip este inerentă structurii primare a proteinei, adică. determinată în prealabil de ordinea alternanţei resturilor de aminoacizi. Din anumite seturi de astfel de reziduuri apar predominant elice α (există destul de multe astfel de seturi), un alt set duce la apariția structurilor β, lanțurile simple se caracterizează prin compoziția lor.

Unele molecule de proteine, deși își mențin structura terțiară, sunt capabile să se combine în agregate supramoleculare mari, în timp ce sunt ținute împreună prin interacțiuni polare, precum și prin legături de hidrogen. Astfel de formațiuni sunt numite structura cuaternară a proteinei. De exemplu, proteina feritina, constând în principal din leucină, acid glutamic, acid aspartic și histidină (fericina conține toate cele 20 de reziduuri de aminoacizi în cantități variabile), formează o structură terțiară de patru elice α paralele. Când moleculele sunt combinate într-un singur ansamblu (Fig. 12), se formează o structură cuaternară, care poate include până la 24 de molecule de feritină.

Fig.12 FORMAREA STRUCTURII CUATERNARE A FERITINEI PROTEINE GLOBUARE

Un alt exemplu de formațiuni supramoleculare este structura colagenului. Este o proteină fibrilă, ale cărei lanțuri sunt construite în principal din glicină, alternând cu prolină și lizină. Structura conține lanțuri simple, triple elice α, alternând cu structuri β sub formă de panglică dispuse în mănunchiuri paralele (Fig. 13).

Fig.13 STRUCTURA SUPRAMOLECULARĂ A PROTEINEI DE COLAGEN FIBRILAR

Proprietățile chimice ale proteinelor.

Sub acțiunea solvenților organici, a produselor reziduale ale unor bacterii (fermentația acidului lactic) sau odată cu creșterea temperaturii, distrugerea structurilor secundare și terțiare are loc fără deteriorarea structurii sale primare, în urma căreia proteina își pierde solubilitatea și își pierde activitatea biologică, acest proces se numește denaturare, adică pierdere proprietăți naturale, de exemplu, coagularea laptelui acru, albul coagulat al unui ou fiert de pui. La temperaturi ridicate, proteinele organismelor vii (în special microorganismele) se denaturază rapid. Astfel de proteine ​​nu sunt capabile să participe la procesele biologice, ca urmare, microorganismele mor, astfel încât laptele fiert (sau pasteurizat) poate fi conservat mai mult timp.

Legăturile peptidice H-N-C=O care formează lanțul polimeric al unei molecule de proteină sunt hidrolizate în prezența acizilor sau alcalinelor, determinând ruperea lanțului polimeric, ceea ce poate duce în cele din urmă la aminoacizii originali. Legăturile peptidice care fac parte din α-helice sau β-structuri sunt mai rezistente la hidroliză și diverse influente chimice(comparativ cu aceleași legături în lanțuri simple). O dezasamblare mai delicată a moleculei proteice în aminoacizii ei componente este efectuată într-un mediu anhidru folosind hidrazină H 2 N–NH 2 , în timp ce toate fragmentele de aminoacizi, cu excepția ultimului, formează așa-numitele hidrazide de acid carboxilic care conțin fragmentul. C(O)–HN–NH2 ( Fig. 14).

Orez. 14. DIVIZIUNEA POLIPEPTIDE

O astfel de analiză poate oferi informații despre compoziția de aminoacizi a unei anumite proteine, dar este mai important să se cunoască secvența acestora în molecula proteică. Una dintre metodele utilizate pe scară largă în acest scop este acțiunea izotiocianatului de fenil (FITC) asupra lanțului polipeptidic, care într-un mediu alcalin este atașat de polipeptidă (de la capătul care conține gruparea amino), și atunci când reacția mediul se transformă în acid, acesta se desprinde din lanț, luând cu el un fragment dintr-un aminoacid (Fig. 15).

Orez. 15 CLIVAREA SECVENȚIALĂ A POLIPPEPTIDELOR

Multe tehnici speciale au fost dezvoltate pentru o astfel de analiză, inclusiv cele care încep să „dezmonteze” molecula de proteină în componentele sale constitutive, pornind de la capătul carboxil.

Punțile disulfurice încrucișate S-S (formate prin interacțiunea reziduurilor de cisteină, Fig. 2 și 9) sunt scindate, transformându-le în grupări HS prin acțiunea diverșilor agenți reducători. Acțiunea agenților oxidanți (oxigen sau peroxid de hidrogen) duce din nou la formarea de punți disulfurice (Fig. 16).

Orez. 16. CLIVAREA PODURILOR DISULFURICE

Pentru a crea legături încrucișate suplimentare în proteine, se utilizează reactivitatea grupărilor amino și carboxil. Grupările amino care sunt situate în cadrul lateral al lanțului sunt mai accesibile la diferite interacțiuni - fragmente de lizină, asparagină, lizină, prolină (Tabelul 1). Când astfel de grupări amino interacționează cu formaldehida, are loc un proces de condensare și apar punți încrucișate –NH–CH2–NH– (Fig. 17).

Orez. 17 CREAREA DE PUNTURI ÎNcrucișate SUPLIMENTARE ÎNTRE MOLECULELE DE PROTEINĂ.

Grupările carboxil terminale ale proteinei sunt capabile să reacționeze cu compuși complecși ai unor metale polivalente (compușii de crom sunt mai des utilizați) și apar, de asemenea, legături încrucișate. Ambele procese sunt utilizate în tăbăcirea pieilor.

Rolul proteinelor în organism.

Rolul proteinelor în organism este variat.

Enzime(fermentatie lat. – fermentație), celălalt nume al lor este enzime (en zumh greacă. - în drojdie) sunt proteine ​​cu activitate catalitică; sunt capabile să mărească viteza proceselor biochimice de mii de ori. Sub acțiunea enzimelor, componentele constitutive ale alimentelor: proteinele, grăsimile și carbohidrații sunt descompuse în compuși mai simpli, din care apoi sunt sintetizate noi macromolecule necesare unui anumit tip de organism. De asemenea, enzimele participă la multe procese de sinteză biochimică, de exemplu, la sinteza proteinelor (unele proteine ​​ajută la sintetizarea altora).

Enzimele nu sunt doar catalizatori extrem de eficienți, ci și selectivi (direcționează reacția strict într-o direcție dată). În prezența lor, reacția se desfășoară cu un randament de aproape 100% fără formarea de produse secundare, iar condițiile sunt blânde: presiunea atmosferică și temperatura normală a unui organism viu. Pentru comparație, sinteza amoniacului din hidrogen și azot în prezența unui catalizator - fier activat - se realizează la 400–500 ° C și o presiune de 30 MPa, randamentul de amoniac este de 15–25% pe ciclu. Enzimele sunt considerate catalizatori de neegalat.

Cercetările intensive asupra enzimelor au început la mijlocul secolului al XIX-lea; acum au fost studiate peste 2000 de enzime diferite, aceasta este cea mai diversă clasă de proteine.

Denumirile enzimelor sunt următoarele: terminația -aza se adaugă la numele reactivului cu care enzima interacționează sau la numele reacției catalizate, de exemplu, arginaza descompune arginina (Tabelul 1), decarboxilaza catalizează decarboxilarea, adică îndepărtarea CO2 din gruparea carboxil:

– COOH → – CH + CO 2

Adesea, pentru a indica mai exact rolul unei enzime, atât obiectul, cât și tipul de reacție sunt indicate în numele acesteia, de exemplu, alcool dehidrogenază, o enzimă care realizează dehidrogenarea alcoolilor.

