§ 9. FYSISK-KJEMISKE EGENSKAPER TIL PROTEINER

Proteiner er veldig store molekyler, i størrelse kan de bare være dårligere enn individuelle representanter for nukleinsyrer og polysakkarider. Tabell 4 viser de molekylære egenskapene til noen proteiner.

Tabell 4

Molekylære egenskaper til noen proteiner

	Relativ molekylvekt	Antall kretser	Antall aminosyrerester
Ribonuklease
myoglobin
Chymotrypsin
Hemoglobin
Glutamat dehydrogenase

Proteinmolekyler kan inneholde et svært forskjellig antall aminosyrerester – fra 50 til flere tusen; de relative molekylmassene til proteiner varierer også veldig - fra flere tusen (insulin, ribonuklease) til en million (glutamatdehydrogenase) eller mer. Antallet polypeptidkjeder i proteiner kan variere fra én til flere titalls eller til og med tusenvis. Dermed inneholder tobakksmosaikkvirusproteinet 2120 protomerer.

Når man kjenner den relative molekylvekten til et protein, kan man omtrent anslå hvor mange aminosyrerester som er inkludert i sammensetningen. Den gjennomsnittlige relative molekylvekten til aminosyrene som danner polypeptidkjeden er 128. Når en peptidbinding dannes, spaltes et vannmolekyl, derfor vil den gjennomsnittlige relative massen til aminosyreresten være 128 - 18 = 110. Ved å bruke disse dataene kan vi beregne at et protein med en relativ molekylvekt på 100 000 vil bestå av omtrent 909 aminosyrerester.

Elektriske egenskaper til proteinmolekyler

De elektriske egenskapene til proteiner bestemmes av tilstedeværelsen av positivt og negativt ladede aminosyrerester på overflaten. Tilstedeværelsen av ladede proteingrupper bestemmer den totale ladningen til proteinmolekylet. Hvis negativt ladede aminosyrer dominerer i proteiner, vil dets molekyl i en nøytral løsning ha en negativ ladning, hvis positivt ladede aminosyrer dominerer, vil molekylet ha en positiv ladning. Den totale ladningen til proteinmolekylet avhenger også av surheten (pH) til mediet. Med en økning i konsentrasjonen av hydrogenioner (en økning i surhet), undertrykkes dissosiasjonen av karboksylgrupper:

og samtidig øker antallet protonerte aminogrupper;

Således, med en økning i surheten til mediet, reduseres antallet negativt ladede grupper på overflaten av proteinmolekylet og antallet positivt ladede grupper øker. Et helt annet bilde observeres med en reduksjon i konsentrasjonen av hydrogenioner og en økning i konsentrasjonen av hydroksidioner. Antall dissosierte karboksylgrupper øker

og antall protonerte aminogrupper reduseres

Så ved å endre surheten til mediet, kan ladningen til proteinmolekylet også endres. Med en økning i surheten til mediet i proteinmolekylet, reduseres antallet negativt ladede grupper og antallet positivt ladede grupper øker, mister molekylet gradvis det negative og får en positiv ladning. Med en reduksjon i surheten til løsningen observeres det motsatte bildet. Det er klart at ved visse pH-verdier vil molekylet være elektrisk nøytralt; antall positivt ladede grupper vil være lik antall negativt ladede grupper, og den totale ladningen til molekylet vil være null (fig. 14).

pH-verdien der den totale ladningen til proteinet er null kalles det isoelektriske punktet og betegnespi.

Ris. 14. I tilstanden til det isoelektriske punktet er den totale ladningen til proteinmolekylet null

Det isoelektriske punktet for de fleste proteiner er i pH-området 4,5 til 6,5. Det finnes imidlertid unntak. Nedenfor er de isoelektriske punktene til noen proteiner:

Ved pH-verdier under det isoelektriske punktet har proteinet en total positiv ladning, og over den en total negativ ladning.

Ved det isoelektriske punktet er løseligheten til proteinet minimal, siden molekylene i denne tilstanden er elektrisk nøytrale og det er ingen gjensidig frastøtende krefter mellom dem, så de kan "klemme sammen" på grunn av hydrogen- og ionbindinger, hydrofobe interaksjoner, van der Waals styrker. Ved pH-verdier som er forskjellig fra pI, vil proteinmolekyler ha samme ladning - enten positiv eller negativ. Som et resultat av dette vil det eksistere elektrostatiske frastøtningskrefter mellom molekylene, som hindrer dem i å "klemme seg sammen", løseligheten vil være høyere.

Proteinløselighet

Proteiner er løselige og uløselige i vann. Løseligheten til proteiner avhenger av deres struktur, pH-verdi, saltsammensetning av løsningen, temperatur og andre faktorer og bestemmes av naturen til de gruppene som er på overflaten av proteinmolekylet. Uløselige proteiner inkluderer keratin (hår, negler, fjær), kollagen (sener), fibroin (lut, spindelvev). Mange andre proteiner er vannløselige. Løselighet bestemmes av tilstedeværelsen av ladede og polare grupper på overflaten deres (-COO -, -NH 3 +, -OH, etc.). Ladede og polare grupperinger av proteiner tiltrekker seg vannmolekyler, og et hydreringsskall dannes rundt dem (fig. 15), hvis eksistens bestemmer deres løselighet i vann.

Ris. 15. Dannelse av et hydreringsskall rundt et proteinmolekyl.

Proteinløselighet påvirkes av tilstedeværelsen av nøytrale salter (Na 2 SO 4 , (NH 4) 2 SO 4, etc.) i løsning. Ved lave saltkonsentrasjoner øker proteinløseligheten (fig. 16), siden under slike forhold øker graden av dissosiasjon av polare grupper og de ladede gruppene av proteinmolekyler skjermes, og reduserer dermed protein-protein-interaksjonen, som bidrar til dannelsen av aggregater og proteinutfelling. Ved høye saltkonsentrasjoner avtar proteinløseligheten (fig. 16) på grunn av ødeleggelse av hydreringsskallet, noe som fører til aggregering av proteinmolekyler.

Ris. 16. Avhengighet av proteinløselighet på saltkonsentrasjon

Det er proteiner som bare løses opp i saltløsninger og ikke løses opp i rent vann, slike proteiner kalles globuliner. Det finnes andre proteiner albuminer, i motsetning til globuliner, er de svært løselige i rent vann.
Løseligheten til proteiner avhenger også av pH i løsningene. Som vi allerede har bemerket, har proteiner minimal løselighet ved det isoelektriske punktet, noe som forklares av fraværet av elektrostatisk frastøtning mellom proteinmolekyler.
Under visse forhold kan proteiner danne geler. Under dannelsen av en gel danner proteinmolekyler et tett nettverk, hvis indre er fylt med et løsemiddel. Geler danner for eksempel gelatin (dette proteinet brukes til å lage gelé) og melkeproteiner ved tilberedning av yoghurt.
Temperaturen påvirker også løseligheten til proteinet. Under påvirkning av høy temperatur utfelles mange proteiner på grunn av forstyrrelsen av strukturen deres, men dette vil bli diskutert mer detaljert i neste avsnitt.

Proteindenaturering

La oss vurdere et velkjent fenomen. Når eggehviten varmes opp blir den gradvis grumsete, og da dannes det en solid klump. Koagulert eggehvite - eggealbumin - etter avkjøling er uløselig, mens eggehviten før oppvarming er svært løselig i vann. De samme fenomenene oppstår når nesten alle kuleproteiner varmes opp. Endringene som skjer under oppvarming kalles denaturering. Proteiner i sin naturlige tilstand kalles innfødt proteiner, og etter denaturering - denaturert.
Under denaturering blir den native konformasjonen av proteiner forstyrret som et resultat av å bryte svake bindinger (ioniske, hydrogen, hydrofobe interaksjoner). Som et resultat av denne prosessen kan de kvaternære, tertiære og sekundære strukturene til proteinet ødelegges. Primærstrukturen er bevart (fig. 17).

Ris. 17. Proteindenaturering

Under denaturering vises hydrofobe aminosyreradikaler, som finnes i native proteiner i dybden av molekylet, på overflaten, som et resultat skapes forhold for aggregering. Aggregater av proteinmolekyler feller ut. Denaturering er ledsaget av tap av den biologiske funksjonen til proteinet.

Proteindenaturering kan være forårsaket ikke bare av forhøyet temperatur, men også av andre faktorer. Syrer og alkalier kan forårsake proteindenaturering: som et resultat av deres virkning blir de ionogene gruppene ladet opp, noe som fører til brudd av ion- og hydrogenbindinger. Urea ødelegger hydrogenbindinger, noe som resulterer i tap av deres opprinnelige struktur av proteiner. Denatureringsmidler er organiske løsningsmidler og tungmetallioner: organiske løsningsmidler ødelegger hydrofobe bindinger, og tungmetallioner danner uløselige komplekser med proteiner.

Sammen med denaturering er det også en omvendt prosess - renaturering. Med fjerning av den denaturerende faktoren er det mulig å gjenopprette den opprinnelige opprinnelige strukturen. For eksempel, når løsningen sakte avkjøles til romtemperatur, gjenopprettes den native strukturen og den biologiske funksjonen til trypsin.

Proteiner kan også denatureres i cellen under normale livsprosesser. Det er ganske åpenbart at tap av den native strukturen og funksjonen til proteiner er en ekstremt uønsket hendelse. I denne forbindelse bør spesielle proteiner nevnes - ledsagere. Disse proteinene er i stand til å gjenkjenne delvis denaturerte proteiner og, ved å binde seg til dem, gjenopprette deres opprinnelige konformasjon. Chaperones gjenkjenner også proteiner som er langt fra denaturerende og transporterer dem til lysosomer hvor de brytes ned. Chaperones spiller også en viktig rolle i dannelsen av tertiære og kvaternære strukturer under proteinsyntese.

Interessant å vite! For tiden er en slik sykdom som kugalskap ofte nevnt. Denne sykdommen er forårsaket av prioner. De kan også forårsake andre nevrodegenerative sykdommer hos dyr og mennesker. Prioner er proteinholdige smittestoffer. Når en prion kommer inn i en celle, forårsaker den en endring i konformasjonen til dens cellulære motpart, som selv blir en prion. Dette er hvordan sykdom oppstår. Prionproteinet skiller seg fra celleproteinet i sin sekundære struktur. Prionformen til proteinet er hovedsakeligb-foldet struktur, og cellulær -en- spiral.

Donetsk ungdomsskole I - III nivå nr. 21

"Ekorn. Innhenting av proteiner ved reaksjon av polykondensasjon av aminosyrer. Primære, sekundære og tertiære strukturer av proteiner. Kjemiske egenskaper til proteiner: forbrenning, denaturering, hydrolyse og fargereaksjoner. Biokjemiske funksjoner til proteiner".

Forberedt

kjemilærer

lærer - metodolog

Donetsk, 2016

"Livet er en måte å eksistere på for proteinlegemer"

Leksjonens tema. Ekorn. Innhenting av proteiner ved reaksjon av polykondensasjon av aminosyrer. Primære, sekundære og tertiære strukturer av proteiner. Kjemiske egenskaper til proteiner: forbrenning, denaturering, hydrolyse og fargereaksjoner. Biokjemiske funksjoner til proteiner.

Leksjonsmål.Å gjøre elevene kjent med proteiner som den høyeste utviklingsgraden av stoffer i naturen som førte til livets fremvekst; vise deres struktur, egenskaper og variasjon av biologiske funksjoner; å utvide konseptet med polykondensasjonsreaksjonen ved å bruke eksemplet med å skaffe proteiner, for å informere skolebarn om mathygiene, om å opprettholde helsen. Utvikle logisk tenkning hos elevene.

Reagenser og utstyr. Tabell "Primære, sekundære og tertiære strukturer av proteiner". Reagenser: HNO3, NaOH, CuSO4, kyllingprotein, ulltråd, kjemisk glass.

leksjonsmetode. Informasjon og utvikling.

Leksjonstype. En leksjon i å mestre ny kunnskap og ferdigheter.

I løpet av timene

JEG. Organisering av tid.

