Заняття 2 Тема: Властивості білків теоретична частина

Величезна розмаїтість білків у природі визначається не тільки кількістю та якістю амінокислот, які входять до їх складу, але й послідовністю розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Одна з важливих властивостей амінокислот — це їх здатність вступати у реакцію поліконденсації з виділенням молекули води та утворенням ковалентного пептидного зв’язку, в якому беруть участь тільки функціональні групи сусідніх амінокислот. Наприклад:

До дипептиду аналогічним чином можуть приєднуватися інші амінокислоти з утворенням три-, тетра-, пента- і т.д. аж до поліпептиду—білка. Найменування пептидів складається з першої -N-кінцевої амінокислоти з закінченням «-іл», наступних амінокислот з таким же закінченням і повної назви С-кінцевої амінокислоти із вільною -СООН-групою.

Амінокислотна послідовність визначає первинну структуру молекули білка.

Вторинна структура білків визначається впорядкованим розташуванням гнучких поліпептидних ланцюгів, які виникають у результаті утворення водневих зв'язків між атомами кисню карбонільних груп і атомами водню амідних груп поліпептидних зв'язків (>С=О•••НN<). Конформації поліпептидів, які при цьому виникають, ділять на два класи: -спіральні структури (обумовлені утворенням внутрішньомолекулярних водневих зв'язків між киснем карбонільної групи кожного пептидного зв'язку й атомом водню амідної групи четвертого за рахунком амінокислотного залишку) і -структури типу складчастого шару (обумовлені утворенням міжмолекулярних водневих зв'язків). Останні бувають двох типів: пептидні ланцюги розташовані паралельно один одному і ланцюги спрямовані в протилежні сторони.

Конфігурація поліпептидного ланцюга в просторі визначає третинну структуру білка. Формування третинної структури відбувається в результаті взаємодії R-груп амінокислот, що далеко розташовані один від другого уздовж поліпептидного ланцюга.

Найбільш важливими зв'язки, що беруть участь в утворенні третинної структури, є водневі, дисульфідні, електростатичні, які виникають між позитивно і негативно зарядженими R-групами, і гідрофобні, що утворюються в тих ділянках молекули білка, де взаємодіють неполярні R-групи деяких амінокислот (рис. 1). Іони металів можуть стабілізувати третинну структуру білка, утворюючи зв'язки між різними ділянками поліпептидного ланцюга.

Для глобулярних білків характерні сильно звиті, компактно упаковані структури, усередині яких перебувають гідрофобні амінокислотні залишки, у той час як на поверхні білкової глобули розташовані майже всі групи амінокислот і дуже незначне число гідрофобних ділянок.

Четвертинну структуру мають білки, які складаються з декількох поліпептидних ланцюгів, кожний з яких має свою певну тривимірну структуру (конформацію). Кожний поліпептидний ланцюг у таких білках має назву субодиниця. Так, наприклад, гемоглобін складається з 4-х субодиниць двох видів поліпептидних ланцюгів: α-ланцюгів і β-ланцюгів. Формула гемоглобіну ₂_2. Кожний тип поліпептидного ланцюга кодується окремим геном (синтез - і -ланцюгів гемоглобіну кодується двома різними генами).

Молекула простого білка може з'єднуватися з іншими речовинами іноді дуже великої молекулярної ваги, утворюючи ще більш складні сполуки, так звані складні білки. Прості білки складаються тільки з α-амінокислот, а складні мають ще неамінокислотні компоненти: гем, похідні вітамінів, ліпідні, вуглеводні чи фосфатні компоненти.

До простих належать альбуміни, глобуліни, проламіни, пістони.

Рис. 1 Внутрішньомолекулярні зв'язки, відповідальні за підтримку вторинної і третинної структур білків:

1 - дисульфідні зв'язки (ковалентні) між двома залишками цистеїну;

2 - електростатичні зв'язки між основними амінокислотами (аргініном, лізином, гістидином) і кислими амінокислотами (глютамінової і аспарагінової);

3 - гідрофобні взаємодії за участю фенілаланіну;

4 - гідрофобні взаємодії за участю лейцину, ізолейцину, валіну і аланіну;

5 - водневі зв'язки між групами (атомами) пептидних зв'язків;

6 - водневі зв'язки між кислими амінокислотами (глютамінової,

аспарагінової) й оксиамінокислотами (серином, треоніном);

7 - водневі зв'язки між тирозином і гістидином

У складних білків два компоненти – простий білок та небілкова речовина – сполучені між собою ковалентними або слабкими (іонними, водневими, вандерваальсовими та ін.) зв’язками. Небілкова частина складних білків називається простетичною групою. До складних білків відносяться нуклеопротеїди, хромопротеїди, фосфопротеїди, глікопротеїди та ін.

Дякуючи наявності в білках амінних і карбоксильних груп, вони в кислому середовищі дисоціюють як основи, а в лужному — як кислоти, отже є амфотерними електролітами, що обумовлює їх значення як буферних систем, які підтримують постійність реакції середовища в тканинах організму. Якщо реакція середовища пригнічує дисоціацію білка, електричний заряд становиться найменшим (теоретично дорівнює нулю), білок знаходиться в ізоелектричному стані. Значення рН середовища, при якому білок знаходиться в ізоелектричному стані, називається ізоелектричною крапкою.

Білки кислого характеру (альбуміни, глобуліни) у водному розчині несуть негативний заряд; білки основного характеру (протаміни, гістони) — позитивний заряд. Наявність заряду на макромолекулі білка стабілізує його в розчині, тому як заважає злипанню білкових часток та випаданню їх в осад.

У водному розчині більшість білків та їх часток (міцел) заряджені та гідратовані. При додаванні у великих концентраціях солей лужних та лужноземельних металів (сульфату натрію, сульфату магнію, хлориду натрію та ін.), а також нейтральних солей, наприклад, сульфату амонію, молекули яких у водних розчинах гідратовані, виникає руйнування оболонок (дегідратація білка). В результаті цього знижується електричний заряд білкової молекули в наслідок адсорбування на ній іонів солей. Частки білку злипаються одна з одною, збільшуються в розмірі і випадають в осад. Таке осадження білку в розчинах отримало назву «висалювання» або зворотне осадження. При висалюванні білок за звичаєм не втрачає притаманні йому фізико-хімічні та біологічні властивості. Він знову розчиняється у воді і проявляє майже з тою же активністю ферментативні, антигенні, імунні та інші біологічні властивості, тобто залишається нативним (натуральним).

Білки під впливом фізичних (температура, ультразвук, іонізуюча радіація та інше), хімічних (мінеральні та органічні кислоти, луги, органічні розчинники, важкі метали, алкалоїдні реактиви та інше) і біологічних (наприклад, при дії протеолітичних ферментів) факторів отримують глибокі зміни, які пов’язані з порушенням четвертинної, третинної та навіть вторинної структури, що призводить до змін фізико-хімічних і біологічних властивостей білка, а саме до денатурації. При денатурації білка відзначається розрив вторинних зв’язків (водневих, дисульфідних, електростатичних, ефірних, вандерваальсових та ін.). Це призводить до зміни просторової структури та зменшенню її гідрофільних властивостей. Білок стає більш гідрофобним, втрачає здатність розчинятися в звичайних для нього розчинниках і свої біологічні функції (ферментів, гормонів і ін.). Такий вид денатурації вважається незворотнім.