ХИМИЯ
ХИМИЯ
Билет 1.
1.Перечислите наиболее распространенные методы количественного определения содержания белков. Укажите их принципы:
а), б), в), г), д).
2. Укажите отличия олигомерных белков от мономерных:
а), б), в), г).
3. Перечислите связи, стабилизирующие третичную структуру бел-
ков:
а), б), в), г).
4. Укажите основные реакции осаждения белков из растворов,
поясните их механизм, отметьте практическое применение:
а) б) в)
5. Протамины, гистоны
а) особенности аминокислотного состава
б) физико-химические свойства
в) распространение
г) биологическая роль
6. Напишите трипептид: тир-асп-сер
1.
Для определения концентрации белков в биологических жидкостях и растворах используются оптические, колориметрические и азотометрические методы.
Оптические методы основаны на оптических свойствах белков. К ним относятся:
спектрофотометрические методы, оценивающие интенсивность поглощения белками УФ лучей в диапазоне около 200 нм и 260 нм. Степень УФЛ - поглощения пропорциональна концентрации белка;
рефрактометрические методы основаны на способности растворов белков преломлять свет пропорционально их концентрации;
нефелометрические методы основаны на способности растворов белков рассеивать свет пропорционально их концентрации;
поляриметрические методы основаны на способности растворов белков вращать плоскость поляризованного света пропорционально их концентрации.
Колориметрические методы основаны на цветных реакциях белков – биуретовая реакция, метод Лоури, метод сорбции белками определённых красителей. Интенсивность окраски определяется концентрацией белкового раствора.
Азотометрические методы основаны на определении содержания азота и пересчёте его на концентрацию белка (в белках 16% азота).
3.
Третичная структура - специфическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки раз увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют
1.нековалентные связи:
А)гидрофобные
Б) ионные
2. ковалентные:
В)дисульфидные связи
Третичная структура определяет биологическую активность и некоторые физико-химические свойства белков. Изменения в третичной структуре белка отражается на его биологической активности.
5.
Гистоны
Гистоны имеют небольшую молекулярную массу (11-24 тыс. д.). Они богаты щелочными аминокислотами лизином и аргинином, поэтому находятся в изоэлектрическом состоянии в резко щелочной среде при рН 9,5 – 12. В физиологических условиях гистоны имеют положительный заряд. В различных видах гистонов содержание аргинина и лизина варьирует, в связи с чем они делятся на 5 классов. Гистоны Н1 и Н2 богаты лизином, гистоны Н3- аргинином. Молекулы гистонов полярны, очень гидрофильны, поэтому с трудом высаливаются из растворов. В клетках положительно заряженные гистоны, как правило, связаны с отрицательно заряженными ДНК в составе хроматина. Гистоны в хроматине формируют остов, на который накручивается молекула ДНК. Основные функции гистонов – структурная и регуляторная.
Протамины
Протамины – низкомолекулярные щелочные белки. Молекулярная масса их составляет 4 – 12 тыс. д. Протамины в своём составе содержат до 80% аргинина и лизина. Они содержатся в составе таких нуклеопротеидов молоки рыб как клупеин (сельдь), скумбрин (скумбрия).
4.
Изоэлектрическое осаждение - при приближении рН раствора к изоэлектрической точке, белок теряет заряд и осаждается из раствора (пример: осаждение казеина молока при его скисании). Этот процесс осаждения в начальных стадиях носит обратимый характер и может быть использован для разделения белков.
Дегидратация – снятие водной оболочки белковой молекулы при добавлении дегидратирующих средств (спирт, ацетон). Этот процесс также обратим, и используется для разделения белков.
Высаливание – осаждение белков концентрированными растворами электронейтральных или слабокислых солей, таких как NaCl, KCl, (NH4)2SO4.. Механизм высаливания заключается в обратимом снятии с белковой молекулы двух стабилизирующих факторов. Высаливающие вещества содержат в своем составе гидрофильные катионы и анионы, которые «снимают» водную оболочку с белка. При добавлении (NH4)2SO4 в растворе возникает слабокислая реакция, рН приближается к изоэлектрической точке, что уменьшает заряд молекулы белка. Высаливание не нарушает структуры белка и является полностью обратимым процессом, вследствие чего используется для разделения белков, а также для их концентрирования.
Денатурация – нарушение физико-химических свойств белка, его биологической активности при воздействии факторов, разрушающих вторичную, третичную, четвертичную структуры белка.
Признаками денатурации являются:
выпадение осадка;
изменение оптических свойств;
изменение активности его химических групп и конформации белковой молекулы;
снижение биологической активности;
более быстрое расщепление ферментами пептидазами
2.
Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками:
имеют очень компактную укладку и относительно небольшую поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды;
их потеря клетками менее вероятна;
они функционально более приспособлены к условиям организма, поскольку их активность в организме регулируется через кооперативность свойств;
если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК «штампуется» несколько одинаковых протомеров);
БИЛЕТ 2
1. Укажите основные этапы выделения индивидуальных белков из
тканей:
а), б), в), г), д).
