Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

ру, отвечающую требованиям организма (от жидкой крови до твердой – перо).

Многие белки растворяются в воде (образуют золи), лучше в присутствии слабых концентраций кислот, щелочей и солей. Сильные кислоты и соли тяжелых металлов осаждают белки из растворов. Полунасыщенный раствор серно-кислого аммония осаждает глобулины, а насыщенный – альбумины. Это свойство характерно для альбуминов и глобулинов и его используют для выделения их из раствора. Действие на белки крепкими кислотами и солями тяжелых металлов приводит к глубокому их изменению, к денатурации, вследствие чего такие белки вновь не растворяются. Белки денатурируются также при нагревании выше 75 °C. Кроме желатины, все белки при кипячении свертываются. На этом основана стерилизация предметов нагреванием или кипячением.

Элементарный состав белков. Несмотря на огромное многообразие белков в живой природе, все они состоят из пяти элементов: азота (N), кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и серы (S). Количество этих элементов почти одинаково у всех белков. Азота в них содержится в среднем 16 %, углерода – 53, кислорода – 22, водорода 7 и серы 2 %. По методу Кьельдаля количество белка в биологических образцах (мясо, яйца, корма) определяют по азоту. Сначала химическим способом устанавливают содержание азота, потом, учитывая, что его в белке 16 %, умножают полученные цифры на 6,25.

Молекулярная масса белков. Молекулы белков состо-

ят из очень большого числа аминокислотных остатков, что обусловливает их высокую молекулярную массу – от десятков тысяч до нескольких миллионов. Например, молекулярная масса альбумина молока равна 17400, яйца – 45000, каталазы печени – 225000.

21

Химические свойства белков. Химические свойства всякого органического вещества, в том числе и белков, обусловливаются главным образом содержащимися в их молекулах функциональными группами. Поскольку белки построены из аминокислот, то и функциональными группами их будут карбоксильная (–СООН) и аминная

(–NН2).

Поскольку аминогруппа обладает щелочными свойствами, а карбоксильная – кислотными, то белки являются одновременно слабыми щелочами и кислотами, т. е. амфотерными соединениями. Они способны, подобно аминокислотам, взаимодействовать по аминогруппе с веществами, обладающими кислотными свойствами, и одновременно по карбоксильной с веществами щелочного характера,образуяважныедляжизнедеятельностиживотных соединения и играя в то же время роль буферных систем. В этом проявляется одна из сторон высокой динамичности белковых веществ.

Следуетотметить,чтобелкидействуютсвоимифункциональными группами только в том случае, когда они находятся в свободном состоянии.

Большое значение имеют белковые комплексы, образованные с белками, металлами, красителями, лекарствами, мочевиной и т. д. К таким относятся, например, антиген – антитело, актин – миозин, фермент – субстрат и т. д. В этих соединенияхпроявляютсянетолькохимические,ноифизи- ко-химические свойства белков.

Важным химическим свойством белков является их способность к гидролизу, или распаду, под влиянием присоединяющихся молекул воды. Следует сказать, что размер молекулы воды составляет 0,2–0,4 нм. При гидролизе с присоединением каждой молекулы воды будет разрываться по одной пептидной связи.

22

В зависимости от условий белки при гидролизе могут дробиться сперва на полипептиды, а затем на пептиды

иаминокислоты. Гидролиз белков происходит под влиянием специальных ферментов (гидролаз), сильных кислот

ищелочей. Схематично гидролиз белков протекает так: белок – полипептиды – дипептиды – аминокислоты.

Количество и последовательность аминокислот в молекуле определяют первичную структуру белка.

Как известно, аминокислоты отличаются друг от друга углеродными радикалами и числом функциональных групп. Вполипептиднойцепочкеразличныерадикалыисвободные группы, находящиеся сбоку от главной оси, взаимодействуя друг с другом, влияют на ее конфигурацию, скручивают ее, придавая ей часто форму спирали. Такая форма называется вторичной структурой белка.

На пространственную конфигурацию полипептидных цепочек в молекулах белков оказывают большое влияние дисульфидные мостики (–S–S–), образующиеся между атомами серы цистеина. Существуют и другие формы связи между разными атомами (водородная, ионная), участвующие в формировании структуры белков. Укладка цепочек в определенном порядке создает третичную структуру белков. Объединение нескольких белков в единую ассоциацию называется четвертичной структурой.