Pentru unele enzime, descoperite cu destul de mult timp în urmă, denumirea istorică (fără terminația –aza) a fost păstrată, de exemplu, pepsină (pepsis, greacă. digestia) și tripsină (tripsis greacă. lichefiere), aceste enzime descompun proteinele.

Pentru sistematizare, enzimele sunt combinate în clase mari, clasificarea se bazează pe tipul de reacție, clasele sunt denumite conform principiului general - numele reacției și finalul - aza. Unele dintre aceste clase sunt enumerate mai jos.

Oxidorreductaze– enzime care catalizează reacțiile redox. Dehidrogenazele incluse în această clasă efectuează transferul de protoni, de exemplu, alcool dehidrogenaza (ADH) oxidează alcoolii în aldehide, oxidarea ulterioară a aldehidelor în acizi carboxilici este catalizată de aldehide dehidrogenaze (ALDH). Ambele procese au loc în organism în timpul conversiei etanolului în acid acetic (Fig. 18).

Orez. 18 OXIDAREA ETANOLULUI ÎN DOUĂ ETAPE inainte de acid acetic

Nu etanolul are un efect narcotic, ci produsul intermediar acetaldehida; cu cât activitatea enzimei ALDH este mai scăzută, cu atât mai lentă are loc a doua etapă - oxidarea acetaldehidei în acid acetic și cu atât efectul de intoxicare de la ingerare este mai lung și mai puternic. etanol. Analiza a arătat că mai mult de 80% dintre reprezentanții rasei galbene au activitate ALDH relativ scăzută și, prin urmare, au o toleranță la alcool vizibil mai severă. Motivul pentru această activitate congenitală redusă a ALDH este că unele dintre reziduurile de acid glutamic din molecula ALDH „slăbită” sunt înlocuite cu fragmente de lizină (Tabelul 1).

Transferaze– enzime care catalizează transferul grupărilor funcționale, de exemplu, transiminaza catalizează mișcarea unei grupări amino.

Hidrolazele– enzime care catalizează hidroliza. Tripsina și pepsina menționate anterior hidrolizează legăturile peptidice, iar lipazele scindează legătura esterică din grăsimi:

–RC(O)OR 1 +H2O → –RC(O)OH + HOR 1

Lyases– enzime care catalizează reacții care nu au loc hidrolitic; în urma unor astfel de reacții, se rup legăturile C-C, C-O, C-N și se formează noi legături. Enzima decarboxilaza aparține acestei clase

Izomeraze– enzime care catalizează izomerizarea, de exemplu, conversia acidului maleic în acid fumaric (Fig. 19), acesta este un exemplu de izomerizare cis - trans ().

Orez. 19. IZOMERIZAREA ACIDULUI MALEIC la fumaric în prezenţa unei enzime.

Se observă activitatea enzimelor principiu general, conform căreia există întotdeauna o corespondență structurală între enzimă și reactivul reacției accelerate. Conform expresiei figurative a unuia dintre fondatorii doctrinei enzimelor, reactivul se potrivește enzimei ca la cheia unei încuietori. În acest sens, fiecare enzimă catalizează o reacție chimică specifică sau un grup de reacții de același tip. Uneori, o enzimă poate acționa asupra unui singur compus, de exemplu, ureaza (uron greacă. – urina) catalizează doar hidroliza ureei:

(H2N)2C = O + H2O = CO2 + 2NH3

Cea mai subtilă selectivitate este prezentată de enzimele care disting între antipozii optic activi - izomeri stângaci și dreptaci. L-arginaza acționează numai asupra argininei levogitoare și nu afectează izomerul dextrogiro. L-lactat dehidrogenaza acţionează numai asupra esterilor levogitori ai acidului lactic, aşa-numiţii lactaţi (lactis lat. lapte), în timp ce D-lactat dehidrogenaza descompune exclusiv D-lactații.

Majoritatea enzimelor acționează nu asupra unuia, ci asupra unui grup de compuși înrudiți, de exemplu, tripsina „preferă” să scinda legăturile peptidice formate din lizină și arginină (Tabelul 1.)

Proprietățile catalitice ale unor enzime, cum ar fi hidrolazele, sunt determinate numai de structura moleculei proteice în sine; o altă clasă de enzime - oxidoreductaze (de exemplu, alcool dehidrogenaza) poate fi activă numai în prezența moleculelor non-proteice asociate cu acestea - vitamine, ioni activatori Mg, Ca, Zn, Mn și fragmente de acizi nucleici (Fig. 20).

Orez. 20 MOLECULA DE ALCOOL DEHIDROGENAZĂ

Proteinele de transport leagă și transportă diverse molecule sau ioni prin membranele celulare (atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul celulei), precum și de la un organ la altul.

De exemplu, hemoglobina leagă oxigenul pe măsură ce sângele trece prin plămâni și îl livrează către diferite țesuturi ale corpului, unde oxigenul este eliberat și apoi folosit pentru a oxida componentele alimentare, acest proces servește ca sursă de energie (uneori termenul „ardere” de alimente din organism este folosit).

Pe lângă partea proteică, hemoglobina conține un compus complex de fier cu molecula ciclică porfirina (porphyros). greacă. – violet), care provoacă culoarea roșie a sângelui. Acest complex (Fig. 21, stânga) joacă rolul unui purtător de oxigen. În hemoglobină, complexul de fier porfirinic este situat în interiorul moleculei proteice și este menținut în loc prin interacțiuni polare, precum și printr-o legătură de coordonare cu azotul din histidină (Tabelul 1), care face parte din proteină. Molecula de O2 transportată de hemoglobină este atașată printr-o legătură de coordonare la atomul de fier pe partea opusă celei de care este atașată histidina (Fig. 21, dreapta).

Orez. 21 STRUCTURA COMPLEXULUI DE FIER

Structura complexului este prezentată în dreapta sub forma unui model tridimensional. Complexul este menținut în molecula de proteină printr-o legătură de coordonare (linie punctată albastră) între atomul de Fe și atomul de N din histidina care face parte din proteină. Molecula de O2 transportată de hemoglobină este atașată coordonat (linia punctată roșie) de atomul de Fe din partea opusă a complexului plan.

Hemoglobina este una dintre proteinele cele mai amănunțite studiate; este alcătuită din helice a conectate prin lanțuri simple și conține patru complexe de fier. Astfel, hemoglobina este ca un pachet voluminos pentru transportul a patru molecule de oxigen simultan. Forma hemoglobinei corespunde proteinelor globulare (Fig. 22).

Orez. 22 FORMA GLOBULARĂ A HEMOGLOBINEI

Principalul „avantaj” al hemoglobinei este că adăugarea de oxigen și eliminarea ulterioară a acestuia în timpul transferului în diferite țesuturi și organe are loc rapid. Monoxidul de carbon, CO (monoxidul de carbon), se leagă de Fe din hemoglobină și mai repede, dar, spre deosebire de O 2, formează un complex greu de distrus. Ca urmare, o astfel de hemoglobină nu este capabilă să lege O 2, ceea ce duce (la inhalarea unor cantități mari de monoxid de carbon) la moartea corpului prin sufocare.

A doua funcție a hemoglobinei este transferul CO 2 expirat, dar în procesul de legare temporară a dioxidului de carbon nu participă atomul de fier, ci gruparea H 2 N a proteinei.

„Performanța” proteinelor depinde de structura lor, de exemplu, înlocuirea unui singur reziduu de aminoacizi al acidului glutamic din lanțul polipeptidic al hemoglobinei cu un reziduu de valină (o anomalie congenitală rară) duce la o boală numită anemie secerată.

Există, de asemenea, proteine ​​de transport care pot lega grăsimile, glucoza și aminoacizii și le pot transporta atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul celulelor.

