Білки- Високомолекулярні органічні сполуки, Що складаються із залишків α-амінокислот.
У склад білківвходять вуглець, водень, азот, кисень, сірка. Частина білків утворює комплекси з іншими молекулами, які містять фосфор, залізо, цинк та мідь.
Білки мають велику молекулярну масу: яєчний альбумін — 36 000, гемоглобін — 152 000, міозин — 500 000. Для порівняння: молекулярна маса спирту — 46, оцтової кислоти- 60, бензолу - 78.
Амінокислотний склад білків
Білки- Неперіодичні полімери, мономерами яких є α-амінокислоти. Зазвичай як мономери білків називають 20 видів α-амінокислот, хоча в клітинах і тканинах їх виявлено понад 170.
Залежно від того, чи можуть амінокислоти синтезуватися в організмі людини та інших тварин, розрізняють: замінні амінокислоти- Можуть синтезуватися; незамінні амінокислоти- Не можуть синтезуватися. Незамінні амінокислоти повинні надходити в організм разом із їжею. Рослини синтезують усі види амінокислот.
Залежно від амінокислотного складу, білки бувають: повноцінними- Містять весь набір амінокислот; неповноцінними- Якісь амінокислоти в їхньому складі відсутні. Якщо білки складаються лише з амінокислот, їх називають простими. Якщо білки містять окрім амінокислот ще й неамінокислотний компонент (простетичну групу), їх називають складними. Простетична група може бути представлена металами (металопротеїни), вуглеводами (глікопротеїни), ліпідами (ліпопротеїни), нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїни).
Усе амінокислоти містять: 1) карбоксильну групу (-СООН); 2) аміногрупу (-NH 2); 3) радикал або R-групу (решта молекули). Будова радикала у різних видівамінокислот - різне. Залежно від кількості аміногруп та карбоксильних груп, що входять до складу амінокислот, розрізняють: нейтральні амінокислоти, Що мають одну карбоксильну групу та одну аміногрупу; основні амінокислоти, Що мають більше однієї аміногрупи; кислі амінокислоти, Що мають більше однієї карбоксильної групи
Амінокислоти є амфотерними сполуками, Так як у розчині вони можуть виступати як у ролі кислот, так і основ. У водних розчинах амінокислоти існують у різних іонних формах.
Пептидна зв'язок
Пептиди- Органічні речовини, що складаються з залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.
Утворення пептидів відбувається внаслідок реакції конденсації амінокислот. При взаємодії аміногрупи однієї амінокислоти з карбоксильною групою іншою між ними виникає ковалентний азот-вуглецевий зв'язок, яку і називають пептидний. Залежно кількості амінокислотних залишків, що входять до складу пептиду, розрізняють дипептиди, трипептиди, тетрапептидиі т.д. Утворення пептидного зв'язку може повторюватися багаторазово. Це призводить до освіти поліпептидів. На одному кінці пептиду знаходиться вільна аміногрупа (його називають N-кінцем), а на іншому - вільна карбоксильна група (його називають С-кінцем).
Просторова організація білкових молекул
Виконання білками певних специфічних функцій залежить від просторової конфігурації їх молекул, крім того, клітині енергетично невигідно тримати білки у розгорнутій формі, у вигляді ланцюжка, тому поліпептидні ланцюги піддаються укладання, набуваючи певної тривимірної структури, або конформації. Виділяють 4 рівні просторової організації білків.
Первинна структура білка- Послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу, що становить молекулу білка. Зв'язок між амінокислотами - пептидна.
Якщо молекула білка складається з 10 амінокислотних залишків, то число теоретично можливих варіантівбілкових молекул, що відрізняються порядком чергування амінокислот, - 1020. Маючи 20 амінокислот, можна скласти з них ще Велика кількістьрізноманітних комбінацій. В людини виявлено близько десяти тисяч різних білків, які відрізняються як один від одного, так і від білків інших організмів.
Саме первинна структура білкової молекули визначає властивості молекул білка та її просторову конфігурацію. Заміна лише однієї амінокислоти на іншу в поліпептидному ланцюжку призводить до зміни властивостей і функцій білка. Наприклад, заміна в β-субодиниці гемоглобіну шостої глутамінової амінокислоти на валін призводить до того, що молекула гемоглобіну в цілому не може виконувати свою основну функцію - транспорт кисню; у таких випадках у людини розвивається захворювання – серповидноклітинна анемія.
Вторинна структура- Упорядковане згортання поліпептидного ланцюга в спіраль (має вигляд розтягнутої пружини). Витки спіралі зміцнюються водневими зв'язками, що виникають між карбоксильними групами та аміногрупами. Практично всі СО- та NН-групи беруть участь в утворенні водневих зв'язків. Вони слабші пептидних, але, повторюючись багаторазово, надають цієї зміни стійкість і жорсткість. На рівні вторинної структури існують білки: фіброїн (шовк, павутиння), кератин (волосся, нігті), колаген (сухожилля).
