§ 9. ФИЗИКО-ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА БЕЛТЪКИТЕ

Протеините са много големи молекули, по размер те могат да бъдат по-ниски само от отделни представители на нуклеинови киселини и полизахариди. Таблица 4 представя молекулярните характеристики на някои протеини.

Таблица 4

Молекулни характеристики на някои протеини

	Относително молекулно тегло	Брой вериги	Броят на аминокиселинните остатъци
Рибонуклеаза
миоглобин
химотрипсин
Хемоглобин
Глутамат дехидрогеназа

Протеиновите молекули могат да съдържат много различен брой аминокиселинни остатъци - от 50 до няколко хиляди; относителните молекулни маси на протеините също варират значително - от няколко хиляди (инсулин, рибонуклеаза) до милион (глутамат дехидрогеназа) или повече. Броят на полипептидните вериги в протеините може да варира от една до няколко десетки или дори хиляди. Така протеинът на вируса на тютюневата мозайка съдържа 2120 протомера.

Познавайки относителното молекулно тегло на протеина, можете приблизително да прецените колко аминокиселинни остатъци са включени в неговия състав. Средното относително молекулно тегло на аминокиселините, които образуват полипептидната верига, е 128. Когато се образува пептидна връзка, водната молекула се отделя, следователно средната относителна маса на аминокиселинния остатък ще бъде 128 - 18 = 110. Използвайки тези данни, можем да изчислим, че протеин с относително молекулно тегло 100 000 ще се състои от приблизително 909 аминокиселинни остатъка.

Електрически свойства на протеиновите молекули

Електрическите свойства на протеините се определят от наличието на положително и отрицателно заредени аминокиселинни остатъци на тяхната повърхност. Наличието на заредени протеинови групи определя общия заряд на протеиновата молекула. Ако в протеините преобладават отрицателно заредени аминокиселини, тогава неговата молекула в неутрален разтвор ще има отрицателен заряд, ако преобладават положително заредени аминокиселини, молекулата ще има положителен заряд. Общият заряд на белтъчната молекула също зависи от киселинността (pH) на средата. С увеличаване на концентрацията на водородни йони (повишаване на киселинността) дисоциацията на карбоксилните групи се потиска:

и в същото време броят на протонираните аминогрупи се увеличава;

По този начин, с увеличаване на киселинността на средата, броят на отрицателно заредените групи на повърхността на протеиновата молекула намалява и броят на положително заредените групи се увеличава. Съвсем различна картина се наблюдава при намаляване на концентрацията на водородни йони и увеличаване на концентрацията на хидроксидни йони. Броят на дисоциираните карбоксилни групи нараства

и броят на протонираните аминогрупи намалява

И така, чрез промяна на киселинността на средата може да се промени и зарядът на протеиновата молекула. С увеличаване на киселинността на средата в протеиновата молекула броят на отрицателно заредените групи намалява и броят на положително заредените групи се увеличава, молекулата постепенно губи отрицателния и придобива положителен заряд. С намаляване на киселинността на разтвора се наблюдава обратната картина. Очевидно при определени стойности на pH молекулата ще бъде електрически неутрална; броят на положително заредените групи ще бъде равен на броя на отрицателно заредените групи, а общият заряд на молекулата ще бъде нула (фиг. 14).

Стойността на pH, при която общият заряд на протеина е нула, се нарича изоелектрична точка и се означавапи.

Ориз. 14. В състояние на изоелектрична точка общият заряд на протеиновата молекула е нула

Изоелектричната точка за повечето протеини е в диапазона на pH от 4,5 до 6,5. Има обаче и изключения. По-долу са дадени изоелектричните точки на някои протеини:

При стойности на рН под изоелектричната точка протеинът носи общ положителен заряд, а над него - общ отрицателен заряд.

В изоелектричната точка разтворимостта на протеина е минимална, тъй като неговите молекули в това състояние са електрически неутрални и между тях няма взаимни сили на отблъскване, така че те могат да се „залепят“ поради водородни и йонни връзки, хидрофобни взаимодействия, ван сили на Ваалс. При стойности на pH, различни от pI, протеиновите молекули ще носят същия заряд - положителен или отрицателен. В резултат на това между молекулите ще съществуват електростатични сили на отблъскване, което им пречи да се „залепят“, разтворимостта ще бъде по-висока.

Разтворимост на протеини

Протеините са разтворими и неразтворими във вода. Разтворимостта на протеините зависи от тяхната структура, стойността на рН, солния състав на разтвора, температурата и други фактори и се определя от естеството на тези групи, които са на повърхността на протеиновата молекула. Неразтворимите протеини включват кератин (коса, нокти, пера), колаген (сухожилия), фиброин (луга, паяжина). Много други протеини са водоразтворими. Разтворимостта се определя от наличието на заредени и полярни групи на тяхната повърхност (-COO -, -NH 3 +, -OH и др.). Заредените и полярни групи от протеини привличат водните молекули и около тях се образува хидратна обвивка (фиг. 15), наличието на която определя тяхната разтворимост във вода.

Ориз. 15. Образуване на хидратна обвивка около белтъчна молекула.

Разтворимостта на протеините се влияе от наличието на неутрални соли (Na 2 SO 4, (NH 4) 2 SO 4 и др.) в разтвора. При ниски концентрации на сол, разтворимостта на протеина се увеличава (фиг. 16), тъй като при такива условия степента на дисоциация на полярните групи се увеличава и заредените групи от протеинови молекули се екранират, като по този начин се намалява взаимодействието протеин-протеин, което допринася за образуването на агрегати и утаяване на протеини. При високи концентрации на сол, разтворимостта на протеина намалява (фиг. 16) поради разрушаването на хидратната обвивка, което води до агрегация на протеинови молекули.

Ориз. 16. Зависимост на разтворимостта на протеина от концентрацията на сол

Има протеини, които се разтварят само в солеви разтвори и не се разтварят в чиста вода, такива протеини се наричат глобулини. Има и други протеини албумини, за разлика от глобулините, те са силно разтворими в чиста вода.
Разтворимостта на протеините също зависи от pH на разтворите. Както вече отбелязахме, протеините имат минимална разтворимост в изоелектричната точка, което се обяснява с липсата на електростатично отблъскване между протеиновите молекули.
При определени условия протеините могат да образуват гелове. По време на образуването на гел протеиновите молекули образуват плътна мрежа, чиято вътрешност е изпълнена с разтворител. Геловете образуват например желатин (този протеин се използва за направата на желе) и млечни протеини при приготвянето на кисело мляко.
Температурата също влияе върху разтворимостта на протеина. Под действието на висока температура много протеини се утаяват поради нарушаване на тяхната структура, но това ще бъде разгледано по-подробно в следващия раздел.

Денатурация на протеини

Нека разгледаме един добре известен феномен. Когато яйчният белтък се нагрее, той постепенно става мътен и след това се образува твърд съсирек. Коагулираният яйчен белтък - яйчен албумин - след охлаждане е неразтворим, докато преди нагряване белтъкът е силно разтворим във вода. Същите явления възникват, когато почти всички глобуларни протеини се нагряват. Промените, които настъпват при нагряване, се наричат денатурация. Белтъците в естественото им състояние се наричат местенпротеини, а след денатурация - денатуриран.
По време на денатурацията нативната конформация на протеините се нарушава в резултат на разкъсване на слаби връзки (йонни, водородни, хидрофобни взаимодействия). В резултат на този процес кватернерната, третичната и вторичната структура на протеина могат да бъдат унищожени. Първичната структура е запазена (фиг. 17).

Ориз. 17. Денатурация на протеини

По време на денатурацията хидрофобните аминокиселинни радикали, които се намират в нативните протеини в дълбочината на молекулата, се появяват на повърхността, в резултат на което се създават условия за агрегация. Утаяват се агрегати от протеинови молекули. Денатурацията е придружена от загуба на биологичната функция на протеина.

Денатурацията на протеина може да бъде причинена не само от повишена температура, но и от други фактори. Киселините и основите могат да причинят денатурация на протеини: в резултат на тяхното действие йоногенните групи се презареждат, което води до разкъсване на йонни и водородни връзки. Уреята разрушава водородните връзки, което води до загуба на естествената им структура от протеините. Денатуриращите агенти са органични разтворители и йони на тежки метали: органичните разтворители разрушават хидрофобните връзки, а йоните на тежките метали образуват неразтворими комплекси с протеини.

Заедно с денатурацията има и обратен процес - ренатурация.С премахването на денатуриращия фактор е възможно да се възстанови оригиналната нативна структура. Например, когато разтворът бавно се охлади до стайна температура, естествената структура и биологичната функция на трипсина се възстановяват.

Протеините също могат да бъдат денатурирани в клетката по време на нормалните жизнени процеси. Съвсем очевидно е, че загубата на естествената структура и функция на протеините е изключително нежелано събитие. В тази връзка трябва да се споменат специални протеини - придружители. Тези протеини са способни да разпознават частично денатурирани протеини и, като се свързват с тях, възстановяват естествената им конформация. Шапероните също разпознават протеини, които са далеч от денатуриране и ги транспортират до лизозомите, където се разграждат. Шапероните също играят важна роля в образуването на третични и кватернерни структури по време на протеиновия синтез.

Интересно да се знае! В момента често се споменава такова заболяване като луда крава. Това заболяване се причинява от приони. Те могат също да причинят други невродегенеративни заболявания при животни и хора. Прионите са протеинови инфекциозни агенти. Когато прион навлезе в клетка, той предизвиква промяна в конформацията на своя клетъчен аналог, който сам по себе си се превръща в прион. Така възниква болестта. Прионният протеин се различава от клетъчния протеин по своята вторична структура. Прионната форма на протеина е главноb-нагъната структура и клетъчна -а- спирала.

Донецк средно училище I - III степени № 21

„Катерици. Получаване на протеини чрез реакция на поликондензация на аминокиселини. Първична, вторична и третична структура на протеините. Химични свойства на протеините: изгаряне, денатурация, хидролиза и цветни реакции. Биохимични функции на протеините".

Подготвени

учител по химия

учител – методист

Донецк, 2016 г

„Животът е начин на съществуване на протеинови тела“

Тема на урока.катерици. Получаване на протеини чрез реакция на поликондензация на аминокиселини. Първична, вторична и третична структура на протеините. Химични свойства на протеините: изгаряне, денатурация, хидролиза и цветни реакции. Биохимични функции на протеините.

Цели на урока.Да запознае учениците с протеините като най-високата степен на развитие на веществата в природата, довела до възникването на живота; показват тяхната структура, свойства и разнообразие от биологични функции; да разшири концепцията за реакцията на поликондензация, като използва примера за получаване на протеини, да информира учениците за хигиената на храната, за поддържането на тяхното здраве. Развийте логическото мислене на учениците.

Реактиви и оборудване.Таблица "Първични, вторични и третични структури на протеините". Реактиви: HNO3, NaOH, CuSO4, пилешки протеин, вълнен конец, химическа стъклария.

метод на урока.Информация и развитие.

Тип урок.Урок за овладяване на нови знания и умения.

По време на часовете

аз Организиране на времето.

II. Проверка на домашните, актуализация и корекция на опорни знания.

Блиц анкета

1. Обяснете понятието "аминокиселина".