Proteinele de transport de un tip special nu transportă substanțele în sine, ci îndeplinesc funcțiile unui „regulator de transport”, trecând anumite substanțe prin membrană (peretele exterior al celulei). Astfel de proteine ​​sunt mai des numite proteine ​​membranare. Au forma unui cilindru gol și, fiind încastrate în peretele membranei, asigură deplasarea unor molecule sau ioni polari în celulă. Un exemplu de proteină membranară este porina (Fig. 23).

Orez. 23 PROTEINĂ PORINĂ

Proteinele alimentare și de depozitare, după cum sugerează și numele, servesc ca surse de nutriție internă, adesea pentru embrionii de plante și animale, precum și pentru primele etape dezvoltarea organismelor tinere. Proteinele alimentare includ albumina (Fig. 10), componenta principală a albușului de ou, și cazeina, principala proteină a laptelui. Sub influența enzimei pepsine, cazeina se coagulează în stomac, ceea ce asigură reținerea acesteia în tractul digestiv și absorbția eficientă. Cazeina conține fragmente din toți aminoacizii necesari organismului.

Feritină (Fig. 12), care se găsește în țesuturile animale, conține ioni de fier.

Proteinele de stocare includ și mioglobina, care este similară ca compoziție și structură cu hemoglobina. Mioglobina este concentrată în principal în mușchi, rolul ei principal este de a stoca oxigenul pe care i-l dă hemoglobina. Este rapid saturat cu oxigen (mult mai rapid decât hemoglobina), apoi îl transferă treptat în diferite țesuturi.

Proteinele structurale îndeplinesc o funcție de protecție (pielea) sau o funcție de susținere - țin corpul împreună într-un singur întreg și îi conferă rezistență (cartilaj și tendoane). Componenta lor principală este colagenul proteic fibrilar (Fig. 11), cea mai comună proteină din lumea animală în corpul mamiferelor, reprezentând aproape 30% din masa totală a proteinelor. Colagenul are o rezistență ridicată la tracțiune (se cunoaște rezistența pielii), dar datorită conținutului scăzut de legături încrucișate din colagenul pielii, pieile de animale sunt puțin utile în forma lor brută pentru fabricarea diferitelor produse. Pentru a reduce umflarea pielii în apă, contracția în timpul uscării, precum și pentru a crește rezistența în stare de udare și pentru a crește elasticitatea în colagen, se creează legături încrucișate suplimentare (Fig. 15a), acesta este așa-numitul proces de tăbăcire a pielii .

În organismele vii, moleculele de colagen care apar în timpul creșterii și dezvoltării organismului nu sunt reînnoite și nu sunt înlocuite cu cele nou sintetizate. Pe măsură ce corpul îmbătrânește, numărul de legături încrucișate din colagen crește, ceea ce duce la o scădere a elasticității acestuia și, deoarece nu are loc reînnoirea, apar modificări legate de vârstă - o creștere a fragilității cartilajului și a tendoanelor și aspectul. a ridurilor de pe piele.

Ligamentele articulare conțin elastina, o proteină structurală care se întinde ușor în două dimensiuni. Rezilina proteică, care se găsește în punctele balamale ale aripilor unor insecte, are cea mai mare elasticitate.

Formațiuni cornoase - păr, unghii, pene, constând în principal din proteină de keratina (Fig. 24). Principala sa diferență este conținutul vizibil de reziduuri de cisteină care formează punți disulfurice, ceea ce conferă părului, precum și țesăturilor de lână, elasticitate ridicată (capacitatea de a-și restabili forma originală după deformare).

Orez. 24. FRAGMENT DE KERATINA PROTEINĂ FIBRILARĂ

Pentru a schimba ireversibil forma unui obiect de keratina, trebuie mai întâi să distrugi punțile disulfurice folosind un agent reducător, să dai uniforma noua, și apoi creați din nou punți de disulfură folosind un agent de oxidare (Fig. 16), exact așa se face, de exemplu, părul permanent.

Odată cu o creștere a conținutului de reziduuri de cisteină din cheratina și, în consecință, cu o creștere a numărului de punți disulfurice, capacitatea de a se deforma dispare, dar apare o rezistență ridicată (coarnele ungulatelor și cojile țestoasei conțin până la 18% cisteină fragmente). Corpul mamiferelor conține până la 30 de tipuri diferite de keratina.

Fibroina proteică fibrilară, înrudită cu cheratina, secretată de omizile de viermi de mătase atunci când încurcă un cocon, precum și de păianjeni când împletesc o pânză, conține doar structuri β legate prin lanțuri simple (Fig. 11). Spre deosebire de cheratina, fibroina nu are punți de disulfură încrucișată și are o rezistență foarte mare la tracțiune (rezistența pe unitate de secțiune transversală a unor probe de bandă este mai mare decât cea a cablurilor de oțel). Din cauza lipsei de legături încrucișate, fibroina este inelastică (se știe că țesături de lână aproape indestructibil, iar mătasea se încrețește ușor).

Proteine ​​reglatoare.

Proteinele reglatoare, mai des numite , sunt implicate în diferite procese fiziologice. De exemplu, hormonul insulina (Fig. 25) este format din două lanțuri α legate prin punți disulfurice. Insulina reglează procesele metabolice care implică glucoza; absența acesteia duce la diabet.

Orez. 25 INSULINĂ PROTEINĂ

Glanda pituitară a creierului sintetizează un hormon care reglează creșterea organismului. Există proteine ​​reglatoare care controlează biosinteza diferitelor enzime din organism.

Proteinele contractile și motorii oferă corpului capacitatea de a se contracta, de a schimba forma și de a se mișca, în primul rând despre care vorbim despre muschi. 40% din masa tuturor proteinelor conținute în mușchi este miozină (mys, myos, greacă. – mușchi). Molecula sa conține atât părți fibrilare, cât și globulare (Fig. 26)

Orez. 26 MOLECULA DE MIOZInă

Astfel de molecule se combină în agregate mari care conțin 300-400 de molecule.

Atunci când concentrația ionilor de calciu se modifică în spațiul din jurul fibrelor musculare, are loc o modificare reversibilă a conformației moleculelor - o schimbare a formei lanțului datorită rotației fragmentelor individuale în jurul legăturilor de valență. Acest lucru duce la contracția și relaxarea mușchilor; semnalul de modificare a concentrației ionilor de calciu vine de la terminațiile nervoase din fibrele musculare. Contracția musculară artificială poate fi cauzată de acțiunea impulsurilor electrice, ducând la o schimbare bruscă a concentrației ionilor de calciu; stimularea mușchiului cardiac se bazează pe aceasta pentru a restabili funcția inimii.

Proteinele protectoare ajută la protejarea organismului de invazia bacteriilor atacatoare, virușilor și de pătrunderea proteinelor străine (denumirea generală pentru corpurile străine este antigene). Rolul proteinelor protectoare este îndeplinit de imunoglobuline (un alt nume pentru ele este anticorpi); ele recunosc antigenele care au intrat în organism și se leagă ferm de ele. În corpul mamiferelor, inclusiv al oamenilor, există cinci clase de imunoglobuline: M, G, A, D și E, structura lor, după cum sugerează și numele, este globulară, în plus, toate sunt construite într-un mod similar. Organizarea moleculară a anticorpilor este prezentată mai jos folosind exemplul imunoglobulinei de clasă G (Fig. 27). Molecula conține patru lanțuri polipeptidice legate prin trei lanțuri disulfurice poduri S-S(în Fig. 27 sunt prezentate cu legături de valență îngroșate și simboluri S mari), în plus, fiecare lanț polimeric conține punți disulfurice intracatene. Cele două lanțuri polimerice mari (în albastru) conțin 400-600 de reziduuri de aminoacizi. Celelalte două lanțuri (evidențiate verde) sunt aproape jumătate mai lungi, conțin aproximativ 220 de resturi de aminoacizi. Toate cele patru lanțuri sunt aranjate în așa fel încât grupările terminale H2N sunt direcționate în aceeași direcție.