Третинна структура- Укладання поліпептидних ланцюгів в глобули, що виникає в результаті виникнення хімічних зв'язків(водневих, іонних, дисульфідних) та встановлення гідрофобних взаємодій між радикалами амінокислотних залишків. Основну роль освіті третинної структури грають гидрофильно-гидрофобные взаємодії. У водних розчинах гідрофобні радикали прагнуть сховатися від води, групуючись усередині глобули, тоді як гідрофільні радикали в результаті гідратації (взаємодії з диполями води) прагнуть опинитися на поверхні молекули. У деяких білків третинна структура стабілізується дисульфідними ковалентними зв'язками, що виникають між атомами сірки двох залишків цистеїну. На рівні третинної структури є ферменти, антитіла, деякі гормони.
Четвертична структурай у складних білків, молекули яких утворені двома і більше глобулами. Субодиниці утримуються в молекулі завдяки іонним, гідрофобним та електростатичним взаємодіям. Іноді при утворенні четвертинної структури між субодиницями виникають дисульфідні зв'язки. Найбільш вивченим білком, що має четвертинну структуру, є гемоглобін. Він утворений двома α-субодиницями (141 амінокислотний залишок) і двома β-субодиницями (146 амінокислотних залишків). З кожною субодиницею пов'язана молекула гема, що містить залізо.
Якщо з будь-яких причин просторова конформація білків відхиляється від нормальної, білок не може виконувати своїх функцій. Наприклад, причиною «коров'ячого сказу» (губкоподібної енцефалопатії) є аномальна конформація пріонів – поверхневих білків нервових клітин.
Властивості білків
Амінокислотний склад, структура білкової молекули визначають його властивості. Білки поєднують у собі основні та кислотні властивості, що визначаються радикалами амінокислот: чим більше кислих амінокислот у білку, тим яскравіше виражені його кислотні властивості. Здатність віддавати та приєднувати Н+ визначають буферні властивості білків; один із найпотужніших буферів - гемоглобін в еритроцитах, що підтримує рН крові на постійному рівні. Є розчинні білки (фібриноген), є нерозчинні, що виконують механічні функції (фіброїн, кератин, колаген). Є білки активні у хімічному відношенні (ферменти), є хімічно неактивні, стійкі до дії різних умов зовнішнього середовищата вкрай нестійкі.
Зовнішні фактори (нагрівання, ультрафіолетове випромінювання, важкі метали та їх солі, зміни рН, радіація, зневоднення)
можуть спричинити порушення структурної організації молекули білка. Процес втрати тривимірної конформації, властивої даної молекули білка, називають денатурацією. Причиною денатурації є розрив зв'язків, що стабілізують певну структуру білка. Спочатку рвуться найслабші зв'язки, а при посиленні умов і сильніші. Тому спочатку втрачається четвертинна, потім третинна та вторинна структури. Зміна просторової конфігурації призводить до зміни властивостей білка і, як наслідок, унеможливлює виконання білком властивих йому біологічних функцій. Якщо денатурація не супроводжується руйнуванням первинної структури, вона може бути оборотний, у разі відбувається самовідновлення властивої білку конформації. Такої денатурації зазнають, наприклад, рецепторні білки мембрани. Процес відновлення структури білка після денатурації називається ренатурацією. Якщо відновлення просторової конфігурації білка неможливе, то денатурація називається незворотній.