2. Назовите виды протеиноидов:
а), б), в), г).
3. а) проиллюстрируйте ионизацию белков по кислотному типу
б) проиллюстрируйте ионизацию белков по щелочному типу
в) отметьте биологическую роль ионизации белков
г) укажите практическое применение ионизации белков
4. а) поясните механизм гидратации белков
б) приведите примеры гидрофильных белков
в) укажите биологическую роль гидратации белков
5. а) Охарактеризуйте гликопротеиды
б) Приведите примеры
в) Укажите биологическую роль
1.
Выделение белков из тканей включает несколько этапов.
1. Гомогенизация (измельчение) ткани для разрушения клеточных и внутриклеточных мембран, препятствующих выделению белков. В процессе гомогенизации нередко добавляются детергенты.
2. Экстрагирование (растворение) белков проводят чаще всего слабыми солевыми растворами.
3. Отделение низкомолекулярных веществ (солей) методом диализа с использованием полупроницаемых мембран, методом гель - фильтрации.
4. Очистка белка от сопутствующих белков (фракционирование), основанная на различных физико-химических свойствах белков.
а) ультрацентрифугирование – разделение белков по молекулярной массе;
б) электрофорез – разделение белков по заряду молекулы и молекулярной массе;
в) фракционное высаливание – подбор концентрации соли для осаждения различных белков;
г) хроматографические методы разделения:
распределительная хроматография – по различной растворимости белков;
гель-фильтрация – по различной молекулярной массе белков
ионообменная хроматография – по разнице зарядов белковых молекул
аффинная хроматография – по химическим свойствам различных белков
5. Выделение белка в кристаллическом состоянии проводится путём лиофилизации (высушивания) при низкой температуре.
2.
Протеиноиды (белковоподобные вещества) – фибриллярные, водонерастворимые белки опорных тканей (костей, хрящей, сухожилий, связок). Они представлены коллагеном, эластином, кератином, фиброином.
Коллаген (рождающий клей) – широко распространённый в организме белок, составляет около трети всех белков организма. Входит в состав костей, хрящей, зубов, сухожилий и других видов соединительной ткани.
Кератины - белки волос, ногтей. Они не растворимы в растворах солей, кислот, щелочей. В составе кератинов имеется фракция, которая содержит большое количество серосодеоржащих аминокислот (до 7 – 12%), образующих дисульфидные мостики, придающие высокую прочность этим белкам
Эластин – белок эластических волокон, связок, сухожилий. Эластин не растворим в воде, не способен к набуханию. В эластине высока доля глицина, валина, лейцина (до 25 – 30%). Эластин способен растягиваться под действием нагрузки и восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки
3.
А) Ионизация кислотных групп (СООН - группы – доноры Н+).
При рН = 2-4 половина карбоксильных групп в белках находится в ионизированном состоянии (–СОО-), половина – в неионизированном виде(–СООН). При физиологических значениях рН в интервале 7,35 – 7,45 (более щелочная среда) карбоксильные группы полностью ионизированы и определяют отрицательный заряд белковой молекулы.
Б) Ионизация щелочных групп (NH2 -группы - акцепторы Н+)
При рН около 10 половина аминогрупп белков ионизирована, а половина не ионизирована. При физиологических величинах рН =7.4 (более кислая среда) преобладает ионизированная форма аминогрупп (NH3+), придающая белковым молекулам положительный заряд.
Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы «прячутся» в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся – СООН, –NH2, –SH, –ОН, пептидная связь, карбонильная группа. К гидрофильным группам притягиваются диполи Н2О, в результате чего вокруг белковой молекулы формируется защитная водная «шуба», которая препятствует укрупнению белковых молекул и осаждению их из растворов. Вода, входящая в состав гидратных оболочек, называется связанной водой. Она отличается по физическим свойствам и определяет биологическую активность биополимеров.
Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов.
Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующие факторы, то белки выпадают в осадок (происходит осаждение белков).
5.
Гликопротеиды
Гликопротеиды содержат, как правило, прочно присоединенные гликозидными связями остатки углеводов (моносахаридов, олигосахаридов). Гликопротеиды обычно имеют мозаичную структуру, в которой чередуются углеводные и белковые фрагменты.
Углеводная часть придаёт специфичность гликопротеидам и определяет их устойчивость к тканевым ферментам. Гликопротеиды широко представлены в организме человека. Они содержатся как в тканях, так и в биологических жидкостях. Муцин слюны содержит в своём составе до 15% маннозы и галактозы. Гликопротеидами являются некоторые гормоны, например, гонадотропины гипофиза. Некоторые транспортные белки крови относятся к гликопротеидам (трансферрин). Гликопротеидом является фактор свёртывания крови фибриноген, Все виды иммуноглобулинов содержат углеводные фрагменты. Углеводы придают специфичность тканевым рецепторам. Адгезивные белки (фибронектин, ламинин), будучи гликопротеидами, обеспечивают взаимодействие клеток, волокон, гликозаминогликанов соединительной ткани.