2. Назовете функционалните групи, които изграждат аминокиселините.

3. Номенклатура на аминокиселините и тяхната изомерия.

4. Защо аминокиселините проявяват амфотерни свойства? Напишете уравненията на химичните реакции.

5. Благодарение на какви свойства аминокиселините образуват полипептиди. Напишете реакцията за поликондензация на аминокиселини.

III. Посланието на темата, целите на урока, мотивацията на учебните дейности.

IV. Възприемане и първоначално осъзнаване на нов материал.

Учител.

„Където и да срещнем живота, откриваме, че той е свързан с някакъв вид протеиново тяло“, пише Ф. Енгелс в книгата си „Анти-Дюринг“. Липсата на протеини в храната води до общо отслабване на организма, при децата - до забавяне на умственото и физическото развитие. Днес повече от половината от човечеството не получава необходимото количество протеин от храната. Човек се нуждае от 115 g протеин на ден, протеинът не се съхранява в резерв, за разлика от въглехидратите и мазнините, така че трябва да наблюдавате диетата си. Познаваме кератина - протеинът, който изгражда косата, ноктите, перата, кожата - той изпълнява градивна функция; запознат с протеина пепсин - намира се в стомашния сок и е в състояние да унищожи други протеини по време на храносмилането; протеинът тромбин участва в съсирването на кръвта; панкреатичен хормон - инсулин - регулира метаболизма на глюкозата; хемоглобинът транспортира О2 до всички клетки и тъкани на тялото и т.н.

Откъде идва това безкрайно разнообразие от протеинови молекули, разнообразието от техните функции и специалната им роля в жизнените процеси? За да отговорим на този въпрос, нека се обърнем към състава и структурата на протеините.

Протеините съставени ли са от атоми?

За да отговорим на този въпрос, нека направим загрявка. Отгатнете гатанки и обяснете значението на отговорите.

1. Той е навсякъде и навсякъде:

В камък, във въздух, във вода.

Той е в утринната роса

И синьо в небето.

(кислород)

2. Аз съм най-лекият елемент,

В природата нито крачка без мен.

И с кислорода съм в момента

3. Във въздуха това е основният газ,

Заобикаля ни навсякъде.

Животът на растенията избледнява

Без него, без тор.

Живее в нашите клетки

4. Учениците отидоха на поход

(Това е подходът към химическия проблем).

През нощта огън беше запален от луната,

Пееха се песни за ярък огън.

Зарежете чувствата си:

Какви елементи са изгорели в огъня?

(въглерод, водород)

Да, точно така, това са основните химични елементи, които изграждат протеина.

Тези четири елемента могат да се кажат с думите на Шилер: "Четири елемента, сливайки се заедно, дават живот и изграждат света."

Протеините са естествени полимери, състоящи се от α-аминокиселинни остатъци, свързани с пептидни връзки.

Съставът на протеините включва 20 различни аминокиселини, откъдето идва и огромното разнообразие от протеини в различните им комбинации. В човешкото тяло има до 100 000 протеина.

История справка.

Първата хипотеза за структурата на протеиновата молекула е предложена през 70-те години. 19 век Това беше уреидната теория за протеиновата структура.

През 1903г Германски учени изразиха пептидната теория, която даде ключа към мистерията на структурата на протеина. Фишър предполага, че протеините са полимери на аминокиселини, свързани с пептидни връзки.

Идеята, че протеините са полимерни образувания, е изразена още през 70-88 години. 19 век , руски учени. Тази теория е потвърдена в съвременните трудове.

Дори първото запознаване с протеините дава известна представа за изключително сложната структура на техните молекули. Протеините се получават чрез реакция на поликондензация на аминокиселини:

https://pandia.ru/text/80/390/images/image007_47.gif" width="16" height="18">H - N - CH2 - C + H - N - CH2 - C →

https://pandia.ru/text/80/390/images/image012_41.gif" height="20">

NH2 - CH - C - N - CH - C - N - CH - C - ... + nH2O →

⸗ O ⸗ O ⸗ O

→ NH2 – CH – C + NH2 – CH – C + NH2 – CH – C + …

ОХ, ОХ, ОХ

4. Учителят демонстрира опита: изгаряне на вълнен конец; има миризма на изгорени пера - така можете да различите вълната от други видове тъкани.

V. Обобщаване и систематизиране на знанията.

1. Направете основно обобщение на протеините.

основа на живота ← Протеини → полипептиди

(C, H, O, N) ↓ ↓ ↓ \ протеинови структури

химически цветни функции

кои свойства на протеиновите реакции

2. Напишете уравненията на реакцията за образуване на дипептид от глицин и валин.

VI. Обобщаване на урока, домашна работа.

Научете §38 p. 178 - 184. Изпълнете тестови задачи стр. 183.

номер 1. Протеини: пептидна връзка, тяхното откриване.

Протеините са макромолекули от линейни полиамиди, образувани от а-аминокиселини в резултат на реакция на поликондензация в биологични обекти.

катерици са макромолекулни съединения, изградени от аминокиселини. 20 аминокиселини участват в производството на протеини. Те се свързват заедно в дълги вериги, които образуват гръбнака на протеинова молекула с голямо молекулно тегло.

Функции на протеините в организма

Комбинацията от особени химични и физични свойства на протеините осигурява на този конкретен клас органични съединения централна роля в явленията на живота.

Протеините имат следните биологични свойства или изпълняват следните основни функции в живите организми:

1. Каталитична функция на протеините. Всички биологични катализатори – ензими са протеини. Към днешна дата са характеризирани хиляди ензими, много от тях изолирани в кристална форма. Почти всички ензими са мощни катализатори, повишаващи скоростта на реакциите поне милион пъти. Тази функция на протеините е уникална, не е характерна за други полимерни молекули.

2. Хранителна (резервна функция на протеините). Това са преди всичко протеини, предназначени за хранене на развиващия се ембрион: млечен казеин, яйчен яйчен албумин, запасни протеини от растителни семена. Редица други протеини несъмнено се използват в организма като източник на аминокиселини, които от своя страна са прекурсори на биологично активни вещества, които регулират метаболитния процес.

3. Транспортна функция на белтъците. Много малки молекули и йони се транспортират от специфични протеини. Например дихателната функция на кръвта, а именно транспортирането на кислород, се изпълнява от молекули хемоглобин, протеин в червените кръвни клетки. Серумните албумини участват в липидния транспорт. Редица други суроватъчни протеини образуват комплекси с мазнини, мед, желязо, тироксин, витамин А и други съединения, като осигуряват доставката им до съответните органи.

4. Защитна функция на протеините. Основната защитна функция се изпълнява от имунологичната система, която осигурява синтеза на специфични защитни протеини - антитела - в отговор на навлизането на бактерии, токсини или вируси (антигени) в организма. Антителата свързват антигени, взаимодействат с тях и по този начин неутрализират техния биологичен ефект и поддържат нормалното състояние на организма. Коагулацията на протеин в кръвната плазма - фибриноген - и образуването на кръвен съсирек, който предпазва от загуба на кръв по време на наранявания, е друг пример за защитната функция на протеините.

5. Съкратителна функция на белтъците. Много протеини участват в акта на мускулна контракция и релаксация. Основната роля в тези процеси играят актин и миозин - специфични протеини на мускулната тъкан. Съкратителната функция също е присъща на протеините на субклетъчните структури, което осигурява най-фините процеси на жизнената активност на клетките,

6. Структурна функция на протеините. Протеините с тази функция са на първо място сред другите протеини в човешкото тяло. Структурни протеини като колаген са широко разпространени в съединителната тъкан; кератин в косата, ноктите, кожата; еластин – в съдовите стени и др.

7. Хормонална (регулаторна) функция на протеините. Метаболизмът в организма се регулира от различни механизми. В тази регулация важно място заемат хормоните, произвеждани от жлезите с вътрешна секреция. Редица хормони са представени от протеини или полипептиди, например хормони на хипофизната жлеза, панкреаса и др.

Пептидна връзка

Формално, образуването на протеинова макромолекула може да бъде представено като реакция на поликондензация на α-аминокиселини.

От химична гледна точка протеините са високомолекулни азотсъдържащи органични съединения (полиамиди), чиито молекули са изградени от аминокиселинни остатъци. Протеиновите мономери са α-аминокиселини, чиято обща характеристика е наличието на карбоксилна група -COOH и аминогрупа -NH2 при втория въглероден атом (α-въглероден атом):

Въз основа на резултатите от изследването на продуктите на протеиновата хидролиза и представени от A.Ya. Идеите на Данилевски за ролята на пептидните връзки -CO-NH- в изграждането на протеинова молекула, немският учен Е. Фишер предложи в началото на 20 век пептидната теория за структурата на протеините. Според тази теория протеините са линейни полимери на α-аминокиселини, свързани с пептид връзка - полипептиди:

Във всеки пептид един краен аминокиселинен остатък има свободна а-аминогрупа (N-край), а другият има свободна а-карбоксилна група (С-край). Структурата на пептидите обикновено се изобразява, като се започне от N-терминалната аминокиселина. В този случай аминокиселинните остатъци са обозначени със символи. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Този запис означава пептид, в който е N-терминалната α-аминокиселина ­ lyatsya аланин, и С-терминал - цистеин. При четене на такъв запис, окончанията на имената на всички киселини, с изключение на последните, се променят на - "ил": аланил-тирозил-левцил-серил-тирозил--цистеин. Дължината на пептидната верига в пептидите и протеините, открити в тялото, варира от две до стотици и хиляди аминокиселинни остатъци.

номер 2. Класификация на прости протеини.

Да се просто (протеини) включват протеини, които при хидролиза дават само аминокиселини.

Протеиноиди ____прости протеини от животински произход, неразтворими във вода, солеви разтвори, разредени киселини и основи. Те изпълняват главно поддържащи функции (например колаген, кератин

протамини - положително заредени ядрени протеини, с молекулно тегло 10-12 kDa. Приблизително 80% са съставени от алкални аминокиселини, което им позволява да взаимодействат с нуклеиновите киселини чрез йонни връзки. Те участват в регулирането на генната активност. Добре разтворим във вода;

хистони - ядрени протеини, които играят важна роля в регулирането на генната активност. Те се намират във всички еукариотни клетки и се разделят на 5 класа, различаващи се по молекулно тегло и аминокиселина. Молекулното тегло на хистоните е в диапазона от 11 до 22 kDa, а разликите в аминокиселинния състав се отнасят до лизин и аргинин, чието съдържание варира съответно от 11 до 29% и от 2 до 14%;

проламини - неразтворим във вода, но разтворим в 70% алкохол, характеристики на химичната структура - много пролин, глутаминова киселина, без лизин ,

глутелини - разтворим в алкални разтвори ,

глобулини - протеини, които са неразтворими във вода и в полунаситен разтвор на амониев сулфат, но разтворими във водни разтвори на соли, основи и киселини. Молекулно тегло - 90-100 kDa;

албумини - протеини от животински и растителни тъкани, разтворими във вода и солеви разтвори. Молекулното тегло е 69 kDa;

склеропротеини - протеини на поддържащите тъкани на животните

Примери за прости протеини са копринен фиброин, яйчен серумен албумин, пепсин и др.

