1. Химия белков

Цель

• Знать функции, структуру и свойства белков

• Охарактеризовать методы выделения, фракционирования и очистки белков

Задачи

• Изучить уровни структурной организации белков

• Изучить физико-химические свойства белков

• Понять, какие факторы влияют на растворимость белков

• Ознакомиться с разными методами выделения, фракционирования и очистки белков

• Рассмотреть характеристику основных классов белков

1. Функции белков

Белки выполняют многообразные функции в организме (табл.1):

Таблица 1

Вид белков	Функция	Пример белка
Структурные	Участвуют в построении клеток и органелл	Коллаген костной ткани
Ферменты	Катализируют биологические реакции	Пепсин
Сократительные	Участвуют в акте сокращения-расслабления мышц	Миозин мышечной ткани
Защитные	Участвуют в образовании антител	γ-глобулины крови
Гормоны	Регулируют обмен веществ	Гормоны гипофиза, инсулин
Транспортные	Переносят различные вещества	Альбумины, глобулины крови
Дыхательные	Переносят кислород и углекислый газ	Гемоглобин крови, миоглобин мышц

1.2. Строение белков

1.2.1. Аминокислотный состав белков

В белки входят 20 различных аминокислот, различающихся строением R-группы (табл.2).

Таблица 2

R-группы	Характеристики	Названия аминокислот	Например (-Rx)
Неполярные	Гидрофобные	Валин, лейцин, изолейцин, лизин, пролин, фенилаланин	H2N-СН2-СН2-СН2-CH2- Лизин
Полярные	Гидрофильные	Глицин, серин, цисте-ин, треонин	OH-СН2-СН- Треонин
Кислые	Отрицательно заряженные	Аспарагиновая и глутаминовая кислоты	- ООC-CH2-CH2- Аспарагиновая кислота
Основные	Положительно заряженные	Лизин, орнитин, аргинин, гистидин	+ H3N-CH2-CH2- Орнитин

Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные белки кроме простых белков содержат небелковые соединения различной природы: углеводы, липиды и др. (см. п.1.5.2).

Аминокислотный состав белков устанавливают путем разрушения белков (гидролизом) сильными минеральными кислотами: серной, соляной; едким на­трием или калием при кипячении в течение 24 часов или ферментами 37^оС в течение 1 часа. Полученную смесь аминокислот (гидролизат) разделяют и проводят их качественный и количественный анализ хроматографическими методами.

1.2.2. Уровни структурной организации белков

Структура белков подразделяется на первичную, вторичную, третичную и четвертичную (рис. 1).

Рис. 1. Структура белков

Первичная структура – это последовательность аминокислотных остатков, связанных пептидной связью. Пептидная связь – прочная, ковалентная связь, образующаяся при взаимодействии карбоксильной группы (-СООН) одной аминокислоты и аминогруппы (-NH₂) другой аминокислоты (рис. 2).

-Н₂О

Рис. 2 . Образование пептидной связи

Для некоторых белков характерно наличие 2-х или нескольких полипептидных цепей.

Разные белки отличаются друг от друга составом и порядком расположения аминокислот. Характер радикалов определяет химические свойства белков и их пространственную форму.

Вторичная структура – форма полипептидной цепи, т.е. закручивание ее в виде α-спирали или β-структуры (складчатого листка):

Вторичная структура подерживается слабыми неко­валентными водородными связями: притяжением между атомом водорода и атомом кислорода или азота.

α-спираль характерна для водорастворимых белков, а β-структура для нерастворимых, прочных белков соединительной ткани: коллагена костей, кератина покровной ткани, фибрина крови и пр.

Третичная структура – расположение полипептидной цепи в пространстве.

Третичная структура может быть глобулярной (шарообразной ) или фибриллярной (волокнообразной) (рис. 3).

Рис. 3. Третичная структура белков мышц: А – глобулярная структура

белка миоглобина; Б – фибриллярная структура белка актина

Третичная структура поддерживается слабыми нековалентными связями: водородной, ионной, гидрофобным взаимодействием, а также ковалентной дисульфидной связью (рис. 4).

Рис. 4. Связи, стабилизирующие третичную структуру белка

Четвертичная структура – объединение в пространстве нескольких белков (субъединиц) с одинаковой первичной, вторичной и третичной структурой (рис. 5).

Рис. 5. Четвертичная структура сложного белка эритроцитов крови

гемоглобина, состоящего из 4-х субъединиц: 4-х молекул белка

глобина, содержащего 4 молекулы гема

Количество субъединиц в белках обычно составляет от 2 до 14 с разными молекулярными массами – от нескольких тысяч до 100 000 Да (дальтон). Субъединицы объединяются между собой, как и в случае третичной структуры, за счет водородных, ионных, гидрофобных и дисульфидных связей. Четвертичная структура обнаружена у нескольких сотен белков. Однако только для немногих белков, в том числе и для белка гемоглобина расшифрована четвертичная структура.

Четвертичная структура обуславливает биологические свойства белков: ферментативную и гормональную активность, транспорт кислорода гемоглобином эритроцитов крови, образование антител и др.

При разрушении четвертичной структуры путем изменения рН, воздействием денатурирующих факторов белки теряют биологическую активность.