БИЛЕТ 3
1. Укажите наиболее важные биологические функции белков. Приведите примеры:
а), б), в), г), д).
2. Перечислите группы сложных белков. Назовите их простети-
ческие группы:
а), б), в), г), д), ж).
3. Какими новыми свойствами обладают олигомерные белки по сравнению с мономерными?
а) б) в)
4. Коллаген
а) особенности аминокислотного состава
б) физико-химические свойства
в) распространение
г) биологическая роль
5. а) поясните механизм гидратации белковсоста
б) приведите примеры гидрофильных белков
в) укажите биологическую роль гидратации белков
6. Напишите трипептид: цис-лей-три
5.
Белки обычно имеют такую пространственную укладку, при которой гидрофобные группы «прячутся» в глубине белковой молекулы, а гидрофильные находятся на поверхности молекулы. К гидрофильным группам относятся – СООН, –NH2, –SH, –ОН, пептидная связь, карбонильная группа. К гидрофильным группам притягиваются диполи Н2О, в результате чего вокруг белковой молекулы формируется защитная водная «шуба», которая препятствует укрупнению белковых молекул и осаждению их из растворов. Вода, входящая в состав гидратных оболочек, называется связанной водой. Она отличается по физическим свойствам и определяет биологическую активность биополимеров.
Таким образом, гидратная оболочка белковых молекул является вторым мощным стабилизирующим фактором белковых растворов.
Если каким-то воздействием убрать один или оба стабилизирующие факторы, то белки выпадают в осадок (происходит осаждение белков).
4
Коллаген (рождающий клей) – широко распространённый в организме белок, составляет около трети всех белков организма. Входит в состав костей, хрящей, зубов, сухожилий и других видов соединительной ткани.
К особенностям аминокислотного состава коллагена относится, прежде всего, высокое содержание глицина (1/3 всех аминокислот), пролина (1/4 всех аминокислот), лейцина. В составе коллагена присутствуют редкие аминокислоты гидроксипролин и гидроксилизин, но отсутствуют циклические аминокислоты.
Полипептидные цепи коллагена содержат около 1000 аминокислот. Различают несколько видов коллагена в зависимости от сочетания в нём различных видов полипептидных цепей. К фибриллообразующим видам коллагена относятся коллаген первого типа (преобладает в коже), коллаген второго типа (преобладает в хрящах) и коллаген третьего типа (преобладает в сосудах). У новорожденных детей основная масса коллагена представлена III типом, у взрослых людей- II и I типами.
Вторичная структура коллагена представляет особую «ломаную» альфа-спираль, в витке которой укладывается 3,3 аминокислоты. Шаг спирали равен 0,29 нм.
Три полипептидные цепи коллагена уложены в виде тройного закрученного каната, фиксированного водородными связями, и образуют структурную единицу коллагенового волокна – тропоколлаген. Тропоколлагеновые структуры размещаются параллельными, смещёнными по длине рядами, фиксированными ковалентными связями, и формируют коллагеновое волокно. В промежутках между тропоколлагеном в костной ткани откладывается кальций. Коллагеновые волокна содержат в своём составе углеводы, которые стабилизируют коллагеновые пучки.
2
Выделяют следующие группы сложных белков:
1. хромопротеиды;
2. нуклеопротеиды;
3. липопротеиды;
4. гликопротеиды;
5. фосфопротеиды;
6. металлопротеиды
А)Хромопротеиды
Хромопротеиды содержат в качестве простетической группы окрашенные небелковые соединения. В группе хромопротеидов выделяют гемопротеиды и флавопротеды.
В гемопоротеидах простетической группой является гем – органическое, железосодержащее вещество, придающее белку красный цвет.
В флавопротеидах содержится простетическая группа жёлтого цвета. В качестве простетической группы могут быть представлены нуклеотиды ФАД, ФМН
Липопротеиды
Липопротеиды в качестве простетической группы содержат различные липиды (триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин и др.).
Металлопротеиды
Металлопротеиды – сложные белки, в состав которых входят металлы. Например, гемосидерин и ферритин содержат железо, фермент алкогольдегидрогеназа содержит цинк.
1.
Биологическая роль белков многообразна. Функции белков связаны с их высокой специфичностью, способностью взаимодействовать с различными лигандами, рецепторами, структурами клеток.
Пластическая (структурная) функция – белки входят в состав всех клеточных структур вместе с нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами.
Энергетическая функция - 1г белков обеспечивает образование более 4 ккал энергии.
Регуляторные функции:
а) ферментативная функция – более 2 тысяч белков являются биологическими катализаторами, регулируя скорость химических реакций в организме;
б) гормональная функция – некоторые гормоны, регулирующие биохимические и физиологические процессы в организме, относятся к белкам;
в) белки гистоны в составе хроматина регулируют активность генов ДНК;
г) внутриклеточный белок кальмодулин регулирует активность различных ферментов.