Функції білків
| Функція | Приклади та пояснення |
|---|---|
| Будівельна | Білки беруть участь в освіті клітинних та позаклітинних структур: входять до складу клітинних мембран(ліпопротеїни, глікопротеїни), волосся (кератин), сухожилля (колаген) і т.д. |
| Транспортна | Білок крові гемоглобін приєднує кисень і транспортує його від легень до всіх тканин та органів, а від них у легені переносить вуглекислий газ; До складу клітинних мембран входять особливі білки, які забезпечують активне і строго вибіркове перенесення деяких речовин та іонів з клітини у зовнішнє середовище і назад. |
| Регуляторна | Гормони білкової природи беруть участь у регулюванні процесів обміну речовин. Наприклад, гормон інсулін регулює рівень глюкози в крові, сприяє синтезу глікогену, збільшує утворення жирів із вуглеводів. |
| Захисна | У у відповідь проникнення в організм чужорідних білків чи мікроорганізмів (антигенів) утворюються особливі білки — антитіла, здатні пов'язувати і знешкоджувати їх. Фібрин, що утворюється з фібриногену, сприяє зупинці кровотеч. |
| Двигуна | Скорочувальні білки актин та міозин забезпечують скорочення м'язів у багатоклітинних тварин. |
| Сигнальна | У поверхневу мембрану клітини вбудовані молекули білків, здатних змінювати свою третинну структуру у відповідь на дію факторів зовнішнього середовища, таким чином здійснюючи прийом сигналів із зовнішнього середовища та передачу команд у клітину. |
| Запасаюча | В організмі тварин білки, як правило, не запасаються, виняток: альбумін яєць, казеїн молока. Але завдяки білкам в організмі можуть відкладатися про запас деякі речовини, наприклад, при розпаді гемоглобіну залізо не виводиться з організму, а зберігається, утворюючи комплекс з ферритином білком. |
| Енергетична | При розпаді 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється 176 кДж. Спочатку білки розпадаються до амінокислот, а потім до кінцевих продуктів - води, Вуглекислий газта аміаку. Однак як джерело енергії білки використовуються тільки тоді, коли інші джерела (вуглеводи та жири) витрачені. |
| Каталітична | Одна з найважливіших функцій білків. Забезпечується білками - ферментами, які прискорюють біохімічні реакції, що відбуваються у клітинах. Наприклад, рибульозобіфосфаткарбоксилаза каталізує фіксацію 2 при фотосинтезі. |
Ферменти
Ферменти, або ензими, - Особливий клас білків, що є біологічними каталізаторами. Завдяки ферментам біохімічні реакції протікають із величезною швидкістю. Швидкість ферментативних реакцій у десятки тисяч разів (а іноді й у мільйони) вища за швидкість реакцій, що йдуть за участю неорганічних каталізаторів. Речовина, на яку надає свою дію фермент, називають субстратом.
Ферменти - глобулярні білки, особливостям будовиферменти можна розділити на дві групи: прості та складні. Прості ферментиє найпростішими білками, тобто. складаються лише з амінокислот. Складні ферментиє складними білками, тобто. до їх складу, крім білкової частини, входить група небілкової природи. кофактор. У деяких ферментів як кофактор виступають вітаміни. У молекулі ферменту виділяють особливу частину, яку називають активним центром. Активний центр- Невелика ділянка ферменту (від трьох до дванадцяти амінокислотних залишків), де і відбувається зв'язування субстрату або субстратів з утворенням фермент-субстратного комплексу. Після завершення реакції фермент-субстратний комплекс розпадається на фермент та продукт (продукти) реакції. Деякі ферменти мають (крім активного) алостеричні центри- Ділянки, до яких приєднуються регулятори швидкості роботи ферменту ( алостеричні ферменти).
Для реакцій ферментативного каталізу характерні: 1) висока ефективність 2) строга вибірковість і спрямованість дії; 3) субстратна специфічність; 4) тонка та точна регуляція. Субстратну та реакційну специфічність реакцій ферментативного каталізу пояснюють гіпотези Е. Фішера (1890 р.) та Д. Кошланда (1959 р.).
Е. Фішер (гіпотеза «ключ-замок»)припустив, що просторові конфігурації активного центру ферменту та субстрату повинні точно відповідати один одному. Субстрат порівнюється з «ключом», фермент – із «замком».
Д. Кошланд (гіпотеза «рука-рукавичка»)припустив, що просторова відповідність структури субстрату та активного центру ферменту створюється лише в момент їхньої взаємодії один з одним. Цю гіпотезу ще називають гіпотезою індукованої відповідності.
Швидкість ферментативних реакцій залежить від: 1) температури; 2) концентрації ферменту; 3) концентрації субстрату; 4) рН. Слід наголосити, що оскільки ферменти є білками, то їх активність найбільш висока за фізіологічно нормальних умов.
Більшість ферментів може працювати лише за температури від 0 до 40 °С. У цих межах швидкість реакції підвищується приблизно 2 рази при підвищенні температури на кожні 10 °С. При температурі вище 40 ° С білок піддається денатурації та активність ферменту падає. При температурі, наближеній до точки замерзання, ферменти інактивуються.
При збільшенні кількості субстрату швидкість ферментативної реакції зростає до тих пір, поки кількість молекул субстрату стане рівною кількості молекул ферменту. При подальшому збільшенні кількості субстрату швидкість не збільшуватиметься, оскільки відбувається насичення активних центрівферменту. Збільшення концентрації ферменту призводить до посилення каталітичної активності, так як в одиницю часу перетворень піддається більша кількість молекул субстрату.
Для кожного ферменту існує оптимальне значеннярН, при якому він виявляє максимальну активність (пепсин – 2,0, амілаза слини – 6,8, ліпаза підшлункової залози – 9,0). При вищих чи нижчих значеннях рН активність ферменту знижується. При різких зрушеннях рН фермент денатурує.
