Первичная структура

Первичной структурой называют порядок чередования (последо­вательность) аминокислотных остатков в белке. В организме человека имеется тысячи разных белков, имеющих различную первичную структуру.

Вторичная структура белков

Пептидная цепь обладает значительной гибкостью. В результате внутрицепочечных взаимодействий она приобретает определённую про­странственную структуру (конформацию), которая и называется вторич­ной. Вторичная структура белков стабилизируется за счёт образования водородных связей между карбонильной группой одного амино­кислотного остатка и NH-группой другого:

Чем больше образуется водородных связей, тем устойчивее вторичная структура. Но возможности пространственной укладки пептидной цепи ограничены тем, что пептидная связь имеет частично двойной характер и вращение вокруг неё невозможно. Атомы водорода и кислорода пептид­ной группы занимают транс-положение. Напротив, в области связей ме­жду пептидными группами и α-углеродными атомами возможно свобод­ное вращение:

Вследствие этих ограничений при образовании водородных свя­зей полипептидная цепь принимает не произвольную, а определенную конформацию. Известны три основных типа вторичной структуры белков: α-спираль, β-структура (складчатый слой) и беспорядочный клубок. В α-спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с С=О-группой четвертого от него аминокислотного остатка. В результате образуется спираль, закрученная по часовой стрелке вследствие L-аминокислотного состава белков и содержащая на каждый виток 3,6 аминокислотных остатка. На один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм, угол подъема спирали равен 26 градусов (рис. ниже). Витки спирали связаны водородными связями, ориентированными вдоль оси спирали, α-радикалы направлены наружу. Различные белки имеют различную степень спирализации: отношение числа аминокислот в спирали к общему числу минокислот в белке.

В складчатом слое (β-структуре) пеп­тидные цепи (или от­дельные участки одной цепи) располагаются параллельно друг другу в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному гармошкой. Причём возможны вари­анты β-структур: они могут быть образованы параллельными цепями (N-концы целей направ­лены в одну и ту же сто­рону, (рис.ниже,а) и антипа­раллельными (N-концы направлены в разные стороны) (рис ниже,б).

Как правило, вторичная структура белковой молекулы содержит и α-, и β-участки, а также участки, не имеющие какой-либо правильной организации, называемые "беспорядочным" клубком. В этих участках полипептидная цепь сравнительно легко изгибается, меняя конформацию, в отличие от более жёстких структур α- и β-участков.

Рис. Схема α-спирали

а)

б)

Рис. Схемы β-структур: а-параллельные цепи; б- антипараллельные цепи

Третичная структура белков

Третичной структурой белка называется способ укладки в про­странстве полипептидной цепи, имеющей определённую вторичную структуру. По форме молекулы и особенностям пространственной струк­туры белки делятся на две группы: глобулярные и фибриллярные. Форма первых близка к сферической или эллипсоидной, с отношением короткой и длинной осей до 1:50. Молекулы фибриллярных белков имеют удли­нённую форму (форма нити, палочки) и соотношение осей 1: (75-200).

Третичная структура глобулярных белков стабилизируется в ос­новном за счёт образования ковалентных дисульфидных связей между радикалами цистеина:

Дополнительный вклад также вносят слабые нековалентные свя­зи: гидрофобные - между неполярными радикалами; водородные - ме­жду полярными радикалами; ионные - между заряженными радикалами (рис. 7).

Рис.7. Связи, стабилизирующие третичную структуру белков

Третичная структура белка после его синтеза в рибосомах воз­никает автоматически и предопределяется первичной структурой белка. Третичная структура глобулярного белка (рис.8а) не является абсолютно жёст­кой, в известных пределах возможен разрыв некоторых слабых нековалентных связей и образование новых: глобула как бы пульсирует в рас­творе.

Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд осо­бенностей по сравнению с глобулярными. Фибриллярные белки состав­ляют основную массу соединительной ткани в организме человека и жи­вотных. Коллаген - самый распространённый фибриллярный белок, он составляет 1/3 часть от всех белков в организме человека. Эластин, ко­торый по сравнению с коллагеном более эластичен, содержится в тканях, испытывающих периодическое растяжение и сокращение: кровеносные сосуды, лёгкие, некоторые связки суставов. α-Кератины входят в состав эпидермиса кожи, волос, ногтей. Фибриллярные белки построены из трёх пептидных цепей (в каждой около 1000 аминокислотных остатков), каж­дая из которых имеет конформацию спирали, отличную от α-спирали (за исключением α-кератинов). Эти три спирали в молекуле коллагена пере­виты друг с другом, образуют плотный жгут за счет водородных связей между цепями и внутри цепей. Молекулы коллагена, соединяясь «бок о бок», образуют микрофибриллы, из последних формируются более тол­стые - макрофибриллы, а из них - волокна и пучки волокон. Аналогичную структуру имеют α-кератины. В одном волосе, например, содержатся сотни макрофибрилл α-кератина, ориентированных по длине волоса. Фибриллярные белки имеют специфический аминокислотный состав. На­пример, в коллагене каждая третья аминокислота - глицин, 20%- остатки пролина и гидроксипролина, 10%- аланина и 40%- остальные аминокис­лоты.

Если первичная структура белков даёт возможность предсказать конформацию молекулы, то есть её вторичную и третичную структуры, то третичная структура содержит информацию иного рода, а именно функциональную. Все биологические свойства белков связаны с сохран­ностью его третичной структуры, которую называют нативным белком. Любые воздействия, приводящие к нарушению этой конформации, со­провождаются полной или частичной потерей белком его биологических свойств.

Четвертичная структура белков (в вопросах этого нет, но мало ли пригодится)

Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся, например, миоглобин - белок мышечной ткани, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и так далее). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет первичную, вторичную и третичную структуры. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипептидных цепей в функциональную единую молекулу белка (рис.8б). Такой белок с четвер­тичной структурой называется олигомером или мультимером, а его поли­пептидные цепи - протомерами или субъединицами. Стабилизируют чет­вертичную структуру такие же связи, как и - третичную. Протомеры со­единяются в мультимеры по принципу комплементарности - универсаль­ному принципу живой природы. Расположение групп, образующих связи, на одном протомере соответствует их расположению на другом протомере. Принцип комплементарности лежит в основе процесса самосборки олгимерных белков.

а	Б

Рис. 8. Схема третичной (а) и четвертичной (6) структуры белка

При четвертичном уровне организации белки сохраняют основ­ную конфигурацию третичной структуры (глобулярную или фибрилляр­ную). Например, белки волос и шерсти имеют фибриллярную конформа­цию четвертичной структуры. Примером глобулярного мультимера может служить гемоглобин, состоящий из четырёх субъединиц глобулярного характера: двух α- и двух β-цепей. Его строение кратко можно предста­вить формулой 2α2β. Под действием мочевины происходит обратимая диссоциация гемоглобина:

2α2β = 2α + 2β = α + α + β + β,

либо

2α2β = αβ + αβ = α + α + β + β

димеры протомеры

Отдельные протомеры биологически неактивны, именно четвер­тичная структура обеспечивает ряду белков их специфические функции. Число протомеров в мультимерах всегда чётное, а молекулярные массы более 1млн. Да. Классическим примером мультимерной молекулы являет­ся вирус табачной мозаики с молекулярной массой около 40 млн. Да, состоя­щий из одной молекулы РНК и 2130 белковых субъединиц.

13) Идентификация белков и их значение.

Цветные реакции применяются для установления белковой природы веществ, идентификации белков и определение их аминокислотного состава в различных биологических жидкостях. В клинической лабораторной практике эти методы используются для определения количества белка в плазме крови, аминокислот в моче и крови, для выявления наследственных и приобретенных патологий обмена у новорожденных.

Биуретовая реакция на пептидную связь.

В основе ее лежит способность пептидных связей (-CO-NH-) образовывать с сульфатом меди в щелочной среде окрашенные комплексные соединения, интенсивность окраски которых зависит от длины полипептидной цепи.

Ход определения. В пробирку вносят 5 капель раствор яичного белка, 3 капли NaOH, 1 каплю Cu(OH)2, перемешивают. Содержимое пробирки приобретает сине-фиолетовое окрашивание.

Нингидриновая реакция.

Сущность реакции состоит в образовании соединения, окрашенного в сине-фиолетовый цвет, состоящего из нингидрина и продуктов гидролиза аминокислот. Эта реакция характерна для аминогрупп в α - положении, присутствующих в природных аминокислотах и белках.