Orez. 27 REPREZENTAREA SCHEMATICĂ A STRUCTURII IMUNOGLOBULINEI

După ce organismul intră în contact cu o proteină străină (antigen), celulele sistemului imunitar încep să producă imunoglobuline (anticorpi), care se acumulează în serul sanguin. În prima etapă, munca principală este efectuată de secțiuni ale lanțurilor care conțin terminalul H 2 N (în Fig. 27, secțiunile corespunzătoare sunt marcate cu albastru deschis și verde deschis). Acestea sunt zone de captare a antigenului. În timpul sintezei imunoglobulinei, aceste zone sunt formate în așa fel încât structura și configurația lor să corespundă la maxim structurii antigenului care se apropie (ca o cheie a unui lacăt, ca enzimele, dar sarcinile în acest caz sunt diferite). Astfel, pentru fiecare antigen, un anticorp strict individual este creat ca răspuns imun. Nicio proteină cunoscută nu își poate schimba structura atât de „plastic” în funcție de factori externi, pe lângă imunoglobuline. Enzimele rezolvă problema corespondenței structurale cu reactivul într-un mod diferit - cu ajutorul unui set gigantic de diverse enzime, ținând cont de toate cazurile posibile, iar imunoglobulinele reconstruiesc „instrumentul de lucru” de fiecare dată. Mai mult decât atât, regiunea balama a imunoglobulinei (Fig. 27) oferă celor două zone de captare o oarecare mobilitate independentă, drept urmare, molecula de imunoglobulină poate „găsi” simultan cele două locuri cele mai convenabile pentru captarea în antigen pentru a putea fi în siguranță. reparați-l, aceasta amintește de acțiunile unei creaturi crustacee.

Apoi, se activează un lanț de reacții secvențiale ale sistemului imunitar al organismului, imunoglobulinele din alte clase sunt conectate, ca urmare, proteina străină este dezactivată, iar apoi antigenul (microorganism străin sau toxina) este distrus și îndepărtat.

După contactul cu antigenul, concentrația maximă de imunoglobuline este atinsă (în funcție de natura antigenului și de caracteristicile individuale ale organismului însuși) în câteva ore (uneori în câteva zile). Organismul păstrează amintirea unui astfel de contact, iar la un atac repetat al aceluiași antigen, imunoglobulinele se acumulează în serul sanguin mult mai repede și în cantități mai mari - apare imunitatea dobândită.

Clasificarea de mai sus a proteinelor este oarecum arbitrară, de exemplu, proteina trombină, menționată printre proteinele protectoare, este în esență o enzimă care catalizează hidroliza legăturilor peptidice, adică aparține clasei de proteaze.

Proteinele protectoare includ adesea proteine ​​din veninul de șarpe și proteine ​​toxice din unele plante, deoarece sarcina lor este de a proteja organismul de daune.

Există proteine ​​ale căror funcții sunt atât de unice încât le face dificil de clasificat. De exemplu, proteina monelina, găsită într-o plantă africană, are un gust foarte dulce și a fost studiată ca substanță netoxică care ar putea fi folosită în locul zahărului pentru a preveni obezitatea. Plasma sanguină a unor pești din Antarctica conține proteine ​​cu proprietăți antigel, care împiedică înghețarea sângelui acestor pești.

Sinteza proteinelor artificiale.

Condensarea aminoacizilor care duce la un lanț polipeptidic este un proces bine studiat. Este posibil, de exemplu, să se efectueze condensarea oricărui aminoacid sau a unui amestec de acizi și, în consecință, să se obțină un polimer care conține unități identice sau unități diferite alternând într-o ordine aleatorie. Astfel de polimeri se aseamănă puțin cu polipeptidele naturale și nu au activitate biologică. Sarcina principală este de a combina aminoacizii într-o ordine strict definită, predeterminată, pentru a reproduce secvența reziduurilor de aminoacizi în proteinele naturale. Omul de știință american Robert Merrifield a propus o metodă originală care a făcut posibilă rezolvarea acestei probleme. Esența metodei este că primul aminoacid este atașat la un gel polimeric insolubil, care conține grupări reactive care se pot combina cu grupele –COOH – ale aminoacidului. Polistirenul reticulat cu grupări clormetil introduse în el a fost luat ca atare substrat polimeric. Pentru a preveni aminoacidul luat pentru reacție să reacționeze cu el însuși și pentru a preveni alăturarea grupării H2N la substrat, gruparea amino a acestui acid este mai întâi blocată cu un substituent voluminos [(C4H9)3] 3 grup OS (O). După ce aminoacidul s-a atașat la suportul polimeric, gruparea de blocare este îndepărtată și se introduce un alt aminoacid în amestecul de reacție, care are și o grupare H2N blocată anterior. Într-un astfel de sistem, este posibilă doar interacțiunea grupării H2N a primului aminoacid și a grupării –COOH a celui de-al doilea acid, care se realizează în prezența catalizatorilor (săruri de fosfoniu). În continuare, se repetă întreaga schemă, introducând al treilea aminoacid (Fig. 28).

Orez. 28. SCHEMA PENTRU SINTEZA LANȚURILOR DE POLIPPEPTIDE

În ultima etapă, lanțurile polipeptidice rezultate sunt separate de suportul de polistiren. Acum întregul proces este automatizat; există sintetizatoare automate de peptide care funcționează conform schemei descrise. Această metodă a fost folosită pentru a sintetiza multe peptide utilizate în medicină și agricultură. De asemenea, a fost posibil să se obțină analogi îmbunătățiți ai peptidelor naturale cu efecte selective și îmbunătățite. Sunt sintetizate unele proteine ​​mici, cum ar fi hormonul insulina și unele enzime.

Există și metode de sinteză a proteinelor care copiază procesele naturale: sintetizează fragmente de acizi nucleici configurați pentru a produce anumite proteine, apoi aceste fragmente sunt încorporate într-un organism viu (de exemplu, într-o bacterie), după care organismul începe să producă proteina dorita. În acest fel, se obțin acum cantități semnificative de proteine ​​și peptide greu accesibile, precum și analogii acestora.

Proteinele ca surse alimentare.

Proteinele dintr-un organism viu sunt descompuse în mod constant în aminoacizii lor originali (cu participarea indispensabilă a enzimelor), unii aminoacizi sunt transformați în alții, apoi proteinele sunt sintetizate din nou (și cu participarea enzimelor), adică. corpul este în mod constant reînnoit. Unele proteine ​​(colagenul din piele și păr) nu sunt reînnoite; organismul le pierde continuu și sintetizează în schimb altele noi. Proteinele ca surse alimentare îndeplinesc două funcții principale: furnizează organismului material de construcții pentru sinteza de noi molecule de proteine ​​și, în plus, furnizează organismul cu energie (surse de calorii).