Швидкість роботи алостеричних ферментів регулюється речовинами, що приєднуються до алостеричних центрів. Якщо ці речовини прискорюють реакцію, вони називаються активаторами, якщо гальмують інгібіторами.
Класифікація ферментів
За типом каталізованих хімічних перетворень ферменти поділені на 6 класів:
- оксиредуктази(перенесення атомів водню, кисню або електронів від однієї речовини до іншої - дегідрогеназу),
- трансферази(перенесення метильної, ацильної, фосфатної або аміногрупи від однієї речовини до іншої - трансаміназа),
- гідролази(Реакції гідролізу, при яких з субстрату утворюються два продукти - амілаза, ліпаза),
- ліази(негідролітичне приєднання до субстрату або відщеплення від нього групи атомів, при цьому можуть розриватися зв'язки С-С, С-N, С-О, С-S декарбоксилаза),
- ізомерази(Внутрішньомолекулярна перебудова - ізомераза),
- лігази(з'єднання двох молекул в результаті утворення зв'язків С-С, С-N, С-О, С-S - синтетаза).
Класи у свою чергу поділені на підкласи та підпідкласи. У міжнародній класифікації, що діє, кожен фермент має певний шифр, що складається з чотирьох чисел, розділених точками. Перше число – клас, друге – підклас, третє – підпідклас, четверте – порядковий номер ферменту у цьому підпідкласі, наприклад, шифр аргінази – 3.5.3.1.
Перейти до лекції №2«Будова та функції вуглеводів та ліпідів»
Перейти до лекції №4«Будова та функції нуклеїнових кислотАТФ»
Фізичні властивостібілків
1. У живих організмах білки перебувають у твердому та розчиненому стані. Багато білки є кристалами, проте, вони дають справжніх розчинів, т.к. молекула їх має дуже велику величину. Водні розчини білків – це гідрофільні колоїди, що знаходяться у протоплазмі клітин, і це активні білки. Кристалічні тверді білки – це запасні сполуки. Денатуровані білки (кератин волосся, міозин м'язів) є опорними білками.
2. Усі білки мають, як правило, велику молекулярну масу. Вона залежить від умов середовища (t°, рН) та методів виділення та коливається від десятків тисяч до мільйонів.
3. Оптичні характеристики. Розчини білка заломлюють світловий потік, і що більше концентрація білка, то сильніше заломлення. Користуючись цією властивістю можна визначити вміст білка в розчині. У вигляді сухих плівок білки поглинають інфрачервоні промені. Вони поглинаються пептидними групами. Денатурація білка - це внутрішньомолекулярне перегрупування його молекули, порушення нативної конформації, що не супроводжуються розщепленням пептидного зв'язку. Амінокислотна послідовність білка не змінюється. В результаті денатурації відбувається порушення вторинної, третинної та четвертинної структур білка, утворених нековалентними зв'язками, і біологічна активність білка втрачається повністю або частково, оборотно або незворотно залежно від агентів, що денатурують, інтенсивності та тривалості їх дії. Ізоелектрична точка Білки, як і амінокислоти, - амфотерні електроліти, які мігрують у електричному полізі швидкістю, що залежить від їх сумарного заряду та рН середовища. При певному кожному білка значенні рН його молекули електронейтральні. Це значення рН називається ізоелектричною точкою білка. Ізо-електрична точка білка залежить від числа та природи заряджених груп у молекулі. Білкова молекула заряджена позитивно, якщо рН середовища нижче величини її ізоелектричної точки, і негативно, якщо рН середовища вище значення ізоелектричної точки даного білка. У изоэлектрической точці білок має найменшу розчинність і найбільшу в'язкість, у результаті відбувається найлегше осадження білка з розчину – коагуляція білка. Ізоелектрична точка – одна з характерних констант білків. Однак якщо довести розчин білка до ізоелектричної точки, то сам по собі білок все ж таки не випадає в осад. Це гідрофільністю білкової молекули.
-
Фізичні властивості білків. 1. У живих організмах білкизнаходяться у твердому та розчиненому стані. Багато білкиє кристалами, однак... -
Фізично-хімічні властивості білківвизначаються їх високомолекулярною природою, компактність укладання поліпеп-тидних ланцюгів та взаємним розташуванням залишків амінокислот. -
Фізичні властивості білків 1. У живих організмах білкизнаходяться в твердому та рас. Класифікація білків. Усі природні білки(протеїни) поділяють на два великі класи... -
Речовини, що приєднуються до білкам (білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти), - ліганди. Фізико-хімічні властивості білків -
Первинна структура зберігається, але змінюються нативні властивості білката порушується функція. Чинники, що призводять до денатурації білків -
Фізичні властивості білків 1. У живих організмах білкиперебувають у твердому та розчиненому стані... докладніше». -
Фізично-хімічні властивості білківвизначаються їх високомолекулярною природою, компактністю.