Ход определения. В пробирку вносят 5 капель раствора яичного белка, затем 5 капель нингидрина, нагревают смесь до кипения. Появляется розово-фиолетовое окрашивание, переходящее с течением времени в сине-фиолетовое.

Ксантопротеиновая реакция.

При добавлении к раствору белка концентрированной азотной кислоты и нагревании появляется желтое окрашивание, переходящее в присутствии щелочи в оранжевое. Сущность реакции состоит в нитровании бензольного кольца циклических аминокислот азотной кислотой с образованием нитросоединений, выпадающих в осадок. Реакция выявляет наличие в белке циклических аминокислот.

Ход определения. К 5 каплям раствора яичного белка добавляют 3 капли азотной кислоты и (осторожно!) нагревают. Появляется осадок желтого цвета. После охлаждения добавляют (желательно на осадок) 10 капель NaOH, появляется оранжевое окрашивание.

Реакция Адамкевича.

Аминокислота триптофан в кислой среде, взаимодействуя с альдегидами кислот, образует продукты конденсации красно-фиолетового цвета.

Ход определения. К одной капле белка прибавляют 10 капель уксусной кислоты. Наклонив пробирку, осторожно по стенке добавляют по каплям 0,5 мл серной кислоты так, чтобы жидкости не смешивались. При стоянии пробирки на границе жидкостей появляется красно-фиолетовое кольцо.

Реакция Фоля.

Аминокислоты, содержащие сульфгидрильные группы - SH, подвергаются щелочному гидролизу с образованием сульфида натрия Na2S. Последний, взаимодействуя с плюмбитом натрия (образуется в ходе реакции между ацетатом свинца и NaOH), образует осадок сульфида свинца PbS черного или бурого цвета.

Ход определения. К 5 каплям раствора белка прибавляют 5 капель реактива Фоля и кипятят 2-3 мин. После отстаивания 1-2 мин. появляется черный или бурый осадок.

Значение белков:

Белки́ — сложные органические соединения, состоящие из аминокислот (более 80), из которых 22 наиболее распространены в пищевых продуктах. Белки выполняют множество жизненно важных функций в человеческом организме:

-служат материалом для построения клеток, тканей и органов, образования ферментов и большинства гормонов, гемоглобина и других соединений;

-формируют соединения, обеспечивающие иммунитет к инфекциям;

-участвуют в процессе усвоения жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов.

14) Роль химического взаимодействия в структуре белка (Вандер-Ваальс).

15) Коллоидные свойства белковых растворов (физ. свойства)

Белки, имея большую молекулярную массу, при растворении в воде образуют коллоидные растворы. В растворах они обнаруживают коллоидные свойства: медленно диффундируют, не проходят через полупроницаемую мембрану, рассеивают свет, имеют высокую вязкость. Однако белковые растворы относят к типичным коллоидных растворов, поскольку белки, диспергуюясь до единичных молекул, образуют гомогенный раствор. Наконец, их можно считать истинными растворами.

 Сходство белковых и истинных коллоидных растворов основывается на том, что молекулы белка имеют размеры, близкие к размерам мицелл коллоидного раствора.

 Коллоидный раствор, находящийся в жидком состоянии, принято называть золем, а в плотном — гелем. При соответствующих условиях, например изменениях температуры, золь легко может переходить в гель и, наоборот, гель — в золь. Таким образом, указанные изменения состояния коллоидных растворов белков являются обратимыми.

В процессе жизнедеятельности клеток подобного рода обратимые изменения состояния белков наблюдаются непрерывно и лежат в основе большинства физиологических процессов. С отмиранием же клеток белки претерпевают необратимые изменения. В этом случае возникает так называемая денатурация белков (потеря природных свойств). Денатурацию можно вызвать и искусственным путем, например путем кипячения белков.

Содержащиеся в клетках белки обладают способностью связывать большое количество воды. Это свойство белков называется их гидрофильностью. Гидрофильность белков имеет большое значение для жизнедеятельности клеток. Связывая воду, белки набухают. Это придает клеткам соответствующую упругость и эластичность; повышается и механическая устойчивость клеток.

16) Факторы определения растворимости белков.

