1.2. Структурная организация белков.

Установлено, что существует четыре уровня организации белковой молекулы.

Первичная структура (1) – это уникальная, точно генетически заданная для каждого белка последовательность аминокислот, связанных пептидными связями. Значение первичной структуры заключается в том, что она определяет последующие уровни организации белковой молекулы. Различия последовательности аминокислот в 1 определяют большое разнообразие белков в организме человека, их тканевую специфичность.

Доказательство 1 белков – сложный, трудоёмкий процесс. Определение последовательности аминокислот в 1 структуре белка проводится путем ступенчатого гидролиза молекулы белка, а именно, последовательного отщепления аминокислот с N- или C- конца полипептидной цепи. Существует ряд химических методов, позволяющих отщеплять N- концевую аминокислоту с последующей идентификацией этой аминокислоты методом хроматографии. Один из этих методов был предложен Ф. Сенгером (Нобелевская премия 1958 г.). Ступенчатый гидролиз белка с последующей идентификацией аминокислоты проводится в специальном приборе – секвенаторе, работающем в автоматическом режиме.

Вторичная структура (2) – это пространственная конфигурация белковой молекулы, т.е. способ укладки полипептидной цепи в пространстве. Подробно изучены два вида вторичной структуры белков:  - спираль для глобулярных и  - складчатость – для фибриллярных белков. Стабильность вторичной структуры обеспечивается нековалентными водородными связями между фрагментами пептидных связей через 3,6 аминокислотных остатков.

Третичная структура (3) – пространственное расположение полипептидной спирали за счет всех ковалентных и нековалентных типов связей между радикалами аминокислот: дисульфидных, ионных, водородных, гидрофобных взаимодействий.

Четвертичная структура (4) – характерна для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь имеет свою 1⁰, 2⁰, 3⁰ структуру. Комплекс нескольких протомеров – полипептидных цепей, имеющих третичную структуру, образует четвертичную структуру. Например, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых  и двух  - полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер.

Пространственные расположения белковой молекулы, т.е. 2⁰, 3⁰ и 4⁰ могут быть доказаны методом рентгено-структурного анализа.

Значение наивысшей структуры: 3⁰ или 4⁰ заключается в том, что именно она определяет ферментативную функцию и другие виды биологической активности белков.

1.3. Физико-химические свойства белков.

Наиболее характерными физико-химическими свойствами белков являются: высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в больших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическое давление. Белки, как и аминокислоты, амфотерны благодаря наличию свободных NH₂ и COOH групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований. В зависимости от реакции среды и соотношения кислых и основных аминокислот белки в растворе несут «+» или «-» заряд, перемещаясь к аноду или катоду в поле постоянного электрического тока. Это свойство используется для разделения белков методом электрофореза.

Белки обладают явно выраженными гидрофильными свойствами. Факторами устойчивости белка, способствующими растворению его, являются: заряд белковой молекулы и гидратная оболочка. Молекулы воды, являющиеся диполями, легко притягиваются молекулами белка, имеющими «+» или «-» заряд. Гидратная оболочка препятствует слиянию молекул белков друг с другом и выпадению в осадок.

При определённом значении рН среды, которое называется изоэлектрической точкой белка (ИЭТ), характерном для каждого белка, белок переходит в изоэлектрическое состояние, когда суммарный заряд белковой молекулы равен 0. Свойства белка в ИЭТ существенно меняются. В ИЭТ белок теряет способность к электрофорезу, повышается вязкость растворов, снижается растворимость, белок выпадает в осадок. В ИЭТ белок обладает наименьшей растворимостью. ИЭТ кислых белков лежит в слабокислой среде, рН < 7. ИЭТ щелочных белков лежит в щелочной среде, рН > 7. Выпадение белка в осадок при высаливании используется для выделения индивидуальных белков из биологических жидкостей, органов и тканей.

Высаливание – обратимое выпадение белка в осадок, связанное со снятием заряда и разрушением гидратной оболочки. Без гидратной оболочки молекулы белка сливаются друг с другом и выпадают в осадок. При разбавлении растворов белок снова переходит в растворимое состояние. Факторы, вызывающие высаливание: ацетон, этанол, соли щелочных и щелочноземельных металлов: (NH₄)₂ SO₄, MgSO₄, NaCI, т.к. они являются водоотнимающими средствами, более гидрофильными, чем белок. При высаливании биологическая активность белков сохраняется.

Денатурация – разрушение 4⁰, 3⁰, 2⁰ структур нативной молекулы белка, приводящее к свёртыванию белка и выпадению его в осадок. Денатурацию белков вызывают физические (повышение t⁰, ионизирующее излучение, энергичное встряхивание и.т.д.) и химические факторы: изменение рН среды – действие сильных минеральных кислот, щелочей, органических кислот – трихлоруксусной (ТХУ), алкалоидных реактивов (танин), солей тяжёлых металлов (Hg, Cu, Pb).

Большинство белков денатурируют при нагревании их растворов выше 50-60⁰С. При денатурации белков разрушаются все типы связей, кроме пептидной, т.е. разрушаются все структуры белка, кроме первичной, что приводит к потере биологической активности. Внешнее проявление денатурации сводится к потере растворимости, особенно в ИЭТ, повышению вязкости белковых растворов, увеличению количества свободных функциональных SH групп. Наиболее характерным признаком денатурации является резкое снижение или полная потеря белком его биологической активности (каталитической, антигенной или гормональной).

Процесс денатурации может использоваться в медицинской практике. Все виды стерилизации (высокая температура, высокое давление, УФ облучение) направлены на денатурацию микробных белков, нашли широкое применение в хирургической, терапевтической, педиатрической практике. При отравлении солями тяжёлых металлов пострадавшему в качестве противоядия дают пить молоко или раствор яичного белка.