Mamiferele carnivore (inclusiv oamenii) obțin proteinele necesare din alimente vegetale și animale. Niciuna dintre proteinele obtinute din alimente nu este incorporata in organism neschimbata. În tractul digestiv, toate proteinele absorbite sunt descompuse în aminoacizi, iar din acestea se construiesc proteinele necesare unui anumit organism, în timp ce din cei 8 acizi esențiali (Tabelul 1), restul de 12 pot fi sintetizați în organism dacă aceștia. nu sunt furnizate în cantități suficiente cu alimente, dar acizii esențiali trebuie să fie furnizați cu alimente fără greșeală. Corpul primește atomi de sulf în cisteină cu aminoacidul esențial metionină. Unele dintre proteine ​​se descompun, eliberând energia necesară menținerii vieții, iar azotul pe care îl conțin este excretat din organism prin urină. De obicei, corpul uman pierde 25-30 g de proteine ​​pe zi, astfel încât alimentele proteice trebuie să fie prezente în mod constant în cantitatea potrivită. Necesarul minim zilnic de proteine ​​este de 37 g pentru bărbați și 29 g pentru femei, dar aportul recomandat este aproape de două ori mai mare. Atunci când evaluați produsele alimentare, este important să luați în considerare calitatea proteinelor. În absența sau conținutul scăzut de aminoacizi esențiali, proteinele sunt considerate a fi de valoare scăzută, astfel încât astfel de proteine ​​ar trebui consumate în cantități mai mari. Astfel, proteinele leguminoase conțin puțină metionină, iar proteinele din grâu și porumb sunt sărace în lizină (ambele aminoacizi esențiali). Proteinele animale (cu excepția colagenului) sunt clasificate ca produse alimentare complete. Un set complet de toți acizii esențiali conține cazeină din lapte, precum și brânză de vaci și brânză făcută din aceasta, deci o dietă vegetariană, dacă este foarte strictă, adică. „fără lactate” necesită un consum crescut de leguminoase, nuci și ciuperci pentru a furniza organismului aminoacizi esențiali în cantitățile necesare.

Aminoacizii și proteinele sintetice sunt, de asemenea, folosiți ca produse alimentare, adăugându-le în furajele care conțin aminoacizi esențiali în cantități mici. Există bacterii care pot procesa și asimila hidrocarburile uleioase; în acest caz, pentru sinteza completă a proteinelor, acestea trebuie să fie hrănite cu compuși care conțin azot (amoniac sau nitrați). Proteina obţinută în acest fel este folosită ca hrană pentru animale şi păsări de curte. Un set de enzime - carbohidraze - este adesea adăugat în hrana animalelor domestice, care catalizează hidroliza componentelor greu de descompus ale alimentelor cu carbohidrați (pereții celulari ai culturilor de cereale), ca urmare a cărora alimentele vegetale sunt absorbite mai complet.

Mihail Levitsky

PROTEINE (articolul 2)

(proteine), o clasă de compuși complecși care conțin azot, cei mai caracteristici și importanți (împreună cu acizii nucleici) componente ale materiei vii. Proteinele îndeplinesc numeroase și variate funcții. Majoritatea proteinelor sunt enzime care catalizează reacțiile chimice. Mulți hormoni care reglează procesele fiziologice sunt și proteine. Proteinele structurale precum colagenul și cheratina sunt principalele componente ale țesutului osos, părului și unghiilor. Proteinele contractile musculare au capacitatea de a-și schimba lungimea folosind energia chimică pentru a funcționa munca mecanica. Proteinele includ anticorpi care leagă și neutralizează substanțele toxice. Unele proteine ​​la care pot răspunde influente externe(lumină, miros), servesc ca receptori în simțurile care percep iritația. Multe proteine ​​situate în interiorul celulei și pe membrana celulara, îndeplinesc funcții de reglementare.

În prima jumătate a secolului al XIX-lea. mulți chimiști, și printre ei în primul rând J. von Liebig, au ajuns treptat la concluzia că proteinele reprezintă o clasă specială de compuși azotați. Denumirea „proteine” (din grecescul protos - primul) a fost propusă în 1840 de chimistul olandez G. Mulder.

PROPRIETĂȚI FIZICE

Proteine ​​în stare solidă albși în soluție sunt incolore, cu excepția cazului în care poartă un grup cromofor (colorat), cum ar fi hemoglobina. Solubilitatea în apă variază foarte mult între diferitele proteine. De asemenea, se modifică în funcție de pH și de concentrația sărurilor din soluție, astfel încât este posibil să se selecteze condițiile în care o proteină va precipita selectiv în prezența altor proteine. Această metodă de „sărare” este utilizată pe scară largă pentru izolarea și purificarea proteinelor. Proteina purificată precipită adesea din soluție sub formă de cristale.

În comparație cu alți compuși, greutatea moleculară a proteinelor este foarte mare - de la câteva mii la multe milioane de daltoni. Prin urmare, în timpul ultracentrifugării, proteinele sunt precipitate și, în plus, cu la viteze diferite. Datorită prezenței grupurilor încărcate pozitiv și negativ în moleculele de proteine, acestea se mișcă cu viteze diferite și într-un câmp electric. Aceasta este baza electroforezei, o metodă folosită pentru a izola proteinele individuale din amestecuri complexe. Proteinele sunt de asemenea purificate prin cromatografie.

PROPRIETĂȚI CHIMICE

Structura.

Proteinele sunt polimeri, adică molecule construite ca lanțuri din unități monomerice repetate, sau subunități, al căror rol este jucat de aminoacizii alfa. Formula generală a aminoacizilor

unde R este un atom de hidrogen sau o grupare organică.

O moleculă proteică (lanț polipeptidic) poate consta doar dintr-un număr relativ mic de aminoacizi sau câteva mii de unități monomerice. Combinația de aminoacizi într-un lanț este posibilă deoarece fiecare dintre ei are două grupe chimice diferite: o grupare amino bazică, NH2, și o grupare carboxil acidă, COOH. Ambele grupuri sunt atașate la atomul de carbon a. Gruparea carboxil a unui aminoacid poate forma o legătură amidă (peptidă) cu gruparea amino a altui aminoacid:

După ce doi aminoacizi au fost legați în acest fel, lanțul poate fi extins prin adăugarea unui al treilea la al doilea aminoacid și așa mai departe. După cum se poate observa din ecuația de mai sus, atunci când se formează o legătură peptidică, este eliberată o moleculă de apă. În prezența acizilor, alcalinelor sau a enzimelor proteolitice, reacția se desfășoară în direcția opusă: lanțul polipeptidic este împărțit în aminoacizi cu adăugarea de apă. Această reacție se numește hidroliză. Hidroliza are loc spontan și este necesară energie pentru a conecta aminoacizii într-un lanț polipeptidic.

O grupare carboxil și o grupare amidă (sau o grupare imidă similară în cazul aminoacidului prolina) sunt prezente în toți aminoacizii, dar diferențele dintre aminoacizi sunt determinate de natura grupului sau „lanțului lateral”. care este desemnat mai sus prin litera R. Rolul catenei laterale poate fi jucat de un atom de hidrogen, cum ar fi aminoacidul glicina, și de o grupare voluminoasă, cum ar fi histidina și triptofanul. Unele lanțuri laterale sunt inerte din punct de vedere chimic, în timp ce altele sunt semnificativ reactive.

Pot fi sintetizați multe mii de aminoacizi diferiți și mulți aminoacizi diferiți apar în natură, dar pentru sinteza proteinelor se folosesc doar 20 de tipuri de aminoacizi: alanină, arginină, asparagină, acid aspartic, valină, histidină, glicină, glutamină, glutamic. acid, izoleucină, leucină, lizină, metionină, prolină, serină, tirozină, treonină, triptofan, fenilalanină și cisteină (în proteine, cisteina poate fi prezentă ca dimer - cistina). Adevărat, unele proteine ​​conțin și alți aminoacizi în plus față de cei douăzeci care apar în mod regulat, dar ele sunt formate ca urmare a modificării unuia dintre cei douăzeci enumerați după ce a fost inclus în proteină.

Activitate optică.