Полярные группы белков способны взаимодействовать с водой (гидратироваться), а также с низкомолекулярными органическими соеди­нениями и ионами (с этим свойством связана транспортная функция бел­ков). Количество воды, связанной с белком, достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных полярных групп значительно больше на поверхно­сти белковой глобулы, чем внутри ее, эти группы образуют так называе­мую гидратную оболочку белковой молекулы. Но есть и гидрофобные белки, они нерастворимы в воде, но растворяются в жирах (липидах) и встречаются в основном в клеточных мембранах. Растворимость белков зависит от количества гидрофильных (полярных) групп, от размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда, а также от наличия в растворе других растворенных веществ. Например, некоторые белки не растворяются в дистиллированной воде, но растворяются в присутствии небольшой концентрации нейтральных солей. При высоких концентраци­ях солей белки выпадают в осадок (высаливание), причем для осаждения различных белков требуется разное количество соли, что используется для фракционирования белков. Чаще всего для разделения белков мето­дом высаливания используют сульфат аммония. После удаления соли (например, диализом) осажденный белок вновь растворяют, при этом сохраняются его нативные свойства.

Растворимость белков зависит также от особенностей их струк­турной организации: глобулярные белки, как правило, лучше раствори­мы, чем фибриллярные.

рН среды влияет на заряд белка, а, следовательно, на его рас­творимость. Растворимость и устойчивость белка минимальны при рН, соответствующем изоэлектрической точке белка. Объясняется это тем, что в изоэлектрической точке молекула не несет суммарного заряда и, следовательно, между соседними молекулами белка отсутствует электростатическое отталкивание. При значениях рН выше или ниже изоэлектрической точки все молекулы белка имеют суммарный заряд одного знака, вследствие чего они отталкиваются друг от друга и образование ими нерастворимых агрегатов (слипание) оказывается невозможным.

В сравнительно узком интервале температур, приблизительно от 0 до 40 Сº, растворимость большинства белков возрастает при повышении температуры (однако есть исключения). При температурах превышающих 40-50 Сº, большинство белков утрачивает стабильность; начинается их денатурация, сопровождающаяся обычно резким снижением растворимости в области нейтральных значений рН. (Денатурация – сложное явление, в основе которого лежит изменение пространственной нативной (природной) конфигурации белка за счет внутримолекулярной перегруппировки его молекулы, не сопровождающаяся расщеплением пептидной связи)

Растворимость белка зависит также от ионной силы раствора. Нейтральные соли оказывают заметное влияние на растворимость глобулярных белков. При низких концентрациях растворы нейтральных солей повышают растворимость многих белков. Этот эффект не зависит от природы нейтральной соли и числа зарядов каждого из ионов, присутствующих в растворе. Соли, содержащие двухвалентные ионы, например MgCl₂ или MgSO₄, значительно эффективнее повышают растворимость белков, чем такие соли, как NaCl, NH₄Cl и KCl. Повышение растворимости вызывается изменениями в степени диссоциации ионизируемых групп белка. При значительном повышении кнцентрации нейтральных солей растворимость белков начинает опять понижаться, и при очень высоких концентрациях соли белок может полностью выпасть в осадок. Это явление называется высаливанием.

17) Классификация углеводов и их номенклатура.

Углево́ды (сахара́, сахариды) — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Классификация углеводов основана на их способности гидролизоваться. Углеводы разделяются на простые и сложные. Простые углеводы иначе называются моносахаридами, они не подвергаются гидролизу. Сложные подразделяют на олигосахариды и полисахариды.

Углеводы
Моносахариды		Олигосахариды	Полисахариды
Альдозы	Кетозы	восстанавливающие	гомополисахариды
Альдотриозы	кетотриозы	невосстанавливающие	гетерополисахариды
Альдотетрозы	кетотетрозы
Альдопентозы	кетопентозы
Альдогексозы	кетогексозы

Моносахариды (простые углеводы) - самые простые представители углеводов и при гидролизе не расщепляются до более простых соединений. Моносахариды - самый быстрый и качественный источник энергии для процессов, происходящих в клетке. Моносахариды сразу окисляются до двуокиси углерода и воды, тогда как белки и жиры окисляются до тех же продуктов через ряд сложных промежуточных процессов. Моносахариды имеют сладкий вкус и потому их называют «сахарами».