Ізоелектрична точка
Амфотерність – кислотно-основні властивості білків.
Четвертична структура
Багато білків складаються з декількох субодиниць (протомерів), які можуть мати однаковий або різний амінокислотний склад. У цьому випадку білки мають четвертинну структуру. Білки зазвичай містять парне число субодиниць: дві, чотири, шість. Взаємодія відбувається з допомогою іонних, водневих зв'язків, Ван-дер-ваальсових сил. Гемоглобін дорослої людини HbA складається з чотирьох попарно однакових субодиниць ( а 2 β 2).
Четвертична структура дає багато біологічних переваг:
а) виникає економія генетичного матеріалу., зменшується довжина структурного гена та іРНК, в яких записано інформацію про первинну структуру білка.
б) можливо здійснювати заміну субодиниць, що дозволяє змінювати активність
ферменту у зв'язку з умовами, що змінюються (здійснювати адаптацію). Гемоглобін
новонародженого складається з білків ( а 2 γ 2) . але протягом перших місяців склад стає як у дорослої людини (а 2 β 2) .
8.4 . Фізико-хімічні властивостібілка
Білки, як і амінокислоти, є амфотерними сполуками і мають буферні властивості.
Білки можна розділити на нейтральні, кислі та основні.
Нейтральні білкимістять однакову кількість груп, схильних до іонізації: кислотних та основних. Ізоелектрична точка таких білків знаходиться в середовищі, близькому до нейтрального, якщо рН< pI , то белок становится положительно заряженным катионом, pH >pI, то білок стає негативно зарядженим аніоном.
NH 3 - білок - COON<-->+ NH 3 - білок - COO –<-->NH 2 - білок - COO –
рН< pI водний розчинI pH > pI
Кислі білкимістять нерівне число груп, схильних до іонізації: карбоксильних більше, ніж аміногруп. У водному розчині вони набувають негативного заряду, а розчин стає кислим. При додаванні кислоти (Н +) білок спочатку входить в изоэлектрическую точку, та був надлишку кислоти – перетворюється на катіон. У лужному середовищі такий білок заряджений негативно (зникає заряд аміногрупи).
Кислий білок
NH 3 - білок - COO - + Н + + NH 3 - білок - COO - + Н + + NH 3 -білок - COOН
| <--> | <--> |
СОО – СООН COOН
Водний розчин рН = р IрН< pI
У надлишку кислоти білок
заряджений позитивно
Кислий білок у лужному середовищі заряджений негативно
NH 3 - білок - COO - ВІН - NH 2 - білок - COO -
| <--> |
СТОВ – СТОВ –
pH > pI
Основні білкимістять нерівне число груп, схильних до іонізації: аміногруп більше, ніж карбоксильних. У водному розчині вони набувають позитивного заряду, а розчин стає лужним. При додаванні лугу (ОН –) білок спочатку входить в изоэлектрическую точку, а далі надлишку лугу – перетворюється на аніон. У кислому середовищі такий білок позитивно заряджений (зникає заряд карбоксильної групи)
§ 9. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ
Білки – це дуже великі молекули, за своїми розмірами вони можуть поступатися лише окремим представникам нуклеїнових кислот та полісахаридам. У таблиці 4 представлені молекулярні характеристики деяких білків.
Таблиця 4
Молекулярні характеристики деяких білків
|
Відносна молекулярна маса |
Число ланцюгів |
Число амінокислотних залишків |
|
|
Рибонуклеаза |
|||
|
Міоглобін |
|||
|
Хімотрипсин |
|||
|
Гемоглобін |
|||
|
Глутамат-дегідрогеназа |
У молекулах білків може міститися різна кількість амінокислотних залишків - від 50 і до декількох тисяч; відносні молекулярні маси білків також сильно коливаються - від кількох тисяч (інсулін, рибонуклеазу) до мільйона (глутаматдегідрогеназу) і більше. Число поліпептидних ланцюгів у складі білків може становити від одиниці до кількох десятків і навіть тисяч. Так, до складу білка вірусу тютюнової мозаїки входить 2120 протомірів.
Знаючи відносну молекулярну масу білка, можна приблизно оцінити, скільки амінокислотних залишків входить до його складу. Середня відносна молекулярна маса амінокислот, що утворюють поліпептидний ланцюг, дорівнює 128. При утворенні пептидного зв'язку відбувається відщеплення молекули води, отже, середня відносна маса амінокислотного залишку складе 128 – 18 = 110. Використовуючи ці молекули складатиметься приблизно з 909 амінокислотних залишків.