II. Sjekke lekser, oppdatere og rette grunnleggende kunnskaper.

Blitz-avstemning

1. Forklar begrepet "aminosyre".

2. Nevn de funksjonelle gruppene som utgjør aminosyrene.

3. Nomenklatur av aminosyrer og deres isomerisme.

4. Hvorfor viser aminosyrer amfotere egenskaper? Skriv ligningene for kjemiske reaksjoner.

5. På grunn av hvilke egenskaper danner aminosyrer polypeptider. Skriv reaksjonen for polykondensasjonen av aminosyrer.

III. Budskapet om emnet, målene for leksjonen, motivasjonen for pedagogiske aktiviteter.

IV. Persepsjon og innledende bevissthet om nytt materiale.

Lærer.

"Hvor enn vi møter livet, finner vi at det er assosiert med en slags proteinkropp," skrev F. Engels i sin bok "Anti-Dühring". Mangel på protein i mat fører til en generell svekkelse av kroppen, hos barn - til en nedgang i mental og fysisk utvikling. I dag får ikke mer enn halvparten av menneskeheten den nødvendige mengden protein fra mat. En person trenger 115 g protein per dag, protein er ikke lagret i reserve, i motsetning til karbohydrater og fett, så du må overvåke kostholdet ditt. Vi er kjent med keratin - proteinet som utgjør hår, negler, fjær, hud - det utfører en byggefunksjon; kjent med proteinet pepsin - det finnes i magesaft og er i stand til å ødelegge andre proteiner under fordøyelsen; trombinproteinet er involvert i blodpropp; bukspyttkjertelhormon - insulin - regulerer glukosemetabolismen; hemoglobin transporterer O2 til alle celler og vev i kroppen, etc.

Hvor kommer denne endeløse variasjonen av proteinmolekyler fra, mangfoldet av funksjoner og deres spesielle rolle i livsprosesser? For å svare på dette spørsmålet, la oss gå til sammensetningen og strukturen til proteiner.

Består proteiner av atomer?

For å svare på dette spørsmålet, la oss gjøre en oppvarming. Gjett gåtene og forklar betydningen av svarene.

1. Han er overalt og overalt:

I stein, i luft, i vann.

Han er i morgendugg

Og blått på himmelen.

(oksygen)

2. Jeg er det letteste elementet,

I naturen, ikke et skritt uten meg.

Og med oksygen er jeg i øyeblikket

3. I luften er det hovedgassen,

Omgir oss overalt.

Plantelivet forsvinner

Uten det, uten gjødsel.

Bor i cellene våre

4. Skoleelever gikk på fottur

(Dette er tilnærmingen til det kjemiske problemet).

Om natten ble et bål tent av månen,

Det ble sunget sanger om lys ild.

Kast dine følelser til side:

Hvilke elementer brant i brannen?

(karbon, hydrogen)

Ja, det stemmer, dette er de viktigste kjemiske elementene som utgjør proteinet.

Disse fire elementene kan sies med Schillers ord, "Fire elementer, som smelter sammen, gir liv og bygger verden."

Proteiner er naturlige polymerer som består av α-aminosyrerester koblet med peptidbindinger.

Sammensetningen av proteiner inkluderer 20 forskjellige aminosyrer, derav den enorme variasjonen av proteiner i deres forskjellige kombinasjoner. Det er opptil 100 000 proteiner i menneskekroppen.

Historisk referanse.

Den første hypotesen om strukturen til proteinmolekylet ble foreslått på 70-tallet. 1800-tallet Dette var ureide-teorien om proteinstruktur.

I 1903 Tyske forskere uttrykte peptidteorien, som ga nøkkelen til mysteriet om strukturen til proteinet. Fisher foreslo at proteiner er polymerer av aminosyrer koblet sammen med peptidbindinger.

Ideen om at proteiner er polymere formasjoner ble uttrykt så tidlig som 70-88 år. 1800-tallet , russiske forskere. Denne teorien har blitt bekreftet i moderne verk.

Selv den første bekjentskapen med proteiner gir en ide om den ekstremt komplekse strukturen til molekylene deres. Proteiner oppnås ved polykondensasjonsreaksjon av aminosyrer:

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 + …

OJ OJ OJ

4. Læreren demonstrerer opplevelsen: brenne en ulltråd; det lukter brente fjær - slik kan du skille ull fra andre typer stoffer.

V. Generalisering og systematisering av kunnskap.

1. Lag en grunnleggende oppsummering av proteiner.

livsgrunnlag ← Proteiner → polypeptider

(C, H, O, N) ↓ ↓ ↓ \ proteinstrukturer

kjemiske fargefunksjoner

hvilke egenskaper ved proteinreaksjoner

2. Skriv reaksjonsligningene for dannelsen av et dipeptid fra glycin og valin.

VI. Oppsummering av leksjonen, lekser.

Lær §38 s. 178 - 184. Fullføre testoppgaver s. 183.

nr. 1. Proteiner: peptidbinding, deres påvisning.

Proteiner er makromolekyler av lineære polyamider dannet av a-aminosyrer som et resultat av en polykondensasjonsreaksjon i biologiske objekter.

Ekorn er makromolekylære forbindelser bygget av aminosyrer. 20 aminosyrer er involvert i å lage proteiner. De kobles sammen til lange kjeder som danner ryggraden i et proteinmolekyl med stor molekylvekt.

Funksjoner av proteiner i kroppen

Kombinasjonen av særegne kjemiske og fysiske egenskaper til proteiner gir denne spesielle klassen av organiske forbindelser en sentral rolle i livets fenomener.

Proteiner har følgende biologiske egenskaper, eller utfører følgende hovedfunksjoner i levende organismer:

1. Katalytisk funksjon av proteiner. Alle biologiske katalysatorer - enzymer er proteiner. Til dags dato har tusenvis av enzymer blitt karakterisert, mange av dem isolert i krystallinsk form. Nesten alle enzymer er kraftige katalysatorer, og øker reaksjonshastigheten med minst en million ganger. Denne funksjonen til proteiner er unik, ikke karakteristisk for andre polymere molekyler.

2. Ernæringsmessig (reservefunksjon av proteiner). Dette er først og fremst proteiner beregnet på ernæring av det utviklende embryoet: melkekasein, egg-ovalbumin, lagringsproteiner fra plantefrø. En rekke andre proteiner brukes utvilsomt i kroppen som en kilde til aminosyrer, som igjen er forløpere til biologisk aktive stoffer som regulerer den metabolske prosessen.

3. Transportfunksjon til proteiner. Mange små molekyler og ioner transporteres av spesifikke proteiner. For eksempel utføres luftveisfunksjonen til blod, nemlig transport av oksygen, av hemoglobinmolekyler, et protein i røde blodlegemer. Serumalbuminer er involvert i lipidtransport. En rekke andre myseproteiner danner komplekser med fett, kobber, jern, tyroksin, vitamin A og andre forbindelser, og sikrer at de leveres til de riktige organene.

4. Beskyttende funksjon av proteiner. Hovedfunksjonen til beskyttelse utføres av det immunologiske systemet, som gir syntesen av spesifikke beskyttende proteiner - antistoffer - som svar på inntreden av bakterier, toksiner eller virus (antigener) i kroppen. Antistoffer binder antigener, interagerer med dem, og nøytraliserer dermed deres biologiske effekt og opprettholder kroppens normale tilstand. Koaguleringen av et blodplasmaprotein - fibrinogen - og dannelsen av en blodpropp som beskytter mot blodtap under skader er et annet eksempel på proteiners beskyttende funksjon.

5. Sammentrekkende funksjon av proteiner. Mange proteiner er involvert i muskelsammentrekning og avslapning. Hovedrollen i disse prosessene spilles av aktin og myosin - spesifikke proteiner av muskelvev. Den kontraktile funksjonen er også iboende i proteinene i subcellulære strukturer, som gir de fineste prosessene for cellevital aktivitet,

6. Strukturell funksjon av proteiner. Proteiner med denne funksjonen rangerer først blant andre proteiner i menneskekroppen. Strukturelle proteiner som kollagen er vidt distribuert i bindevev; keratin i hår, negler, hud; elastin - i vaskulære vegger, etc.

7. Hormonell (regulatorisk) funksjon av proteiner. Metabolismen i kroppen reguleres av ulike mekanismer. I denne forskriften er et viktig sted okkupert av hormoner produsert av endokrine kjertler. En rekke hormoner er representert av proteiner eller polypeptider, for eksempel hormoner i hypofysen, bukspyttkjertelen, etc.

Peptidbinding

Formelt kan dannelsen av et proteinmakromolekyl representeres som en polykondensasjonsreaksjon av a-aminosyrer.

Fra et kjemisk synspunkt er proteiner høymolekylære nitrogenholdige organiske forbindelser (polyamider), hvis molekyler er bygget opp av aminosyrerester. Proteinmonomerer er α-aminosyrer, et vanlig trekk ved disse er tilstedeværelsen av en karboksylgruppe -COOH og en aminogruppe -NH 2 ved det andre karbonatomet (α-karbonatom):

Basert på resultatene av å studere produktene av proteinhydrolyse og fremsatt av A.Ya. Danilevskys ideer om rollen til peptidbindinger -CO-NH- i konstruksjonen av et proteinmolekyl, foreslo den tyske forskeren E. Fischer på begynnelsen av 1900-tallet peptidteorien om strukturen til proteiner. I følge denne teorien er proteiner lineære polymerer av α-aminosyrer koblet med et peptid binding - polypeptider:

I hvert peptid har en terminal aminosyrerest en fri a-aminogruppe (N-terminus) og den andre har en fri a-karboksylgruppe (C-terminus). Strukturen til peptider er vanligvis avbildet med utgangspunkt i den N-terminale aminosyren. I dette tilfellet er aminosyrerester indikert med symboler. For eksempel: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Denne oppføringen angir et peptid der den N-terminale α-aminosyren er ­ lyatsya alanin, og C-terminalen - cystein. Når du leser en slik post, endres avslutningene på navnene på alle syrer, bortsett fra de siste, til - "yl": alanyl-tyrosyl-leucyl-seryl-tyrosyl-cystein. Lengden på peptidkjeden i peptider og proteiner som finnes i kroppen varierer fra to til hundrevis og tusenvis av aminosyrerester.

nr. 2. Klassifisering av enkle proteiner.

TIL enkel (proteiner) inkluderer proteiner som, når de blir hydrolysert, gir bare aminosyrer.

Proteinoider ____enkle proteiner av animalsk opprinnelse, uløselige i vann, saltløsninger, fortynnede syrer og alkalier. De utfører hovedsakelig støttefunksjoner (for eksempel kollagen, keratin

protaminer - positivt ladede kjerneproteiner, med en molekylvekt på 10-12 kDa. Omtrent 80 % er sammensatt av alkaliske aminosyrer, noe som gjør det mulig for dem å samhandle med nukleinsyrer gjennom ioniske bindinger. De deltar i reguleringen av genaktivitet. Godt løselig i vann;

histoner - nukleære proteiner som spiller en viktig rolle i reguleringen av genaktivitet. De finnes i alle eukaryote celler, og er delt inn i 5 klasser, forskjellige i molekylvekt og aminosyre. Molekylvekten til histoner er i området fra 11 til 22 kDa, og forskjellene i aminosyresammensetningen gjelder lysin og arginin, hvis innhold varierer fra henholdsvis 11 til 29 % og fra 2 til 14 %;

prolaminer - uløselig i vann, men løselig i 70 % alkohol, kjemiske strukturegenskaper - mye prolin, glutaminsyre, ingen lysin ,

gluteliner - løselig i alkaliske løsninger ,

globuliner - proteiner som er uløselige i vann og i en halvmettet løsning av ammoniumsulfat, men løselig i vandige løsninger av salter, alkalier og syrer. Molekylvekt - 90-100 kDa;

albuminer - proteiner fra dyre- og plantevev, løselig i vann og saltløsninger. Molekylvekten er 69 kDa;

skleroproteiner - proteiner i støttevevet til dyr

Eksempler på enkle proteiner er silkefibroin, eggeserumalbumin, pepsin, etc.

nr. 3. Metoder for isolering og utfelling (rensing) av proteiner.

nr. 4. Proteiner som polyelektrolytter. Isoelektrisk punkt til et protein.