Олигосахариды - более сложные соединения, построенные из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов. Дисахариды (олигосахариды), как и моносахариды, имеют сладкий вкус и потому их называют «сахарами».

Полисахариды - высокомолекулярные соединения - полимеры, образованные из большого числа моносахаридов. Они делятся на перевариваемые (крахмал, гликоген) и не перевариваемые (пищевые волокна - клетчатка, гемицеллюлоза, пектиновые вещества) в желудочно-кишечном тракте. Полисахариды сладким вкусом не обладают.

Номенклатура

В основу номенклатуры сахаров положены тривиальные названия моносахаридов состава СnH2nOn с прямой цепью углеродных атомов: ксилоза, рибоза, глюкоза, фруктоза. Наименованиям кетоз придается окончание –улоза, например кетоза С₅-пентулоза. Всем моносахарам присуща конфигурационная (оптическая) изомерия, т.е. они существуют в двух

этантиомерных формах:D и L. Принадлежность моносахаридов к D- или L-ряду определяется по расположению ОН-группы у последнего (считая от альдегидной или кетогруппы) хирального атома углерода. В качестве стандарта сравнения конфигурации асимметричного атома углерода предложено использовать изомер глицеринового альдегида. Названный D-глицериновым альдегидом изомер вращает плоскость поляризованного света вправо, а его зеркальное отражение антипод – L-глицериновый альдегид – влево:

Все моносахариды, которые теоретически могут быть получены из D-глицеринового альдегида путем последовательного удлинения его цепи со стороны альдегидной группы, называют D-сахарами, независимо от конфигураций остальных атомов углерода, а полученные таким же способом из L-глицеринового альдегида –L-сахарами:

Некоторые моносахариды, например фруктоза, отнесенные к D-ряду, являются левовращающими, а представители L-ряда – правовращающими. Чтобы указать и принадлежность сахара к D- или L-ряду, и направление вращения плоскости поляризации, после символов D или L перед названием в скобках ставят знак (+) или (-), обозначающий соответственно правое или левое вращение.

В живых организмах моносахариды присутствуют преимущественно в D-конфигурации, которую называют природной. Исключение составляет L-арабиноза бактерий, L-рамноза и L-сорбоза растений.

Ниже приведены стереохимические соотношения D-альдоз и D-кетоз, содержащих от С-3 до С-6 углеродных атомов:

18) Классификация простых углеводов и особенности их химического строения.

Особенности химического строения:

19) Функции углеводов различного строения в природе. Особенности строения.

20) Глюкоза. Свойства. Нахождение в природе.

β-фруктофураноза 2-фосфат-β-фруктофуранозы

Реакции с фосфорной кислотой

Реакция с фосфорной кислотой может протекать по гликозидному гидроксилу и по первичноспиртовым группам (-СН2ОН):

Реакция алкилирования (реакция гидроксильных групп)

α – глюкоза

+ СH3ОН

HCl(газ)→

α –метил-D- глюкопиранозид

+ H2О

21) Мальтоза. Строение. Способы получения. Свойства.

Восстанавливающие дисахариды:

Мальтоза ̶ α-глюкопиранозил (1-4) -α-глюкопираноза (солодо­вый сахар) - состоит из двух остатков α-D-глюкозы, являетсяпромежу­точным продуктом при гидролизе полисахаридов (крахмала и гликогена). Содержится в небольших количествах в некоторых растениях, образуется при ферментативномгидролизе крахмала. Легко растворяется в воде. Водные растворы имеют сладкий вкус.В организме человека мальтоза расщепляется ферментом доD-глюкозы. Так как в молекуле мальтозы у второго остатка глюкозы имеется свободный полуацетальный гидроксил, она обладает восстанавлива­ющими свойствами. В растворе существует в нескольких таутомерных формах:

Ее растворы мутаротируют, дают положительную реакцию с реактивом Толленса и Фелинга. При ее окислении образуется лактобионовая кислота. При окислении в мягких условиях – бромной водой , она превращается в мальтобионовую кислоту.

Как и многоатомные спирты ,дисахариды вступают в реакции алкилирования и ацилирования. Характерной реакцией является кислотный гидролиз, в результате которого расщепляются гликозидные связи и образуются моносахариды.