Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Основы биохимии и токсикологии» для специальности 1-57 01 02 «Экологический менеджмент и аудит в промышленности»

а б Рисунок 1.4.8.Вторичная структура белка: а-α-спираль; б- β-

складчатый лист Тип вторичной структуры белка зависит от природы аминокис-

лоты (объемистости заместителей R).

Третичная структура — конформация полипептидной цепи в целом (т.е. расположение в трехмерном пространстве). Третичную структуру стабилизируют связи взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи: ковалентная — дисульфидная связь, а также водородная, ионная связи и гидрофобное взаимодействие.

Рисунок 1.4.8.Взаимодействия, стабилизирующие третичную структуру белка структура белка: а – электростатические взаимодействия; б – водородная связь; в – гидрофобные взаимодействия; г

– гидрофильные взаимодействия; д – дисульфидные мостик

Третичная структура белка

-формируется самопроизвольно в результате пространственной укладки вторичных структур,

-Претерпевает обратимые конформационные изменения при внешних воздействиях (свойство живой материи)

-Подразделяются на:

•Фибриллярные белки

•глобулярные белки

•мембранные белки и прочие

Рисунок 1.4.9. Третичная структура миоглобина Многие белки в третичной структуре имеют спирализованные,

складчатые и неупорядоченные сегменты. При этом в функциональном и структурном отношениях важно взаимное расположение аминокислотных радикалов. Для выполнения функции белок должен иметь определенную и часто единственную третичную струк-

туру (конформацию) — нативную структуру Четвертичная структура белков — способ укладки в про-

странстве нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурами, с формированием единого макромолекулярного образования для выполнения определенной функции. Четвертичной структурой обладают белки с молекулярной массой более 50 000 Да. Может образовываться за счет нековалентных взаимодействий третичных структур белка (субъединиц).

Классификация белков

По степени сложности Белки бывают простые, состоящие только из самого белка (например, альбумины плазмы крови), и сложные, включающие небелковую часть. В качестве небелковых ком-

понентов (простетических групп или коферментов) могут высту-

пать витамины, нуклеотиды и катионы металлов.

В зависимости от типа простетической группы (ПГ) белки разделяют на:

•Гликопротеиды (ПГ = углевод)

•Липопротеины (ПГ = липид)

•Фосфопротеины (ПГ = остаток H3PO4)

•Металлопротеины (ПГ = биометаллы)

•Хромопротеины (ПГ = хромофор)

•Нуклеопротеины (ПГ = нуклеиновая кислота)

По типу расположения вторичных белковых структур в составе третичных белки подразделяются на фибриллярные (нитевидные) и глобулярные (шарообразные).

Фибриллярные белки, как правило, нерастворимы в воде и выполняют опорные функции, например, кератин волос, кожи, ногтей, коллаген сухожилий и костной ткани, миозин мышечной ткани; Глобулярные белки имеют цилиндрическую или сферическую форму диаметром 1-100 нм, относительно хорошо растворимы в воде, растворов кислот или оснований, дают коллоидные растворы. К ним относятся практически все ферменты, многие гормоны (ин-

сулин), антитела, переносчики кислорода (гемоглобин), фибрино-

ген, отвечающий за свертывание крови и др.

Классификация по растворимости:

•альбумины растворимы в воде,

•глобулины нерастворимы в воде, но растворимы в растворах различных солей,.

•глютелины растворимы только в растворах щелочей,

•проламины растворяются в растворах этилового спирта.

Рисунок 1.4.10.Структура белков

Физико-химические свойства белков и их растворов

1.Растворимость.

2.Высаливание – это процесс осаждения белков в растворах

нейтральных солей [Na2SO4, (NH4)2SO4]. Осаждение индивидуальных белков в определенном диапазоне концентраций соли позволяет проводить их разделение и очистку.

3.Кислотно-основные свойства. Как и аминокислоты, белки существуют в растворах в различных формах, меняя их в зависимо-

сти от рН, обладают изоэлектрической точкой.