Защитная (иммунная) функция – такие белки как иммуноглобулины, интерферон, лизоцим обладают способностью связывать вещества, чужеродные для организма.
Специфические функции:
а) сократительная функция (белки мышц актин и миозин);
б) фоторецепторная функция (белок сетчатки родопсин);
в) свёртывание крови (фибриноген);
г) рецепторная функция – белки входят в состав клеточных рецепторов к биологически активным веществам.
3.
Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками:
имеют очень компактную укладку и относительно небольшую поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды;
они функционально более приспособлены к условиям организма, поскольку их активность в организме регулируется через кооперативность свойств;
их потеря клетками менее вероятна;
БИЛЕТ 4
1. Перечислите основные классы аминокислот природных белков:
а), б), в), г), д), ж). Приведите по 1 примеру (формула)
2. а) назовите виды вторичной структуры белков
б) укажите связи, стабилизирующие вторичную структуру
в) охарактеризуйте -спиральную структуру белков
3. а) приведите примеры молекулярной массы некоторых белков организма человека
б) назовите основные методы определения молекулярной массы
белков
4. а) дайте понятие о высаливании белков
б) поясните механизм высаливания
в) укажите практическое применение высаливания белков
5. а) Охарактеризуйте хромопротеиды
б) Приведите примеры
6. Напишите трипептид: сер-глю-про
3.
Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 60 000 д. до 100 000 д. Например, молекулярная масса гемоглобина – 68 000 д., альбумина сыворотки крови – 66 000 д., рибонуклеазы – около 14 000 д., миозина – 500 000 д.
Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы под действием центробежных сил при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная под воздействием мощных центробежных сил, создаваемых в ультрацентрифугах, выражается в единицах Сведберга (S=10-13c.).
Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.
Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой).
Метод гельфильтрации основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита», называемые сефадексами.
Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.
Химические методы связаны с особенностями химического состава белков.
4
Высаливание – осаждение белков концентрированными растворами электронейтральных или слабокислых солей, таких как NaCl, KCl, (NH4)2SO4.. Механизм высаливания заключается в обратимом снятии с белковой молекулы двух стабилизирующих факторов. Высаливающие вещества содержат в своем составе гидрофильные катионы и анионы, которые «снимают» водную оболочку с белка. При добавлении (NH4)2SO4 в растворе возникает слабокислая реакция, рН приближается к изоэлектрической точке, что уменьшает заряд молекулы белка. Высаливание не нарушает структуры белка и является полностью обратимым процессом, вследствие чего используется для разделения белков, а также для их концентрирования.
5
Хромопротеиды
Хромопротеиды содержат в качестве простетической группы окрашенные небелковые соединения. В группе хромопротеидов выделяют гемопротеиды и флавопротеды.
В гемопоротеидах простетической группой является гем – органическое, железосодержащее вещество, придающее белку красный цвет. Гем соединяется с белком глобином за счёт координационных и гидрофобных связей. Примерами гемопротеидов являются белок эритроцитов гемоглобин, белок мышц миоглобин, тканевые белки цитохромы, ферменты каталаза, пероксидаза. Гемопротеиды участвуют в переносе кислорода и в окислительных процессах в тканях.
В флавопротеидах содержится простетическая группа жёлтого цвета. В качестве простетической группы могут быть представлены нуклеотиды ФАД, ФМН. К флавопротеидам относится фермент сукцинатдегидрогеназа. Некоторые флавопротеиды содержат в своём составе металлы – металлофлавопротеиды. Флавопротеиды участвуют в окислительных процессах в организме.
2
Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β – складчатая структура.
α – спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура укладывается самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.
β – структура имеет вид «гармошки» и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими полипептидными цепями. Выделяют параллельные β – структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, содержащих преимущественно β – структуры, являются фиброин шёлка, иммуноглобулины.
Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α – структур, тем больше поглощение).
1
По структуре радикала выделяют 7 групп аминокислот:
аминокислоты, не имеющие радикала: глицин;
аминокислоты с углеводородным радикалом: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, пролин;
аминокислоты, содержащие в радикале карбоксильную группу: глютаминовая, аспарагиновая кислоты, глютамин, аспарагин;
аминокислоты, содержащие в радикале аминогруппу: лизин, аргинин;
аминокислоты, содержащие в радикале гидроксильную группу: серин, треонин, тирозин, гидроксипролин, гидрокcилизин;
аминокислоты, содержащие в радикале тиогруппу: цистеин, цистин, метионин;
аминокислоты, содержащие гетероциклический радикал: гистидин, триптофан;
По полярности радикала аминокислоты делятся на две группы:
неполярные (гидрофобные) аминокислоты: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, пролин, гидроксипролин, метионин;
полярные (гидрофильные) аминокислоты:
а) электронейтральные (незаряженные) аминокислоты: серин, треонин, цистеин, аспарагин, глютамин;
б) кислые (отрицательно заряженные): глютаминовая, апарагиновая;
в) основные (положительно заряженные) аминокислоты: лизин, аргинин, гистидин.