Електричні властивості білкових молекул
Електричні властивості білків визначаються присутністю на поверхні позитивно і негативно заряджених амінокислотних залишків. Наявність заряджених груп білка визначає сумарний заряд білкової молекули. Якщо в білках переважають негативно заряджені амінокислоти, його молекула в нейтральному розчині матиме негативний заряд, якщо переважають позитивно заряджені – молекула матиме позитивний заряд. Сумарний заряд білкової молекули залежить від кислотності (рН) середовища. При збільшенні концентрації іонів водню (збільшенні кислотності) відбувається пригнічення дисоціації карбоксильних груп:
і в той же час збільшується кількість протонованих аміногруп;
Таким чином, при збільшенні кислотності середовища відбувається зменшення поверхні молекули білка числа негативно заряджених і збільшення числа позитивно заряджених груп. Зовсім інша картина спостерігається при зниженні концентрації іонів водню та збільшенні концентрації гідроксид-іонів. Число дисоційованих карбоксильних груп зростає
і знижується кількість протонованих аміногруп
Отже, змінюючи кислотність середовища, можна змінити заряд молекули білка. При збільшенні кислотності середовища в молекулі білка знижується кількість негативно заряджених угруповань і збільшується кількість позитивно заряджених, молекула поступово втрачає негативний і набуває позитивного заряду. При зниженні кислотності розчину спостерігається протилежна картина. Вочевидь, що з певних значеннях рН молекула буде електронейтральної, тобто. число позитивно заряджених груп дорівнюватиме числу негативно заряджених груп, і сумарний заряд молекули дорівнюватиме нулю (рис. 14).
Значення рН, у якому сумарний заряд білка дорівнює нулю, називається изоэлектрической точкою і позначаєтьсяpI.
Мал. 14. У стані ізоелектричної точки сумарний заряд молекули білка дорівнює нулю
Ізоелектрична точка для більшості білків знаходиться в рН від 4,5 до 6,5. Однак є й винятки. Нижче наведено ізоелектричні точки деяких білків:
При значеннях рН нижче ізоелектричної точки білок несе сумарний позитивний заряд, вище сумарний негативний.
В изоэлектрической точці розчинність білка мінімальна, оскільки його молекули у такому стані електронейтральні і з-поміж них немає сил взаємного відштовхування, тому можуть «злипатися» з допомогою водневих і іонних зв'язків, гидрофобных взаємодій, ван-дер-ваальсових сил. При значеннях рН, відмінних від рI, молекули білка нестимуть однаковий заряд - або позитивний, або негативний. Внаслідок цього між молекулами існуватимуть сили електростатичного відштовхування, що перешкоджають їх «злипання», розчинність буде вищою.
Розчинність білків
Білки бувають розчинні та нерозчинні у воді. Розчинність білків залежить від їхньої структури, величини рН, сольового складу розчину, температури та інших факторів і визначається природою тих груп, що знаходяться на поверхні білкової молекули. До нерозчинних білків відносяться кератин (волосся, нігті, пір'я), колаген (сухожилля), фіброїн (клацання, павутиння). Багато інших білків розчиняються у воді. Розчинність визначається наявністю на поверхні заряджених і полярних угруповань (-СОО - , -NH 3 + , -OH та інших.). Заряджені та полярні угруповання білків притягують до себе молекули води, і навколо них формується гідратна оболонка (рис. 15), існування якої зумовлює їх розчинність у воді.
Мал. 15. Утворення гідратної оболонки навколо молекули білка.
На розчинність білка впливає наявність нейтральних солей (Na 2 SO 4 , (NH 4) 2 SO 4 та ін) у розчині. При малих концентраціях солей розчинність білка збільшується (мал. 16), тому що в таких умовах збільшується ступінь дисоціації полярних груп і екрануються заряджені групи білкових молекул, тим самим знижується білок-білкова взаємодія, що сприяє утворенню агрегатів та випаданню білка в осад. При високих концентраціях солей розчинність білка знижується (рис. 16) внаслідок руйнування оболонки гідратів, що призводить до агрегації молекул білка.
Мал. 16. Залежність розчинності білка від концентрації солі
Існують білки, які розчиняються тільки в розчинах солей і не розчиняються в чистій воді, такі білки називають глобуліни. Існують і інші білки. альбуміни, вони на відміну від глобулінів добре розчиняються у чистій воді.
Розчинність білків залежить від рН розчинів. Як ми вже зазначали, мінімальну розчинність мають білки в ізоелектричній точці, що пояснюється відсутністю електростатичного відштовхування між молекулами білка.
