Органічні речовини як основа сучасних матеріалів Природні органічні сполуки

§27. Білки

У природі існують речовини, які мають надзвичайно велике значення для живих організмів. Це – білки.

Білки – високомолекулярні органічні сполуки, які містять молекули, побудовані із залишків α-амінокислот, і виконують особливі біологічні функції.

Без білків життя на нашій планеті було б неможливим. Вони здійснюють і регулюють обмін речовин у клітинах і водночас є «будівельним» матеріалом для цих клітин. Білки здатні реагувати на зміну зовнішнього середовища, змінюючись і пристосовуючись до нових умов. Вони забезпечують рухову діяльність організму, а білки-антитіла захищають його від чужорідних тіл. Усі реакції в клітинах відбуваються за безпосередньої участі білків-ферментів, які відіграють роль каталізаторів. Як бачимо, функції білків в організмі дуже різноманітні: енергетична, будівельна, сигнальна, рухова, захисна, каталітична та ін.

- - Водневий зв'язок

Мал. 21. Вторинна структура білка

Білки виявлені в усіх живих клітинах, є складовими навіть безклітинних організмів – вірусів. У організмах тварин і людини міститься більше білків, ніж у рослинах. Рослини здатні синтезувати білки безпосередньо з неорганічних речовин. До організмів тварин і людини білки надходять з їжею. Вони розщеплюються ферментами на амінокислоти, з яких утворюються інші білки, властиві даному організму.

В усіх білках містяться п'ять основних елементів: Карбон (масова частка 50–55 %), Оксиген (21,5–23,5 %), Нітроген (15–17 %), Гідроген (6,5–7,3 %), Сульфур (0,3–2,5 %), а також невеликі кількості Фосфору, Йоду, Феруму, інших елементів.

Для білків характерні високі значення молекулярних мас – від десятків тисяч до кількох мільйонів. Формули молекул білків є дуже складними.

Класифікація. Розрізняють прості і складні білки. До простих білків, або протеїнів, належать ті, молекули яких складаються лише із залишків амінокислот. Складні білки, або протеїди, містять ще й залишки молекул сполук небілкової природи: вуглеводів, ортофосфатної кислоти, нуклеїнових кислот та ін.

Будова молекул. Унікальність білків пояснюється їх будовою, якої не має жодна з вивчених вами сполук. Перший вагомий внесок у дослідження білків зробив німецький вчений Е. Фішер. Він довів, що їхні молекули побудовані із залишків молекул α-амінокислот, які сполучені пептидними атомними групами.

Існує 4 рівні організації білкових молекул.

Первинна структура білка – це довгий поліпептидний ланцюг, якому властива чітка послідовність амінокислотних залишків:

H₂N – CH – CO -NH – CH – CO –NH - СН - СООН.

׀ ׀ ׀

R₁ R₂ R_n

Молекула гормону інсуліну, який виробляється підшлунковою залозою і регулює вміст цукру в крові, складається з двох поліпептидних ланцюгів. Один побудований із 21 амінокислотного залишку, а другий – із 30.

Вторинна структура білка – це певна просторова форма (здебільшого спіраль), якої набуває поліпептидний ланцюг. Між атомом Оксигену СО-групи одного витка спіралі й атомом Гідрогену NH-групи сусіднього витка утворюється водневий зв'язок . Вуглеводневі радикали амінокислотних залишків розміщуються із зовнішньої сторони спіралі.

Третинна структура білка утворюється внаслідок згортання спіралі поліпептидного ланцюга в клубок (глобулу). Існування нової, складнішої просторової форми можливе завдяки взаємодії між функціональними групами амінокислотних залишків. Так, під час зближення карбоксильної групи та аміногрупи утворюється сольовий «місток» (-COO^-...⁺NH₃-), атомів Сульфуру – дисульфідний (-S-S-).

Четвертинна структура білка є системою надзвичайно складної форми з двох або більшої кількості поліпептидних ланцюгів. Це – єдиний комплекс, який виконує певну функцію в живому організмі. Четвертинну структуру має гемоглобін. До складу його молекули входять чотири поліпептидні ланцюги.

Розрізняють фібрилярні і глобулярні білки. Фібрилярні білки мають витягнуту структуру, погано розчиняються у воді. З них складаються волокна живих тканин, шовк, шерсть, волосся, роги, кігті. Глобулярні білки відрізняються від фібрилярних компактною структурою і розчинністю у воді. Вони регулюють біохімічні процеси. До цієї групи білків належать ферменти, багато гормонів, гемоглобін та ін.

Фізичні властивості. Білки не мають температур плавлення і кипіння. При нагріванні вони темніють і починають розкладатися, поширюючи запах паленого пір'я. Деякі білки розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів.

При добавлянні до розчину білка концентрованих розчинів кислот, лугів, солей Купруму (П), Плюмбуму (ІІ), інших («важких») металічних елементів, а також органічних розчинників відбувається осадження білка (явище денатурації). Аналогічний ефект спостерігають і при нагріванні. Це спричинено руйнуванням просторової будови білка (його четвертинної, третинної і вторинної структур). У результаті він втрачає здатність виконувати свою біологічну функцію.

Хімічні властивості. Білки, як і амінокислоти, є амфотерними сполуками і мають слабко виражені основні та кислотні властивості.

За наявності кислот або ферментів білки зазнають гідролізу. Кінцевими продуктами цього перетворення є амінокислоти, залишки яких входять до складу білка. Гідроліз відбувається в кілька стадій:

білок → поліпептиди →дипептиди → амінокислоти.

Існують характерні реакції за участю білків. Вони супроводжуються зміною кольору, тому їх називають кольоровими. До цих реакцій належать біуретова, ксантопротеїнова та ін.

При взаємодії білків із розчином солі Купруму (П) в лужному середовищі виникає фіалкове забарвлення. Це – біуретова реакція, яка є якісною на пептидні групи.

Якщо білки або їхні розчини нагрівати з концентрованою нітратною кислотою, то залишки ароматичних амінокислот, наявні в білках, взаємодіють із цією кислотою з утворенням нітросполук жовтого кольору (ксантопротеїнова реакція). Потрапляння концентрованої нітратної кислоти на шкіру викликає появу на ній жовтої плями, яка не змивається водою.

Практичне значення. Білки є найважливішою складовою харчування людини і раціону тварин. Добова потреба в білках дорослої людини становить у середньому 80 г. У тваринництві й птахівництві з метою збільшення харчової цінності кормів їх збагачують білками, виробленими за допомогою мікробіологічного синтезу.

Широке застосування мають різноманітні речовини і матеріали, основу яких складають білки. Серед них – вовна, шовк, шкіра, хутра, клеї, желатина тощо. У пральні порошки вводять біодобавки. Це – ферменти, які каталізують розпад білкових забруднень білизни та одягу.

200. Білки, як відомо, є поліпептидами. Чи всі поліпептиди, на ваш погляд, можна називати білками?

201. Яка різниця між протеїнами і протеїдами?

202. Охарактеризуйте первинну, вторинну і третинну структури білка.

203. Що таке денатурація білка? Чим вона може бути зумовлена?

204. Чому білкову їжу не можна замінити їжею, складовими якої є жири або вуглеводи?

205. Масова частка білків у листі шпинату становить 2,3 %, а середня масова частка Нітрогену в білках – 16 %. Яка маса Нітрогену міститься в 1 кг шпинату?