БИЛЕТ 5
1. Приведите примеры содержания белков в различных тканях организма человека в расчете на сырой и сухой вес ткани
а) б) в)
2.Перечислите группы простых белков
а), б), в), г), д), ж), з).
3. а) назовите виды вторичной структуры белков
б) укажите связи, стабилизирующие вторичную структуру
в) охарактеризуйте -складчатую структуру белков
4. а) перечислите оптические свойства белков
б) проиллюстрируйте практическое применение этих свойств
5. а) Охарактеризуйте гликопротеиды
б) Приведите примеры
в) Укажите биологическую роль
6. Напишите трипептид: арг-вал-тре
1
Содержание белков в тканях организма человека выше, чем содержание липидов, углеводов. Оно составляет 18 – 20%. от общей массы тканей (сырой массы). Преобладание в тканях белков по сравнению с другими веществами наиболее наглядно выявляется при расчёте содержания белков на сухую массу тканей – 40 – 45%. Содержание белков в различных тканях колеблется в определённом интервале. Наиболее высоко содержание белков в скелетных мышцах (18 – 23% от сырой массы или 80% от сухой массы ткани). Низким содержанием белков отличается жировая ткань (6% сырой массы или 4% сухой массы ткани).
2
К протеинам (простым белкам) относят белки, состоящие только из аминокислот.
Они, в свою очередь, делятся на группы в зависимости от физико-химических свойств и особенностей аминокислотного состава. Выделяют следующие группы простых белков:
альбумины;
глобулины;
протамины;
гистоны;
проламины;
глютелины;
протеиноиды
3
Вторичная структура - регулярно повторяющаяся форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего в белках встречается 2 вида вторичной структуры: α - спираль и β – складчатая структура.
α – спираль в 1951 году изучена Л. Полингом с помощью рентгеноструктурного метода. Она представляет собой правозакрученную спиральную структуру, в одном витке которой укладывается 3,6 аминокислоты. Шаг спирали (расстояние между соседними витками) составляет 0,54 н.м. α - спираль фиксируется водородными связями, которые замыкаются между пептидными связями, образованными каждой 4-ой аминокислотой. Вторичная α - структура укладывается самопроизвольно и определяется первичной структурой белка. Доля участков, уложенных в спиральную структуру, в различных белках различна. Например, в гемоглобине, миоглобине преобладает α - структурная укладка, которая в 4 раза уменьшает размеры белковой молекулы.
β – структура имеет вид «гармошки» и стабилизируется водородными связями между удалёнными участками одной полипептидной цепи или между несколькими полипептидными цепями. Выделяют параллельные β – структуры, в которых N и С-концы соответствуют друг другу, и антипараллельные структуры. Примером белков, содержащих преимущественно β – структуры, являются фиброин шёлка, иммуноглобулины.
Вторичную структуру изучают методами рентгеноструктурного анализа, исследованием поглощения белком ультрафиолетовых лучей (чем больше доля α – структур, тем больше поглощение).
5
Гликопротеиды содержат, как правило, прочно присоединенные гликозидными связями остатки углеводов (моносахаридов, олигосахаридов). Гликопротеиды обычно имеют мозаичную структуру, в которой чередуются углеводные и белковые фрагменты.
Углеводная часть придаёт специфичность гликопротеидам и определяет их устойчивость к тканевым ферментам. Гликопротеиды широко представлены в организме человека. Они содержатся как в тканях, так и в биологических жидкостях. Муцин слюны содержит в своём составе до 15% маннозы и галактозы. Гликопротеидами являются некоторые гормоны, например, гонадотропины гипофиза. Некоторые транспортные белки крови относятся к гликопротеидам (трансферрин). Гликопротеидом является фактор свёртывания крови фибриноген, Все виды иммуноглобулинов содержат углеводные фрагменты. Углеводы придают специфичность тканевым рецепторам. Адгезивные белки (фибронектин, ламинин), будучи гликопротеидами, обеспечивают взаимодействие клеток, волокон, гликозаминогликанов соединительной ткани.
4
Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, а также наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.
Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Данные свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Изменение угла вращения поляризованного луча света изменяется при денатурационных воздействиях.
БИЛЕТ 6
1.Назовите щелочные функциональные группы белков:
а), б), в), г).
2. Перечислите наиболее распространенные цветные реакции на
белки.
а), б), в), г), д). Укажите практическое применение цветных реакций.