За певних умов білки можуть утворювати гелі. При утворенні гелю молекули білка формують густу мережу, внутрішній простірякої заповнено розчинником. Гелі утворюють, наприклад, желатину (цей білок використовують для приготування желе) і білки молока при приготуванні кислого молока.
На розчинність білка впливає і температура. При дії високої температурибагато білків випадають в осад внаслідок порушення їх структури, але про це більш детально поговоримо в наступному розділі.
Денатурація білка
Розглянемо добре нам знайоме явище. При нагріванні яєчного білка відбувається поступове помутніння, і потім утворюється твердий згусток. Яєчний білок, що згорнувся, - яєчний альбумін - після охолодження виявляється нерозчинним, в той час як до нагрівання яєчний білок добре розчинявся у воді. Такі ж явища відбуваються при нагріванні практично всіх глобулярних білків. Ті зміни, що сталися під час нагрівання, називаються денатурацією. Білки в природному станіносять назву нативнихбілків, а після денатурації - денатурованих.
При денатурації відбувається порушення нативної кон-формації білків в результаті розриву слабких зв'язків (іонних, водневих, гідрофобних взаємодій). В результаті цього процесу можуть руйнуватися четвертинна, третинна та вторинні структури білка. Первинна структура у своїй зберігається (рис. 17).
Мал. 17. Денатурація білка
При денатурації гідрофобні радикали амінокислот, що у нативних білках у глибині молекули, опиняються поверхні, у результаті створюються умови агрегації. Агрегати білкових молекул випадають осад. Денатурація супроводжується втратою біологічної функції білка.
Денатурація білка може бути викликана не лише підвищеною температурою, а й іншими факторами. Кислоти та луги здатні викликати денатурацію білка: в результаті їх дії відбувається перезаряджання іоногенних груп, що призводить до розриву іонних та водневих зв'язків. Сечовина руйнує водневі зв'язки, наслідком є втрата білками своєї нативної структури. Денатуруючими агентами є органічні розчинники та іони важких металів: органічні розчинники руйнують гідрофобні зв'язки, а іони важких металів утворюють нерозчинні комплекси з білками.
Поряд із денатурацією існує і зворотний процес – Ренатурація.При знятті фактора, що денатурує, можливе відновлення вихідної нативної структури. Наприклад, при повільному охолодженні до кімнатної температурирозчину відновлюється нативна структура та біологічна функція трипсину.
Білки можуть денатурувати і клітині при протіканні нормальних процесів життєдіяльності. Цілком очевидно, що втрата нативної структури та функції білків – вкрай небажана подія. У зв'язку з цим слід згадати про особливі білки – шаперонах. Ці білки здатні пізнавати частково денатуровані білки і, зв'язуючись з ними, відновлювати їхню нативну конформацію. Шаперони також впізнають білки, процес денатурації яких зайшов далеко, і транспортують їх у лізосоми, де відбувається їхнє розщеплення (деградація). Шаперони відіграють важливу роль і в процесі формування третинної та четвертинної структур під час синтезу білка.
Цікаво знати! В даний час часто згадується таке захворювання, як коров'ячий сказ. Цю хворобу викликають пріони.Вони можуть викликати у тварин і людини та інші захворювання, які мають нейродегенеративний характер. Пріони – це інфекційні агенти білкової природи. Пріон, потрапляючи в клітину, викликає зміну конформації свого клітинного аналога, який сам стає пріоном. Так виникає захворювання. Пріонний білок відрізняється від клітинного за вторинною структурою. Пріонна форма білка має в основномуb-складчасту структуру, а клітинна –a
-Спіральну. Донецьказагальноосвітня школа
І – ІІІ ступенів № 21 «Білки. Одержання білків реакцією поліконденсації амінокислот. Первинна, вторинна та третинна структури білків.Хімічні властивості
білків: горіння, денатурація, гідроліз та кольорові реакції. Біохімічні функції білків».
Підготувала
вчитель хімії
вчитель – методист
м. Донецьк, 2016
«Життя – це спосіб існування білкових тіл»Тема урока.
Білки. Одержання білків реакцією поліконденсації амінокислот. Первинна, вторинна та третинна структури білків. Хімічні властивості білків: горіння, денатурація, гідроліз та кольорові реакції. Біохімічні функції білків.Ознайомити учнів з білками як найвищим ступенем розвитку речовин у природі, які зумовили появу життя; показати їх будову, властивості та різноманітність біологічних функцій; розширити поняття про реакцію поліконденсації на прикладі отримання білків, інформувати школярів про гігієну харчування, про збереження свого здоров'я. Розвивати в учнів логічне мислення.
