Lekcija_2._Ruseckaja

Материалы для образовательного портала 12. 03. 2011 год

Лекция № 2 Тема: «Строение и функции белков. Протеины и протеиды. Физико-химические свойства белков» Лектор: доцент, канд.биол.наук Русецкая Наталья Юрьевна

План:

1.Молекулярная масса.

2.Буферные свойства.

3.Факторы стабилизации белка в растворе

4.Факторы, снижающие растворимость белков. Изоэлектрическая точка белка и денатурация

5.Методы выделения и очистки белков.

6.Изменение белков при онтогенезе и болезнях.

1.Молекулярная масса. Белки – высокомолекулярные органические азотсодержащие полимеры, построенные из аминокислот. Молекулярная масса белков зависит от количества полипептидных цепей (субъединиц) в молекуле белка и от количества аминокислот в каждой

Да = 1,56·10-24г). Например, М инсулина = 5733 Да, М HbA= 64500 Да, фермента глутаматдегидрогеназы = 1 млн Да.

Растворы белков обладают свойствами коллоидных растворов благодаря своей высокой молекулярной массе (оптические свойства, неспособность проникать через мембраны, высокая вязкость, способность к образованию гелей).

2. Буферные свойства. Белки – амфотерные полиэлектролиты, т.е. они сочетают в себе кислые и основные свойства. В зависимости от этого белки могут быть кислыми и основными. Свойства зависят от аминокислотного состава белков. В состав кислых белков преимущественно входят глютаминовая и аспарагиновая кислоты. Основные белки содержат преимущественно лизин, аргинин и гистидин.

Белки обладают буферными свойствами, т.е. способны связывать, как кислые, так и основные метаболиты. Белковая буферная система является одной из мощнейших в организме.

Устойчивость растворов белков определяется наличием заряда и гидратной оболочки. Заряд белка обусловлен преобладанием диссоциации ионогенных группировок в белках, таких как –СОО- и NH3+. Если в белке преобладают дикарбоновые аминокислоты, то при диссоциации карбоксильных групп в нейтральной среде белок будет заряжен отрицательно.

рН = 7

Кислые белки: альбумины.

Если белок основной (преобладают лизин, аргинин и гистидин), то в нейтральной среде белки будут заряжены положительно за счет диссоциации аминогрупп.

рН = 7 Основные белки: протоаминовые и гистоновые.

1

Материалы для образовательного портала 12. 03. 2011 год

3.Факторы стабилизации белка в растворе. ГИДРАТНАЯ ОБОЛОЧКА – это слой молекул воды, определенным образом ориентированных на поверхности белковой молекулы. Поверхность большинства белковых молекул заряжена отрицательно, и диполи молекул воды притягиваются к ней своими положительно заряженными полюсами. Чем больше в составе белковой молекулы и на ее поверхности аминокислот с полярными (гидрофильными) радикалами, тем сильнее выражена и прочнее удерживается гидратная оболочка и тем больше в ней слоев.

ЗАРЯД БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. Поверхность большинства белковых молекул заряжена потому, что в каждой молекуле белка есть заряженные СОО- и NH3+ группы боковых радикалов аминокислот. ИЭТ – значение рН, при котором белок становится электонейтральным.

4.Факторы, снижающие растворимость белков. Изоэлектрическая точка белка и денатурация. Значение рН, при котором белок становится электронейтральным, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ) белка. Для основных белков ИЭТ находится в щелочной среде, для кислых – в кислой среде. Если основный белок поместить в буферный раствор с щелочной средой

(где будет преобладать ион ОН-), то будет подавляться диссоциация аминогрупп в боковых радикалах аминокислот и степень диссоциации амино- и карбоксильных групп может стать равной. В этом случае происходит потеря заряда, т.е. белок становится электронейтральным. В ИЭТ белок утрачивает заряд, становится неустойчив в растворе и выпадает в осадок. Следовательно, в ИЭТ происходит денатурация белка.

Денатурация – это последовательное нарушение четвертичной, третичной, вторичной структур белка, сопровождающееся потерей биологических свойств. Денатурированный белок выпадает в осадок. Лучшими условиями для осаждения являются те, при которых снимаются оба фактора устойчивости в растворе (заряд и гидратная оболочка). Осадить белок можно, изменяя рН среды (ИЭТ), либо высаливанием, либо действуя каким-либо фактором денатурации.

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

Физические факторы:

1.Высокие температуры. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С.