3. а) дайте понятие о четвертичной структуре белков
б) назовите связи, ее стабилизирующие
в) укажите биологическую роль этой структуры
г) приведите примеры белков, имеющих четвертичную структуру
4. а) приведите примеры молекулярной массы некоторых белков организма человека
б) назовите основные методы определения молекулярной массы
белков
5. а) Охарактеризуйте фосфопротеиды
б) Приведите примеры
в) Укажите биологическое значение
6. Напишите трипептид: фен-лиз –мет
5
Фосфопротеиды
Фосфопротеиды содержат остатки фосфорной кислоты, соединённые с радикалами остатков серина, реже треонина белковой части сложноэфирными связями. Присоединение фосфорной кислоты к белку может носить обратимый характер и сопровождаться формированием или разрывом ионных связей фосфорной кислоты и заряженных групп белка, что меняет структуру и биологическую активность фосфопротеида. К фосфопротеидам относятся структурные белки костной ткани, казеиноген молока, ововителлин белка куриного яйца, некоторые ферменты (фосфорилаза, гликогенсинтетаза, ТАГ-липаза).
3
Четвертичной структурой обладают белки, состоящие из нескольких полипептидных цепей, ковалентно не связанных друг с другом. Их называют олигомерными белками. Протомером считается отдельная полипептидная цепь, имеющая три уровня структурной организации, субъединицей – функционально активная часть олигомерного белка. Субъединица может содержать один протомер или несколько протомеров. Четвертичная структура - количество и взаимное расположение субъединиц в олигомерных белках.
В формировании четвертичной структуры участвуют непрочные нековалентные связи (гидрофобные, ионные, водородные). Четвертичная структура белков формируются самопроизвольно, и легко нарушается различными воздействиями. Отдельные субъединицы в олигомером белке влияют друг на друга, что приводит к изменению третичной структуры отдельных протомеров. Это явление называется кооперативными изменениями конформации протомеров и сопровождается изменением биологической активности белка.
Олигомерные белки имеют ряд особенностей в сравнении с мономерными белками:
имеют очень компактную укладку и относительно небольшую поверхность раздела, поэтому, располагаясь внутриклеточно, они связывают меньше воды;
их потеря клетками менее вероятна;
они функционально более приспособлены к условиям организма, поскольку их активность в организме регулируется через кооперативность свойств;
если в синтезе олигомерного белка участвуют однотипные протомеры, это экономит генетический материал (на коротком участке ДНК «штампуется» несколько одинаковых протомеров);
их потеря клетками менее вероятна;
4
Молекулярная масса белков достаточно велика, находится в пределах от 60 000 д. до 100 000 д. Например, молекулярная масса гемоглобина – 68 000 д., альбумина сыворотки крови – 66 000 д., рибонуклеазы – около 14 000 д., миозина – 500 000 д.
Метод ультрацентрифугирования (седиментации) основан на изменении скорости осаждения белков различной молекулярной массы под действием центробежных сил при вращении белковых растворов с большой скоростью. Молекулярная масса белков, найденная под воздействием мощных центробежных сил, создаваемых в ультрацентрифугах, выражается в единицах Сведберга (S=10-13c.).
Рентгеноструктурный метод позволяет рассчитать молекулярную массу путём анализа многочисленных рентгеновских снимков молекулы белка.
Электрофоретический метод основан на зависимости скорости передвижения белков в постоянном электрическом поле от молекулярной массы белка (электрофоретическая подвижность выше у белков с меньшей молекулярной массой).
Метод гельфильтрации основан на различной скорости прохождения различных белков через молекулярные гелевые «сита», называемые сефадексами.
Электронномикроскопический метод проводится путём сравнения размеров белковой молекулы с эталонными образцами известной массы.
Химические методы связаны с особенностями химического состава белков.
БИЛЕТ 7
1. Перечислите группы сложных белков. Назовите их простети-
ческие группы:
а), б), в), г), д), ж).
2. а) дайте понятие о денатурации белков
б) укажите химические денатурирующие агенты
в) каково практическое применение денатурации белков?
3. а) перечислите оптические свойства белков
б) проиллюстрируйте практическое применение этих свойств
4. а) дайте понятие о третичной структуре белков
б) назовите связи, ее стабилизирующие
в) укажите биологическую роль третичной структуры
г) приведите примеры пространственной конформации белков
5. Альбумины, глобулины
а) особенности аминокислотного состава
б) физико-химические свойства
в) распространение
г) биологическая роль
48. Напишите трипептид: тир-лиз-мет
3
Оптические свойства белков определяются размерами белковых молекул, структурой радикалов аминокислот в белках, а также наличием пептидных связей и альфа-спиральных участков в белках.
Белковые растворы обладают эффектом светопреломления (рефракции) и светорассеивания. Данные свойства обусловлены большими размерами белковых молекул, соизмеримыми с длиной волны видимой части спектра.. При этом короткие синие лучи рассеиваются в большей степени, чем более длинноволновые красные лучи. Степень рефракции пропорциональна концентрации белкового раствора.
Белковые растворы поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 190-230 нм за счёт присутствия пептидных связей и в диапазоне 260-280 нм за счёт присутствия в белках циклических аминокислот. Степень поглощения УФЛ пропорциональна концентрации белка в растворе.
Белковые растворы способны вращать плоскость поляризованного света, что обусловлено оптической активностью содержащихся в белке аминокислот и наличием в нём альфа-спиральных участков. Изменение угла вращения поляризованного луча света изменяется при денатурационных воздействиях.
