1.4. Физико-химические свойства белков

К физико-химическим свойствам относятся высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкая осмотическая активность и высокое онкотическое давление, способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм.

Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH₂- и COОH-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых (аспарагиновая, глутаминовая) и основных аминокислот (аргинин, лизин, гистидин) белки в растворе несут или отрицательный или положительный заряд, перемещаясь к аноду или катоду.

Значения рН, при котором как аминная, так и карбоксильная группы заряжены и эти заряды скомпенсированы, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). ИЭТ каждого белка определяется соотношением кислых и основных групп. Если же аминокислота содержит дополнительные ионогенные группировки, то при расчете pI следует учитывать их вклад.

Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. В природе существуют белки, у которых значения изоэлектрических точек лежат в крайних значениях рН среды. Например, величина pI пепсина равна 1, а сальмина почти 12.

В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. pL белка в сильной степени зависит от присутствия в растворе ионов солей; в то же время на ее величину не влияет концентрация белка.

Белки обладают ярко выраженными гидрофильными свойствами. Растворы белков имеют очень низкое осмотическое давление, высокую вязкость и незначительную способность к диффузии. Белки способны к набуханию в очень больших пределах. Молекулы белков не способны проникать через полупроницаемые мембраны (целлофан, пергамент, коллодий), а также биомембраны растительных и животных тканей.

Д

Рис. 7. Денатурация и ренатурация белковой молекулы (рибонуклеазы)

ля выполнения функции белок должен иметь определенную конформацию – нативную структуру. Нативная конформация белка является лабильной и подвержена изменениям под влиянием химических агентов или энергетических и механических нагрузок. Под влиянием внешних факторов может произойти разрыв большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру белковой молекулы. Уникальная для каждого белка конформация пептидной цепи нарушается, и белковая молекула целиком или большая ее часть принимает форму беспорядочного клубка – происходит денатурация (рис. 7).

При денатурации происходит потеря характерных для белка свойств (растворимость, электрофоретическая подвижность, биологическая активность и т.д.). При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна ренатурация белка с полным восстановлением исходной трехмерной структуры и нативных свойств его молекул.

1.5. Классификация белков

В зависимости от химического состава белки делятся на простые и сложные.

Простые белки или протеины (франц. рroteine, греч. protos  первый) состоят только из остатков аминокислот. Среди них выделяют несколько групп, которые характеризуются определенными свойствами и функциями. Некоторые из них приведены в таблице 2.

Таблица 2

Группы простых белков

Белки	Свойства	Примеры
Прота- мины	Обладают выраженными основными свойствами, хорошо растворимы в воде. Изоэлектрическая точка находится в щелочной среде (рН 10 13)	Сальмин, клупеин (выделены из молок семги). Протамины составляют белковый компонент в структуре ряда сложных белков
Гистоны	Белки основного характера. Изоэлектрическая точка находится в щелочной среде (рН 8  11)	Сосредоточены в ядрах клетки, играют важную роль в упаковке ДНК и регуляции экспрессии генов
Прола- мины и глютелины	Белки растительного происхождения; растворимы в 60-80%-ном водном растворе этанола, в то время как другие белки выпадают в осадок	Содержатся в семенах злаков, составляют основную массу клейковины. Оризенин (из риса), глютенин, глиадин (из пшеницы), зеин (из кукурузы), гордеин (из ячменя)
Альбу- мины	Простые глобулярные белки, хорошо растворимы в воде, солевых растворах, разбавленных кислотах и щелочей; выпадают в осадок при насыщении раствора сульфатом аммония выше 50%	Лактальбумин (молоко), овальбумин (яичный белок), сывороточный альбумин (сыворотка крови), основные резервные белки организма
Глобу- лины	Глобулярные белки, растворимы в разбавленных растворах солей, кислот и щелочей; слаборастворимы в воде. Выпадают в осадок при насыщении раствора сульфатом аммония выше 50%	Входят в состав растительных и животных тканей. Составляют почти половину белков сыворотки крови. Некоторые глобулины связаны с углеводами, липидами, НК и определяют иммунные свойства организма (антитела, свертываемость крови и т.д.)

Сложные белки или протеиды (франц. protos  первый, важнейший, греч. eidos  вид) – сложные белки, содержащие небелковый компонент – простетическую группу (греч. prostheto  присоединяю).

В зависимости от химической природы простетической группы сложные белки подразделяют на следующие классы: хромопротеиды (в состав входят пигменты); нуклеопротеиды (содержат нуклеиновые кислоты); липопротеиды (содержат липиды); фосфопротеиды (содержат фосфорную кислоту); гликопротеды (содержат углеводы); металлопротеиды (содержат металлы).

Хромопротеиды (от chroma- цвет, краска) – сложные окрашенные белки, содержащие в своем составе простетическую группу, определяющую спектр поглощения белка и его цвет. Хромопротеиды играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности. В зависимости от структуры простетической группы хромопротеиды разделяют на гемопротеиды, флавопротеиды, фикобилины, ретинилиденпротеиды и др.

К группе гемопротеидов относятся гемоглобин и его производные, миоглобин, хлорофиллсодержащие белки, ферменты (цитохрооксидазная система, каталаза, пероксидаза). В этих соединениях в качестве небелкового компонента выступает железо (магний) порфирин, а в качестве белкового компонента – разные по структуре и функциям белки. Гемоглобин, например, содержит белок глобин, а небелковый компонент – гем. Гем является простетической группой и у миоглобина, каталазы, пероксидазы, цитохромов. Гемоглобины участвуют в транспорте кислорода от легких к тканям; легко соединясь с другими газами, гемоглобин теряет способность связываться с кислородом.