Реактиви та обладнання.Таблиця «Первинна, вторинна та третинна структури білків». Реактиви: HNO3, NaOH, CuSO4, курячий білок, вовняна нитка, хімічний посуд.
Метод уроку.Інформаційно – розвиваючий.
Тип уроку.Урок засвоєння нових знань та вмінь.
Хід уроку
І. Організаційний момент.
ІІ. Перевірка домашнього завдання, актуалізація та корекція опорних знань
Бліц опитування
1. Поясніть термін «амінокислота».
2. Назвіть функціональні групи, що входять до складу амінокислот
3. Номенклатура амінокислот та їх ізомерія.
4. Чому амінокислоти виявляють амфотерні властивості? Напишіть рівняння хімічних реакцій.
5. Завдяки яким властивостям амінокислоти утворюють поліпептиди. Напишіть реакцію поліконденсації амінокислот.
ІІІ. Повідомлення теми, цілі уроку, мотивація навчальної діяльності.
IV. Сприйняття та первинне усвідомлення нового матеріалу.
Вчитель.
«Повсюди, де ми зустрічаємо життя, ми бачимо, що вона пов'язані з яким – чи білковим тілом» - так написав Ф. Енгельс у своїй книзі «Анти – Дюрінг». Нестача білка в їжі призводить до загального послаблення організму, у дітей – до уповільнення розумового та фізичного розвитку. На сьогодні більше половини людства не отримує з їжею необхідної кількостібілків. На добу людині необхідно 115 г білка, про запас білок не відкладається на відміну від вуглеводів та жирів, тому слід слідкувати за своїм раціоном. Ми знайомі з вами з кератином - білком з якого складається волосся, нігті, пір'я, шкіра, - він виконує будівельну функцію; знайомі з білком пепсином – він міститься у шлунковому соку та здатний руйнувати інші білки при травленні; білок тромбін бере участь у згортанні крові; гормон підшлункової залози – інсулін – регулює обмін глюкози; гемоглобін транспортує О2 до всіх клітин і тканин організму і т.д.
Звідки ж береться це нескінченне різноманіття білкових молекул, різноманіття їхніх функцій та їхня особлива роль у життєвих процесах? Для того, щоб відповісти на це питання звернемося до складу та будови білків.
До складу білків входять атоми?
Щоб відповісти на це запитання, проведемо розминку. Відгадайте загадки та поясніть зміст відповідей.
1. Він всюди і скрізь:
У камені, у повітрі, у воді.
Він і в ранковій росі
І в небесах блакиті.
(кисень)
2. Я – найлегший елемент,
У природі без мене жодного кроку.
І з киснем я в мить
3. У повітрі він головний газ,
Оточує всюди нас.
Згасає життя рослин
Без нього, без добрив.
У наших клітинах живе
4. Вирушили школярі якось у похід
(До завдання хімічного це підхід).
Вночі багаття розвели при місяці,
Пісеньки співали про яскравий вогонь.
Відкиньте убік свої сантименти:
Які горіли у вогні елементи?
(Вуглець, водень)
Так, правильно, це головні хімічні елементи, що входять до складу білка
Про ці чотири елементи можна сказати словами Шіллера «Чотири елементи, зливаючись разом, дають життя і будують світ».
Білки – це природні полімери, що складаються із залишків α – амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками.
До складу білків входить 20 різних амінокислот, звідси випливає величезне різноманіття білків при їх різних комбінаціях. В людини налічується до 100 000 білків.
Історична довідка.
Перша гіпотеза про будову молекули білка була запропонована в 70-х роках. ХІХ ст. Це була уреідна теорія будови білка.
У 1903р. німецьким ученим було висловлено пептидна теорія, що дала ключ до таємниці будови білка. Фішер припустив, що білки є полімерами амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком.
Ідея у тому, що білки – це полімерні освіти, висловлювалася ще 70 – 88 гг. ХІХ ст. російським вченим. Ця теорія отримала підтвердження у сучасних роботах.
Вже перше ознайомлення з білками дає деяке уявлення про надзвичайно складній будовіїх молекул. Отримують білки реакцією поліконденсації амінокислот:
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 OH
4. Вчитель демонструє досвід: горіння вовняної нитки; відчувається запах паленого пір'я – так можна відрізнити шерсть від тканин інших видів.
V. Узагальнення та систематизація знань.
1. Складіть опорний конспект за білками.
основа життя ← Білки → поліпептиди
(C, H, O, N) ↓ ↓ ↓ \ структури білка
хімічні кольорові функції
кі св-ва реакції білка
2. Напишіть рівняння реакції утворення дипептиду з гліцину та валіну.
VI. Підбиття підсумку уроку, домашнє завдання.
Вивчити §38 с. 178 – 184. Виконати тестові завданняс. 183.