1
Выделяют следующие группы сложных белков:
1. хромопротеиды;
2. нуклеопротеиды;
3. липопротеиды;
4. гликопротеиды;
5. фосфопротеиды;
6. металлопротеиды
А)Хромопротеиды
Хромопротеиды содержат в качестве простетической группы окрашенные небелковые соединения. В группе хромопротеидов выделяют гемопротеиды и флавопротеды.
В гемопоротеидах простетической группой является гем – органическое, железосодержащее вещество, придающее белку красный цвет.
В флавопротеидах содержится простетическая группа жёлтого цвета. В качестве простетической группы могут быть представлены нуклеотиды ФАД, ФМН
Липопротеиды
Липопротеиды в качестве простетической группы содержат различные липиды (триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин и др.).
Металлопротеиды
Металлопротеиды – сложные белки, в состав которых входят металлы. Например, гемосидерин и ферритин содержат железо, фермент алкогольдегидрогеназа содержит цинк.
2
Денатурация – нарушение физико-химических свойств белка, его биологической активности при воздействии факторов, разрушающих вторичную, третичную, четвертичную структуры белка.
При денатурации белковая молекула теряет свою прижизненную (нативную) структуру и переходит в форму неупорядоченного клубка, на поверхности которого располагается много гидрофобных групп, что резко снижает растворимость белка.
Признаками денатурации являются:
выпадение осадка;
изменение оптических свойств;
изменение активности его химических групп и конформации белковой молекулы;
снижение биологической активности;
более быстрое расщепление ферментами пептидазами.
К денатурирующим факторам относятся химические факторы (минеральные и органические кислоты, соли тяжелых металлов, алкалоиды, высокая концентрация мочевины) и физические факторы (высокая температура, рентгеновское излучение, УФЛ).
На начальных стадиях денатурация носит обратимый характер и возможна ренатурация – восстановление структуры белка. При продолжительном действии денатурирующих факторов она приобретает необратимый характер. Денатурацию белков применяют для обнаружения белков в растворах и биологических жидкостях, для удаления белков из биологических жидкостей при проведении биохимических исследований.
5
Альбумины
Альбумины – широко распространённая группа белков в тканях организма человека.
Они имеют сравнительно невысокую молекулярную массу 50 – 70 тыс. д. Альбумины в физиологическом диапазоне рН имеют отрицательный заряд, так как в силу высокого содержания глютаминовой кислоты в их составе находятся в изоэлектрическом состоянии при рН 4,7. Имея невысокую молекулярную массу и выраженный заряд, альбумины перемещаются при электрофорезе с достаточно высокой скоростью. Аминокислотный состав альбуминов разнообразен, они содержат весь набор незаменимых аминокислот. Альбумины – высоко гидрофильные белки. Они растворимы в дистиллированной воде. Вокруг молекулы альбуминов формируется мощная гидратная оболочка, поэтому для высаливания их из растворов необходима высокая 100% концентрация сульфата аммония. Альбумины выполняют в организме структурную, транспортную функцию, участвуют в поддержании физико–химических констант крови.
Глобулины
Глобулины – широко распространённая гетерогенная группа белков, обычно сопутствующая альбуминам. Они имеют более высокую, чем альбумины молекулярную массу – до 200 и более тыс. д., поэтому медленнее перемещаются при электрофорезе. Изоэлектрическая точка глобулинов находится при рН 6,3 – 7. Они отличаются разнообразным набором аминокислот. Глобулины не растворимы в дистиллированной воде, но растворимы в солевых растворах КCl, NaCl в концентрации 5 – 10 %. Глобулины менее гидратированы, чем альбумины, поэтому высаливаются из растворов уже при 50% насыщении сульфатом аммония. Глобулины в организме выполняют в основном структурную, защитную, транспортную функции.
4
Третичная структура - специфическая для каждого белка форма укладки полипептидной цепи в пространстве. Данная структура формируется самопроизвольно и определяется первичной структурой. Третичная структура значительно, в десятки раз увеличивает компактность белка. В формировании третичной структуры участвуют нековалентные связи (гидрофобные, ионные) и ковалентные (дисульфидные) связи Третичная структура определяет биологическую активность и некоторые физико-химические свойства белков. Изменения в третичной структуре белка отражается на его биологической активности.
Методами изучения третичной структуры являются рентгеноструктурный анализ и определение химической доступности отдельных радикалов аминокислот в белке. Третичная структура белка миоглобина впервые была изучена Дж. Кендрью (1957 г.). М. Перутцем (1959 г.) была изучена структура гемоглобина.
В третичную структуру белков входят α - спиральные, β - складчатые структуры, β- петли (в них полипептидная цепь изгибается на 1800) и, так называемый, неупорядоченный клубок. Например, в белке инсулине содержится 57% α - спиральных участков, 6% β- складчатых структур, 10% молекулы уложены в виде β - петлей и 27% молекулы представляют неупорядоченный клубок.