Номер 3. Методи за изолиране и утаяване (пречистване) на протеини.

номер 4. Протеините като полиелектролити. Изоелектрична точка на протеин.

Протеините са амфотерни полиелектролити, т.е. проявяват както киселинни, така и основни свойства. Това се дължи на наличието в протеиновите молекули на аминокиселинни радикали, способни на йонизация, както и на свободни а-амино и а-карбоксилни групи в краищата на пептидните вериги. Киселинните свойства на протеина се придават от киселинните аминокиселини (аспарагинова, глутаминова), а алкалните свойства - от основните аминокиселини (лизин, аргинин, хистидин).

Зарядът на протеиновата молекула зависи от йонизацията на киселинни и основни групи от аминокиселинни радикали. В зависимост от съотношението на отрицателните и положителните групи, протеиновата молекула като цяло придобива общ положителен или отрицателен заряд. Когато протеиновият разтвор се подкисли, степента на йонизация на анионните групи намалява, докато тази на катионните групи се увеличава; при алкализиране - обратно. При определена стойност на pH броят на положително и отрицателно заредените групи става еднакъв и се появява изоелектричното състояние на протеина (общият заряд е 0). Стойността на pH, при която протеинът е в изоелектрично състояние, се нарича изоелектрична точка и се обозначава pI, подобно на аминокиселините. За повечето протеини pI е в диапазона 5,5-7,0, което показва известно преобладаване на киселинни аминокиселини в протеините. Има обаче и алкални протеини, например салмин - основният протеин от млечното мляко от сьомга (pl=12). Освен това има протеини, които имат много ниска стойност на pI, например пепсин, ензим на стомашния сок (pl=l). В изоелектричната точка протеините са много нестабилни и лесно се утаяват, като имат най-малка разтворимост.

Ако протеинът не е в изоелектрично състояние, тогава в електрическо поле неговите молекули ще се движат към катода или анода, в зависимост от знака на общия заряд и със скорост, пропорционална на неговата стойност; това е същността на метода електрофореза. Този метод може да разделя протеини с различни стойности на pI.

Въпреки че протеините имат буферни свойства, техният капацитет при физиологични стойности на pH е ограничен. Изключение правят протеините, съдържащи много хистидин, тъй като само хистидиновият радикал има буферни свойства в диапазона на рН 6-8. Има много малко от тези протеини. Например, хемоглобинът, съдържащ почти 8% хистидин, е мощен вътреклетъчен буфер в червените кръвни клетки, поддържайки pH на кръвта на постоянно ниво.

номер 5. Физико-химични свойства на протеините.

Протеините имат различни химични, физични и биологични свойства, които се определят от аминокиселинния състав и пространствената организация на всеки протеин. Химичните реакции на протеините са много разнообразни, те се дължат на наличието на NH 2 -, COOH групи и радикали от различно естество. Това са реакции на нитриране, ацилиране, алкилиране, естерификация, редокс и други. Протеините имат киселинно-базови, буферни, колоидни и осмотични свойства.

Киселинно-алкални свойства на протеините

Химични свойства. При слабо нагряване на водни разтвори на протеини настъпва денатурация. Това създава утайка.

Когато протеините се нагряват с киселини, настъпва хидролиза и се образува смес от аминокиселини.

Физико-химични свойства на протеините

Протеините имат високо молекулно тегло.

Зарядът на протеиновата молекула. Всички протеини имат поне една свободна -NH и -COOH група.

Протеинови разтвори- колоидни разтвори с различни свойства. Протеините са киселинни и основни. Киселинните протеини съдържат много glu и asp, които имат допълнителни карбоксилни и по-малко амино групи. В алкалните протеини има много lys и args. Всяка протеинова молекула във воден разтвор е заобиколена от хидратираща обвивка, тъй като протеините имат много хидрофилни групи (-COOH, -OH, -NH 2, -SH) поради аминокиселини. Във водните разтвори протеиновата молекула има заряд. Зарядът на протеина във водата може да се промени в зависимост от pH.

Утаяване на протеини.Протеините имат хидратираща обвивка, заряд, който предотвратява залепването. За отлагането е необходимо да се отстрани хидратната обвивка и да се зареди.

1. Хидратация. Процесът на хидратация означава свързване на вода с протеини, докато те проявяват хидрофилни свойства: набъбват, увеличават масата и обема си. Подуването на протеина е придружено от частичното му разтваряне. Хидрофилността на отделните протеини зависи от тяхната структура. Хидрофилните амидни (–CO–NH–, пептидна връзка), аминни (NH2) и карбоксилни (COOH) групи, присъстващи в състава и разположени на повърхността на протеиновата макромолекула, привличат водните молекули, строго ги ориентирайки към повърхността на молекулата. . Заобикаляйки протеиновите глобули, хидратната (водна) обвивка предотвратява стабилността на протеиновите разтвори. В изоелектричната точка протеините имат най-малка способност да свързват вода, хидратната обвивка около протеиновите молекули се разрушава, така че те се комбинират, за да образуват големи агрегати. Агрегация на протеинови молекули възниква и когато те се дехидратират с някои органични разтворители, като етилов алкохол. Това води до утаяване на протеини. Когато pH на средата се промени, протеиновата макромолекула се зарежда и нейният хидратиращ капацитет се променя.

Реакциите на утаяване са разделени на два вида.

Осоляване на протеини: (NH 4) SO 4 - отстранява се само хидратационната обвивка, протеинът запазва всички видове структура, всички връзки, запазва естествените си свойства. След това такива протеини могат да бъдат повторно разтворени и използвани.

Утаяването със загуба на свойствата на естествения протеин е необратим процес. Хидратационната обвивка и зарядът се отстраняват от протеина, различни свойства в протеина се нарушават. Например соли на мед, живак, арсен, желязо, концентрирани неорганични киселини - HNO3, H2SO4, HCl, органични киселини, алкалоиди - танини, живачен йодид. Добавянето на органични разтворители понижава степента на хидратация и води до утаяване на протеина. Като такъв разтворител се използва ацетон. Протеините също се утаяват с помощта на соли, например амониев сулфат. Принципът на този метод се основава на факта, че с увеличаване на концентрацията на сол в разтвора, йонните атмосфери, образувани от протеиновите противойони, се компресират, което допринася за тяхната конвергенция до критично разстояние, при което междумолекулните сили на ван привличането на Ваалс надвишава кулоновите сили на отблъскване на противойоните. Това води до слепване на протеинови частици и тяхното утаяване.

При кипене протеиновите молекули започват да се движат произволно, сблъскват се, зарядът се премахва и хидратационната обвивка намалява.

За откриване на протеини в разтвор се използват следните:

цветни реакции;

реакции на утаяване.

Методи за изолиране и пречистване на протеини.

хомогенизиране- клетките се смилат до хомогенна маса;

екстракция на протеини с вода или водно-солеви разтвори;

1. изсоляване;

   електрофореза;

   хроматография:адсорбция, разделяне;

   ултрацентрофугиране.

Структурна организация на протеините.

Първична структура- определя се от последователността на аминокиселините в пептидната верига, стабилизирана от ковалентни пептидни връзки (инсулин, пепсин, химотрипсин).

вторична структура- пространствена структура на белтъка. Това е или спирала, или сгъване. Създават се водородни връзки.

Третична структураглобуларни и фибриларни протеини. Стабилизират водородни връзки, електростатични сили (COO-, NH3+), хидрофобни сили, сулфидни мостове, определят се от първичната структура. Глобуларни протеини - всички ензими, хемоглобин, миоглобин. Фибриларни протеини - колаген, миозин, актин.

Кватернерна структура- среща се само в някои протеини. Такива протеини са изградени от няколко пептида. Всеки пептид има своя собствена първична, вторична, третична структура, наречени протомери. Няколко протомера се обединяват, за да образуват една молекула. Един протомер не функционира като протеин, а само във връзка с други протомери.

Пример:хемоглобин \u003d -глобула + -глобула - носи O 2 в съвкупност, а не отделно.

Протеинът може да ренатурира.Това изисква много кратко излагане на агенти.

6) Методи за откриване на протеини.

Протеините са високомолекулни биологични полимери, чиито структурни (мономерни) единици са -аминокиселини. Аминокиселините в протеините са свързани една с друга чрез пептидни връзки. чието образуване се дължи на карбоксилната група, стояща на -въглероден атом на една аминокиселина и -аминова група на друга аминокиселина с освобождаване на водна молекула.Мономерните единици на протеините се наричат ​​аминокиселинни остатъци.

Пептидите, полипептидите и протеините се различават не само по количество, състав, но и по последователността на аминокиселинните остатъци, физикохимичните свойства и функциите, изпълнявани в организма. Молекулното тегло на протеините варира от 6 хиляди до 1 милион или повече. Химичните и физичните свойства на протеините се дължат на химичната природа и физико-химичните свойства на радикалите, които изграждат техните аминокиселинни остатъци. Методите за откриване и количествено определяне на протеини в биологични обекти и хранителни продукти, както и тяхното изолиране от тъкани и биологични течности, се основават на физичните и химичните свойства на тези съединения.

Протеини при взаимодействие с определени химикали дават оцветени съединения. Образуването на тези съединения става с участието на аминокиселинни радикали, техните специфични групи или пептидни връзки. Цветните реакции ви позволяват да зададете наличието на протеин в биологичен обектили решение и докажете присъствието определени аминокиселини в протеинова молекула. Въз основа на цветните реакции са разработени някои методи за количествено определяне на протеини и аминокиселини.

Помислете за универсален биурет и нинхидринова реакция, тъй като всички протеини ги дават. Ксантопротеинова реакция, реакция на Фола други са специфични, тъй като се дължат на радикалните групи на определени аминокиселини в белтъчната молекула.

Цветните реакции ви позволяват да установите наличието на протеин в изследвания материал и наличието на определени аминокиселини в неговите молекули.

Биуретова реакция. Реакцията се дължи на наличието в протеини, пептиди, полипептиди пептидни връзки, които в алкална среда образуват с медни (II) йоникомплексни съединения, оцветени в лилав (с червен или син оттенък) цвят. Цветът се дължи на наличието на поне две групи в молекулата -CO-NH-свързани директно помежду си или с участието на въглероден или азотен атом.

Медните (II) йони са свързани чрез две йонни връзки с =C─O ˉ групи и четири координационни връзки с азотни атоми (=N−).

Интензитетът на цвета зависи от количеството протеин в разтвора. Това прави възможно използването на тази реакция за количествено определяне на протеин. Цветът на оцветените разтвори зависи от дължината на полипептидната верига.Протеините придават синьо-виолетов цвят; продуктите от тяхната хидролиза (поли- и олигопептиди) са червени или розови на цвят. Биуретната реакция се дава не само от протеини, пептиди и полипептиди, но и от биурет (NH 2 -CO-NH-CO-NH 2), оксамид (NH 2 -CO-CO-NH 2), хистидин.

Комплексното съединение на мед (II) с пептидни групи, образувани в алкална среда, има следната структура:

Нинхидринова реакция. При тази реакция разтворите на протеини, полипептиди, пептиди и свободни α-аминокиселини при нагряване с нинхидрин дават син, синьо-виолетов или розово-виолетов цвят. Цветът при тази реакция се развива поради α-аминогрупата.