Toți aminoacizii, cu excepția glicinei, au patru grupe diferite atașate la atomul de carbon α. Din punct de vedere al geometriei, patru grupuri diferite pot fi atașate în două moduri și, în consecință, există două configurații posibile, sau doi izomeri, legați unul de celălalt așa cum este un obiect cu imaginea sa în oglindă, adică. Cum mâna stângă La dreapta. O configurație se numește stângaci, sau stângaci (L), iar cealaltă se numește dreptaci, sau dextrogitori (D), deoarece cei doi izomeri diferă în direcția de rotație a planului luminii polarizate. Doar L-aminoacizii se găsesc în proteine ​​(excepția este glicina; aceasta poate fi găsită doar într-o singură formă, deoarece două dintre cele patru grupe ale sale sunt aceleași) și toți sunt activi optic (pentru că există un singur izomer). D-aminoacizii sunt rari în natură; se găsesc în unele antibiotice și în peretele celular al bacteriilor.

Secvența de aminoacizi.

Aminoacizii dintr-un lanț polipeptidic nu sunt aranjați aleatoriu, ci într-o anumită ordine fixă, iar această ordine determină funcțiile și proprietățile proteinei. Variând ordinea celor 20 de tipuri de aminoacizi, puteți crea un număr mare de proteine ​​diferite, la fel cum puteți crea multe texte diferite din literele alfabetului.

În trecut, determinarea secvenței de aminoacizi a unei proteine ​​a durat adesea câțiva ani. Determinarea directă este încă o sarcină destul de intensivă în muncă, deși au fost create dispozitive care permit efectuarea acesteia în mod automat. De obicei, este mai ușor să determinați secvența de nucleotide a genei corespunzătoare și să deduceți secvența de aminoacizi a proteinei din aceasta. Până în prezent, secvențele de aminoacizi a multor sute de proteine ​​au fost deja determinate. Funcțiile proteinelor descifrate sunt de obicei cunoscute, iar acest lucru ajută la imaginarea posibilelor funcții ale proteinelor similare formate, de exemplu, în neoplasmele maligne.

Proteine ​​complexe.

Proteinele care constau numai din aminoacizi sunt numite simple. Deseori, totuși, un atom de metal sau un compus chimic care nu este un aminoacid este atașat la lanțul polipeptidic. Astfel de proteine ​​sunt numite complexe. Un exemplu este hemoglobina: conține porfirina de fier, care îi determină culoarea roșie și îi permite să acționeze ca purtător de oxigen.

Denumirile majorității proteinelor complexe indică natura grupelor atașate: glicoproteinele conțin zaharuri, lipoproteinele conțin grăsimi. Dacă activitatea catalitică a unei enzime depinde de grupul atașat, atunci se numește grup protetic. Adesea, o vitamină joacă rolul unui grup protetic sau face parte din unul. Vitamina A, de exemplu, atașată la una dintre proteinele din retină, determină sensibilitatea acesteia la lumină.

Structura terțiară.

Ceea ce este important nu este atât secvența de aminoacizi a proteinei în sine (structura primară), cât și modul în care este așezată în spațiu. De-a lungul întregii lungimi a lanțului polipeptidic, ionii de hidrogen formează legături regulate de hidrogen, care îi conferă forma unui helix sau strat ( structura secundara). Din combinarea unor astfel de elice și straturi, apare o formă compactă de ordinul următor - structura terțiară a proteinei. În jurul legăturilor care țin unitățile monomerice ale lanțului, sunt posibile rotații la unghiuri mici. Prin urmare, din punct de vedere pur geometric, numărul de configurații posibile pentru orice lanț polipeptidic este infinit de mare. În realitate, fiecare proteină există în mod normal într-o singură configurație, determinată de secvența sa de aminoacizi. Această structură nu este rigidă, pare să „respire” - fluctuează în jurul unei anumite configurații medii. Circuitul este pliat într-o configurație în care energia liberă (capacitatea de a produce lucru) este minimă, la fel cum un arc eliberat se comprimă doar într-o stare corespunzătoare energiei libere minime. Adesea, o parte a lanțului este strâns legată de cealaltă prin legături disulfurice (–S–S–) între două reziduuri de cisteină. Acesta este, parțial, motivul pentru care cisteina joacă un rol deosebit de important printre aminoacizi.

Complexitatea structurii proteinelor este atât de mare încât nu este încă posibil să se calculeze structura terțiară a unei proteine, chiar dacă secvența ei de aminoacizi este cunoscută. Dar dacă este posibil să se obțină cristale de proteine, atunci structura sa terțiară poate fi determinată prin difracție de raze X.

În proteinele structurale, contractile și în alte proteine, lanțurile sunt alungite și câteva lanțuri ușor pliate aflate în apropiere formează fibrile; fibrilele, la rândul lor, se pliază în formațiuni mai mari - fibre. Cu toate acestea, majoritatea proteinelor în soluție au o formă globulară: lanțurile sunt înfășurate într-un glob, ca firele într-o minge. Energie gratis cu această configurație, este minim, deoarece aminoacizii hidrofobi („repeli la apă”) sunt ascunși în interiorul globului, iar aminoacizii hidrofili („atragătoare de apă”) sunt pe suprafața acestuia.

Multe proteine ​​sunt complexe ale mai multor lanțuri polipeptidice. Această structură se numește structura cuaternară a proteinei. Molecula de hemoglobină, de exemplu, constă din patru subunități, fiecare dintre ele fiind o proteină globulară.

Proteinele structurale, datorită configurației lor liniare, formează fibre care au o rezistență la tracțiune foarte mare, în timp ce configurația globulară permite proteinelor să intre în interacțiuni specifice cu alți compuși. Pe suprafata globului la instalare corectă lanțuri, apare o anumită cavitate în formă în care se află grupări chimice reactive. Dacă proteina este o enzimă, atunci o altă moleculă, de obicei mai mică, a unei substanțe intră într-o astfel de cavitate, la fel cum o cheie intră într-o lacăt; în acest caz, configurația norului de electroni al moleculei se modifică sub influența grupărilor chimice situate în cavitate, iar acest lucru îl forțează să reacționeze într-un anumit mod. În acest fel, enzima catalizează reacția. Moleculele de anticorpi au, de asemenea, cavități în care se leagă diferite substanțe străine și sunt astfel făcute inofensive. Modelul „lacăt și cheie”, care explică interacțiunea proteinelor cu alți compuși, ne permite să înțelegem specificitatea enzimelor și anticorpilor, adică. capacitatea lor de a reacţiona numai cu anumiţi compuşi.

Proteine ​​în diferite tipuri de organisme.

Proteine ​​care îndeplinesc aceeași funcție în tipuri diferite plantele și animalele și, prin urmare, poartă același nume, au și ele o configurație similară. Ele, totuși, diferă oarecum în secvența lor de aminoacizi. Pe măsură ce speciile se depărtează de un strămoș comun, unii aminoacizi în anumite poziții sunt înlocuiți de mutații cu alții. Mutațiile dăunătoare care provoacă boli ereditare sunt eliminate selecție naturală, dar pot rămâne utile sau cel puțin neutre. Cu cât două specii biologice sunt mai apropiate una de cealaltă, cu atât se găsesc mai puține diferențe în proteinele lor.

Unele proteine ​​se schimbă relativ repede, altele sunt foarte conservate. Acesta din urmă include, de exemplu, citocromul c, o enzimă respiratorie găsită în majoritatea organismelor vii. La oameni și la cimpanzei, secvențele sale de aminoacizi sunt identice, dar în citocromul c de grâu, doar 38% dintre aminoacizi au fost diferiți. Chiar și atunci când comparăm oameni și bacterii, asemănarea citocromului c (diferențele afectează 65% dintre aminoacizi) încă poate fi observată, deși strămoșul comun al bacteriilor și al oamenilor a trăit pe Pământ în urmă cu aproximativ două miliarde de ani. În zilele noastre, compararea secvențelor de aminoacizi este adesea folosită pentru a construi un arbore filogenetic (genealogic), care reflectă relațiile evolutive dintre diferite organisme.