Совокупность первичной, вторичной, третичной структур составляет конформацию белковой молекулы. Прижизненная (нативная) конформация формируется самопроизвольно, и её образование носит название фолдинг. Конформация белков очень не устойчива и формируется при участии особых белков – шаперонов (компаньонов). Шапероны способны связываться с частично денатурированными, находящимися в неустойчивом состоянии белками, и восстанавливать их нативную конформацию. Шапероны классифицируют по их молекулярной массе (60 – 100 кд.). Наиболее изучены Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, Ш-70 взаимодействуют с белками, богатыми гидрофобными радикалами, защищают их от высокотемпературной денатурации. В целом шапероны экранируют основные белки организма, препятствуют денатурации и способствуют формировании конформации, облегчают транспорт денатурированных белков в лизосомы, участвуют в процессе биосинтеза белков.
По конформации все белки делятся на три группы:
фибриллярные белки: коллаген, эластин, фиброин;
глобулярные белки: гемоглобин, альбумин, глобулин;
смешанные белки: миозин.
Третичная структура присуща всем белкам.
БИЛЕТ 8
1.Назовите кислотные функциональные группы белков:
а), б), в).
2.Перечислите группы простых белков
а), б), в), г), д), ж), з).
3. Укажите основные реакции осаждения белков из растворов,
поясните их механизм, отметьте практическое применение:
а) б) в)
4. а) Назовите виды хроматографического анализа по механизму разделения веществ
б) Отметьте основные принципы данных видов хроматографии
5. Протамины, гистоны
а) особенности аминокислотного состава
б) физико-химические свойства
в) распространение
г) биологическая роль
6. Напишите трипептид: ала-лиз-три
5
Гистоны
Гистоны имеют небольшую молекулярную массу (11-24 тыс. д.). Они богаты щелочными аминокислотами лизином и аргинином, поэтому находятся в изоэлектрическом состоянии в резко щелочной среде при рН 9,5 – 12. В физиологических условиях гистоны имеют положительный заряд. В различных видах гистонов содержание аргинина и лизина варьирует, в связи с чем они делятся на 5 классов. Гистоны Н1 и Н2 богаты лизином, гистоны Н3- аргинином. Молекулы гистонов полярны, очень гидрофильны, поэтому с трудом высаливаются из растворов. В клетках положительно заряженные гистоны, как правило, связаны с отрицательно заряженными ДНК в составе хроматина. Гистоны в хроматине формируют остов, на который накручивается молекула ДНК. Основные функции гистонов – структурная и регуляторная.
Протамины
Протамины – низкомолекулярные щелочные белки. Молекулярная масса их составляет 4 – 12 тыс. д. Протамины в своём составе содержат до 80% аргинина и лизина. Они содержатся в составе таких нуклеопротеидов молоки рыб как клупеин (сельдь), скумбрин (скумбрия).
4
) хроматографические методы разделения:
распределительная хроматография – по различной растворимости белков;
гель-фильтрация – по различной молекулярной массе белков
ионообменная хроматография – по разнице зарядов белковых молекул
аффинная хроматография – по химическим свойствам различных белков
3
Осаждение белков из растворов
Изоэлектрическое осаждение - при приближении рН раствора к изоэлектрической точке, белок теряет заряд и осаждается из раствора (пример: осаждение казеина молока при его скисании). Этот процесс осаждения в начальных стадиях носит обратимый характер и может быть использован для разделения белков.
Дегидратация – снятие водной оболочки белковой молекулы при добавлении дегидратирующих средств (спирт, ацетон). Этот процесс также обратим, и используется для разделения белков.
Высаливание – осаждение белков концентрированными растворами электронейтральных или слабокислых солей, таких как NaCl, KCl, (NH4)2SO4.. Механизм высаливания заключается в обратимом снятии с белковой молекулы двух стабилизирующих факторов. Высаливающие вещества содержат в своем составе гидрофильные катионы и анионы, которые «снимают» водную оболочку с белка. При добавлении (NH4)2SO4 в растворе возникает слабокислая реакция, рН приближается к изоэлектрической точке, что уменьшает заряд молекулы белка. Высаливание не нарушает структуры белка и является полностью обратимым процессом, вследствие чего используется для разделения белков, а также для их концентрирования.
Денатурация – нарушение физико-химических свойств белка, его биологической активности при воздействии факторов, разрушающих вторичную, третичную, четвертичную структуры белка.
2
Простые белки (протеины)
К протеинам (простым белкам) относят белки, состоящие только из аминокислот.
Они, в свою очередь, делятся на группы в зависимости от физико-химических свойств и особенностей аминокислотного состава. Выделяют следующие группы простых белков:
альбумины;
глобулины;
протамины;
гистоны;
проламины;
глютелины;
протеиноиды
БИЛЕТ 9
1. Перечислите основные классы аминокислот природных белков:
а), б), в), г), д), ж). Приведите по 1 примеру (формула)