-аминокиселините реагират много лесно с нинхидрин. Наред с тях синьо-виолетовото на Руман се образува и от протеини, пептиди, първични амини, амоняк и някои други съединения. Вторичните амини, като пролин и хидроксипролин, дават жълт цвят.

Реакцията на нинхидрин се използва широко за откриване и количествено определяне на аминокиселини.

ксантопротеинова реакция.Тази реакция показва наличието на ароматни аминокиселинни остатъци в протеините - тирозин, фенилаланин, триптофан. Основава се на нитрирането на бензеновия пръстен на радикалите на тези аминокиселини с образуването на жълто оцветени нитро съединения (гръцки "Xanthos" - жълт). Използвайки тирозин като пример, тази реакция може да бъде описана под формата на следните уравнения.

В алкална среда нитропроизводните на аминокиселините образуват соли с хиноидна структура, оцветени в оранжево. Ксантопротеиновата реакция се осъществява от бензен и неговите хомолози, фенол и други ароматни съединения.

Реакции на аминокиселини, съдържащи тиолова група в редуцирано или окислено състояние (цистеин, цистин).

Реакцията на Фол. Когато се вари с алкали, сярата лесно се отделя от цистеина под формата на сероводород, който в алкална среда образува натриев сулфид:

В тази връзка реакциите за определяне на тиол-съдържащи аминокиселини в разтвор са разделени на два етапа:

Преминаването на сярата от органично в неорганично състояние

Откриване на сяра в разтвор

За откриване на натриев сулфид се използва оловен ацетат, който при взаимодействие с натриев хидроксид се превръща в неговия отвес:

Pb(CH 3 COO) 2 + 2NaOH Pb(ONa) 2 + 2CH 3 COOH

В резултат на взаимодействието на серни йони и олово се образува черен или кафяв оловен сулфид:

Na 2 С + Pb(На) 2 + 2 з 2 О PbS (черна утайка) + 4NaOH

За да се определят съдържащите сяра аминокиселини, равен обем натриев хидроксид и няколко капки разтвор на оловен ацетат се добавят към тестовия разтвор. При интензивно кипене за 3-5 минути течността почернява.

Наличието на цистин може да се определи с помощта на тази реакция, тъй като цистинът лесно се редуцира до цистеин.

Реакция на Милон:

Това е реакция към аминокиселината тирозин.

Свободните фенолни хидроксили на тирозинови молекули, когато взаимодействат със соли, дават съединения на живачната сол на нитропроизводното на тирозин, оцветени в розовочервено:

Реакция на Паули за хистидин и тирозин . Реакцията на Паули позволява да се открият аминокиселините хистидин и тирозин в протеина, които образуват черешовочервени комплексни съединения с диазобензенсулфонова киселина. Диазобензенсулфоновата киселина се образува в реакцията на диазотиране, когато сулфаниловата киселина реагира с натриев нитрит в кисела среда:

Равен обем от кисел разтвор на сулфанилова киселина (приготвен с помощта на солна киселина) и двоен обем разтвор на натриев нитрит се добавят към тестовия разтвор, разбъркват се старателно и незабавно се добавя сода (натриев карбонат). След разбъркване сместа става вишневочервена, при условие че в тестовия разтвор присъства хистидин или тирозин.

Реакция на Adamkevich-Hopkins-Kohl (Schulz-Raspail) към триптофан (реакция към индоловата група). Триптофанът реагира в кисела среда с алдехиди, образувайки цветни кондензационни продукти. Реакцията протича поради взаимодействието на индоловия пръстен на триптофан с алдехид. Известно е, че формалдехидът се образува от глиоксилова киселина в присъствието на сярна киселина:

Р
Разтвори, съдържащи триптофан в присъствието на глиоксилова и сярна киселина, дават червено-виолетов цвят.

Глиоксиловата киселина винаги присъства в малки количества в ледената оцетна киселина. Следователно, реакцията може да се проведе с помощта на оцетна киселина. В същото време равен обем ледена (концентрирана) оцетна киселина се добавя към тестовия разтвор и леко се нагрява, докато утайката се разтвори.След охлаждане, обем концентрирана сярна киселина, равен на добавения обем глиоксилова киселина, се добавя към разтвора. смесете внимателно по стената (за да избегнете смесване на течности). След 5-10 минути се наблюдава образуването на червено-виолетов пръстен на границата между двата слоя. Ако смесите слоевете, съдържанието на съда ще стане равномерно лилаво.

Да се

кондензация на триптофан с формалдехид:

Кондензационният продукт се окислява до бис-2-триптофанилкарбинол, който в присъствието на минерални киселини образува синьо-виолетови соли:

7) Класификация на протеините. Методи за изследване на аминокиселинния състав.

Все още не съществува строга номенклатура и класификация на протеините. Имената на протеините се дават на случаен принцип, като най-често се взема предвид източникът на изолиране на протеина или се взема предвид неговата разтворимост в определени разтворители, формата на молекулата и др.

Протеините се класифицират по състав, форма на частиците, разтворимост, аминокиселинен състав, произход и др.

1. СъставПротеините се делят на две големи групи: прости и сложни протеини.

Простите (протеини) включват протеини, които дават само аминокиселини при хидролиза (протеиноиди, протамини, хистони, проламини, глутелини, глобулини, албумини). Примери за прости протеини са копринен фиброин, яйчен серумен албумин, пепсин и др.

Комплексните (протеиди) включват протеини, съставени от прост протеин и допълнителна (простетична) група с непротеинова природа. Групата на сложните протеини се разделя на няколко подгрупи в зависимост от естеството на непротеиновия компонент:

Металопротеини, съдържащи в състава си метали (Fe, Cu, Mg и др.), свързани директно с полипептидната верига;

Фосфопротеини - съдържат остатъци от фосфорна киселина, които са прикрепени към протеиновата молекула чрез естерни връзки на мястото на хидроксилните групи на серин, треонин;

Гликопротеини – техните протетични групи са въглехидратите;

Хромопротеини - състоят се от прост протеин и оцветено непротеиново съединение, свързано с него, всички хромопротеини са биологично много активни; като простетични групи те могат да съдържат производни на порфирин, изоалоксазин и каротин;

Липопротеини - липиди от простетична група - триглицериди (мазнини) и фосфатиди;

Нуклеопротеините са протеини, които се състоят от един протеин и нуклеинова киселина, свързана с него. Тези протеини играят колосална роля в живота на тялото и ще бъдат разгледани по-долу. Те са част от всяка клетка, някои нуклеопротеини съществуват в природата под формата на специални частици с патогенна активност (вируси).

2. Форма на частиците- протеините се делят на фибриларни (нишковидни) и глобуларни (сферични) (виж стр. 30).

3. По разтворимост и характеристики на аминокиселинния съставразграничават се следните групи прости протеини:

Протеиноиди - протеини на поддържащите тъкани (кости, хрущяли, връзки, сухожилия, коса, нокти, кожа и др.). Това са предимно фибриларни протеини с голямо молекулно тегло (> 150 000 Da), неразтворими в обикновени разтворители: вода, сол и водно-алкохолни смеси. Те се разтварят само в специфични разтворители;

Протамини (най-простите протеини) - протеини, които са разтворими във вода и съдържат 80-90% аргинин и ограничен набор (6-8) други аминокиселини, присъстват в млякото на различни риби. Поради високото съдържание на аргинин, те имат основни свойства, молекулното им тегло е сравнително малко и е приблизително равно на 4000-12000 Da. Те са белтъчен компонент в състава на нуклеопротеините;

Хистоните са силно разтворими във вода и разредени киселинни разтвори (0,1 N), имат високо съдържание на аминокиселини: аргинин, лизин и хистидин (поне 30%) и следователно имат основни свойства. Тези протеини се намират в значителни количества в ядрата на клетките като част от нуклеопротеините и играят важна роля в регулирането на метаболизма на нуклеиновите киселини. Молекулното тегло на хистоните е малко и е равно на 11000-24000 Da;

Глобулините са протеини, които са неразтворими във вода и солеви разтвори с концентрация на сол над 7%. Глобулините се утаяват напълно при 50% насищане на разтвора с амониев сулфат. Тези протеини се характеризират с високо съдържание на глицин (3,5%), тяхното молекулно тегло > 100 000 Da. Глобулините са слабо киселинни или неутрални протеини (p1=6-7.3);

Албумините са протеини, които са силно разтворими във вода и силни солеви разтвори, а концентрацията на сол (NH 4) 2 S0 4 не трябва да надвишава 50% от насищането. При по-високи концентрации албумините се изсоляват. В сравнение с глобулините, тези протеини съдържат три пъти по-малко глицин и имат молекулно тегло 40 000-70 000 Da. Албумините имат излишен отрицателен заряд и киселинни свойства (pl=4,7) поради високото съдържание на глутаминова киселина;

Проламините са група растителни протеини, открити в глутена на зърнените култури. Разтворими са само в 60-80% воден разтвор на етилов алкохол. Проламините имат характерен аминокиселинен състав: съдържат много (20-50%) глутаминова киселина и пролин (10-15%), поради което са получили името си. Тяхното молекулно тегло е над 100 000 Da;

Глутелини - растителните протеини са неразтворими във вода, солеви разтвори и етанол, но разтворими в разредени (0,1 N) разтвори на основи и киселини. По отношение на аминокиселинен състав и молекулно тегло те са подобни на проламините, но съдържат повече аргинин и по-малко пролин.

Методи за изследване на аминокиселинния състав

Протеините се разграждат до аминокиселини от ензими в храносмилателните сокове. Бяха направени два важни извода: 1) протеините съдържат аминокиселини; 2) методите на хидролиза могат да се използват за изследване на химичния, по-специално аминокиселинен състав на протеините.

За изследване на аминокиселинния състав на протеините се използва комбинация от кисела (HCl), алкална [Ba(OH) 2 ] и по-рядко ензимна хидролиза или една от тях. Установено е, че при хидролизата на чист протеин, който не съдържа примеси, се отделят 20 различни α-аминокиселини. Всички останали аминокиселини, открити в тъканите на животни, растения и микроорганизми (повече от 300), съществуват в природата в свободно състояние или под формата на къси пептиди или комплекси с други органични вещества.

Първата стъпка в определянето на първичната структура на протеините е качествената и количествена оценка на аминокиселинния състав на даден индивидуален протеин. Трябва да се помни, че за изследването трябва да имате определено количество чист протеин, без примеси на други протеини или пептиди.

Киселинна хидролиза на протеин

За да се определи аминокиселинният състав, е необходимо да се разрушат всички пептидни връзки в протеина. Анализираният протеин се хидролизира в 6 mol/l НС1 при температура около 110 ° C в продължение на 24 часа.В резултат на тази обработка пептидните връзки в протеина се разрушават и в хидролизата присъстват само свободни аминокиселини. В допълнение, глутаминът и аспарагинът се хидролизират до глутаминова и аспарагинова киселина (т.е. амидната връзка в радикала се разкъсва и аминогрупата се отцепва от тях).