Доказано, что структуры обычно определяют специфические действия белков, например, ферментативное и т. д.

Белки называются глобулярными, если их пептидные цепочки объединены в форму шара. При укладке цепочек в виде длинных нитей, или волоконец, белки называются фибриллярными. Глобулярные белки растворимы в воде

ислабых растворах солей. К ним относятся белки крови, молока, лимфы, ферменты. Фибриллярные белки содержатсявмышцах,коже,волосах,сухожилиях.Ониплохоиливовсе нерастворимы в воде.

23

1.2.2. Синтез белков в организме животных

Синтез белков является одним из главнейших свойств живой природы. С ним связаны возникновение, развитие

ихозяйственно полезная деятельность организмов. Поэтому изучение синтеза белка относится к числу важнейших проблем науки.

Вбиосинтезе белка, т. е. в образовании его живой природой, выделяются две стадии. Первая стадия – синтез аминокислот из простых источников азота, углерода, водорода

икислорода и вторая – синтез белка из аминокислот. Растения и многие микроорганизмы способны осуществлять обе эти стадии, а животные только вторую – синтез белка из готовых аминокислот. Поэтому животные могут жить и развиваться только при условии снабжения их готовыми аминокислотами, особенно незаменимыми. Вследствие этого считается совершенно обязательным, чтобы корм в полной мере обеспечивал их потребность в аминокислотах.

Вкормах свободных аминокислот очень мало. Они находятсятамв связанном состоянии в белках.Впроцессепищеварения кормовые белки распадаются на аминокислоты, которые, всасываясь в кровь, поступают в распоряжение организма. Из этих аминокислот в печени и других органах осуществляется синтез белка, специфичного для разных тканей и производных организма – молока, яиц, шерсти

ит. д. Белки тканей и органов животных по аминокислотному составу весьма специфичны и, как правило, очень мало изменяются от аминокислотного состава кормовых белков.

Белки тела животных синтезируются тем полнее и быстрее, чем лучше организм снабжается аминокислотами. При недостатке той или иной незаменимой аминокислоты в рационе организм выделяет ее из белков других своих менее важных тканей и таким образом обеспечивает синтез необходимых белков.

24

Синтез белка начинается с образования пептидов. Соединение двух аминокислот с образованием пептидной связи требует большого расхода энергии. Поэтому без наличия доступных источников энергии в растворе аминокислоты

вреакции между собой не вступают.

Ворганизме аминокислоты перед вступлением в реакцию синтеза белка активизируются путем образования с аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ) ациладенилата, обладающего достаточным для образования пептидной связи запасом энергии. Активация аминокислот происходит под влиянием специальных ферментов.

После активации аминокислот синтез белка осуществляется при непосредственном участии нуклеиновых кислот – РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). РНК (растворимая) освобождает аминокислоту от фермента и переносит ее на мельчайшие частицы клеток – микросомы – место синтеза белка. Затем другая РНК (информационная) располагает аминокислоты

вмолекуле белка в той последовательности, которая характерна для данного белка.

«Наследственная» структура белков формируется в ДНК, но передается непосредственно белку информационной РНК. Сами нуклеиновые кислоты синтезируются под влиянием ферментов, являющихся белками.

1.3. Аминокислоты-наночастицы

Состав, строение, классификация и номенклатура.

Аминокислоты – это химические вещества, состоящие из углерода (С), азота (N), водорода (Н) и кислорода (О). В состав некоторых аминокислот (метионин, цистеин, цистин), кроме того, входит сера (S). Благодаря определенному расположению этих атомов внутри молекул аминокислоты имеют своеобразную структуру и характерные химические свойства (Аврутина А. Я., 1966).

25

Вприроде существует много видов аминокислот, но

вбольшинство белков почти постоянно входят 20. Углеродные атомы в молекулах аминокислот, которых имеется от 2 до 9, образуют скелет в виде открытой цепочки типа

,одногошестичленногокольца,соединенного с трехчленной цепочкой (1), пятичленного кольца, образованного из атомов углерода и азота (2):

Вмолекулеоченьважнойаминокислоты–триптофана– шестичленный цикл сочетается с пятичленным. По типу строениямолекуламинокислоты,какивсеорганическиесоединения, делятся на жирные, имеющие углеродный скелет в виде открытой цепочки, ароматические – с шестичленным кольцом и гетероциклические, содержащие цикл из атомов углерода и азота.