Denaturarea.

Molecula de proteină sintetizată, pliabilă, capătă configurația sa caracteristică. Această configurație poate fi însă distrusă prin încălzire, prin modificarea pH-ului, prin expunerea la solvenți organici și chiar prin simpla agitare a soluției până când apar bule pe suprafața acesteia. O proteină modificată în acest fel se numește denaturată; își pierde activitatea biologică și devine de obicei insolubilă. Exemple binecunoscute de proteine ​​denaturate sunt ouăle fierte sau frișca. Proteinele mici care conțin doar aproximativ o sută de aminoacizi sunt capabile de renaturare, adică. redobândiți configurația originală. Dar majoritatea proteinelor se transformă pur și simplu într-o masă de lanțuri polipeptidice încurcate și nu își restabilesc configurația anterioară.

Una dintre principalele dificultăți în izolarea proteinelor active este sensibilitatea lor extremă la denaturare. Aplicație utilă Această proprietate a proteinelor se găsește la conservarea produselor alimentare: căldură denaturează ireversibil enzimele microorganismelor, iar microorganismele mor.

SINTEZA PROTEINEI

Pentru a sintetiza proteine, un organism viu trebuie să aibă un sistem de enzime capabile să unească un aminoacid cu altul. De asemenea, este necesară o sursă de informații pentru a determina ce aminoacizi ar trebui combinați. Întrucât există mii de tipuri de proteine ​​în organism și fiecare dintre ele constă în medie din câteva sute de aminoacizi, informațiile necesare trebuie să fie cu adevărat enorme. Este stocat (similar cu modul în care o înregistrare este stocată pe o bandă magnetică) în moleculele de acid nucleic care alcătuiesc genele.

Activarea enzimatică.

Un lanț polipeptidic sintetizat din aminoacizi nu este întotdeauna o proteină în forma sa finală. Multe enzime sunt sintetizate mai întâi ca precursori inactivi și devin active numai după ce o altă enzimă elimină mai mulți aminoacizi la un capăt al lanțului. Unele dintre enzimele digestive, cum ar fi tripsina, sunt sintetizate în această formă inactivă; aceste enzime sunt activate în tractul digestiv ca urmare a îndepărtării fragmentului terminal al lanțului. Hormonul insulina, a cărei moleculă, în forma sa activă, este formată din două lanțuri scurte, este sintetizat sub forma unui lanț, așa-numitul. proinsulină. Partea de mijloc a acestui lanț este apoi îndepărtată, iar fragmentele rămase se leagă împreună pentru a forma molecula de hormon activ. Proteinele complexe se formează numai după ce o anumită grupă chimică este atașată la proteină, iar această atașare necesită adesea și o enzimă.

Circulația metabolică.

După hrănirea unui animal cu aminoacizi marcați cu izotopi radioactivi de carbon, azot sau hidrogen, eticheta este rapid încorporată în proteinele sale. Dacă aminoacizii marcați nu mai pătrund în organism, cantitatea de etichetă din proteine ​​începe să scadă. Aceste experimente arată că proteinele rezultate nu sunt reținute în organism până la sfârșitul vieții. Toate, cu puține excepții, sunt într-o stare dinamică, descompunându-se constant în aminoacizi și apoi fiind sintetizate din nou.

Unele proteine ​​se descompun atunci când celulele mor și sunt distruse. Acest lucru se întâmplă tot timpul, de exemplu, cu celulele roșii din sânge și celulele epiteliale care căptușesc suprafața interioară a intestinului. În plus, descompunerea și resinteza proteinelor are loc și în celulele vii. Destul de ciudat, se știe mai puțin despre descompunerea proteinelor decât despre sinteza lor. Este clar, totuși, că defalcarea implică enzime proteolitice similare cu cele care descompun proteinele în aminoacizi în tractul digestiv.

Timpul de înjumătățire al diferitelor proteine ​​variază - de la câteva ore la multe luni. Singura excepție sunt moleculele de colagen. Odată formate, acestea rămân stabile și nu sunt reînnoite sau înlocuite. De-a lungul timpului, însă, unele dintre proprietățile lor se modifică, în special elasticitatea și, deoarece nu sunt reînnoite, acest lucru are ca rezultat anumite modificări legate de vârstă, cum ar fi apariția ridurilor pe piele.

Proteine ​​sintetice.

Chimiștii au învățat de mult să polimerizeze aminoacizii, dar aminoacizii sunt combinați într-o manieră dezordonată, astfel încât produsele unei astfel de polimerizări se aseamănă puțin cu cele naturale. Adevărat, este posibil să se combine aminoacizii în într-o ordine dată, ceea ce face posibilă obținerea unor proteine ​​biologic active, în special insulină. Procesul este destul de complicat, iar în acest fel este posibil să se obțină doar acele proteine ​​ale căror molecule conțin aproximativ o sută de aminoacizi. Este de preferat în schimb să se sintetizeze sau să izola secvența de nucleotide a unei gene corespunzătoare secvenței de aminoacizi dorite și apoi să se introducă această genă într-o bacterie, care va produce cantități mari din produsul dorit prin replicare. Această metodă are însă și dezavantajele sale.

PROTEINE ȘI NUTRIȚIE

Când proteinele din organism sunt descompuse în aminoacizi, acești aminoacizi pot fi utilizați din nou pentru a sintetiza proteine. În același timp, aminoacizii înșiși sunt supuși defalcării, deci nu sunt complet reutilizați. De asemenea, este clar că în timpul creșterii, sarcinii și vindecării rănilor, sinteza proteinelor trebuie să depășească descompunerea. Organismul pierde continuu unele proteine; Acestea sunt proteinele părului, ale unghiilor și ale stratului de suprafață al pielii. Prin urmare, pentru a sintetiza proteine, fiecare organism trebuie să primească aminoacizi din alimente.

Surse de aminoacizi.

Plantele verzi sintetizează toți cei 20 de aminoacizi găsiți în proteine ​​din CO2, apă și amoniac sau nitrați. Multe bacterii sunt, de asemenea, capabile să sintetizeze aminoacizi în prezența zahărului (sau a unui echivalent) și a azotului fixat, dar zahărul este în cele din urmă furnizat de plantele verzi. Animalele au o capacitate limitată de a sintetiza aminoacizi; obțin aminoacizi mâncând plante verzi sau alte animale. În tractul digestiv, proteinele absorbite sunt descompuse în aminoacizi, aceștia din urmă sunt absorbiți și din ele se construiesc proteinele caracteristice unui anumit organism. Niciuna dintre proteinele absorbite nu este încorporată în structurile corpului ca atare. Singura excepție este că la multe mamifere, unii anticorpi materni pot trece intacți prin placentă în fluxul sanguin fetal, iar prin laptele matern (în special la rumegătoare) pot fi transferați nou-născutului imediat după naștere.

Necesarul de proteine.

Este clar că pentru a menține viața organismul trebuie să primească o anumită cantitate de proteine ​​din alimente. Cu toate acestea, amploarea acestei nevoi depinde de o serie de factori. Organismul are nevoie de hrană atât ca sursă de energie (calorii), cât și ca material pentru construirea structurilor sale. Nevoia de energie este pe primul loc. Aceasta înseamnă că atunci când există puțini carbohidrați și grăsimi în dietă, proteinele dietetice sunt folosite nu pentru sinteza propriilor proteine, ci ca sursă de calorii. În timpul postului prelungit, chiar și propriile proteine ​​sunt folosite pentru a satisface nevoile energetice. Dacă în dietă există destui carbohidrați, atunci consumul de proteine ​​poate fi redus.

Bilanțul de azot.