Разделяне на аминокиселини чрез йонообменна хроматография

Сместа от аминокиселини, получена чрез киселинна хидролиза на протеини, се разделя в колона с катионобменна смола. Такава синтетична смола съдържа силно свързани с нея отрицателно заредени групи (например остатъци от сулфонова киселина -SO 3 -), към които са прикрепени Na ​​+ йони (фиг. 1-4).

Смес от аминокиселини се въвежда в катионния обменник в кисела среда (рН 3,0), където аминокиселините са главно катиони, т.е. носят положителен заряд. Положително заредените аминокиселини се прикрепят към отрицателно заредени частици смола. Колкото по-голям е общият заряд на аминокиселината, толкова по-силна е връзката й със смолата. Така аминокиселините лизин, аргинин и хистидин се свързват най-силно с катионния обмен, докато аспарагиновата и глутаминовата киселина се свързват най-слабо.

Освобождаването на аминокиселини от колоната се извършва чрез елуиране (елуиране) с буферен разтвор с нарастваща йонна сила (т.е. с нарастваща концентрация на NaCl) и рН. С повишаване на рН аминокиселините губят протон, в резултат на което положителният им заряд намалява, а оттам и силата на връзката с отрицателно заредени частици смола.

Всяка аминокиселина излиза от колоната при определено рН и йонна сила. Чрез събиране на разтвора (елуат) от долния край на колоната под формата на малки порции могат да се получат фракции, съдържащи отделни аминокиселини.

(за повече подробности относно "хидролиза" вижте въпрос #10)

8) Химични връзки в структурата на протеина.

9) Концепцията за йерархията и структурната организация на протеините. (вижте въпрос №12)

10) Протеинова хидролиза. Химия на реакцията (етап, катализатори, реагенти, реакционни условия) - пълно описание на хидролизата.

11) Химични трансформации на белтъци.

Денатурация и ренатурация

Когато протеиновите разтвори се нагреят до 60-80% или под действието на реагенти, които разрушават нековалентните връзки в протеините, третичната (кватернерна) и вторичната структура на протеиновата молекула се разрушават, тя приема формата на произволна произволна намотка до в по-голяма или по-малка степен. Този процес се нарича денатурация. Като денатуриращи реагенти могат да се използват киселини, основи, алкохоли, феноли, урея, гуанидин хлорид и др.. Същността на тяхното действие е, че те образуват водородни връзки с =NH и =CO - групи на пептидния скелет и с киселинни групи на аминокиселинни радикали, заместващи собствените си вътрешномолекулни водородни връзки в протеина, в резултат на което се променят вторичната и третичната структура. По време на денатурацията разтворимостта на протеина намалява, той „коагулира“ (например при варене на пилешко яйце) и биологичната активност на протеина се губи. Въз основа на това, например, използването на воден разтвор на карболова киселина (фенол) като антисептик. При определени условия, при бавно охлаждане на разтвор на денатуриран протеин, настъпва ренатурация - възстановяване на първоначалната (нативна) конформация. Това потвърждава факта, че характерът на нагъване на пептидната верига се определя от първичната структура.

Процесът на денатурация на отделна протеинова молекула, водещ до разпадане на нейната "твърда" триизмерна структура, понякога се нарича стопяване на молекулата. Почти всяка забележима промяна във външните условия, като нагряване или значителна промяна в pH, води до последователно нарушаване на кватернерната, третичната и вторичната структура на протеина. Обикновено денатурацията се причинява от повишаване на температурата, действието на силни киселини и основи, соли на тежки метали, някои разтворители (алкохол), радиация и др.

Денатурацията често води до процеса на агрегация на протеинови частици в по-големи в колоиден разтвор на протеинови молекули. Визуално това изглежда например като образуването на "белтък" при пържене на яйца.

Ренатурацията е обратният процес на денатурация, при който протеините се връщат към естествената си структура. Трябва да се отбележи, че не всички протеини могат да ренатурират; в повечето протеини денатурацията е необратима. Ако по време на денатурацията на протеина физикохимичните промени са свързани с прехода на полипептидната верига от плътно опаковано (подредено) състояние към неподредено, тогава по време на ренатурация се проявява способността на протеините да се самоорганизират, чийто път е предварително определена от последователността на аминокиселините в полипептидната верига, тоест нейната първична структура, определена от наследствената информация. В живите клетки тази информация вероятно е решаваща за трансформирането на нарушена полипептидна верига по време или след нейната биосинтеза върху рибозомата в структурата на нативна протеинова молекула. Когато двуверижните ДНК молекули се нагреят до температура от около 100 ° C, водородните връзки между базите се разкъсват и комплементарните вериги се разминават - ДНК денатурира. Въпреки това, при бавно охлаждане, допълващите се нишки могат да се свържат отново в правилна двойна спирала. Тази способност на ДНК да ренатурира се използва за производството на изкуствени ДНК хибридни молекули.

Естествените протеинови тела са надарени с определена, строго определена пространствена конфигурация и имат редица характерни физикохимични и биологични свойства при физиологични температури и стойности на pH. Под въздействието на различни физични и химични фактори протеините се коагулират и се утаяват, губейки естествените си свойства. По този начин денатурацията трябва да се разбира като нарушение на общия план на уникалната структура на нативната протеинова молекула, главно нейната третична структура, което води до загуба на нейните характерни свойства (разтворимост, електрофоретична подвижност, биологична активност и др.). Повечето протеини се денатурират, когато техните разтвори се нагреят над 50–60°C.

Външните прояви на денатурация се свеждат до загуба на разтворимост, особено в изоелектричната точка, увеличаване на вискозитета на протеиновите разтвори, увеличаване на броя на свободните функционални SH-групи и промяна в естеството на разсейването на рентгеновите лъчи . Най-характерният признак на денатурация е рязко намаляване или пълна загуба от протеина на неговата биологична активност (каталитична, антигенна или хормонална). По време на денатурация на протеин, причинена от 8М урея или друг агент, се разрушават предимно нековалентни връзки (по-специално хидрофобни взаимодействия и водородни връзки). Дисулфидните връзки се разрушават в присъствието на редуциращия агент меркаптоетанол, докато пептидните връзки на гръбнака на самата полипептидна верига не се засягат. При тези условия глобулите от нативни протеинови молекули се разгръщат и се образуват произволни и неподредени структури (фиг.)

Денатурация на белтъчна молекула (схема).

а - начално състояние; b - начало на обратимо нарушение на молекулярната структура; c - необратимо разгръщане на полипептидната верига.

Денатурация и ренатурация на рибонуклеаза (по Анфинсен).

а - разгръщане (урея + меркаптоетанол); б - пренагъване.

1. Протеинова хидролиза: Н+

[− NH2─CH─ CO─NH─CH─CO − ]n +2nH2O → n NH2 − CH − COOH + n NH2 ─ CH ─ COOH

│ │ ‌‌│ │

Аминокиселина 1 аминокиселина 2

2. Утаяване на протеини:

а) обратимо

Протеин в разтвор ↔ протеинова утайка. Възниква под действието на разтвори на соли Na+, K+

б) необратимо (денатурация)

При денатурация под въздействието на външни фактори (температура; механично въздействие - натиск, триене, разклащане, ултразвук; действие на химични агенти - киселини, основи и др.) настъпва промяна във вторичната, третичната и кватернерната структура на протеина макромолекула, т.е. нейната естествена пространствена структура. Първичната структура и, следователно, химичният състав на протеина не се променя.

По време на денатурацията физичните свойства на протеините се променят: разтворимостта намалява, биологичната активност се губи. В същото време се повишава активността на някои химични групи, улеснява се ефектът на протеолитичните ензими върху протеините и следователно се хидролизира по-лесно.

Например, албумин - яйчен белтък - при температура 60-70 ° се утаява от разтвор (коагулира), губейки способността си да се разтваря във вода.

Схема на процеса на денатурация на протеини (разрушаване на третичните и вторичните структури на протеиновите молекули)

3. Изгаряне на протеини

Протеините изгарят с образуването на азот, въглероден диоксид, вода и някои други вещества. Изгарянето е придружено от характерната миризма на изгорели пера.

4. Цветни (качествени) реакции към протеини:

а) ксантопротеинова реакция (за аминокиселинни остатъци, съдържащи бензенови пръстени):

Протеин + HNO3 (конц.) → жълт цвят

б) биуретова реакция (за пептидни връзки):

Протеин + CuSO4 (наситен) + NaOH (конц) → ярко лилав цвят

в) цистеинова реакция (за аминокиселинни остатъци, съдържащи сяра):

Протеин + NaOH + Pb(CH3COO)2 → Черно оцветяване

Протеините са в основата на целия живот на Земята и изпълняват различни функции в организмите.

Осоляване на протеини

Изсоляването е процес на изолиране на протеини от водни разтвори с неутрални разтвори на концентрирани соли на алкални и алкалоземни метали. Когато към протеиновия разтвор се добавят високи концентрации на соли, настъпва дехидратация на протеиновите частици и отстраняване на заряда, докато протеините се утаяват. Степента на утаяване на протеина зависи от йонната сила на разтвора на утаителя, размера на частиците на протеиновата молекула, големината на нейния заряд и хидрофилността. Различните протеини се утаяват при различни концентрации на сол. Следователно в утайките, получени чрез постепенно увеличаване на концентрацията на соли, отделните протеини са в различни фракции. Осоляването на протеините е обратим процес и след отстраняването на солта протеинът възвръща естествените си свойства. Следователно изсоляването се използва в клиничната практика при разделянето на протеини от кръвен серум, както и при изолирането и пречистването на различни протеини.

Добавените аниони и катиони разрушават хидратираната протеинова обвивка на протеините, което е един от факторите за стабилност на протеиновите разтвори. Най-често се използват разтвори на Na и амониеви сулфати. Много протеини се различават по размера на хидратната обвивка и големината на заряда. Всеки протеин има своя зона за изсоляване. След отстраняване на осоляващия агент протеинът запазва своята биологична активност и физикохимични свойства. В клиничната практика методът на изсоляване се използва за разделяне на глобулини (с добавяне на 50% амониев сулфат (NH4)2SO4 се утаява утайка) и албумини (с добавяне на 100% амониев сулфат (NH4)2SO4 се утаява утайка).

Осоляването се влияе от:

1) природата и концентрацията на солта;

2) среда с pH;

3) температура.

Основна роля играят валентностите на йоните.

12) Характеристики на организацията на първичната, вторичната, третичната структура на протеина.

Понастоящем експериментално е доказано съществуването на четири нива на структурна организация на протеинова молекула: първична, вторична, третична и кватернерна структура.

Аминокиселинният състав и пространствената организация на всеки протеин определят неговите физикохимични свойства. Протеините имат киселинно-базови, буферни, колоидни и осмотични свойства.