Proteiner er amfotere polyelektrolytter, dvs. viser både sure og basiske egenskaper. Dette skyldes tilstedeværelsen i proteinmolekyler av aminosyreradikaler som er i stand til ionisering, samt frie α-amino- og α-karboksylgrupper i endene av peptidkjedene. Proteinets sure egenskaper er gitt av sure aminosyrer (asparaginsyre, glutaminsyre), og alkaliske egenskaper - av basiske aminosyrer (lysin, arginin, histidin).

Ladningen til et proteinmolekyl avhenger av ioniseringen av sure og basiske grupper av aminosyreradikaler. Avhengig av forholdet mellom negative og positive grupper, får proteinmolekylet som helhet en total positiv eller negativ ladning. Når en proteinløsning surgjøres, avtar graden av ionisering av anioniske grupper, mens den for kationiske grupper øker; når alkalisert - omvendt. Ved en viss pH-verdi blir antallet positivt og negativt ladede grupper det samme, og den isoelektriske tilstanden til proteinet vises (total ladning er 0). pH-verdien hvor proteinet er i isoelektrisk tilstand kalles det isoelektriske punktet og betegnes pI, lik aminosyrer. For de fleste proteiner ligger pI i området 5,5-7,0, noe som indikerer en viss overvekt av sure aminosyrer i proteiner. Det finnes imidlertid også alkaliske proteiner, for eksempel salmin - hovedproteinet fra laksemelte (pl=12). I tillegg er det proteiner som har svært lav pI-verdi, for eksempel pepsin, et enzym av magesaft (pl=l). På det isoelektriske punktet er proteiner veldig ustabile og utfelles lett, med minst løselighet.

Hvis proteinet ikke er i en isoelektrisk tilstand, vil molekylene i et elektrisk felt bevege seg mot katoden eller anoden, avhengig av tegnet på den totale ladningen og med en hastighet proporsjonal med verdien; dette er essensen av elektroforesemetoden. Denne metoden kan skille proteiner med forskjellige pI-verdier.

Selv om proteiner har bufferegenskaper, er deres kapasitet ved fysiologiske pH-verdier begrenset. Unntaket er proteiner som inneholder mye histidin, siden kun histidinradikalet har bufferegenskaper i pH-området 6-8. Det er svært få av disse proteinene. For eksempel er hemoglobin, som inneholder nesten 8 % histidin, en kraftig intracellulær buffer i røde blodceller, som opprettholder pH i blodet på et konstant nivå.

nr. 5. Fysisk-kjemiske egenskaper til proteiner.

Proteiner har forskjellige kjemiske, fysiske og biologiske egenskaper, som bestemmes av aminosyresammensetningen og romlig organisering av hvert protein. De kjemiske reaksjonene til proteiner er svært forskjellige, de skyldes tilstedeværelsen av NH 2 -, COOH-grupper og radikaler av forskjellig natur. Dette er reaksjoner av nitrering, acylering, alkylering, forestring, redoks og andre. Proteiner har syre-base, buffer, kolloidale og osmotiske egenskaper.

Syre-base egenskaper av proteiner

Kjemiske egenskaper. Ved svak oppvarming av vandige løsninger av proteiner oppstår denaturering. Dette skaper et bunnfall.

Når proteiner varmes opp med syrer, oppstår hydrolyse, og en blanding av aminosyrer dannes.

Fysisk-kjemiske egenskaper til proteiner

Proteiner har høy molekylvekt.

Ladningen til et proteinmolekyl. Alle proteiner har minst én fri -NH- og -COOH-gruppe.

Proteinløsninger- kolloidale løsninger med ulike egenskaper. Proteiner er sure og basiske. Sure proteiner inneholder mye glu og asp, som har ekstra karboksyl og færre aminogrupper. Det er mange lys og args i alkaliske proteiner. Hvert proteinmolekyl i en vandig løsning er omgitt av et hydreringsskall, siden proteiner har mange hydrofile grupper (-COOH, -OH, -NH 2, -SH) på grunn av aminosyrer. I vandige løsninger har proteinmolekylet en ladning. Ladningen av protein i vann kan endres avhengig av pH.

Proteinutfelling. Proteiner har et hydreringsskall, en ladning som forhindrer å feste seg. For avsetning er det nødvendig å fjerne hydratskallet og lade.

1. Hydrering. Hydratiseringsprosessen betyr binding av vann av proteiner, mens de viser hydrofile egenskaper: de svulmer, deres masse og volum øker. Hevelse av proteinet er ledsaget av dets delvise oppløsning. Hydrofilisiteten til individuelle proteiner avhenger av deres struktur. De hydrofile amid (–CO–NH–, peptidbinding), amin (NH2) og karboksyl (COOH) gruppene som er tilstede i sammensetningen og lokalisert på overflaten av proteinmakromolekylet tiltrekker vannmolekyler, og orienterer dem strengt mot overflaten av molekylet . Omkring proteinkulene hindrer hydrat (vann) skallet stabiliteten til proteinløsninger. Ved det isoelektriske punktet har proteiner minst evne til å binde vann, hydreringsskallet rundt proteinmolekylene blir ødelagt, så de kombineres og danner store aggregater. Aggregering av proteinmolekyler oppstår også når de dehydreres med noen organiske løsemidler, for eksempel etylalkohol. Dette fører til utfelling av proteiner. Når pH i mediet endres, blir proteinmakromolekylet ladet, og dets hydreringskapasitet endres.

Nedbørsreaksjoner er delt inn i to typer.

Utsalting av proteiner: (NH 4)SO 4 - bare hydreringsskallet fjernes, proteinet beholder alle typer struktur, alle bindinger, beholder sine opprinnelige egenskaper. Slike proteiner kan deretter gjenoppløses og brukes.

Utfelling med tap av naturlige proteinegenskaper er en irreversibel prosess. Hydratiseringsskallet og ladningen fjernes fra proteinet, ulike egenskaper i proteinet blir krenket. For eksempel salter av kobber, kvikksølv, arsen, jern, konsentrerte uorganiske syrer - HNO 3, H 2 SO 4, HCl, organiske syrer, alkaloider - tanniner, kvikksølvjodid. Tilsetning av organiske løsningsmidler senker graden av hydratisering og fører til utfelling av proteinet. Aceton brukes som et slikt løsningsmiddel. Proteiner utfelles også ved hjelp av salter, for eksempel ammoniumsulfat. Prinsippet for denne metoden er basert på det faktum at med en økning i saltkonsentrasjonen i løsningen, komprimeres de ioniske atmosfærene dannet av proteinmotionene, noe som bidrar til deres konvergens til en kritisk avstand, der de intermolekylære kreftene til van der Waals-attraksjon oppveier Coulomb-kreftene til frastøting av motionene. Dette fører til adhesjon av proteinpartikler og deres utfelling.

Ved koking begynner proteinmolekyler å bevege seg tilfeldig, kollidere, ladningen fjernes og hydreringsskallet avtar.

For å oppdage proteiner i løsning brukes følgende:

fargereaksjoner;

nedbørsreaksjoner.

Metoder for isolering og rensing av proteiner.

homogenisering- cellene males til en homogen masse;

utvinning av proteiner med vann eller vann-saltløsninger;

1. utsalting;

   elektroforese;

   kromatografi: adsorpsjon, splitting;

   ultrasentrifugering.

Strukturell organisering av proteiner.

Primær struktur- bestemt av sekvensen av aminosyrer i peptidkjeden, stabilisert av kovalente peptidbindinger (insulin, pepsin, chymotrypsin).

sekundær struktur- romlig struktur av proteinet. Dette er enten en spiral eller en folding. Hydrogenbindinger dannes.

Tertiær struktur globulære og fibrillære proteiner. De stabiliserer hydrogenbindinger, elektrostatiske krefter (COO-, NH3+), hydrofobe krefter, sulfidbroer, bestemmes av primærstrukturen. Globulære proteiner - alle enzymer, hemoglobin, myoglobin. Fibrillære proteiner - kollagen, myosin, aktin.

Kvartær struktur- finnes bare i enkelte proteiner. Slike proteiner er bygget opp fra flere peptider. Hvert peptid har sin egen primære, sekundære, tertiære struktur, kalt protomerer. Flere protomerer går sammen for å danne ett molekyl. En protomer fungerer ikke som et protein, men bare sammen med andre protomerer.

Eksempel: hemoglobin \u003d -globule + -globule - bærer O 2 i aggregatet, og ikke separat.

Protein kan renatureres. Dette krever svært kort eksponering for midler.

6) Metoder for å påvise proteiner.

Proteiner er høymolekylære biologiske polymerer, hvis strukturelle (monomere) enheter er -aminosyrer. Aminosyrer i proteiner er knyttet til hverandre med peptidbindinger. hvis dannelse skjer på grunn av at karboksylgruppen står ved -karbonatom av en aminosyre og -amingruppe av en annen aminosyre med frigjøring av et vannmolekyl. De monomere enhetene til proteiner kalles aminosyrerester.

Peptider, polypeptider og proteiner varierer ikke bare i mengde, sammensetning, men også i sekvensen av aminosyrerester, fysisk-kjemiske egenskaper og funksjoner utført i kroppen. Molekylvekten til proteiner varierer fra 6 tusen til 1 million eller mer. De kjemiske og fysiske egenskapene til proteiner skyldes den kjemiske naturen og de fysisk-kjemiske egenskapene til radikalene som utgjør deres aminosyrerester. Metoder for påvisning og kvantifisering av proteiner i biologiske gjenstander og matvarer, samt deres isolering fra vev og biologiske væsker, er basert på de fysiske og kjemiske egenskapene til disse forbindelsene.

Proteiner når de interagerer med visse kjemikalier gi fargede forbindelser. Dannelsen av disse forbindelsene skjer med deltakelse av aminosyreradikaler, deres spesifikke grupper eller peptidbindinger. Fargereaksjoner lar deg stille inn tilstedeværelsen av et protein i en biologisk gjenstand eller løsning og bevis tilstedeværelsen visse aminosyrer i et proteinmolekyl. På grunnlag av fargereaksjoner er det utviklet noen metoder for kvantitativ bestemmelse av proteiner og aminosyrer.

Vurder universell biuret- og ninhydrinreaksjoner, siden alle proteiner gir dem. Xantoproteinreaksjon, Fohl-reaksjon og andre er spesifikke, siden de skyldes radikalgruppene til visse aminosyrer i proteinmolekylet.

Fargereaksjoner lar deg fastslå tilstedeværelsen av et protein i materialet som studeres og tilstedeværelsen av visse aminosyrer i dets molekyler.

Biuret reaksjon. Reaksjonen skyldes tilstedeværelsen i proteiner, peptider, polypeptider peptidbindinger, som i alkalisk medium dannes med kobber(II)ioner komplekse forbindelser farget inn lilla (med et rødt eller blått skjær) farge. Fargen skyldes tilstedeværelsen av minst to grupper i molekylet -CO-NH- koblet direkte til hverandre eller med deltagelse av et karbon- eller nitrogenatom.

Kobber (II) ioner er forbundet med to ioniske bindinger med =C─O ˉ grupper og fire koordinasjonsbindinger med nitrogenatomer (=N−).

Fargeintensiteten avhenger av mengden protein i løsningen. Dette gjør det mulig å bruke denne reaksjonen til kvantitativ bestemmelse av protein. Fargen på de fargede løsningene avhenger av lengden på polypeptidkjeden. Proteiner gir en blåfiolett farge; produktene av deres hydrolyse (poly- og oligopeptider) er røde eller rosa i fargen. Biuretreaksjonen gis ikke bare av proteiner, peptider og polypeptider, men også av biuret (NH 2 -CO-NH-CO-NH 2), oksamid (NH 2 -CO-CO-NH 2), histidin.