4.Проявляют хелатирующие свойства, координируя ионы ме-

таллов.

5.При воздействии жестких условий:

• нагревание до 60-80°,

• действие кислот (HCl желудочного сока) и щелочей, органических растворителей, солей тяжелых металлов

• действие ряда соединений – мочевина, гуанидинхлорид – образующих прочные Н-связи с фрагментами белка

третичная структура белка подвергается денатурации – разрушению до первичной структуры. Ее биологическая активность при этом исчезает, однако, денатурация может иметь обратимый характер.

Рисунок 1.4.9. Денатурация белка Денатурация белка – это разрушение его четвертичной, тре-

тичной и вторичной структуры путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных взаимодействий (водородных, ионных, гидрофобных), сопровождающееся потерей функции белка. .

Происходит при изменении рН среды, нагревании, добавлении органических растворителей При этом белок выпадает в осадок, если теряются основные факторы устойчивости — заряд и гидратная оболочка.

Практически необратимую денатурацию вызывают соли тяжелых металлов, минеральные и органические кислоты, нагревание свыше 500С. Органические растворители (спирт, эфир, хлороформ) вызывают обратимую денатурацию (ренатурацию), и при их удалении белок может восстановить свою нативную структуру

В пищеварительном тракте денатурация пищевых белков соляной кислотой приводит к доступности пептидных связей для ферментативного гидролиза первичной структуры (пепсин в желудке; трипсин, химотрипеин, карбоксипеп-тидазы в двенадцатиперстной кишке; дипептидазы, трипептидазы и аминопептидазы в тонком кишечнике).

•Наиболее часто токсиканты взаимодействуют с СООН-, NH-, OH-, SH-группами аминокислот, образующих белки.

•Многочисленные токсиканты, связывающиеся с SHгруппами, называются тиоловыми ядами. К числу тиоловых ядов

прежде всего следует отнести тяжелые металлы, такие как ртуть, мышьяк, сурьма, таллий, органические соединения этих металлов (метилртуть, люизит и т.д.).

• Другие металлы более активно взаимодействуют с карбоксильными группами (свинец, кадмий, никель, медь, марганец, кобальт).

Если после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы, то это явление называ-

ется ренатурацией (ренативацией).

Биологические функции белков

1.Каталитическая – большинство ферментов являются бел-

ками

2.Транспортная – перенос гормонов, аминокислот, углеводов, газов (перенос кислорода из легких в клетки гемоглобином крови)

3.Регуляторная (регуляция инсулином содержания глюкозы в

крови),

4.накопительная (накопление запасов железа в печени фер-

ритином)

5.Структурная (поддержание структуры кожи (коллаген); состав волос, ногтей (кератин))

6.Защитная (белки иммунной системы иммуноглобулины, обеспечивающие распознавание, связывание и уничтожение вирусов и бактерий; белки крови, обеспечивающие свертываемость крови и др.)

7.Сократительная (мышечные белки)

8.Энергетическая («резервные» питательные вещества, гидролиз белков)

9.Зрительная (генерация и передача нервных импульсов в мозг родопсином)

Структурные белки

•Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека.

•Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др.

•Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе

слипидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.

Коллагены — семейство белков, в теле человека составляют до 25 — 30 % общей массы всех белков. Кроме структурной функции коллаген выполняет также механическую, защитную, питательную и репаративную функции.

•Молекула коллагена представляет собой правозакрученную спираль из трѐх α-цепей.

•Всего у человека имеется 28 типов коллагена. Все они сходны по структуре

Помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок эластин, способный довольно в широких пределах растягиваться и возвращаться в исходное состояние.

•Эластин широко распространѐн в соединительной ткани, особенно в коже, легких и кровеносных сосудах.

•Общими характеристиками для эластина и коллагена являются большое содержание глицина и пролина. В эластине значительно больше валина и аланина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина, чем в коллагене.

