Денатурация

Потеря ВМС своих первоначальных свойств (нативных свойств) за счет изменения пространственной структуры полимера называется денатурацией. Это можно наблюдать при нагревании (но не выше 70°) и охлаждении, высаливании, при действии кислот (органических), алкалои­дов и т.д. Денатурация может быть обратимой (условия указаны в скоб­ках) и необратимой (при нагревании выше 70^о С, при действии сильных минеральных кислот, солей тяжелых металлов, алкалоидов). Этот факт следует, прежде, всего учитывать при работе с растворами белков.

Студни

Растворы высокомолекулярных соединений (и некоторые коллоидные системы) способны при определенных условиях терять текучесть и застудневать, образуя при этом студни.

В студнях частицы дисперсной фазы связаны между собой в сетча­тый каркас, а дисперсионная среда заключена в промежутки между ни­ми. Таким образом, студни – это структурированные системы со свой­ствами эластичных твердых тел. Студнями являются хлеб, джем, желе, мармелад, кисель, сыр, простокваша и т.д.

Студни делят на две группы:

а) эластичные ( или обратимые), получаемые из ВМС;

б) хрупкие (необратимые), получаемое из неорганиче-

ских гидрофобных золей.

Для студней характерен ряд свойств твердых тел: они сохраняют форму, обладают упругими свойствами и эластичностью. Однако их меха­нические свойства определяются концентрацией и температурой. При на­гревании студни переходят в вязкотекучее состояние. Этот процесс называется плавлением. Он обратим, т.е. при охлаждении раствор снова застудневает.

Студни, полученные из растворов ВМС, при высушивании могут уменьшаться в объеме.

Свежеприготовленные студни с течением времени подвергаются из­менениям, т.к. процесс структурирования в студне продолжается. При этом на поверхности студня появляются капельки жидкости, которые, сли­ваясь, образуют жидкую среду. Такой самопроизвольный процесс разделения студня на две фазы, сопровождающийся изменением объема студня, называется синерезисом. Чаще всего процесс этот нежелателен, но при производстве творога, созревания сыра он играет положительную роль.

2. Белки; биологическая роль Аминокислоты

Биологическая химия – наука о химии жизни, о химических явлениях живой природы. Биологическая химия изучает химический состав живых организмов, химические процессы, обеспечивающие их существование.

Жизнь – это форма движения материи, качественно более высокая, чем физическая и химические формы. Она реализуется в индивидуальных биологических организмах. Все живые организмы содержат органические макромолекулы, построенные по общему принципу. Например, бактериальная клетка – кишечная палочка (E.coli) – содержит 5000 различных органических соединений, в том числе 3000 различных белков. Вместе с тем, для всех живых систем известны общие черты. Например, нуклеиновые кислоты состоят из 4-х нуклеотидов, белки – из 20 различных аминокислот, хотя нет полностью тождественных двух организмов по составу белков и нуклеиновых кислот. Общим является также использование энергии через аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Во всех живых организмах химические процессы происходят при определенной температуре (например, 37⁰C), рН и осмотическом давлении в водной среде. Катализаторами биохимических реакций являются ферменты. Все молекулы, клеточные структуры тканей организма в высокой степени упорядочены, взаимозависимы. Каждый организм является саморегулирующейся системой, для которой характерен обмен веществ, рост, размножение. В организме постоянно происходит расход энергии, образующейся за счет веществ, поступающих из внешней среды. Нормальная жизнедеятельность возможна лишь при определенном химическом составе клеток и тканей. Это обеспечивается в результате синтеза необходимых веществ. Субстратом для синтеза являются питательные вещества – белки, углеводы, липиды, витамины, соли, вода, кислород, которые поступают в организм из окружающей среды. В живых клетках расщепление веществ – (диссимиляция) – постоянно сочетается с их синтезом (ассимиляция). Распад и синтез – это две стороны единого процесса жизнедеятельности.

Живая материя представляет собой сложную биологическую систему, где ведущую роль играют белки и нуклеиновые кислоты. В природе нет живых существ без белков и нуклеиновых кислот. Белки занимают центральное место во всех химических процессах, обуславливающих обмен веществ организма. Нуклеиновые кислоты являются хранителем наследственной информации. Углеводы, липиды, неорганические соли и вода играют важную роль, но занимают подчиненное положение. Важной особенностью обмена в животной клетке является единство и взаимосвязь происходящих в ней многочисленных реакций.

В зависимости от объекта изучения различают биохимию человека, животных, растений, микробов, вирусов. По направлению изучения биохимию делят на статическую, где изучается химический состав, свойства исследуемого объекта; динамическую, изучающую превращение веществ с момента поступления в организм и заканчивая выделением конечных продуктов обмена и функциональную, где изучаются химические основы физиологической деятельности организма в целом, органа, ткани, клетки. Общая биохимия рассматривает общие для всех живых систем закономерности, частная биохимия рассматривает биохимические особенности отдельных систем, органов, тканей и клеток.