Den komplekse forbindelsen av kobber (II) med peptidgrupper dannet i et alkalisk medium har følgende struktur:

Ninhydrinreaksjon. I denne reaksjonen gir løsninger av protein, polypeptider, peptider og frie α-aminosyrer, når de varmes opp med ninhydrin, en blå, blåfiolett eller rosafiolett farge. Fargen i denne reaksjonen utvikler seg på grunn av α-aminogruppen.

-aminosyrer reagerer veldig lett med ninhydrin. Sammen med dem er Ruemans blåfiolett også dannet av proteiner, peptider, primære aminer, ammoniakk og noen andre forbindelser. Sekundære aminer, som prolin og hydroksyprolin, gir en gul farge.

Ninhydrinreaksjonen er mye brukt for å oppdage og kvantifisere aminosyrer.

xantoproteinreaksjon. Denne reaksjonen indikerer tilstedeværelsen av aromatiske aminosyrerester i proteiner - tyrosin, fenylalanin, tryptofan. Det er basert på nitrering av benzenringen av radikalene til disse aminosyrene med dannelse av gulfargede nitroforbindelser (gresk "Xanthos" - gul). Ved å bruke tyrosin som eksempel kan denne reaksjonen beskrives i form av følgende ligninger.

I et alkalisk miljø danner nitroderivater av aminosyrer salter av kinoidstrukturen, farget oransje. Xantoproteinreaksjonen er gitt av benzen og dets homologer, fenol og andre aromatiske forbindelser.

Reaksjoner på aminosyrer som inneholder en tiolgruppe i redusert eller oksidert tilstand (cystein, cystin).

Fohls reaksjon. Når det kokes med alkali, spaltes svovel lett fra cystein i form av hydrogensulfid, som i et alkalisk medium danner natriumsulfid:

I denne forbindelse er reaksjonene for å bestemme tiolholdige aminosyrer i løsning delt inn i to stadier:

Overgangen av svovel fra organisk til uorganisk tilstand

Påvisning av svovel i løsning

For å oppdage natriumsulfid brukes blyacetat, som, når det interagerer med natriumhydroksid, blir til sin plumbite:

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

Som et resultat av samspillet mellom svovelioner og bly, dannes svart eller brunt blysulfid:

Na 2 S + Pb(På en) 2 + 2 H 2 O PbS (svart bunnfall) + 4NaOH

For å bestemme svovelholdige aminosyrer tilsettes et likt volum natriumhydroksid og noen få dråper blyacetatløsning til testløsningen. Ved intensiv koking i 3-5 minutter blir væsken svart.

Tilstedeværelsen av cystin kan bestemmes ved hjelp av denne reaksjonen, siden cystin lett reduseres til cystein.

Millon reaksjon:

Dette er en reaksjon på aminosyren tyrosin.

Frie fenoliske hydroksylsyrer av tyrosinmolekyler, når de interagerer med salter, gir forbindelser av kvikksølvsaltet av nitroderivatet av tyrosin, farget rosarød:

Pauli-reaksjon for histidin og tyrosin . Pauli-reaksjonen gjør det mulig å påvise aminosyrene histidin og tyrosin i proteinet, som danner kirsebærrøde kompleksforbindelser med diazobenzensulfonsyre. Diazobenzensulfonsyre dannes i reaksjonen av diazotisering når sulfanilsyre reagerer med natriumnitritt i et surt medium:

Et likt volum av en sur løsning av sulfanilsyre (tilberedt ved bruk av saltsyre) og et dobbelt volum natriumnitrittløsning tilsettes testløsningen, blandes grundig og soda (natriumkarbonat) tilsettes umiddelbart. Etter omrøring blir blandingen kirsebærrød, forutsatt at histidin eller tyrosin er tilstede i testløsningen.

Adamkevich-Hopkins-Kohl (Schulz-Raspail) reaksjon på tryptofan (reaksjon på indolgruppen). Tryptofan reagerer i et surt miljø med aldehyder, og danner fargede kondensasjonsprodukter. Reaksjonen fortsetter på grunn av interaksjonen mellom indolringen av tryptofan og aldehyd. Det er kjent at formaldehyd dannes fra glyoksylsyre i nærvær av svovelsyre:

R
Løsninger som inneholder tryptofan i nærvær av glyoksylsyre og svovelsyre gir en rødfiolett farge.

Glyoksylsyre er alltid til stede i små mengder i iseddik. Derfor kan reaksjonen utføres ved bruk av eddiksyre. Samtidig tilsettes et likt volum iseddik (konsentrert) til testløsningen og varmes forsiktig opp til bunnfallet er oppløst. Etter avkjøling tilsettes et volum konsentrert svovelsyre lik det tilsatte volumet av glyoksylsyre. Bland forsiktig langs veggen (for å unngå å blande væsker). Etter 5-10 minutter observeres dannelsen av en rød-fiolett ring i grensesnittet mellom de to lagene. Hvis du blander lagene, blir innholdet i retten jevnt lilla.

TIL

kondensering av tryptofan med formaldehyd:

Kondensasjonsproduktet oksideres til bis-2-tryptofanylkarbinol, som i nærvær av mineralsyrer danner blåfiolette salter:

7) Klassifisering av proteiner. Metoder for å studere aminosyresammensetningen.

Strenge nomenklatur og klassifisering av proteiner eksisterer fortsatt ikke. Navnene på proteiner er gitt tilfeldig, oftest tatt i betraktning kilden til proteinisolering eller under hensyntagen til dets løselighet i visse løsemidler, formen på molekylet, etc.

Proteiner er klassifisert etter sammensetning, partikkelform, løselighet, aminosyresammensetning, opprinnelse, etc.

1. Komposisjon Proteiner er delt inn i to store grupper: enkle og komplekse proteiner.

Simple (proteiner) inkluderer proteiner som kun gir aminosyrer ved hydrolyse (proteinoider, protaminer, histoner, prolaminer, gluteliner, globuliner, albuminer). Eksempler på enkle proteiner er silkefibroin, eggeserumalbumin, pepsin, etc.

Komplekse (proteider) inkluderer proteiner sammensatt av et enkelt protein og en ekstra (protese) gruppe av ikke-proteinnatur. Gruppen av komplekse proteiner er delt inn i flere undergrupper avhengig av arten av ikke-proteinkomponenten:

Metalloproteiner som i deres sammensetning inneholder metaller (Fe, Cu, Mg, etc.) assosiert direkte med polypeptidkjeden;

Fosfoproteiner - inneholder rester av fosforsyre, som er festet til proteinmolekylet med esterbindinger på stedet for hydroksylgruppene til serin, treonin;

Glykoproteiner - deres protesegrupper er karbohydrater;

Kromoproteiner - består av et enkelt protein og en farget ikke-proteinforbindelse assosiert med det, alle kromoproteiner er biologisk svært aktive; som protesegrupper kan de inneholde derivater av porfyrin, isoalloksazin og karoten;

Lipoproteiner - protesegruppelipider - triglyserider (fett) og fosfatider;

Nukleoproteiner er proteiner som består av et enkelt protein og en nukleinsyre knyttet til det. Disse proteinene spiller en kolossal rolle i kroppens liv og vil bli diskutert nedenfor. De er en del av enhver celle, noen nukleoproteiner eksisterer i naturen i form av spesielle partikler med patogen aktivitet (virus).

2. Partikkelform- proteiner deles inn i fibrillære (trådlignende) og globulære (sfæriske) (se side 30).

3. Etter løselighet og egenskaper ved aminosyresammensetningen følgende grupper av enkle proteiner skilles ut:

Proteinoider - proteiner fra støttende vev (bein, brusk, leddbånd, sener, hår, negler, hud, etc.). Dette er hovedsakelig fibrillære proteiner med stor molekylvekt (> 150 000 Da), uløselige i vanlige løsemidler: vann, salt og vann-alkoholblandinger. De oppløses bare i spesifikke løsemidler;

Protaminer (de enkleste proteinene) - proteiner som er løselige i vann og inneholder 80-90 % arginin og et begrenset sett (6-8) andre aminosyrer, finnes i melken til forskjellige fisker. På grunn av det høye innholdet av arginin har de grunnleggende egenskaper, deres molekylvekt er relativt liten og er omtrent lik 4000-12000 Da. De er en proteinkomponent i sammensetningen av nukleoproteiner;

Histoner er svært løselige i vann og fortynnede syreløsninger (0,1 N), har et høyt innhold av aminosyrer: arginin, lysin og histidin (minst 30%) og har derfor grunnleggende egenskaper. Disse proteinene finnes i betydelige mengder i cellekjernene som en del av nukleoproteiner og spiller en viktig rolle i reguleringen av nukleinsyremetabolismen. Molekylvekten til histoner er liten og lik 11000-24000 Da;

Globuliner er proteiner som er uløselige i vann og saltløsninger med en saltkonsentrasjon på mer enn 7 %. Globuliner utfelles fullstendig ved 50 % metning av løsningen med ammoniumsulfat. Disse proteinene er karakterisert ved et høyt innhold av glycin (3,5%), deres molekylvekt > 100 000 Da. Globuliner er svakt sure eller nøytrale proteiner (p1=6-7,3);

Albuminer er proteiner som er svært løselige i vann og sterke saltløsninger, og saltkonsentrasjonen (NH 4) 2 S0 4 bør ikke overstige 50 % av metningen. Ved høyere konsentrasjoner saltes albuminer ut. Sammenlignet med globuliner inneholder disse proteinene tre ganger mindre glycin og har en molekylvekt på 40 000-70 000 Da. Albuminer har en overflødig negativ ladning og sure egenskaper (pl=4,7) på grunn av det høye innholdet av glutaminsyre;

Prolaminer er en gruppe planteproteiner som finnes i glutenet i korn. De er løselige bare i 60-80% vandig løsning av etylalkohol. Prolaminer har en karakteristisk aminosyresammensetning: de inneholder mye (20-50%) glutaminsyre og prolin (10-15%), og det er derfor de har fått navnet sitt. Deres molekylvekt er over 100 000 Da;

Gluteliner - vegetabilske proteiner er uløselige i vann, saltløsninger og etanol, men løselige i fortynnede (0,1 N) løsninger av alkalier og syrer. Når det gjelder aminosyresammensetning og molekylvekt, ligner de på prolaminer, men inneholder mer arginin og mindre prolin.

Metoder for å studere aminosyresammensetningen

Proteiner brytes ned til aminosyrer av enzymer i fordøyelsessaften. To viktige konklusjoner ble gjort: 1) proteiner inneholder aminosyrer; 2) hydrolysemetoder kan brukes til å studere den kjemiske sammensetningen av proteiner, spesielt aminosyrer.

For å studere aminosyresammensetningen til proteiner, brukes en kombinasjon av sur (HCl), alkalisk [Ba(OH) 2 ] og, mer sjelden, enzymatisk hydrolyse, eller en av dem. Det er fastslått at under hydrolysen av et rent protein som ikke inneholder urenheter, frigjøres 20 forskjellige α-aminosyrer. Alle andre aminosyrer oppdaget i vev til dyr, planter og mikroorganismer (mer enn 300) eksisterer i naturen i fri tilstand eller i form av korte peptider eller komplekser med andre organiske stoffer.

Det første trinnet i å bestemme den primære strukturen til proteiner er den kvalitative og kvantitative vurderingen av aminosyresammensetningen til et gitt individuelt protein. Det må huskes at for studien må du ha en viss mengde rent protein, uten urenheter av andre proteiner eller peptider.

Syrehydrolyse av protein

For å bestemme aminosyresammensetningen er det nødvendig å ødelegge alle peptidbindinger i proteinet. Det analyserte proteinet hydrolyseres i 6 mol/l HC1 ved en temperatur på ca 110 °C i 24 timer Som et resultat av denne behandlingen blir peptidbindinger i proteinet ødelagt, og kun frie aminosyrer er tilstede i hydrolysatet. I tillegg hydrolyseres glutamin og asparagin til glutaminsyre og asparaginsyre (dvs. at amidbindingen i radikalet brytes og aminogruppen spaltes fra dem).

Separasjon av aminosyrer ved hjelp av ionebytterkromatografi

Blandingen av aminosyrer oppnådd ved syrehydrolyse av proteiner separeres i en kolonne med en kationbytterharpiks. En slik syntetisk harpiks inneholder negativt ladede grupper (for eksempel sulfonsyrerester -SO 3 -) sterkt assosiert med den, som Na + -ioner er festet til (fig. 1-4).