•Эластин нерастворим в водных растворах (как и коллаген), в растворах солей, кислот и щелочей даже при нагревании.

•В эластине большое количество аминокислотных остатков

снеполярными боковыми группами, что, по-видимому, обусловливает высокую эластичность его волокон.

Кератины — семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину.

•В основном из кератина состоят мертвые клетки ороговевающего эпителия и их производные (волосы млекопитющих, рога, копыта, когти, перья птиц, чешуя рептилий и др.).

•В живых клетках эпителиальных тканей кератины образуют промежуточные филаменты.

•Кератины разделяются на две группы: α-кератины и β- кератины.

•Характерной особенностью кератинов является их полная нерастворимость в воде при pH 7,0.

•Отличаются от других фибриллярных структурных белков (например, коллагена) в первую очередь повышенным содержанием остатков цистеина.

•Первичная структура полипептидных цепей a-кератинов не имеет периодичности

Двигательные, сократительные белки

•Актин —филаментозный белок, из его мономеров при полимеризации образуются тонкие филаменты мышц и микрофиламенты немышечных клеток.

•Миозин входит в состав постоянных структур сократительных волокон мышц

Каталитические белки

Ферменты, или энзимы (от лат. fermentum, греч. δύμε, ἔνδυμον

— закваска) — белки или их комплексы, катализирующие химические реакции в живых системах Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами.

Классификация ферментов:

1.Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восста-

новление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.

2.Трансферазы, катализирующие перенос химических групп

содной молекулы субстрата на другую. Пример: киназы, перено-

сящие фосфатную группу.

3.Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей.

Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.

4.Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.

Пример: лактат алдолаза, ванилин синтаза

5.Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. Пример: хорисмат мутаза,

лизолецитин ацилмутаза

6.Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счѐт гидролиза АТФ. Пример: ДНК-

полимераза.

Транспортные белки

•Перенос веществ через клеточную мембрану

•Перенос веществ по организму

Перенос веществ внутри клетки (Гемоглобин

Регуляторная функция

•Клеточные рецепторы - белковые молекулы находящиеся на поверхности мембраны клеток и служащие для восприятия и преобразования различных сигналов, поступающих в клетку, как от окружающей среды, так и от других клеток.

•Гормоны служат гуморальными (переносимыми с кровью) регуляторами определѐнных процессов в различных органах и системах. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др

•Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ключевые ферменты гликолиза, стимулирует образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков.

Защитная

•Иммунная система, антитела

•Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) — это особый класс гликопротеинов, присутствующих на поверхности В-клеток лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов и в сыворотке крови и тканевой жидкости в виде растворимых молекул

Питательная (резервная) функция

•Эту функцию выполняют резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины).

•Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.

•Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

•При длительном голодании у животных начинают использоваться белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканий, печени

Качественные реакции на аминокислоты и белки Биуретовая реакция (Пиотровского)

Биуретовая реакция обусловлена наличием пептидной группировки (-CO-NH-). При добавлении сернокислой меди к сильнощелочному раствору белка или полипептида образуются соединения меди с пептидной группировкой, окрашенные в красноили синефиолетовый цвет в зависимости от длины полипептидной цепи. Схематично реакцию для полипептидов и белков можно представить следующим образом:

Нингидриновая реакция

Нингидриновая реакция характернадля α-аминогрупп. При нагревании раствора аминокислот в присутствиинингидрина происходитокислительное дезаминирование аминогрупп аминокислот и пептидов до альдегидов, NH3 и СО2. Нингидрин восстанавливается и реагирует со следующей молекулой окисленного нингидрина и аммиаком, образуя окрашенный синий или сине-фиолетовый комплекс Румана. Аминокислоты пролин и оксипролин образуют с нингидрином продукт желтого цвета.

Схема реакции:

Ксантопротеиновая реакция (Мульдера)