Гемопротеиды принимают участие в таких процессах как дыхание, фотосинтез, транспорт кислорода, углекислого газа, окислительно-восстановительных реакциях, свето- и цветовосприятии и т.д.

Хлорофиллы содержат магнийпорфирины и обеспечивают фотосинтетическую активность растений, катализируя расщепление молекулы воды на водород и кислород.

Миоглобин (белок мышц) связывает переносимый гемоглобином кислород и передает его окислительным системам клеток.

Цитохромы являются переносчиками электронов и содержатся во всех клетках организмов; локализованы в мембранах митохондрий, хлоропластов, хроматофоров и других мембранных структурах. Они принимают участие во всех основных группах окислительно-восстановительных процессов, протекающих в живых организмах – дыхании, фотосинтезе, микросомальном окислении.

К хромопротеинам относятся и флавопротеиды, простетическими группами у которых являются изоаллоксазиновые производные – ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) (см. раздел «Ферменты»). Флавопротеиды входят в состав оксидоредуктаз – ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в клетке.

Фикобилины (пигменты красных водорослей и цианобактерии) содержат в составе небелковой части хромофорную группу, являющуюся аналогом желчных кислот. Пигменты участвуют в процессе фотосинтеза.

Нуклеопротеиды представляют собой сложные комплексы нуклеиновых кислот с белками. По характеру НК, входящей в состав нуклеопротеидов, различают дезоксинуклеопротеид (ДНП) и рибонуклеопротеид (РНК). ДПН содержатся в ядрах клеток, митохондриях. Белки в ДНП представлены гистонами и протаминами, расположенными в желобах двойной спирали ДНК. Белки стабилизируют структуру ДНП и регулируют ее матричную активность. Из РНП состоят рибосомы, вирусные частицы; РНП обнаружены также в ядре, ядрышках.

Липопротеиды – комплекс белков и липидов. Липопротеиды широко распространены в живых организмах и выполняют разнообразные функции. Они составляют структурную основу всех биологических мембран, в свободном состоянии присутствуют в основном в плазме крови и лимфе. Занимают ключевое положение в транспорте и метаболизме липидов. Липопротеиды (ЛП) плазмы крови классифицируются в зависимости от электрофоретической подвижности и плотности при электроцентрифугировании (табл. 3). Различают ЛП низкой плотности (ЛПНП), очень низкой плотности (ЛПОНП), высокой плотности (ЛПВП), очень высокой плотности (ЛПОВП) и ЛП промежуточной плотности (ЛППП).

Отклонение в содержании какого-либо класса ЛП в крови от нормы диагностируется с нарушением липидного обмена. Например, повышенное содержание ЛПОНП сочетается с диабетом, ожирением, ишемической болезнью сердца.

Таблица 3

Классификация и свойства ЛП сыворотки крови человека

Электрофоретическая фракция	Фракция при ультрацентрифугировании	Плотность, г/см3	Процент белка	Липидный комплекс
Хиломи- кроны	-	0,96	1-2	Свободные жирные кислоты
Пре--ЛП	ЛПОНП	0,96-1,006	7	То же
2-1-ЛП	ЛППП	1,006-1,019	11	Эфиры холестерина
-ЛП	ЛПНП	1,019-1,063	21-23	То же
1-ЛП	ЛПВП	1,063-1,200	35-50	Фосфолипиды
1-ЛП	ЛПОВП1	1,2110	65	Свободные жирные кислоты
Альбумин	ЛПОВП2	1,210	97	То же

Гликопротеиды – сложные белки, содержащие углеводы (от долей % до 80%). М.м. 15000-1000000. Присутствуют во всех тканях животных, растений, микроорганизмов. К гикопротеидам относятся белки секретов слизистых оболочек желез (муцин), опорных тканей (мукоиды), белки плазмы крови (церуллоплазмин, трансферрин, фибриноген, иммуноглобулины), интерфероны, гормоны (эритропоэтин, тиреотропин), структурные белки клеточных мембран и т.д. Все гликопротеиды выполняют специфические функции: обеспечивают клеточную адгезию, молекулярное и клеточное узнавание, защитные и гормональные активизирующие действия.

Металлопротеиды – сложные белки, содержащиеся в качестве необходимой составной части атомы металлов (железо, марганец, медь, цинк и другие). В транспортных и запасающих металлопротеидах (трансферрин, церулоплазмин) связь металла с белком обычно непрочная. В состав других металлопротеидов (фермен- тов – оксидоредуктазы, карбоангидразы) входят прочно связанные атомы металлов, удаление которых нарушает строение и функциональные свойства металлопротеидов. Многочисленные ферменты, относящиеся к металлопротеидам, требуют для проявления активности наличия в среде определенных катионов (например, маг- ния – для фосфотрансферазы; калия, магния для пируваткиназы).

Фосфопротеиды – сложные глобулярные белки, содержащие фосфатные группы, присоединенные обычно к остаткам серина и треонина полипептидной цепи. Широко распространены в живых организмах. Выполняют разнообразные функции: участвуют в регуляции активности ядра, окислительных процессах в митохондриях, транспорте ионов в клетке. Являются ценными источниками энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза и дальнейшего развития организма. К фосфопротеидам относятся казеин молока, вителлин яичного желтка, ихтулин икры рыб и др.