En blanding av aminosyrer føres inn i kationbytteren i et surt miljø (pH 3,0), hvor aminosyrene hovedsakelig er kationer, dvs. bære en positiv ladning. Positivt ladede aminosyrer fester seg til negativt ladede harpikspartikler. Jo større den totale ladningen til aminosyren, desto sterkere er dens binding med harpiksen. Dermed binder aminosyrene lysin, arginin og histidin sterkest til kationbytteren, mens asparaginsyre og glutaminsyre binder seg svakest.

Frigjøringen av aminosyrer fra kolonnen utføres ved å eluere (eluere) dem med en bufferløsning med økende ionestyrke (dvs. med økende NaCl-konsentrasjon) og pH. Med en økning i pH, mister aminosyrer et proton, som et resultat avtar deres positive ladning, og dermed bindingsstyrken med negativt ladede harpikspartikler.

Hver aminosyre går ut av kolonnen ved en bestemt pH og ionestyrke. Ved å samle opp løsningen (eluatet) fra den nedre enden av kolonnen i form av små porsjoner, kan man oppnå fraksjoner som inneholder individuelle aminosyrer.

(for flere detaljer om "hydrolyse" se spørsmål #10)

8) Kjemiske bindinger i proteinstrukturen.

9) Konseptet om hierarki og strukturell organisering av proteiner. (se spørsmål #12)

10) Proteinhydrolyse. Reaksjonskjemi (stepping, katalysatorer, reagenser, reaksjonsbetingelser) - en fullstendig beskrivelse av hydrolyse.

11) Kjemiske transformasjoner av proteiner.

Denaturering og renaturering

Når proteinløsninger varmes opp til 60-80 % eller under påvirkning av reagenser som ødelegger ikke-kovalente bindinger i proteiner, ødelegges den tertiære (kvartære) og sekundære strukturen til proteinmolekylet, det tar form av en tilfeldig tilfeldig spole for å i større eller mindre grad. Denne prosessen kalles denaturering. Syrer, alkalier, alkoholer, fenoler, urea, guanidinklorid etc. kan brukes som denaturerende reagenser Essensen av deres virkning er at de danner hydrogenbindinger med =NH og =CO - grupper i peptidryggraden og med sure grupper av aminosyreradikaler, som erstatter deres egne intramolekylære hydrogenbindinger i proteinet, som et resultat av at de sekundære og tertiære strukturene endres. Under denaturering avtar proteinets løselighet, det "koagulerer" (for eksempel når du koker et kyllingegg), og den biologiske aktiviteten til proteinet går tapt. Basert på dette, for eksempel bruk av en vandig løsning av karbolsyre (fenol) som et antiseptisk middel. Under visse forhold, med langsom avkjøling av en løsning av et denaturert protein, oppstår renaturering - restaurering av den opprinnelige (native) konformasjonen. Dette bekrefter det faktum at arten av foldingen av peptidkjeden bestemmes av den primære strukturen.

Prosessen med denaturering av et individuelt proteinmolekyl, som fører til desintegrering av dets "stive" tredimensjonale struktur, kalles noen ganger smeltingen av molekylet. Nesten enhver merkbar endring i ytre forhold, for eksempel oppvarming eller en betydelig endring i pH, fører til et konsekvent brudd på de kvaternære, tertiære og sekundære strukturene til proteinet. Vanligvis er denaturering forårsaket av temperaturøkning, virkningen av sterke syrer og alkalier, salter av tungmetaller, visse løsemidler (alkohol), stråling, etc.

Denaturering fører ofte til prosessen med aggregering av proteinpartikler til større i en kolloidal løsning av proteinmolekyler. Visuelt ser dette for eksempel ut som dannelsen av et "protein" ved steking av egg.

Renaturering er den omvendte prosessen med denaturering, der proteiner går tilbake til sin naturlige struktur. Det skal bemerkes at ikke alle proteiner er i stand til å renaturere; i de fleste proteiner er denaturering irreversibel. Hvis fysisk-kjemiske endringer under proteindenaturering er assosiert med overgangen til polypeptidkjeden fra en tettpakket (ordnet) tilstand til en uordnet tilstand, så manifesteres proteiners evne til selvorganisering under renaturering, hvis vei er forhåndsbestemt av sekvensen av aminosyrer i polypeptidkjeden, det vil si dens primære struktur bestemt av arvelig informasjon . I levende celler er denne informasjonen sannsynligvis avgjørende for transformasjonen av en forstyrret polypeptidkjede under eller etter dens biosyntese på ribosomet til strukturen til et naturlig proteinmolekyl. Når dobbelttrådede DNA-molekyler varmes opp til en temperatur på omtrent 100 ° C, brytes hydrogenbindingene mellom basene, og de komplementære trådene divergerer - DNA denaturerer. Ved langsom avkjøling kan imidlertid de komplementære trådene kobles sammen igjen til en vanlig dobbel helix. Denne evnen til DNA til å renaturere brukes til å produsere kunstige DNA-hybridmolekyler.

Naturlige proteinlegemer er utstyrt med en bestemt, strengt definert romlig konfigurasjon og har en rekke karakteristiske fysisk-kjemiske og biologiske egenskaper ved fysiologiske temperaturer og pH-verdier. Under påvirkning av forskjellige fysiske og kjemiske faktorer gjennomgår proteiner koagulering og utfelling, og mister sine opprinnelige egenskaper. Dermed bør denaturering forstås som et brudd på den generelle planen for den unike strukturen til det native proteinmolekylet, hovedsakelig dets tertiære struktur, som fører til tap av dets karakteristiske egenskaper (løselighet, elektroforetisk mobilitet, biologisk aktivitet, etc.). De fleste proteiner denaturerer når løsningene deres varmes opp over 50–60 °C.

Eksterne manifestasjoner av denaturering reduseres til tap av løselighet, spesielt ved det isoelektriske punktet, en økning i viskositeten til proteinløsninger, en økning i antall frie funksjonelle SH-grupper og en endring i naturen til røntgenspredning. . Det mest karakteristiske tegnet på denaturering er en kraftig reduksjon eller fullstendig tap av proteinet av dets biologiske aktivitet (katalytisk, antigen eller hormonell). Under proteindenaturering forårsaket av 8M urea eller et annet middel, blir for det meste ikke-kovalente bindinger (spesielt hydrofobe interaksjoner og hydrogenbindinger) ødelagt. Disulfidbindinger brytes i nærvær av reduksjonsmidlet merkaptoetanol, mens peptidbindingene i ryggraden i selve polypeptidkjeden ikke påvirkes. Under disse forholdene utfolder kuler av native proteinmolekyler seg og tilfeldige og uordnede strukturer dannes (fig.)

Denaturering av et proteinmolekyl (skjema).

a - initial tilstand; b - begynnende reversibelt brudd på molekylstrukturen; c - irreversibel utplassering av polypeptidkjeden.

Denaturering og renaturering av ribonuklease (ifølge Anfinsen).

a - utplassering (urea + merkaptoetanol); b - refolding.

1. Proteinhydrolyse: H+

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

│ │ ‌‌│ │

Aminosyre 1 aminosyre 2

2. Utfelling av proteiner:

a) reversibel

Protein i løsning ↔ proteinutfelling. Oppstår under påvirkning av løsninger av salter Na+, K+

b) irreversibel (denaturering)

Under denaturering under påvirkning av eksterne faktorer (temperatur; mekanisk virkning - trykk, gnidning, risting, ultralyd; virkningen av kjemiske midler - syrer, alkalier, etc.), skjer det en endring i proteinets sekundære, tertiære og kvaternære strukturer makromolekyl, dvs. dens opprinnelige romlige struktur. Den primære strukturen, og følgelig den kjemiske sammensetningen av proteinet, endres ikke.

Under denaturering endres de fysiske egenskapene til proteiner: løseligheten avtar, biologisk aktivitet går tapt. Samtidig øker aktiviteten til noen kjemiske grupper, effekten av proteolytiske enzymer på proteiner lettes, og følgelig hydrolyseres den lettere.

For eksempel blir albumin - eggehvite - ved en temperatur på 60-70 ° utfelt fra en løsning (koagulerer), og mister evnen til å oppløses i vann.

Opplegg for prosessen med proteindenaturering (ødeleggelse av de tertiære og sekundære strukturene til proteinmolekyler)

3. Brenne proteiner

Proteiner brenner med dannelse av nitrogen, karbondioksid, vann og noen andre stoffer. Brenning er ledsaget av den karakteristiske lukten av brente fjær.

4. Farge (kvalitative) reaksjoner på proteiner:

a) xantoproteinreaksjon (for aminosyrerester som inneholder benzenringer):

Protein + HNO3 (kons.) → gul farge

b) biuretreaksjon (for peptidbindinger):

Protein + CuSO4 (sat) + NaOH (kons.) → lys lilla farge

c) cysteinreaksjon (for aminosyrerester som inneholder svovel):

Protein + NaOH + Pb(CH3COO)2 → Svartfarging

Proteiner er grunnlaget for alt liv på jorden og utfører ulike funksjoner i organismer.

Salte ut proteiner

Utsalting er prosessen med å isolere proteiner fra vandige løsninger med nøytrale løsninger av konsentrerte salter av alkali- og jordalkalimetaller. Når høye konsentrasjoner av salter tilsettes proteinløsningen, skjer dehydrering av proteinpartiklene og fjerning av ladningen, mens proteinene feller ut. Graden av proteinutfelling avhenger av ionestyrken til utfellingsløsningen, størrelsen på partiklene til proteinmolekylet, størrelsen på ladningen og hydrofilisiteten. Ulike proteiner utfelles ved forskjellige saltkonsentrasjoner. Derfor, i sedimenter oppnådd ved å gradvis øke konsentrasjonen av salter, er individuelle proteiner i forskjellige fraksjoner. Utsalting av proteiner er en reversibel prosess, og etter at saltet er fjernet, får proteinet tilbake sine naturlige egenskaper. Derfor brukes utsalting i klinisk praksis ved separering av blodserumproteiner, samt ved isolering og rensing av ulike proteiner.

Tilsatte anioner og kationer ødelegger det hydrerte proteinskallet til proteiner, som er en av stabilitetsfaktorene til proteinløsninger. Oftest brukes løsninger av Na- og ammoniumsulfater. Mange proteiner er forskjellige i størrelsen på hydreringsskallet og størrelsen på ladningen. Hvert protein har sin egen utsaltingssone. Etter fjerning av utsaltingsmidlet beholder proteinet sin biologiske aktivitet og fysisk-kjemiske egenskaper. I klinisk praksis brukes utsaltingsmetoden for å separere globuliner (med tilsetning av 50 % ammoniumsulfat (NH4)2SO4 utfelles et bunnfall) og albuminer (med tilsetning av 100 % ammoniumsulfat (NH4)2SO4 bunnfall ut).

Utsalting påvirkes av:

1) natur og konsentrasjon av salt;

2) pH-miljøer;

3) temperatur.

Hovedrollen spilles av valensene til ionene.

12) Funksjoner ved organiseringen av den primære, sekundære, tertiære strukturen til proteinet.

For tiden er eksistensen av fire nivåer av strukturell organisering av et proteinmolekyl eksperimentelt bevist: primær, sekundær, tertiær og kvartær struktur.

Aminosyresammensetningen og romlig organisering av hvert protein bestemmer dets fysisk-kjemiske egenskaper. Proteiner har syre-base, buffer, kolloidale og osmotiske egenskaper.