2.Ультрафиолетовое облучение

3.Рентгеновское и радиоактивное облучение

4.Ультразвук

5.Механическое воздействие (например, вибрация).

Химические факторы:

1.Концентрированные кислоты и щелочи.

2.Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).

3.Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4.Нейтральные соли щелочных и щелочно-земельных металлов (NaCl, (NH4)2SO4)

Факторы денатурации могут вызвать обратимую или необратимую денатурацию.

Обратимая денатурация (высаливание). Процесс осаждения концентрированными растворами нейтральных солей (NaCl, (NH4)2SO4) называется высаливанием. Под действием факторов высаливания снижается устойчивость раствора белка и белок может выпасть в осадок. При этом не меняются и не утрачиваются биологические свойства белка, т.е. функции белка не нарушаются.

2

Материалы для образовательного портала 12. 03. 2011 год

Высаливание используется для фракционирования белков, т.е. для разделения белков на фракции. Для разделения белков сыворотки крови (альбуминов и глобулинов) используют разные концентрации сернокислого аммония: при 50% насыщении высаливаются высокомолекулярные глобулины, а при 100% насыщении – альбумины. Способность к высаливанию наиболее выражена у анионов солей. При добавлении растворителя или при удалении анионов солей путем диализа структура белка может восстанавливаться. Процесс последовательного восстановления вторичной, третичной и четвертичной структур белка, сопровождающийся восстановлением биологических свойств белка, называется ренатурацией. In vivo, в организме, возможна быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Это относится к агентам, действующим на водородные связи.

Необратимая денатурация. К факторам, снижающим растворимость, могут быть отнесены факторы, снимающие гидратную оболочку и вызывающие частичную денатурацию белка (например, спирт, ацетон). При осаждении белков крепкими кислотами, щелочами, солями тяжелых металлов, при кипячении или действии других агрессивных факторов осаждение будет сопровождаться нарушением природных (нативных) свойств белка. Это связано с тем, что под действием этих факторов происходит разрушение связей, стабилизирующих структурную организацию молекулы белка.

Под действием растворов тяжелых металлов белок может образовывать нерастворимый комплекс с денатурирующими агентами. Если к такому комплексу добавить избыток осадителя (раствора соли тяжелого металла), то может происходить частичное осаждение осадка. Это связано с тем, что ионы металла начинают сорбироваться на этом комплексе. Вокруг них начинают формироваться диполи воды (образуется водная оболочка). Этот процесс называется адсорбционной пептизацией. При этом нативные свойства бела не восстанавливаются.

Свойства денатурированного белка:

1.Уменьшение растворимости и выпадение в осадок.

2.Изменение структуры белка.

3.Потеря нативных свойств белка.

4.Развертывание молекулы белка с освобождением дополнительных функциональных групп (боковых гидрофобных радикалов аминокислот) и образование между ними новых связей.

5.Более легкая доступность к действию ферментов (например, под действием HСl в желудочном содержимом белки пищи подготавливаются к перевариванию, а именно белок пищи денатурирует, давая большую возможность действию фермента пепсина на пептидные связи белка пищи). На производствах, связанных с применением солей тяжелых металлов, работникам выдают молоко, т.к. на белки молока действуют соли тяжелых металлов, образуя комплексы, всасывание тяжелых металлов прекращается.

5.Методы выделения и очистки белков:

1.высаливание (см. выше);

2.электрофорез (разделение белков по молекулярной массе и заряду в электрической поле) на различных носителях: бумаге, агарозном, крахмальном, полиакриламидном гелях, иммуноэлектрофорез;

3.гель-фильтрация (фракционирование белков по молекулярной массе на хроматографической колонке).

3

Материалы для образовательного портала 12. 03. 2011 год

Очистка белков от низкомолекулярных примесей осуществляется путем диализа с использованием полупроницаемой мембраны, но наиболее эффективным способом очистки белкового раствора является гель-фильтрация.

6. Изменение белков при онтогенезе и болезнях. В онтогенезе изменяется структура каталитических белков – ферментов. При онтогенезе формируется структура и поэтому увеличивается активность ферментов печени, мышц. По мере роста ребенка хрящевая ткань преобразуется в костную ткань. При старении в соединительной ткани уменьшается количество воды.

При ряде наследственных заболеваний изменяется структура белков: при коллагенозе повреждаются белки соединительной ткани, вследствие чего развиваются ревматизм, ревматоидный артрит, системная красная волчанка и др. При изменении белков в мышечной ткани развиваются мышечные дистрофии, атрофия мышц.

4