În medie cca. 16% din masa totală de proteine ​​este azot. Atunci când aminoacizii conținuti de proteine ​​sunt descompuse, azotul pe care îl conțin este excretat din organism prin urină și (într-o măsură mai mică) în fecale sub formă de diverși compuși azotați. Prin urmare, este convenabil să se utilizeze un indicator precum bilanțul de azot pentru a evalua calitatea nutriției proteice, de exemplu. diferența (în grame) dintre cantitatea de azot care intră în organism și cantitatea de azot excretată pe zi. Cu o alimentație normală la un adult, aceste cantități sunt egale. Într-un organism în creștere, cantitatea de azot excretată este mai mică decât cantitatea primită, adică. soldul este pozitiv. Dacă există o lipsă de proteine ​​în dietă, echilibrul este negativ. Dacă în dietă există suficiente calorii, dar nu există proteine, organismul economisește proteine. În același timp, metabolismul proteic încetinește, iar utilizarea repetată a aminoacizilor în sinteza proteinelor are loc cu cea mai mare eficiență posibilă. Cu toate acestea, pierderile sunt inevitabile, iar compușii azotați sunt încă excretați în urină și parțial în fecale. Cantitatea de azot excretată din organism pe zi în timpul postului proteic poate servi ca măsură a deficienței zilnice de proteine. Este firesc să presupunem că prin introducerea în alimentație a unei cantități de proteine ​​echivalente cu această deficiență, echilibrul de azot poate fi restabilit. Cu toate acestea, nu este. După ce a primit această cantitate de proteine, organismul începe să folosească aminoacizii mai puțin eficient, așa că este nevoie de niște proteine ​​suplimentare pentru a restabili echilibrul de azot.

Dacă cantitatea de proteine ​​din dietă depășește ceea ce este necesar pentru a menține echilibrul de azot, atunci se pare că nu există niciun rău. Aminoacizii în exces sunt pur și simplu folosiți ca sursă de energie. Ca special un exemplu strălucitor Vă puteți referi la eschimosi, care consumă puțini carbohidrați și de aproximativ zece ori mai multe proteine ​​decât este necesar pentru a menține echilibrul de azot. În majoritatea cazurilor, totuși, utilizarea proteinelor ca sursă de energie nu este benefică, deoarece o anumită cantitate de carbohidrați poate produce mult mai multe calorii decât aceeași cantitate de proteine. În țările sărace, oamenii își iau caloriile din carbohidrați și consumă cantități minime de proteine.

Dacă organismul primește numărul necesar de calorii sub formă de produse neproteice, atunci cantitatea minimă de proteine ​​pentru a asigura menținerea echilibrului de azot este de cca. 30 g pe zi. Cam atât de multă proteină este conținută în patru felii de pâine sau 0,5 litri de lapte. Un număr puțin mai mare este de obicei considerat optim; Se recomandă 50 până la 70 g.

Aminoacizi esentiali.

Până acum, proteinele erau considerate ca un întreg. Între timp, pentru ca sinteza proteinelor să aibă loc, toți aminoacizii necesari trebuie să fie prezenți în organism. Corpul animalului însuși este capabil să sintetizeze unii dintre aminoacizi. Ele sunt numite înlocuibile deoarece nu trebuie neapărat să fie prezente în dietă - este important doar ca aportul total de proteine ​​ca sursă de azot să fie suficient; apoi, dacă există un deficit de aminoacizi neesențiali, organismul îi poate sintetiza în detrimentul celor care sunt prezenți în exces. Restul de aminoacizi „esențiali” nu pot fi sintetizați și trebuie să fie furnizați organismului prin alimente. Esențiale pentru oameni sunt valina, leucina, izoleucina, treonina, metionina, fenilalanina, triptofanul, histidina, lizina și arginina. (Deși arginina poate fi sintetizată în organism, este clasificată ca un aminoacid esențial deoarece nu este produsă în cantități suficiente la nou-născuți și copiii în creștere. Pe de altă parte, unii dintre acești aminoacizi din alimente pot deveni inutili pentru un adult. persoană.)

Această listă de aminoacizi esențiali este aproximativ aceeași la alte vertebrate și chiar la insecte. Valoarea nutritivă a proteinelor este de obicei determinată prin hrănirea lor la șobolani în creștere și monitorizarea creșterii în greutate a animalelor.

Valoarea nutritivă a proteinelor.

Valoarea nutritivă a unei proteine ​​este determinată de aminoacidul esențial care este cel mai deficitar. Să ilustrăm acest lucru cu un exemplu. Proteinele din corpul nostru conțin în medie cca. 2% triptofan (în greutate). Să presupunem că dieta include 10 g de proteine ​​care conțin 1% triptofan și că există destui alți aminoacizi esențiali în ea. În cazul nostru, 10 g din această proteină incompletă este în esență echivalent cu 5 g de proteină completă; restul de 5 g poate servi doar ca sursă de energie. Rețineți că, deoarece aminoacizii practic nu sunt stocați în organism și, pentru ca sinteza proteinelor să aibă loc, toți aminoacizii trebuie să fie prezenți în același timp, efectul aportului de aminoacizi esențiali poate fi detectat doar dacă toți intră în corp în același timp.

Compoziția medie a majorității proteinelor animale este apropiată de compoziția medie a proteinelor din corpul uman, așa că este puțin probabil să ne confruntăm cu deficiența de aminoacizi dacă dieta noastră este bogată în alimente precum carne, ouă, lapte și brânză. Cu toate acestea, există proteine, precum gelatina (un produs al denaturarii colagenului), care conțin foarte puțini aminoacizi esențiali. Proteinele vegetale, deși sunt mai bune decât gelatina în acest sens, sunt și ele sărace în aminoacizi esențiali; Sunt deosebit de săraci în lizină și triptofan. Cu toate acestea, o dietă pur vegetariană nu poate fi considerată deloc dăunătoare, decât dacă consumă o cantitate ceva mai mare de proteine ​​vegetale, suficientă pentru a furniza organismului aminoacizi esențiali. Plantele conțin cele mai multe proteine ​​în semințele lor, în special în semințele de grâu și diferite leguminoase. Lăstarii tineri, cum ar fi sparanghelul, sunt, de asemenea, bogați în proteine.

Proteine ​​sintetice în dietă.

Prin adăugarea unor cantități mici de aminoacizi esențiali sintetici sau proteine ​​bogate în aminoacizi la proteinele incomplete, cum ar fi proteinele din porumb, valoarea nutrițională a acestora din urmă poate fi crescută semnificativ, de exemplu. crescând astfel cantitatea de proteine ​​consumată. O altă posibilitate este să crească bacterii sau drojdii pe hidrocarburi petroliere cu adăugarea de nitrați sau amoniac ca sursă de azot. Proteina microbiană obținută în acest mod poate servi ca hrană pentru păsări de curte sau animale, sau poate fi consumată direct de oameni. A treia metodă, utilizată pe scară largă, utilizează fiziologia rumegătoarelor. La rumegătoare, în partea inițială a stomacului, așa-numitele. Rumenul este locuit de forme speciale de bacterii și protozoare care transformă proteinele vegetale incomplete în proteine ​​microbiene mai complete, iar acestea, la rândul lor, după digestie și absorbție, se transformă în proteine ​​animale. Ureea, un compus sintetic ieftin care conține azot, poate fi adăugată în hrana animalelor. Microorganismele care trăiesc în rumen folosesc azotul ureic pentru a transforma carbohidrații (din care sunt mult mai mulți în furaj) în proteine. Aproximativ o treime din tot azotul din hrana animalelor poate veni sub formă de uree, ceea ce înseamnă în esență, într-o anumită măsură, sinteza chimică a proteinelor.