Proteiner som amfotere makromolekyler

Proteiner er amfotere polyelektrolytter, dvs. kombinerer, som aminosyrer, sure og basiske egenskaper. Naturen til gruppene som gir amfotere egenskaper til proteiner er imidlertid langt fra den samme som for aminosyrer. Syre-base-egenskapene til aminosyrer skyldes først og fremst tilstedeværelsen av α-amino- og α-karboksylgrupper (syre-base-par). I proteinmolekyler deltar disse gruppene i dannelsen av peptidbindinger, og amfotere proteiner er gitt av syre-base grupper av sideradikaler av aminosyrer som utgjør proteinet. Selvfølgelig, i hvert nativt proteinmolekyl (polypeptidkjede) er det minst én terminal α-amino- og α-karboksylgruppe (hvis proteinet kun har en tertiær struktur). I et protein med en kvaternær struktur er antallet endegrupper -NH 2 og -COOH lik antall underenheter, eller protomerer. Et så lite antall av disse gruppene kan imidlertid ikke forklare den amfotere naturen til proteinmakromolekyler. Siden de fleste av de polare gruppene er lokalisert på overflaten av kuleproteiner, bestemmer de syre-base-egenskapene og ladningen til proteinmolekylet. Proteinets sure egenskaper er gitt av sure aminosyrer (asparaginsyre, glutaminsyre og aminositrisk), og alkaliske egenskaper er gitt av basiske aminosyrer (lysin, arginin, histidin). Jo surere aminosyrer et protein inneholder, jo mer uttalt er dets syreegenskaper, og jo mer basiske aminosyrer som er inkludert i proteinet, jo sterkere manifesteres dets grunnleggende egenskaper. Svak dissosiasjon av SH-gruppen av cystein og den fenoliske gruppen av tyrosin (de kan betraktes som svake syrer) har nesten ingen effekt på amfoterisiteten til proteiner.

Bufferegenskaper. Selv om proteiner har bufferegenskaper, er deres kapasitet ved fysiologiske pH-verdier begrenset. Unntaket er proteiner som inneholder mye histidin, siden kun sidegruppen av histidin har bufferegenskaper i pH-området nær fysiologisk. Det er svært få av disse proteinene. Hemoglobin er nesten det eneste proteinet som inneholder opptil 8 % histidin, som er en kraftig intracellulær buffer i erytrocytter som opprettholder blodets pH på et konstant nivå.

Ladningen til et proteinmolekyl avhenger av innholdet av sure og basiske aminosyrer i det, eller rettere sagt, av ioniseringen av de sure og basiske gruppene til sideradikalet til disse aminosyrene. Dissosiasjonen av COOH-gruppene til sure aminosyrer fører til at en negativ ladning vises på proteinoverflaten, og sideradikalene til alkaliske aminosyrer har en positiv ladning (på grunn av tilsetningen av H + til hovedgruppene). I et naturlig proteinmolekyl er ladninger fordelt asymmetrisk avhengig av det romlige arrangementet av polypeptidkjeden. Hvis sure aminosyrer dominerer over basiske i et protein, er proteinmolekylet generelt elektronegativt, det vil si at det er et polyanion, og omvendt, hvis basiske aminosyrer dominerer, er det positivt ladet, dvs. det oppfører seg som en polykation.

Den totale ladningen til et proteinmolekyl avhenger selvfølgelig av mediets pH: i et surt medium er det positivt, i et alkalisk medium er det negativt. pH-verdien der proteinet har en nettoladning på null kalles det isoelektriske punktet til proteinet. På dette tidspunktet har ikke proteinet mobilitet i det elektriske feltet. Det isoelektriske punktet til hvert protein bestemmes av forholdet mellom sure og basiske grupper av aminosyresideradikaler: jo høyere forholdet mellom sure/basiske aminosyrer i et protein, jo lavere er dets isoelektriske punkt. Sure proteiner har en pH på 1< 7, у нейтральных рН 1 около 7, а у основных рН 1 >7. Ved pH-verdier under dets isoelektriske punkt, vil proteinet bære en positiv ladning, og over - en negativ ladning. Det gjennomsnittlige isoelektriske punktet for alle cytoplasmatiske proteiner ligger innenfor 5,5. Derfor, ved fysiologisk pH (ca. 7,0 - 7,4), har cellulære proteiner en generell negativ ladning. Overskuddet av negative ladninger av proteiner inne i cellen balanseres, som allerede nevnt, av uorganiske kationer.

Å kjenne det isoelektriske punktet er veldig viktig for å forstå stabiliteten til proteiner i løsninger, siden proteiner er minst stabile i den isoelektriske tilstanden. Uladede proteinpartikler kan feste seg sammen og felle ut.

Kolloidale og osmotiske egenskaper til proteiner

Oppførselen til proteiner i løsninger har noen særegenheter. Vanlige kolloide løsninger er stabile bare i nærvær av en stabilisator som forhindrer kolloidene i å slå seg ned ved grensesnittet mellom løst stoff og løsemiddel.

Vandige løsninger av proteiner er stabile og balanserte; de ​​utfeller ikke (koagulerer ikke) over tid og krever ikke tilstedeværelse av stabilisatorer. Proteinløsninger er homogene, og i hovedsak kan de klassifiseres som ekte løsninger. Imidlertid gir den høye molekylvekten til proteiner løsningene deres mange egenskaper til kolloidale systemer:

• karakteristiske optiske egenskaper (opalescens av løsninger og deres evne til å spre synlige lysstråler) [forestilling] .

  Optiske egenskaper til proteiner. Løsninger av proteiner, spesielt konsentrerte, har en karakteristisk opalescens. Når proteinløsningen belyses sideveis, blir lysstrålene i den synlige og danner en lysende kjegle eller stripe - Tyndall-effekten (i sterkt fortynnede proteinløsninger er opalescens ikke synlig og den lysende Tyndall-kjeglen er nesten fraværende). Denne lysspredningseffekten forklares av diffraksjonen av lysstråler av proteinpartikler i løsning. Det antas at proteinet i protoplasmaet til cellen er i form av en kolloidal løsning - en sol. Evnen til proteiner og andre biologiske molekyler (nukleinsyrer, polysakkarider, etc.) til å spre lys brukes i mikroskopisk studie av cellulære strukturer: i det mørke feltet i mikroskopet er kolloidale partikler synlige som lysflekker i cytoplasmaet.

  Lysspredningsevnen til proteiner og andre makromolekylære stoffer brukes for deres kvantitative bestemmelse ved nefelometri, og sammenligner intensiteten av lysspredning av suspenderte partikler i testen og standardsol.

• lav diffusjonshastighet [forestilling] .

  Lav diffusjonshastighet. Diffusjon er den spontane bevegelsen av oppløste molekyler på grunn av en konsentrasjonsgradient (fra områder med høy konsentrasjon til områder med lav konsentrasjon). Proteiner har en begrenset diffusjonshastighet sammenlignet med vanlige molekyler og ioner, som beveger seg hundrevis til tusenvis av ganger raskere enn proteiner. Diffusjonshastigheten til proteiner avhenger mer av formen til molekylene deres enn av molekylvekten. Globulære proteiner i vandige løsninger er mer mobile enn fibrillære proteiner.

  Diffusjonen av proteiner er avgjørende for normal funksjon av cellen. Syntesen av proteiner i en hvilken som helst del av cellen (hvor det er ribosomer) kan føre, i fravær av diffusjon, til akkumulering av proteiner på stedet for dannelsen deres. Intracellulær distribusjon av proteiner skjer ved diffusjon. Siden proteindiffusjonshastigheten er lav, begrenser den hastigheten på prosesser som avhenger av funksjonen til det diffuserende proteinet i det tilsvarende området av cellen.

• manglende evne til å penetrere semipermeable membraner [forestilling] .

  Osmotiske egenskaper til proteiner. Proteiner kan på grunn av sin høye molekylvekt ikke diffundere gjennom en semipermeabel membran, mens stoffer med lav molekylvekt lett passerer gjennom slike membraner. Denne egenskapen til proteiner brukes i praksis for å rense løsningene deres fra lavmolekylære urenheter. Denne prosessen kalles dialyse.

  Proteiners manglende evne til å diffundere gjennom semipermeable membraner forårsaker fenomenet osmose, dvs. bevegelsen av vannmolekyler gjennom en semipermeabel membran til en proteinløsning. Hvis proteinløsningen er separert fra vannet med en cellofanmembran, vil vannmolekyler diffundere inn i proteinløsningen i forsøk på å oppnå likevekt. Imidlertid øker bevegelsen av vann inn i rommet hvor proteinet befinner seg det hydrostatiske trykket i det (trykket i vannsøylen), noe som forhindrer ytterligere diffusjon av vannmolekyler til proteinet.

  Trykket eller kraften som må påføres for å stoppe den osmotiske vannstrømmen kalles osmotisk trykk. Det osmotiske trykket i svært fortynnede proteinløsninger er proporsjonalt med den molare konsentrasjonen av proteinet og den absolutte temperaturen.

  Biologiske membraner er også ugjennomtrengelige for protein, så det osmotiske trykket som skapes av proteinet avhenger av konsentrasjonen i og utenfor cellen. Det osmotiske trykket på grunn av protein kalles også onkotisk trykk.

• løsninger med høy viskositet [forestilling] .

  Proteinløsninger med høy viskositet. Høy viskositet er typisk ikke bare for proteinløsninger, men generelt for løsninger av makromolekylære forbindelser. Med en økning i proteinkonsentrasjonen øker viskositeten til løsningen, siden adhesjonskreftene mellom proteinmolekylene øker. Viskositeten avhenger av formen på molekylene. Løsninger av fibrillære proteiner er alltid mer viskøse enn løsninger av globulære proteiner. Viskositeten til løsninger påvirkes sterkt av temperatur og tilstedeværelse av elektrolytter. Når temperaturen øker, synker viskositeten til proteinløsninger. Tilsetninger av noen salter, som kalsium, øker viskositeten ved å fremme adhesjonen av molekyler ved hjelp av kalsiumbroer. Noen ganger øker viskositeten til proteinløsningen så mye at den mister flyt og går over i en gellignende tilstand.

• geleringsevne [forestilling] .

  Proteiners evne til å danne geler. Samspillet mellom proteinmakromolekyler i løsning kan føre til dannelsen av strukturelle nettverk, inne som er fanget vannmolekyler. Slike strukturerte systemer kalles geler eller geléer. Det antas at proteinet i protoplasmaet til cellen kan gå over i en gellignende tilstand. Et typisk eksempel - kroppen til en manet er som en levende gelé, hvis vanninnhold er opptil 90%.

  Gelering fortsetter lettere i løsninger av fibrillære proteiner; deres stavformede form fremmer bedre kontakt med endene av makromolekyler. Dette er velkjent fra hverdagens praksis. Matgelé tilberedes av produkter (bein, brusk, kjøtt) som inneholder store mengder fibrillære proteiner.

  I prosessen med kroppens liv er den gellignende tilstanden til proteinstrukturer av stor fysiologisk betydning. Kollagenproteiner av bein, sener, brusk, hud, etc. har høy styrke, fasthet og elastisitet, fordi de er i en gellignende tilstand. Avsetning av mineralsalter under aldring reduserer deres fasthet og elastisitet. I en gel-lignende eller gelatinøs form finnes actomyosin i muskelceller, som utfører en kontraktil funksjon.

  I en levende celle oppstår prosesser som ligner en sol-gel-overgang. Protoplasmaet til en celle er en sollignende tyktflytende væske, der det finnes øyer med gellignende strukturer.

Hydrering av proteiner og faktorer som påvirker deres løselighet

Proteiner er hydrofile stoffer. Hvis du løser opp et tørt protein i vann, sveller det først, som enhver hydrofil høymolekylær forbindelse, og deretter begynner proteinmolekylene gradvis å passere inn i løsningen. Under hevelse trenger vannmolekyler inn i proteinet og binder seg til dets polare grupper. Den tette pakkingen av polypeptidkjeder løsnes. Et hovent protein kan betraktes som en ryggløsning, dvs. en løsning av vannmolekyler i et stoff med høy molekylvekt - protein. Ytterligere absorpsjon av vann fører til separasjon av proteinmolekyler fra den totale massen og oppløsning. Men hevelse fører ikke alltid til oppløsning; noen proteiner, som kollagen, forblir hovne etter å ha absorbert store mengder vann.