Живой организм характеризуется высокой степенью упорядоченности составляющих его ингредиентов и уникальной структурной организацией, обеспечивающей многообразие биологических функций. В этом структурно-функциональном единстве организмов, составляющем сущность жизни, белки играют важнейшую роль.

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название протеины (от греч. protos – первый, важнейший) – точно отражает первостепенное биологическое значение белков. В отечественной литературе слово «белки» принято называть по аналогии с белком куриного яйца, приобретающем при кипячении (денатурации) белый цвет.

Сейчас, когда достоверно установлено, что наследственная информация у любых живых организмов сосредоточена в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), не вызывает сомнения то, что только белки являются теми молекулярными инструментами, при помощи которых реализуется эта генетическая информация. Без белков, в частности ферментов, ДНК не может реплицироваться, не может самовоспроизводить себя – свойства, необходимые для наследственной передачи генетической информации.

Основные проявления жизни: пищеварение, раздражимость, сократимость, способность к росту и размножению, движение, обмен веществ – все связаны с веществами белковой природы. Белки являются основой структуры и функции живых организмов, они выполняют чрезвычайно многообразные функции; считают, что в природе существует 10¹⁰ - 10¹² различных белков, обеспечивающих существование 1,2 • 10⁶ видов живых организмов различной сложности организации. В клетке E.coli содержится около 3000 различных белков, а в организме животных их насчитывается около 100000. Из этого огромного количества разнообразных белков сейчас известно строение более 3000. Самое удивительное заключается в том, что такое большое разнообразие белковых молекул построено из сравнительно простых блоков (кирпичиков) – аминокислот. В состав природных белков входит всего около 20 видов аминокислот.

Белки в организме выполняют следующие основные функции:

1. Каталитическая функция белков. Все пор открытые биологические катализаторы – ферменты являются белками, известных ферментов сейчас свыше 3000. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным молекулам. Правда, в последнее время стало известно, что рибонуклеиновые кислоты также могут обладать ферментативной активностью. Их называют рибозимами.

2. Питательная (резервная) функция белков. К таким белкам относятся так называемые резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода; белки яйца (овальбумины) и основной белок молока (казеин), также выполняют главным образом питательную функцию. Ряд белков используется в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ.

3. Транспортная функция белков. Дыхательная функция крови, в частности, перенос O₂, целиком осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Белки сыворотки образуют комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы.

4. Защитная функция белков. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунологическая система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков – антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов или вирусов. Взаимодействие антител с антигенами (чужеродными белками) способствует нейтрализации их биологического действия, что обеспечивает безопасность организма от генетически чужеродной информации. Способ свертывания крови это тоже защитная реакция: свертывание белка плазмы крови фибриногена приводит к образованию сгустка крови, что предохраняет от потери крови при ранениях. Интерферон – универсальный противовирусный белок также выполняет защитную функцию.

5. Сократительная функция белков. В сокращении и расслаблении мышц участвуют белки актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам ряда субклеточных структур, что обеспечивает определенные процессы жизнедеятельности клеток.

6. Структурная функция белков. Структурная функция белков занимает очень большое место. Например: коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, роговой ткани, эластин в сосудистой стенке выполняют пластические и опорные функции. Важную роль играют белки в комплексе с углеводами в формировании ряда секретов – мукоидов, муцинов и т.д. В комплексе с липидами (фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клетки.

7. Гормональная функция белков. В регуляции обмена веществ в организме важную роль играют гормоны, которые вырабатываются в железах внутренней секреции. Ряд гормонов являются белками или полипептидами: гормоны гипофиза – соматотропин, окситоцин, вазопрессин; гормон поджелудочной железы – инсулин и т.д.

Кроме указанных функций, следует отметить, что белки в организме играют важную роль в поддержании онкотического давления и в создании буферных систем. Белки осуществляют генерирование и передачу нервных импульсов. Например, родопсин является фоторецепторным белком клеток палочек сетчатки глаза, имеются белки – вкусовые рецепторы, обонятельные рецепторы. Молекулы рецепторы приводятся в действие специфическими веществами. Например, рецептор ацетилхолина - белок, состоящий из 5 единиц, образует ионный канал.

Регуляция роста и дифференцировки клеток осуществляется также специальными белками. Имеются белки-репрессоры, интерлейкины, белки (пептиды), регулирующие дифференцировку клетки. Обобщая, следует подчеркнуть, что белки в организме выполняют разнообразные функции, обеспечивающие жизненные процессы. Важно то, что белки обладают высокой специфичностью; например, фермент строго взаимодействует со своим субстратом, антитела с антигеном. Высокой специфичностью наделены также белки, обеспечивающие такие процессы как рост, деление и дифференцировка клеток, онтогенетическое развитие живых организмов, биологическая индивидуальность.