Протеините като амфотерни макромолекули

Протеините са амфотерни полиелектролити, т.е. комбинират, подобно на аминокиселините, киселинни и основни свойства. Но естеството на групите, които придават амфотерни свойства на протеините, далеч не е същото като това на аминокиселините. Киселинно-алкалните свойства на аминокиселините се дължат главно на наличието на α-амино и α-карбоксилни групи (киселинно-основна двойка). В протеиновите молекули тези групи участват в образуването на пептидни връзки, а амфотерните протеини се дават от киселинно-базови групи от странични радикали на аминокиселини, които изграждат протеина. Разбира се, във всяка нативна протеинова молекула (полипептидна верига) има поне една крайна α-амино и α-карбоксилна група (ако протеинът има само третична структура). В протеин с кватернерна структура броят на крайните групи -NH2 и -COOH е равен на броя на субединиците или протомерите. Въпреки това, такъв малък брой от тези групи не може да обясни амфотерния характер на протеиновите макромолекули. Тъй като повечето от полярните групи са разположени на повърхността на глобуларните протеини, те определят киселинно-алкалните свойства и заряда на протеиновата молекула. Киселинните свойства на протеина се придават от киселинни аминокиселини (аспарагинова, глутаминова и аминолимонена), а алкалните свойства се придават от основни аминокиселини (лизин, аргинин, хистидин). Колкото повече киселинни аминокиселини съдържа протеинът, толкова по-изразени са неговите киселинни свойства и колкото повече основни аминокиселини са включени в протеина, толкова по-силно се проявяват основните му свойства. Слабата дисоциация на SH групата на цистеина и фенолната група на тирозина (те могат да се считат за слаби киселини) няма почти никакъв ефект върху амфотерността на протеините.

Свойства на буфера. Въпреки че протеините имат буферни свойства, техният капацитет при физиологични стойности на pH е ограничен. Изключение правят протеините, съдържащи много хистидин, тъй като само страничната група на хистидин има буферни свойства в диапазона на рН, близък до физиологичния. Има много малко от тези протеини. Хемоглобинът е почти единственият протеин, съдържащ до 8% хистидин, който е мощен вътреклетъчен буфер в еритроцитите, поддържащ pH на кръвта на постоянно ниво.

Зарядът на протеиновата молекула зависи от съдържанието на киселинни и основни аминокиселини в нея, или по-скоро от йонизацията на киселинните и основните групи на страничния радикал на тези аминокиселини. Дисоциацията на COOH групите на киселинните аминокиселини води до появата на отрицателен заряд на повърхността на протеина, а страничните радикали на алкалните аминокиселини носят положителен заряд (поради добавянето на Н + към основните групи). В нативната протеинова молекула зарядите се разпределят асиметрично в зависимост от пространственото разположение на полипептидната верига. Ако киселинните аминокиселини преобладават над основните в протеина, тогава като цяло протеиновата молекула е електроотрицателна, тоест тя е полианион, и обратното, ако преобладават основните аминокиселини, тогава тя е положително заредена, т.е. държи се като поликация.

Общият заряд на протеиновата молекула, разбира се, зависи от pH на средата: в кисела среда той е положителен, в алкална среда е отрицателен. Стойността на pH, при която протеинът има нетен заряд нула, се нарича изоелектрична точка на протеина. В този момент протеинът няма подвижност в електрическото поле. Изоелектричната точка на всеки протеин се определя от съотношението на киселинните и базичните групи на страничните радикали на аминокиселините: колкото по-високо е съотношението киселинни/основни аминокиселини в протеина, толкова по-ниска е неговата изоелектрична точка. Киселинните протеини имат pH 1< 7, у нейтральных рН 1 около 7, а у основных рН 1 >7. При стойности на pH под неговата изоелектрична точка протеинът ще носи положителен заряд, а по-горе - отрицателен заряд. Средната изоелектрична точка на всички цитоплазмени протеини е в рамките на 5,5. Следователно, при физиологично pH (около 7,0 - 7,4), клетъчните протеини имат общ отрицателен заряд. Излишъкът от отрицателни заряди на протеини вътре в клетката се балансира, както вече беше споменато, от неорганични катиони.

Познаването на изоелектричната точка е много важно за разбирането на стабилността на протеините в разтвори, тъй като протеините са най-малко стабилни в изоелектрично състояние. Незаредените протеинови частици могат да се слепят и да се утаят.

Колоидни и осмотични свойства на протеините

Поведението на протеините в разтвори има някои особености. Обикновените колоидни разтвори са стабилни само в присъствието на стабилизатор, който предотвратява утаяването на колоидите на границата разтворено вещество-разтворител.

Водните разтвори на протеини са стабилни и балансирани, не се утаяват (не коагулират) с течение на времето и не изискват наличието на стабилизатори. Протеиновите разтвори са хомогенни и по същество могат да бъдат класифицирани като истински разтвори. Въпреки това, високото молекулно тегло на протеините придава на техните разтвори много свойства на колоидни системи:

• характерни оптични свойства (опалесценция на разтворите и способността им да разпръскват видими светлинни лъчи) [покажи] .

  Оптични свойства на протеините. Разтворите на протеини, особено концентрираните, имат характерна опалесценция. Когато протеиновият разтвор се освети странично, светлинните лъчи в него стават видими и образуват светещ конус или лента - ефект на Тиндал (при силно разредени протеинови разтвори опалесценцията не се вижда и светещият конус на Тиндал почти липсва). Този ефект на разсейване на светлината се обяснява с дифракцията на светлинните лъчи от протеинови частици в разтвор. Смята се, че в протоплазмата на клетката протеинът е под формата на колоиден разтвор - зол. Способността на протеините и други биологични молекули (нуклеинови киселини, полизахариди и др.) да разпръскват светлина се използва при микроскопското изследване на клетъчните структури: в тъмното поле на микроскопа колоидните частици се виждат като светли петна в цитоплазмата.

  Способността за разсейване на светлината на протеини и други макромолекулни вещества се използва за тяхното количествено определяне чрез нефелометрия, сравнявайки интензитета на разсейване на светлината от суспендирани частици на тестовия и стандартния зол.

• ниска скорост на дифузия [покажи] .

  Ниска скорост на дифузия. Дифузията е спонтанното движение на молекулите на разтвореното вещество поради концентрационен градиент (от области с висока концентрация към области с ниска концентрация). Протеините имат ограничена скорост на дифузия в сравнение с обикновените молекули и йони, които се движат стотици до хиляди пъти по-бързо от протеините. Скоростта на дифузия на протеините зависи повече от формата на техните молекули, отколкото от тяхното молекулно тегло. Глобуларните протеини във водни разтвори са по-подвижни от фибриларните протеини.

  Дифузията на протеини е от съществено значение за нормалното функциониране на клетката. Синтезът на протеини във всяка част на клетката (където има рибозоми) може да доведе, при липса на дифузия, до натрупване на протеини на мястото на тяхното образуване. Вътреклетъчното разпределение на протеините става чрез дифузия. Тъй като скоростта на протеинова дифузия е ниска, тя ограничава скоростта на процесите, които зависят от функцията на дифузиращия протеин в съответната област на клетката.

• невъзможност за проникване през полупропускливи мембрани [покажи] .

  Осмотични свойства на протеините. Протеините, поради високото си молекулно тегло, не могат да дифундират през полупропусклива мембрана, докато веществата с ниско молекулно тегло лесно преминават през такива мембрани. Това свойство на протеините се използва на практика за пречистване на техните разтвори от нискомолекулни примеси. Този процес се нарича диализа.

  Неспособността на протеините да дифундират през полупропускливи мембрани причинява явлението осмоза, т.е. движението на водни молекули през полупропусклива мембрана в протеинов разтвор. Ако протеиновият разтвор е отделен от водата с целофанова мембрана, тогава, стремейки се да постигнат равновесие, водните молекули дифундират в протеиновия разтвор. Въпреки това движението на водата в пространството, където се намира протеинът, повишава хидростатичното налягане в него (налягането на водния стълб), което предотвратява по-нататъшната дифузия на водните молекули към протеина.

  Налягането или силата, която трябва да се приложи, за да се спре осмотичният поток на водата, се нарича осмотично налягане. Осмотичното налягане в много разредени протеинови разтвори е пропорционално на моларната концентрация на протеина и на абсолютната температура.

  Биологичните мембрани също са непропускливи за протеина, така че осмотичното налягане, създадено от протеина, зависи от неговата концентрация вътре и извън клетката. Осмотичното налягане, дължащо се на протеина, се нарича още онкотично налягане.

• разтвори с висок вискозитет [покажи] .

  Протеинови разтвори с висок вискозитет. Високият вискозитет е типичен не само за протеинови разтвори, но като цяло за разтвори на високомолекулни съединения. С увеличаване на концентрацията на протеин вискозитетът на разтвора се увеличава, тъй като силите на сцепление между протеиновите молекули се увеличават. Вискозитетът зависи от формата на молекулите. Разтворите на фибриларните протеини винаги са по-вискозни от разтворите на глобуларните протеини. Вискозитетът на разтворите се влияе силно от температурата и наличието на електролити. С повишаване на температурата вискозитетът на протеиновите разтвори намалява. Добавките на някои соли, като калций, повишават вискозитета чрез насърчаване на адхезията на молекулите с помощта на калциеви мостове. Понякога вискозитетът на протеиновия разтвор се увеличава толкова много, че той губи течливост и преминава в гелообразно състояние.

• желираща способност [покажи] .

  Способността на протеините да образуват гелове. Взаимодействието между протеиновите макромолекули в разтвор може да доведе до образуването на структурни мрежи, вътре в които са уловени водни молекули. Такива структурирани системи се наричат ​​гелове или желета. Смята се, че протеинът на протоплазмата на клетката може да премине в гелообразно състояние. Типичен пример - тялото на медуза е като живо желе, чието водно съдържание е до 90%.

  Желирането протича по-лесно в разтвори на фибриларни протеини; тяхната прътовидна форма спомага за по-добър контакт на краищата на макромолекулите. Това е добре известно от ежедневната практика. Хранителните желета се приготвят от продукти (кости, хрущяли, месо), съдържащи големи количества фибриларни протеини.

  В процеса на живот на тялото, гелообразното състояние на протеиновите структури е от голямо физиологично значение. Колагеновите протеини на костите, сухожилията, хрущялите, кожата и др. имат висока якост, твърдост и еластичност, тъй като са в гелообразно състояние. Отлагането на минерални соли по време на стареенето намалява тяхната твърдост и еластичност. В гелообразна или желатинова форма актомиозинът се намира в мускулните клетки, които изпълняват контрактилна функция.

  В живата клетка протичат процеси, наподобяващи зол-гел преход. Протоплазмата на клетката е подобна на зол вискозна течност, в която се намират острови от гелообразни структури.

Хидратация на протеини и фактори, влияещи върху тяхната разтворимост

Протеините са хидрофилни вещества. Ако разтворите сух протеин във вода, първо той, като всяко хидрофилно високомолекулно съединение, набъбва и след това протеиновите молекули започват постепенно да преминават в разтвора. По време на набъбване водните молекули проникват в протеина и се свързват с неговите полярни групи. Плътното опаковане на полипептидните вериги се разхлабва. Набъбналият протеин може да се разглежда като обратен разтвор, т.е. разтвор на водни молекули в вещество с високо молекулно тегло - протеин. По-нататъшното усвояване на водата води до отделяне на протеиновите молекули от общата маса и разтваряне. Но подуването не винаги води до разтваряне; някои протеини, като колаген, остават подути след абсорбиране на големи количества вода.