Oppløsning er assosiert med hydrering av proteiner, dvs. binding av vannmolekyler til proteiner. Hydrert vann er så sterkt bundet til proteinmakromolekylet at det er vanskelig å skille det. Dette indikerer ikke enkel adsorpsjon, men elektrostatisk binding av vannmolekyler med polare grupper av sideradikaler av sure aminosyrer som har en negativ ladning og basiske aminosyrer som har en positiv ladning.

Imidlertid er en del av hydreringsvannet bundet av peptidgrupper, som danner hydrogenbindinger med vannmolekyler. For eksempel sveller polypeptider med ikke-polare sidegrupper også, dvs. binder vann. Dermed binder en stor mengde vann kollagen, selv om dette proteinet inneholder overveiende ikke-polare aminosyrer. Vann, ved å binde seg til peptidgruppene, skyver de langstrakte polypeptidkjedene fra hverandre. Imidlertid tillater ikke interkjedebindinger (broer) proteinmolekyler å bryte fra hverandre og gå i løsning. Når råvarer som inneholder kollagen varmes opp, brytes bro mellom kjeder i kollagenfibre og de frigjorte polypeptidkjedene går over i løsning. Denne fraksjonen av delvis hydrolysert løselig kollagen kalles gelatin. Gelatin ligner i kjemisk sammensetning på kollagen, sveller lett og oppløses i vann, og danner tyktflytende væsker. En karakteristisk egenskap til gelatin er evnen til å gelere. Vandige løsninger av gelatin er mye brukt i medisinsk praksis som et plasmasubstituerende og hemostatisk middel, og evnen til å gelere - ved fremstilling av kapsler i farmasøytisk praksis.

Faktorer som påvirker løseligheten til proteiner. Løseligheten til forskjellige proteiner varierer mye. Det bestemmes av deres aminosyresammensetning (polare aminosyrer gir større løselighet enn ikke-polare), organisasjonstrekk (globulære proteiner er vanligvis bedre løselige enn fibrillære) og løsningsmiddelegenskaper. For eksempel løses vegetabilske proteiner – prolaminer – opp i 60-80 % alkohol, albuminer – i vann og i svake saltløsninger, og kollagen og keratiner er uløselige i de fleste løsemidler.

Proteinløsninger er stabile på grunn av ladningen til proteinmolekylet og hydreringsskallet. Hvert makromolekyl av et individuelt protein har en total ladning av samme fortegn, noe som hindrer dem i å feste seg sammen i løsning og utfelles. Alt som bidrar til bevaring av ladning og hydreringsskall letter oppløseligheten av proteinet og dets stabilitet i løsning. Det er et nært forhold mellom ladningen til et protein (eller antall polare aminosyrer i det) og hydrering: jo flere polare aminosyrer i et protein, jo mer vann binder seg (per 1 g protein). Hydratiseringsskallet til et protein når noen ganger en stor størrelse, og hydreringsvann kan være opptil 1/5 av massen.

Riktignok er noen proteiner mer hydrert og mindre løselige. For eksempel binder kollagen vann mer enn mange svært løselige kuleproteiner, men løses ikke opp. Dens løselighet hindres av strukturelle egenskaper - kryssbindinger mellom polypeptidkjeder. Noen ganger danner motsatt ladede proteingrupper mange ioniske (salt)bindinger i et proteinmolekyl eller mellom proteinmolekyler, noe som forhindrer dannelsen av bindinger mellom vannmolekyler og ladede proteingrupper. Et paradoksalt fenomen er observert: det er mange anioniske eller kationiske grupper i proteinet, og dets løselighet i vann er lav. Intermolekylære saltbroer får proteinmolekyler til å feste seg sammen og utfelles.

Hvilke miljøfaktorer påvirker løseligheten til proteiner og deres stabilitet i løsninger?

• Påvirkning av nøytrale salter [forestilling] .

  Nøytrale salter i små konsentrasjoner øker løseligheten til selv de proteinene som er uløselige i rent vann (for eksempel euglobuliner). Dette skyldes det faktum at saltioner, som interagerer med motsatt ladede grupper av proteinmolekyler, ødelegger saltbroer mellom proteinmolekyler. Å øke konsentrasjonen av salter (øke ionestyrken til løsningen) har motsatt effekt (se nedenfor - utsalting).

• Påvirkning av middels pH [forestilling] .

  Mediets pH påvirker ladningen til proteinet og følgelig dets løselighet. Det minst stabile proteinet er i isoelektrisk tilstand, dvs. når dets totale ladning er null. Ved å fjerne ladningen kan proteinmolekyler lett nærme seg hverandre, holde seg sammen og utfelles. Dette betyr at løseligheten og stabiliteten til proteinet vil være minimal ved pH tilsvarende det isoelektriske punktet til proteinet.

• Temperatureffekt [forestilling] .

  Det er ingen streng sammenheng mellom temperatur og arten av proteinløselighet. Noen proteiner (globuliner, pepsin, muskelfosforylase) i vandige eller saltvannsløsninger løses bedre opp med økende temperatur; andre (muskelaldolase, hemoglobin, etc.) er verre.

• Påvirkning av ulikt ladet protein [forestilling] .

  Hvis et protein som er et polykation (basisk protein) tilsettes til en løsning av et protein som er et polyanion (surt protein), danner de aggregater. I dette tilfellet går stabiliteten på grunn av nøytralisering av ladninger tapt og proteinene utfelles. Noen ganger brukes denne funksjonen til å isolere det ønskede proteinet fra en blanding av proteiner.

salte ut

Løsninger av nøytrale salter er mye brukt ikke bare for å øke løseligheten til et protein, for eksempel når det isoleres fra biologisk materiale, men også for selektiv utfelling av forskjellige proteiner, dvs. deres fraksjonering. Prosessen med utfelling av proteiner med nøytrale saltvannsløsninger kalles utsalting. Et karakteristisk trekk ved proteiner oppnådd ved utsalting er at de beholder sine opprinnelige biologiske egenskaper etter saltfjerning.

Mekanismen for utsalting er at de tilsatte anionene og kationene i saltoppløsningen fjerner hydratiseringsskallet til proteiner, som er en av faktorene for stabiliteten. Muligens skjer nøytraliseringen av proteinladninger av saltioner samtidig, noe som også bidrar til utfelling av proteiner.

Evnen til å salte ut er mest uttalt hos saltanioner. I henhold til styrken til utsaltingshandlingen er anioner og kationer ordnet i følgende rader:

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

Disse seriene kalles lyotrope.

Sulfater har en sterk utsaltingseffekt i denne serien. I praksis brukes natrium og ammoniumsulfat oftest til utsalting av proteiner. I tillegg til salter utfelles proteiner med organiske vannfjernende midler (etanol, aceton, metanol osv.). Faktisk er dette samme utsalting.

Utsalting er mye brukt for å separere og rense proteiner, siden mange proteiner er forskjellige i størrelsen på hydreringsskallet og størrelsen på ladningene. Hver av dem har sin egen utsaltingssone, dvs. saltkonsentrasjonen som tillater dehydrering og utfelling av proteinet. Etter fjerning av utsaltingsmidlet beholder proteinet alle sine naturlige egenskaper og funksjoner.

Denaturering (denativering) og renaturering (renativering)

Under påvirkning av forskjellige stoffer som bryter de høyeste organiseringsnivåene til proteinmolekylet (sekundær, tertiær, kvartær) mens den opprettholder den primære strukturen, mister proteinet sine opprinnelige fysisk-kjemiske og, viktigst av alt, biologiske egenskaper. Dette fenomenet kalles denaturering (denativering). Det er bare karakteristisk for molekyler som har en kompleks romlig organisasjon. Syntetiske og naturlige peptider er ikke i stand til å denaturere.

Under denaturering brytes bindingene som stabiliserer de kvartære, tertiære og til og med sekundære strukturene. Polypeptidkjeden utfolder seg og er i løsning enten i utfoldet form eller i form av en tilfeldig spiral. I dette tilfellet går hydreringsskallet tapt og proteinet utfelles. Imidlertid skiller det utfelte denaturerte proteinet seg fra det samme proteinet som utfelles ved utsalting, siden det i det første tilfellet mister sine opprinnelige egenskaper, mens det i det andre beholder det. Dette indikerer at virkningsmekanismen til stoffer som forårsaker denaturering og utsalting er annerledes. Under utsalting bevares den native strukturen til proteinet, og under denaturering blir det ødelagt.

Denaturerende faktorer er delt inn i

• fysisk [forestilling] .

  Fysiske faktorer inkluderer: temperatur, trykk, mekanisk påvirkning, ultralyd og ioniserende stråling.

  Termisk denaturering av proteiner er den mest studerte prosessen. Det ble ansett som en av de karakteristiske egenskapene til proteiner. Det har lenge vært kjent at ved oppvarming koagulerer (koagulerer) proteinet og utfelles. De fleste proteiner er termolabile, men proteiner er kjent for å være svært motstandsdyktige mot varme. For eksempel trypsin, chymotrypsin, lysozym, noen biologiske membranproteiner. Proteiner fra bakterier som lever i varme kilder er spesielt motstandsdyktige mot temperatur. I termostabile proteiner er åpenbart den termiske bevegelsen til polypeptidkjeder forårsaket av oppvarming ikke tilstrekkelig til å bryte de indre bindingene til proteinmolekyler. Ved det isoelektriske punktet denatureres proteiner lettere av varme. Denne teknikken brukes i praktisk arbeid. Noen proteiner, derimot, denaturerer ved lave temperaturer.

• kjemisk [forestilling] .

  Kjemiske faktorer som forårsaker denaturering inkluderer: syrer og alkalier, organiske løsemidler (alkohol, aceton), vaskemidler (vaskemidler), noen amider (urea, guanidinsalter, etc.), alkaloider, tungmetaller (salter av kvikksølv, kobber, barium, sink). , kadmium, etc.). Mekanismen for den denaturerende virkningen av kjemikalier avhenger av deres fysisk-kjemiske egenskaper.

  Syrer og alkalier er mye brukt som proteinutfellingsmidler. Mange proteiner denaturerer ved ekstreme pH-verdier under 2 eller over 10-11. Men noen proteiner er motstandsdyktige mot syrer og alkalier. For eksempel denaturerer ikke histoner og protaminer selv ved pH 2 eller pH 10. Sterke løsninger av etanol og aceton har også en denaturerende effekt på proteiner, selv om disse organiske løsningsmidlene for noen proteiner brukes som utsaltingsmidler.

  Tungmetaller, alkaloider har lenge vært brukt som utfellingsmidler; de danner sterke bindinger med de polare gruppene av proteiner og bryter derved systemet av hydrogen- og ionbindinger.

  Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot urea og guanidinsalter, som i høye konsentrasjoner (for urea 8 mol/l, for guanidinhydroklorid 2 mol/l) konkurrerer med peptidgrupper om dannelsen av hydrogenbindinger. Som et resultat skjer dissosiasjon til underenheter i proteiner med en kvaternær struktur, og deretter utfolding av polypeptidkjeder. Denne egenskapen til urea er så slående at den er mye brukt for å bevise tilstedeværelsen av en kvartær proteinstruktur og viktigheten av dens strukturelle organisering i implementeringen av en fysiologisk funksjon.

Egenskaper til denaturerte proteiner . Det mest typiske for denaturerte proteiner er følgende funksjoner.

• En økning i antall reaktive eller funksjonelle grupper sammenlignet med det native proteinmolekylet (funksjonelle grupper er grupper av sideradikaler av aminosyrer: COOH, NH 2, SH, OH). Noen av disse gruppene er vanligvis plassert inne i proteinmolekylet og blir ikke oppdaget av spesielle reagenser. Utfoldingen av polypeptidkjeden under denaturering avslører disse ytterligere, eller skjulte, gruppene.
• Redusert løselighet og utfelling av proteinet (assosiert med tap av hydreringsskallet, utfoldelse av proteinmolekylet med "eksponering" av hydrofobe radikaler og nøytralisering av ladningene til polare grupper).
• Endring i konfigurasjonen til et proteinmolekyl.
• Tap av biologisk aktivitet forårsaket av brudd på den opprinnelige strukturelle organisasjonen av molekylet.
• Enklere spaltning av proteolytiske enzymer sammenlignet med naturlig protein, overgangen av en kompakt naturlig struktur til en utfoldet løs form letter tilgangen til enzymer til peptidbindingene til proteinet, som de ødelegger.