Общие сведения о составе, строении, классификация и названия аминокислот приведены в табл. 3.

Специфический признак классификации аминокислот – количество функциональных групп, содержащихся в их молекулах. Аминокислоты содержат две функциональные группы, определяющие их химические свойства: аминную группу –NH2 и карбоксильную –СООН. Структура молекулы тоже оказывает известное влияние на химические свойства аминокислот, но только в отдельных реакциях. Аминная группа характерна для особого класса органических соединений – аминов. Карбоксильная группа свойственна органическим кислотам.

26

Таким образом, аминокислоты, содержащие в своих молекулах аминную и карбоксильную группы, являются одновременно аминами и кислотами. Их можно изобразить формулой

NH2–R–СООН, где R– любой углеродный скелет.

27

Окончание табл. 3

Вмолекуле большинства аминокислот имеется по одной аминной и карбоксильной группе. Эти аминокислоты называются моноаминомонокарбоновыми. Некоторые аминокислотысодержатвсвоихмолекулахподвеаминогруппы

ипо одной карбоксильной. Такие аминокислоты составляют группу диаминомонокарбоновых. Существуют аминокислоты с двумя карбоксильными и одной аминогруппой – моноаминодикарбоновые.

Вособую группу входят аминокислоты, в молекуле которых, кроме аминной и карбоксильных групп, содержится

28

атом серы. Часто их называют серосодержащими. В состав серина и треонина, кроме аминной и карбоксильной групп, входит оксигруппа (–ОН).

Химические свойства аминокислот. Химические свойства аминокислот определяются главным образом функциональными группами. Карбоксильная группа обладает кислотными функциями, поэтому аминокислоты при взаимодействии с другими веществами проявляют свойства кислоты. Со щелочами они образуют соли, например,

NН2 – R – СООН + NаОН → NН2 – R – COONa + H2O. Для аминогруппы характерны функции основания. Поэтому

аминокислоты, взаимодействуя с кислотами, нейтрализуются, превращаясь в соли по реакции

HCl + NH2 – R – COOH → NH3Cl – R – COOH

Таким образом, аминокислоты являются амфолитами, т. е. одновременно кислотами и основаниями. У моноаминокислот функции кислоты и основания уравновешены, и поэтому реакция их на лакмус нейтральная. Моноаминодикарбоновые аминокислоты обладают больше кислотными свойствами, так как в их молекуле карбоксильных групп больше, чем аминных. У диаминомонокарбоновых аминокислот, наоборот, явно выражены свойства оснований, так как в их молекулах преобладают аминогруппы. Вследствие проявления противоположных свойств аминокислоты способны взаимодействовать друг с другом. Схематически эту реакцию можно изобразить так:

NH2 – R – COOH + NH2 – R1 – COOH →

→ H2O + NH2 – R – CO – NH – R1– COOH

Но в результате реакции образуется не соль, а специфическое соединение – пептид (первая ступень к образованию белка). Пептид, образовавшийся из двух аминокислот, называется дипептидом. У него сохраняются одна аминная

29

иоднакарбоксильнаягруппы,скоторымимогутвзаимодействовать другие аминокислоты, и тогда будут образовываться трипептиды, затем тетрапептиды, пентапептиды и т. д.

Пептиды, состоящие из нескольких остатков аминокислот, называются полипептидами.

дипептид      аминокислота

трипептид

Способность аминокислот взаимодействовать друг с другом и давать при этом полипептиды имеет исключительно большое значение, так как она лежит в основе образования белков.

Многие полипептиды сами по себе играют большую биологическую роль. Например, в теле жвачных имеется построенный из остатков глютаминовой кислоты, цистеина и глицина трипептид, получивший название глютатион, который участвует в процессах обмена веществ. Гормоны задней доли гипофиза – окситоцин и вазопрессин – являются октапептидами, состоящими из остатков восьми разных аминокислот. Большой биологической активностью обладают и многие другие полипептиды.

Пептиды разной степени сложности появляются при гидролизе белков. Конечные продукты гидролиза белков – аминокислоты.

Таким образом, пептиды, кроме того, что некоторые из них являются биологически активными соединениями, играют роль промежуточных веществ, образующихся при синтезе и гидролизе белков. В этом заключается большое значение химической реакции, протекающей между аминной и карбоксильной группами разных аминокислот. Так как в результате этой реакции образуются пептиды, то связь

30