Разтварянето е свързано с хидратацията на протеините, т.е. свързването на водните молекули с протеините. Хидратираната вода е толкова силно свързана с протеиновата макромолекула, че е трудно да се отдели. Това показва не проста адсорбция, а електростатично свързване на водни молекули с полярни групи от странични радикали на киселинни аминокиселини, носещи отрицателен заряд, и основни аминокиселини, носещи положителен заряд.

Въпреки това, част от водата на хидратация е свързана с пептидни групи, които образуват водородни връзки с водните молекули. Например, полипептиди с неполярни странични групи също набъбват, т.е. свързват вода. По този начин голямо количество вода свързва колагена, въпреки че този протеин съдържа предимно неполярни аминокиселини. Водата, като се свързва с пептидните групи, избутва удължените полипептидни вериги една от друга. Междуверижните връзки (мостове) обаче не позволяват на протеиновите молекули да се откъснат една от друга и да преминат в разтвор. Когато суровините, съдържащи колаген, се нагряват, междуверижните мостове в колагеновите влакна се разрушават и освободените полипептидни вериги преминават в разтвор. Тази фракция от частично хидролизиран разтворим колаген се нарича желатин. Желатинът е подобен по химичен състав на колагена, лесно набъбва и се разтваря във вода, образувайки вискозни течности. Характерно свойство на желатина е способността да желира. Водните разтвори на желатин се използват широко в медицинската практика като плазмозаместващ и хемостатичен агент, а способността за желиране - при производството на капсули във фармацевтичната практика.

Фактори, влияещи върху разтворимостта на протеините. Разтворимостта на различните протеини варира в широки граници. Определя се от техния аминокиселинен състав (полярните аминокиселини дават по-голяма разтворимост от неполярните), особеностите на организацията (глобуларните протеини обикновено са по-добре разтворими от фибриларните) и свойствата на разтворителя. Например, растителните протеини - проламини - се разтварят в 60-80% алкохол, албумини - във вода и в слаби солеви разтвори, а колагенът и кератините са неразтворими в повечето разтворители.

Протеиновите разтвори са стабилни поради заряда на протеиновата молекула и хидратната обвивка. Всяка макромолекула на отделен протеин има общ заряд с еднакъв знак, което ги предпазва от слепване в разтвор и утаяване. Всичко, което допринася за запазването на заряда и хидратиращата обвивка, улеснява разтворимостта на протеина и неговата стабилност в разтвор. Съществува тясна връзка между заряда на протеина (или броя на полярните аминокиселини в него) и хидратацията: колкото повече полярни аминокиселини има в протеина, толкова повече вода се свързва (на 1 g протеин). Хидратационната обвивка на протеин понякога достига голям размер, а хидратната вода може да бъде до 1/5 от масата му.

Вярно е, че някои протеини са по-хидратирани и по-малко разтворими. Например, колагенът свързва водата повече от много силно разтворими глобуларни протеини, но не се разтваря. Разтворимостта му се възпрепятства от структурни особености - напречни връзки между полипептидните вериги. Понякога противоположно заредените протеинови групи образуват много йонни (солеви) връзки в протеиновата молекула или между протеиновите молекули, което предотвратява образуването на връзки между водните молекули и заредените протеинови групи. Наблюдава се парадоксално явление: в протеина има много анионни или катионни групи, а разтворимостта му във вода е ниска. Междумолекулните солеви мостове карат протеиновите молекули да се слепват и да се утаяват.

Какви фактори на околната среда влияят върху разтворимостта на протеините и тяхната стабилност в разтвори?

• Влияние на неутралните соли [покажи] .

  Неутралните соли в малки концентрации повишават разтворимостта дори на тези протеини, които са неразтворими в чиста вода (например еуглобулини). Това се дължи на факта, че йоните на солта, взаимодействайки с противоположно заредени групи от протеинови молекули, разрушават солните мостове между протеиновите молекули. Увеличаването на концентрацията на соли (увеличаване на йонната сила на разтвора) има обратен ефект (виж по-долу - изсоляване).

• Влияние на pH на средата [покажи] .

  pH на средата влияе върху заряда на протеина и следователно върху неговата разтворимост. Най-малко стабилният протеин е в изоелектрично състояние, т.е. когато общият му заряд е нула. Премахването на заряда позволява на протеиновите молекули лесно да се доближат една до друга, да се слепят и да се утаят. Това означава, че разтворимостта и стабилността на протеина ще бъдат минимални при рН, съответстващо на изоелектричната точка на протеина.

• Температурен ефект [покажи] .

  Няма строга връзка между температурата и естеството на разтворимостта на протеина. Някои протеини (глобулини, пепсин, мускулна фосфорилаза) във водни или солеви разтвори се разтварят по-добре с повишаване на температурата; други (мускулна алдолаза, хемоглобин и др.) са по-лоши.

• Влияние на различно зареден протеин [покажи] .

  Ако протеин, който е поликатион (основен протеин), се добави към разтвор на протеин, който е полианион (киселинен протеин), тогава те образуват агрегати. В този случай стабилността поради неутрализацията на зарядите се губи и протеините се утаяват. Понякога тази функция се използва за изолиране на желания протеин от смес от протеини.

изсоляване

Разтворите на неутрални соли се използват широко не само за увеличаване на разтворимостта на протеин, например при изолирането му от биологичен материал, но и за селективно утаяване на различни протеини, т.е. тяхното фракциониране. Процесът на утаяване на протеини с неутрални солеви разтвори се нарича изсоляване. Характерна особеност на протеините, получени чрез изсоляване, е, че те запазват естествените си биологични свойства след отстраняване на солта.

Механизмът на изсоляване е, че добавените аниони и катиони на солевия разтвор премахват хидратната обвивка на протеините, което е един от факторите за неговата стабилност. Възможно е неутрализирането на протеиновите заряди от солни йони да се извършва едновременно, което също допринася за утаяването на протеини.

Способността за изсоляване е най-силно изразена в солните аниони. Според силата на изсолителното действие анионите и катионите се подреждат в следните редове:

• SO 4 2-> C 6 H 5 O 7 3-> CH 3 COO - > Cl - > NO 3 - > Br - > I - > CNS -
• Li + > Na + > K + > Pb + > Cs +

Тези серии се наричат ​​лиотропни.

Сулфатите имат силно изсоляващо действие в тази серия. На практика най-често за осоляване на протеини се използват натриев и амониев сулфат. В допълнение към солите, протеините се утаяват с органични средства за отстраняване на водата (етанол, ацетон, метанол и др.). Всъщност това е същото осоляване.

Изсоляването се използва широко за разделяне и пречистване на протеини, тъй като много протеини се различават по размера на тяхната хидратираща обвивка и големината на техните заряди. Всеки от тях има своя собствена зона на изсоляване, т.е. концентрацията на сол, която позволява дехидратация и утаяване на протеина. След отстраняване на изсолителя протеинът запазва всички свои естествени свойства и функции.

Денатурация (денативация) и ренатурация (ренативация)

Под действието на различни вещества, които нарушават най-високите нива на организация на протеиновата молекула (вторична, третична, кватернерна), като същевременно запазват първичната структура, протеинът губи естествените си физикохимични и, най-важното, биологични свойства. Това явление се нарича денатурация (денатурация). Характерно е само за молекули със сложна пространствена организация. Синтетичните и естествените пептиди не са способни на денатурация.

По време на денатурацията връзките, които стабилизират кватернерната, третичната и дори вторичната структура, се разкъсват. Полипептидната верига се разгръща и е в разтвор или в разгъната форма, или под формата на произволна намотка. В този случай хидратационната обвивка се губи и протеинът се утаява. Въпреки това, утаеният денатуриран протеин се различава от същия протеин, утаен чрез изсоляване, тъй като в първия случай той губи естествените си свойства, докато във втория се запазва. Това показва, че механизмът на действие на веществата, които предизвикват денатурация и изсоляване, е различен. По време на изсоляването естествената структура на протеина се запазва, а по време на денатурацията се разрушава.

Денатуриращите фактори се делят на

• физически [покажи] .

  Физичните фактори включват: температура, налягане, механично въздействие, ултразвуково и йонизиращо лъчение.

  Термичната денатурация на протеините е най-изследваният процес. Счита се за една от характерните черти на протеините. Отдавна е известно, че при нагряване протеинът коагулира (коагулира) и се утаява. Повечето протеини са термолабилни, но е известно, че протеините са много устойчиви на топлина. Например трипсин, химотрипсин, лизозим, някои биологични мембранни протеини. Протеините на бактериите, живеещи в горещи извори, са особено устойчиви на температура. Очевидно в термостабилните протеини топлинното движение на полипептидните вериги, причинено от нагряване, не е достатъчно, за да разкъса вътрешните връзки на протеиновите молекули. В изоелектричната точка протеините се денатурират по-лесно от топлина. Тази техника се използва в практическата работа. Някои протеини, от друга страна, денатурират при ниски температури.

• химически [покажи] .

  Химичните фактори, които причиняват денатурация, включват: киселини и основи, органични разтворители (алкохол, ацетон), детергенти (детергенти), някои амиди (урея, гуанидинови соли и др.), алкалоиди, тежки метали (соли на живак, мед, барий, цинк , кадмий и др.). Механизмът на денатуриращото действие на химикалите зависи от техните физикохимични свойства.

  Киселините и основите се използват широко като протеинови утаители. Много протеини денатурират при екстремни стойности на pH под 2 или над 10-11. Но някои протеини са устойчиви на киселини и основи. Например, хистоните и протамините не се денатурират дори при pH 2 или pH 10. Силните разтвори на етанол и ацетон също имат денатуриращ ефект върху протеините, въпреки че за някои протеини тези органични разтворители се използват като агенти за изсоляване.

  Тежките метали, алкалоидите отдавна се използват като утаители; те образуват силни връзки с полярните групи на протеините и по този начин разрушават системата от водородни и йонни връзки.

  Особено внимание трябва да се обърне на уреята и гуанидиновите соли, които във високи концентрации (за урея 8 mol/l, за гуанидин хидрохлорид 2 mol/l) се конкурират с пептидни групи за образуване на водородни връзки. В резултат на това се получава дисоциация на субединици в протеини с кватернерна структура и след това разгъване на полипептидни вериги. Това свойство на уреята е толкова поразително, че се използва широко за доказване на наличието на кватернерна протеинова структура и значението на нейната структурна организация при изпълнението на физиологична функция.

Свойства на денатурираните протеини . Най-характерни за денатурираните протеини са следните характеристики.

• Увеличаване на броя на реактивните или функционални групи в сравнение с естествената протеинова молекула (функционалните групи са групи от странични радикали на аминокиселини: COOH, NH 2, SH, OH). Някои от тези групи обикновено се намират вътре в протеиновата молекула и не се откриват от специални реагенти. Разгръщането на полипептидната верига по време на денатурация разкрива тези допълнителни или скрити групи.
• Намалена разтворимост и утаяване на протеина (свързано със загубата на хидратната обвивка, разгъването на протеиновата молекула с "излагането" на хидрофобни радикали и неутрализирането на зарядите на полярните групи).
• Промяна в конфигурацията на протеинова молекула.
• Загуба на биологична активност, причинена от нарушение на естествената структурна организация на молекулата.
• По-лесното разцепване от протеолитични ензими в сравнение с естествения протеин, преходът на компактна естествена структура в разгъната свободна форма улеснява достъпа на ензимите до пептидните връзки на протеина, които те разрушават.