Sistnevnte kvalitet av denaturert protein er viden kjent. Termisk eller annen behandling av produkter som inneholder proteiner (hovedsakelig kjøtt) bidrar til deres bedre fordøyelse ved hjelp av proteolytiske enzymer i mage-tarmkanalen. I magen til mennesker og dyr produseres et naturlig denatureringsmiddel - saltsyre, som ved å denaturere proteiner hjelper dem å brytes ned av enzymer. Tilstedeværelsen av saltsyre og proteolytiske enzymer tillater imidlertid ikke bruk av proteinmedisiner gjennom munnen, fordi de denatureres og umiddelbart splittes, og mister sin biologiske aktivitet.

Vi legger også merke til at denaturerende stoffer som utfeller proteiner brukes i biokjemisk praksis til andre formål enn å salte ut. Utsalting som en teknikk brukes til å isolere et bestemt protein eller gruppe av proteiner, og denaturering brukes til å frigjøre en blanding av eventuelle stoffer fra et protein. Ved å fjerne proteinet kan en proteinfri løsning oppnås eller effekten av dette proteinet kan elimineres.

Det har lenge vært antatt at denaturering er irreversibel. I noen tilfeller gjenoppretter imidlertid fjerningen av det denaturerende middelet (slike eksperimenter ble utført ved bruk av urea) den biologiske aktiviteten til proteinet. Prosessen med å gjenopprette de fysisk-kjemiske og biologiske egenskapene til et denaturert protein kalles renaturering eller renativering. Hvis det denaturerte proteinet (etter fjerning av denaturerende stoffer) omorganiserer seg til den opprinnelige strukturen, gjenopprettes dets biologiske aktivitet.

Side 4

totalt antall sider: 7

Formen på proteinmolekylet. Studier av den opprinnelige konformasjonen til proteinmolekyler har vist at disse partiklene i de fleste tilfeller har en mer eller mindre asymmetrisk form. Avhengig av graden av asymmetri, dvs. forholdet mellom de lange (b) og korte (a) aksene til proteinmolekylet, skilles kuleformede (sfæriske) og fibrillære (trådløse) proteiner.

Kuleformede er proteinmolekyler der foldingen av polypeptidkjeder har ført til dannelsen av en sfærisk struktur. Blant dem er det strengt sfæriske, elliptiske og stavformede. De er forskjellige i graden av asymmetri. For eksempel har eggalbumin b/a = 3, hvetegliadin har 11, og maiszein har 20. Mange proteiner i naturen er kuleformede.

Fibrillære proteiner danner lange, svært asymmetriske filamenter. Mange av dem har en strukturell eller mekanisk funksjon. Disse er kollagen (b/a - 200), keratiner, fibroin.

Proteiner fra hver gruppe har sine egne karakteristiske egenskaper. Mange kuleproteiner er løselige i vann og fortynnede saltløsninger. Løselige fibrillære proteiner er preget av svært viskøse løsninger. Kuleproteiner har som regel en god biologisk verdi - de absorberes under fordøyelsen, mens mange fibrillære proteiner ikke er det.

Det er ingen klar grense mellom globulære og fibrillære proteiner. En rekke proteiner inntar en mellomposisjon og kombinerer funksjonene til både kuleformede og fibrillære. Slike proteiner inkluderer for eksempel muskelmyosin (b/a = 75) og blodfibrinogen (b/a = 18). Myosin har en stavlignende form, lik formen til fibrillære proteiner, men som kuleproteiner er det løselig i saltvannsløsninger. Løsninger av myosin og fibrinogen er viskøse. Disse proteinene absorberes under fordøyelsen. Samtidig absorberes ikke aktin, et kuleformet muskelprotein.

Proteindenaturering. Den opprinnelige konformasjonen til proteinmolekyler er ikke stiv, den er ganske labil (lat. "labilis" - glidende) og kan bli alvorlig forstyrret under en rekke påvirkninger. Brudd på den native konformasjonen til et protein, ledsaget av en endring i dets native egenskaper uten å bryte peptidbindinger, kalles denaturering (latin "denaturare" - for å frata de naturlige egenskapene) til proteinet.

Denaturering av proteiner kan være forårsaket av forskjellige årsaker som fører til forstyrrelse av svake interaksjoner, så vel som til brudd av disulfidbindinger som stabiliserer deres opprinnelige struktur.

Oppvarming av de fleste proteiner til temperaturer over 50 °C, samt ultrafiolett og andre typer høyenergibestråling, øker vibrasjonene til atomene i polypeptidkjeden, noe som fører til forstyrrelse av ulike bindinger i dem. Selv mekanisk risting kan forårsake proteindenaturering.

Proteindenaturering skjer også på grunn av kjemisk angrep. Sterke syrer eller alkalier påvirker ioniseringen av sure og basiske grupper, og forårsaker forstyrrelse av ioniske og noen hydrogenbindinger i proteinmolekyler. Urea (H 2 N-CO-NH 2) og organiske løsningsmidler - alkoholer, fenoler, etc. - bryter systemet av hydrogenbindinger og svekker hydrofobe interaksjoner i proteinmolekyler (urea - på grunn av et brudd på strukturen til vann, organiske løsningsmidler - på grunn av etablering av kontakter med ikke-polare aminosyreradikaler). Merkaptoetanol ødelegger disulfidbindinger i proteiner. Tungmetallioner forstyrrer svake interaksjoner.

Under denaturering skjer en endring i egenskapene til proteinet og først av alt en reduksjon i dets løselighet. For eksempel, når de kokes, koagulerer proteiner og feller ut fra løsninger i form av blodpropper (som når du koker et kyllingegg). Utfelling av proteiner fra løsninger skjer også under påvirkning av proteinutfellingsmidler, som brukes som trikloreddiksyre, Barnsteins reagens (en blanding av natriumhydroksid med kobbersulfat), tanninløsning, etc.

Under denaturering avtar proteinets vannabsorberende kapasitet, dvs. dets evne til å svelle; nye kjemiske grupper kan oppstå, for eksempel: når de utsettes for mål av captoethanol - SH-grupper. Som et resultat av denaturering mister proteinet sin biologiske aktivitet.

Selv om den primære strukturen til et protein ikke påvirkes av denaturering, er endringene irreversible. Imidlertid, for eksempel, med gradvis fjerning av urea ved dialyse fra en løsning av et denaturert protein, skjer dets renaturering: den native strukturen til proteinet gjenopprettes, og sammen med det, i en eller annen grad, dets native egenskaper. Slik denaturering kalles reversibel.

Irreversibel denaturering av proteiner skjer under aldring av organismer. Derfor mister for eksempel plantefrø, selv under optimale lagringsforhold, gradvis sin spireevne.

Proteindenaturering oppstår ved baking av brød, tørking av pasta, grønnsaker, under matlaging osv. Som et resultat øker den biologiske verdien av disse proteinene, siden denaturerte (delvis ødelagte) proteiner lettere absorberes under fordøyelsen.

Isoelektrisk punkt til et protein. Proteiner inneholder ulike basiske og sure grupper som har evnen til å ionisere. I et sterkt surt medium blir hovedgruppene (aminogrupper osv.) aktivt protonert, og proteinmolekyler får en total positiv ladning, og i et sterkt alkalisk medium dissosieres karboksylgrupper lett, og proteinmolekyler får en total negativ ladning.

Kildene til en positiv ladning i proteiner er sideradikalene til lysin-, arginin- og histidinrester, og a-aminogruppen til den N-terminale aminosyreresten. Kildene til den negative ladningen er sideradikalene til asparaginsyre- og glutaminsyrerester, og a-karboksylgruppen til den C-terminale aminosyreresten.

Ved en viss pH-verdi av mediet er det en likhet mellom positive og negative ladninger på overflaten av proteinmolekylet, det vil si at dens totale elektriske ladning viser seg å være null. Denne pH-verdien til løsningen, hvor proteinmolekylet er elektrisk nøytralt, kalles det isoelektriske punktet til proteinet (pi).

Isoelektriske punkter er karakteristiske konstanter for proteiner. De bestemmes av deres aminosyresammensetning og struktur: antall og arrangement av sure og basiske aminosyrerester i polypeptidkjeder. De isoelektriske punktene til proteiner, der sure aminosyrerester dominerer, er lokalisert i pH-området.<7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот - в области рН>7. De isoelektriske punktene til de fleste proteiner er i et litt surt miljø.

I isoelektrisk tilstand har proteinløsninger en minimumsviskositet. Dette skyldes en endring i formen til proteinmolekylet. I det isoelektriske punktet blir motsatt ladede grupper tiltrukket av hverandre, og proteinene vrir seg til kuler. Når pH-verdien skifter fra det isoelektriske punktet, frastøter like-ladede grupper hverandre, og proteinmolekylene utfolder seg. I utfoldet tilstand gir proteinmolekyler løsninger en høyere viskositet enn rullet til kuler.

Ved det isoelektriske punktet har proteiner minimal løselighet og kan lett utfelles.

Utfelling av proteiner ved det isoelektriske punktet forekommer imidlertid fortsatt ikke. Dette forhindres av strukturerte vannmolekyler som beholder en betydelig del av hydrofobe aminosyreradikaler på overflaten av proteinkuler.

Proteiner kan utfelles ved hjelp av organiske løsemidler (alkohol, aceton), som forstyrrer systemet med hydrofobe kontakter i proteinmolekyler, samt høye saltkonsentrasjoner (utsalting), som reduserer hydreringen av proteinkuler. I sistnevnte tilfelle går en del av vannet til å løse opp saltet og slutter å delta i oppløsningen av proteinet. En slik løsning, på grunn av mangel på løsemiddel, blir overmettet, noe som medfører utfelling av en del av det i bunnfallet. Proteinmolekyler begynner å feste seg sammen og danner stadig større partikler, og faller gradvis ut av løsningen.

Optiske egenskaper til et protein. Løsninger av proteiner har optisk aktivitet, dvs. evnen til å rotere lysets polariseringsplan. Denne egenskapen til proteiner skyldes tilstedeværelsen av asymmetriske elementer i molekylene deres - asymmetriske karbonatomer og en høyrehendt a-helix.

Når et protein denatureres, endres dets optiske egenskaper, noe som er assosiert med ødeleggelsen av a-helixen. De optiske egenskapene til fullstendig denaturerte proteiner avhenger bare av tilstedeværelsen av asymmetriske karbonatomer i dem.

Ved forskjellen i manifestasjonen av de optiske egenskapene til proteinet før og etter denaturering, kan man bestemme graden av dets spiralisering.

Kvalitative reaksjoner på proteiner. Proteiner er preget av fargereaksjoner på grunn av tilstedeværelsen av visse kjemiske grupper i dem. Disse reaksjonene brukes ofte til å oppdage proteiner.

Når kobbersulfat og alkali tilsettes til proteinløsningen, vises en lilla farge, assosiert med dannelsen av komplekser av kobberioner med peptidgrupper av proteinet. Siden denne reaksjonen gir biuret (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), kalles det biuret. Det brukes ofte for kvantitativ bestemmelse av protein, sammen med I. Kjeldahl-metoden, siden intensiteten av den resulterende fargen er proporsjonal med proteinkonsentrasjonen i løsningen.

Når proteinløsninger varmes opp med konsentrert salpetersyre, vises en gul farge på grunn av dannelsen av nitroderivater av aromatiske aminosyrer. Denne reaksjonen kalles xantoprotein(Gresk "xanthos" - gul).

Mange proteinløsninger, når de varmes opp, reagerer med en nitratløsning av kvikksølv, som danner crimson komplekse forbindelser med fenoler og deres derivater. Dette er en kvalitativ Millon-test for tyrosin.

Som et resultat av oppvarming av de fleste proteinløsninger med blyacetat i et alkalisk medium, utfelles et svart bunnfall av blysulfid. Denne reaksjonen brukes til å oppdage svovelholdige aminosyrer og kalles Fohl-reaksjonen.