Последното качество на денатурирания протеин е широко известно. Термичната или друга обработка на продукти, съдържащи протеини (предимно месо), допринася за по-доброто им смилане с помощта на протеолитичните ензими на стомашно-чревния тракт. В стомаха на хората и животните се произвежда естествен денатуриращ агент - солна киселина, която, денатурирайки протеините, спомага за тяхното разграждане от ензими. Въпреки това, наличието на солна киселина и протеолитични ензими не позволява използването на протеинови лекарства през устата, тъй като те са денатурирани и незабавно се разделят, губейки своята биологична активност.

Ние също така отбелязваме, че денатуриращите вещества, които утаяват протеини, се използват в биохимичната практика за други цели, освен за изсоляване. Изсоляването като техника се използва за изолиране на определен протеин или група протеини, а денатурирането се използва за освобождаване на смес от всякакви вещества от протеин. Чрез отстраняване на протеина може да се получи разтвор без протеин или да се елиминира ефектът от този протеин.

Дълго време се смяташе, че денатурацията е необратима. Въпреки това, в някои случаи отстраняването на денатуриращия агент (такива експерименти са направени с урея) възстановява биологичната активност на протеина. Процесът на възстановяване на физикохимичните и биологичните свойства на денатуриран протеин се нарича ренатурация или ренативация. Ако денатурираният протеин (след отстраняването на денатуриращите вещества) се реорганизира в оригиналната структура, тогава неговата биологична активност се възстановява.

Страница 4

общо страници: 7

Формата на протеиновата молекула. Изследванията на нативната конформация на протеиновите молекули показват, че тези частици в повечето случаи имат повече или по-малко асиметрична форма. В зависимост от степента на асиметрия, т.е. съотношението между дългата (b) и късата (a) ос на протеиновата молекула, се разграничават глобуларни (сферични) и фибриларни (нишковидни) протеини.

Глобуларните са протеинови молекули, в които нагъването на полипептидните вериги е довело до образуването на сферична структура. Сред тях има строго сферични, елипсовидни и пръчковидни. Те се различават по степента на асиметрия. Например, яйчният албумин има b/a = 3, пшеничният глиадин има 11, а царевичният зеин има 20. Много протеини в природата са кълбовидни.

Фибриларните протеини образуват дълги, силно асиметрични нишки. Много от тях имат структурна или механична функция. Това са колаген (b / a - 200), кератини, фиброин.

Протеините от всяка група имат свои собствени характерни свойства. Много глобуларни протеини са разтворими във вода и разредени солеви разтвори. Разтворимите фибриларни протеини се характеризират с много вискозни разтвори. Глобуларните протеини като правило имат добра биологична стойност - те се абсорбират по време на храносмилането, докато много фибриларни протеини не са.

Няма ясна граница между глобуларните и фибриларните протеини. Редица протеини заемат междинна позиция и съчетават характеристики както на глобуларни, така и на фибриларни. Такива протеини включват, например, мускулен миозин (b/a = 75) и кръвен фибриноген (b/a = 18). Миозинът има пръчковидна форма, подобна на формата на фибриларните протеини, но подобно на глобуларните протеини, той е разтворим във физиологични разтвори. Разтворите на миозин и фибриноген са вискозни. Тези протеини се абсорбират по време на храносмилането. В същото време актинът, глобуларен мускулен протеин, не се абсорбира.

Денатурация на протеини. Нативната конформация на белтъчните молекули не е твърда, тя е по-скоро лабилна (лат. "labilis" - плъзгане) и може да бъде сериозно нарушена при редица въздействия. Нарушаването на нативната конформация на протеина, придружено от промяна в неговите нативни свойства без разкъсване на пептидните връзки, се нарича денатурация (на латински "denaturare" - лишаване на естествените свойства) на протеина.

Денатурацията на протеините може да бъде причинена от различни причини, водещи до нарушаване на слаби взаимодействия, както и до разкъсване на дисулфидни връзки, които стабилизират естествената им структура.

Нагряването на повечето протеини до температури над 50°C, както и ултравиолетовото и други видове високоенергийно облъчване повишават вибрациите на атомите на полипептидната верига, което води до разрушаване на различни връзки в тях. Дори механичното разклащане може да причини денатурация на протеина.

Протеинова денатурация се получава и поради химическа атака. Силните киселини или алкали влияят върху йонизацията на киселинни и основни групи, причинявайки разрушаване на йонните и някои водородни връзки в протеиновите молекули. Урея (H 2 N-CO-NH 2) и органични разтворители - алкохоли, феноли и др. - разрушават системата от водородни връзки и отслабват хидрофобните взаимодействия в протеиновите молекули (урея - поради нарушение на структурата на водата, органични разтворители - поради установяване на контакти с неполярни аминокиселинни радикали). Меркаптоетанолът разрушава дисулфидните връзки в протеините. Йоните на тежките метали нарушават слабите взаимодействия.

По време на денатурацията настъпва промяна в свойствата на протеина и преди всичко намаляване на неговата разтворимост. Например, когато се варят, протеините се коагулират и се утаяват от разтвори под формата на съсиреци (както при варене на пилешко яйце). Утаяването на протеини от разтвори също се извършва под въздействието на протеинови утаители, които се използват като трихлороцетна киселина, реактив на Барнщайн (смес от натриев хидроксид с меден сулфат), разтвор на танин и др.

По време на денатурацията водопоглъщащата способност на протеина намалява, т.е. способността му да набъбва; могат да се появят нови химични групи, например: при излагане на мерки на каптоетанол - SH-групи. В резултат на денатурацията протеинът губи своята биологична активност.

Въпреки че първичната структура на протеина не се влияе от денатурацията, промените са необратими. Въпреки това, например, с постепенното отстраняване на урея чрез диализа от разтвор на денатуриран протеин, настъпва неговата ренатурация: естествената структура на протеина се възстановява и заедно с това, в една или друга степен, неговите естествени свойства. Такава денатурация се нарича обратима.

По време на стареенето на организмите настъпва необратима денатурация на протеини. Ето защо, например, семената на растенията, дори при оптимални условия на съхранение, постепенно губят своята кълняемост.

Денатурацията на протеините възниква при печене на хляб, сушене на тестени изделия, зеленчуци, по време на готвене и т.н. В резултат на това биологичната стойност на тези протеини се увеличава, тъй като денатурираните (частично разрушени) протеини се абсорбират по-лесно по време на храносмилането.

Изоелектрична точка на протеин. Протеините съдържат различни основни и киселинни групи, които имат способността да йонизират. В силно кисела среда основните групи (аминогрупи и др.) са активно протонирани и протеиновите молекули придобиват общ положителен заряд, а в силно алкална среда карбоксилните групи лесно се дисоциират и протеиновите молекули придобиват общ отрицателен заряд.

Източниците на положителен заряд в протеините са страничните радикали на остатъците от лизин, аргинин и хистидин и а-амино групата на N-терминалния аминокиселинен остатък. Източниците на отрицателния заряд са страничните радикали на остатъците от аспарагинова и глутаминова киселина и α-карбоксилната група на С-терминалния аминокиселинен остатък.

При определена стойност на pH на средата има равенство на положителните и отрицателните заряди на повърхността на протеиновата молекула, т.е. нейният общ електрически заряд се оказва нула. Тази стойност на pH на разтвора, при която протеиновата молекула е електрически неутрална, се нарича изоелектрична точка на протеина (pi).

Изоелектричните точки са характерни константи на протеините. Те се определят от техния аминокиселинен състав и структура: броят и разположението на киселинните и основните аминокиселинни остатъци в полипептидните вериги. Изоелектричните точки на протеините, в които преобладават киселинните аминокиселинни остатъци, се намират в областта на pH.<7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот - в области рН>7. Изоелектричните точки на повечето протеини са в леко кисела среда.

В изоелектрично състояние протеиновите разтвори имат минимален вискозитет. Това се дължи на промяна във формата на протеиновата молекула. В изоелектричната точка противоположно заредените групи се привличат една към друга и протеините се усукват на топки. Когато рН се измести от изоелектричната точка, групите с еднакъв заряд се отблъскват една друга и протеиновите молекули се разгръщат. В разгънато състояние протеиновите молекули придават на разтворите по-висок вискозитет, отколкото навити на топки.

В изоелектричната точка протеините имат минимална разтворимост и могат лесно да се утаят.

Въпреки това, утаяване на протеини в изоелектричната точка все още не се случва. Това се предотвратява от структурирани водни молекули, които задържат значителна част от хидрофобни аминокиселинни радикали на повърхността на протеиновите глобули.

Протеините могат да бъдат утаени с помощта на органични разтворители (алкохол, ацетон), които нарушават системата от хидрофобни контакти в протеиновите молекули, както и високи концентрации на сол (изсоляване), които намаляват хидратацията на протеиновите глобули. В последния случай част от водата отива за разтваряне на солта и престава да участва в разтварянето на протеина. Такъв разтвор, поради липса на разтворител, става свръхнаситен, което води до утаяване на част от него в утайката. Протеиновите молекули започват да се слепват и, образувайки все по-големи частици, постепенно се утаяват от разтвора.

Оптични свойства на протеин. Разтворите на протеини имат оптична активност, т.е. способността да въртят равнината на поляризация на светлината. Това свойство на протеините се дължи на наличието на асиметрични елементи в техните молекули - асиметрични въглеродни атоми и дясна а-спирала.

Когато протеинът е денатуриран, неговите оптични свойства се променят, което е свързано с разрушаването на а-спиралата. Оптичните свойства на напълно денатурираните протеини зависят само от наличието на асиметрични въглеродни атоми в тях.

Чрез разликата в проявлението на оптичните свойства на протеина преди и след денатурация може да се определи степента на неговата спирализация.

Качествени реакции към протеини. Протеините се характеризират с цветни реакции поради наличието на определени химични групи в тях. Тези реакции често се използват за откриване на протеини.

При добавяне на меден сулфат и алкали към протеиновия разтвор се появява лилав цвят, свързан с образуването на комплекси от медни йони с пептидни групи на протеина. Тъй като тази реакция дава биурет (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), тя се нарича биурет. Често се използва за количествено определяне на протеин, заедно с метода на I. Kjeldahl, тъй като интензитетът на получения цвят е пропорционален на концентрацията на протеин в разтвора.

Когато протеиновите разтвори се нагряват с концентрирана азотна киселина, се появява жълт цвят поради образуването на нитропроизводни на ароматни аминокиселини. Тази реакция се нарича ксантопротеин(гръцки "xanthos" - жълт).

Много протеинови разтвори при нагряване реагират с нитратен разтвор на живак, който образува пурпурни комплексни съединения с феноли и техните производни. Това е качествен тест на Millon за тирозин.

В резултат на нагряване на повечето протеинови разтвори с оловен ацетат в алкална среда се утаява черна утайка от оловен сулфид. Тази реакция се използва за откриване на съдържащи сяра аминокиселини и се нарича реакция на Fohl.