Химия. Белки

Скачать работу - Химия. Белки

Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти — кератина Полингом американским физиком и химиком. .. Ее наз в али а - структурой или а - спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6—3,7 остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра.

Строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями. При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную. Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Пространственная структура закреплена вследствие взаимо действия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. И ме нно пространственная структура белка определяет химическ и е и биологические свойства белков. В зав и симости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они использу ю тся природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.). Полипептидные ц епи фибриллярных белков имеют форму спирали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримолекулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, он и как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структуры и имеют высокую степень асимметрии.

Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белк и , входящие в состав тканей и покровных образований. Это мио зин—белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в состав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, з атвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет в ытянутые полипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность н атурального шелка.

Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков— глобул.

Молекулы глобулярных белков обладают ни з кой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязко с ть их растворов невелика. Это прежде всего белки крови—гемоглобин, альбумин, глобулин и др.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промежуточной структурой.

Свойства белка могут сильно изменяться при замене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конфигураций пептидных цепей и условий образования пространственной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функции в организме. СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови ( C 738 H 1166 O 208 S 2 Fe) 4 М еньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы.

Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа — 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую степень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами.

Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы.

Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000— 70 000. Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие — в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (наприм ер, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор в ысокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови). Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы переваривают ся до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наибольшая часть аминокислот расхо д уется на синтез белков различных органов и тканей, часть—на синте з гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал . Т.е. белки выполняют каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемогло б ин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции Белки — важнейшие компоненты пищи человека и корма животных.

Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков занимает ведущее место в обмене веществ организмов.

Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот Белки растений беднее белков животного происхождения по содержанию незаменимых аминокислот, особенно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному составу наиболее близки белкам животных.

Отсутствие в корме незаменимых аминокислот приходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена.

Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды. При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а -аминокислоты.

Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы ( углеводы, нуклеиновые кислоты и д р.); это соединения белковых веществ с небелковыми.

Протеины.

Альбумины хорошо растворяются в воде.

Встречаются в молоке, яичном белке и крови.

Глобулины в воде не р астворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей.

Встречаются в растениях.

Склеропротеины — нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.

Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами). Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин — белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.

Гликопротеиды содержат остатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны.

Хромопротеиды содержат молекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина. Самым важным хромопротеидом является гемоглобин — переносчик кислорода, окрашивающий красные кровяные тельца.

Нуклеопротеиды — протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они представляют собой очень важные с биологической точки зрения белки — составные части клеточных ядер.

Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вирусов — возбудителей многих болезней.

Определение строения белков Определение строения белков является очень сложной зад а чей, но за последние годы в хими и белка достигнуты значительные успехи.

Помимо методов получения высокомолекулярных синтетических полипептидов, построенных из большого числа молекул одинаковых а -аминокислот, ра з работаны методы синтеза смешанных полипептидов с заранее заданным порядком чередования ра з личных а -аминокислот путем постепенного их наращивания.

Полностью определена химическая структура нескольких белков: гормона инсулина, антибиотика грамицидин, фермента, расщепляющего нуклеиновые кислоты, рибонуклеазы , гормона аденокортикотропина , белка вируса табачной мозаики, миоглобина, гемоглобина и др.

Частично определена структура некоторых других белков.

Изучение химического строения белка начинают с определения аминокислотного состава. Для этого используется главным образом метод гидролиза, т. е. нагревание белка с 6 —10 моль/л соляной кислотой при температуре 100— 110°С. Получают смесь а -аминокислот, из которой можно выделить индивидуальные аминокислоты.

Например, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот: Для количественного анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную и бумажную хроматографию.

Сконструированы специальные автоматические анализаторы аминокислот. Итак, гидролиз белков, по существу, сводится к гидролизу полипептидных связей. К этому же сводится и процесс переваривание.

Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расщепления белка.

Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка с пецифически — только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления — пептоны и пептиды, последующим анализом которых устанавливают их аминокислотный состав. Знач и тель н о более сложным является определение последовательности амидокислот в пептидных цепях белка. С этой целью прежде всего определяют Nи С-концы полипептидных цепей, при этом решаются два во п роса—идентифицируются концевые аминокис л от ы и определяется число пептидных цепей, входящих в состав макромолекул белка. Для определения N-концов пептидной цепи получают N-производное концевой аминокислоты пептида, которое идентифицируют после полного гидролиза пептида. С-концы пептидных цепей определяются избирательным отщеплением концевой аминокислоты с помощью специфического фермента — карбоксипептидазы и последующей идентификацией этой аминокислоты. Если макромолекула белка состоит из двух (или более) пептидных цепей, как в случае ин с улина, то и з бирательно разрушают дисульфидные мостики окислением (например, над-муравьиной кислотой) и затем полученные полипептиды разделяют путем фракционирования на ионитах. Для определения последовательности расположения аминокислот в каждой полипептидной ц епи ее подвергают частичному кислотному гидролизу и избиратель ному расщеплению с помощью ферментов, каждый из которых разрывает полипептидную цепь только в определенных местах присоеди н ения какой-то одной определенной аминокислоты или одного типа аминокислот (основных, ароматических). Таким обра з ом получают н есколько наборов пептидов: которые разделяют, используя методы хроматографии и электрофореза.

Строение коротких пептидов определяют последовательным отщеплением и идентификацией концевых аминокислот упомянуты м и выше методами, а большие пептиды подвергают дополнительному расщеплению с последующим разделением и определением строе н ия. Затем путем сложного сопоставления структуры ра з личных участков пептидной цепи воссоздают полную картину расположения аминокислот в макромолекуле белка.

Работа эта очень трудоемкая, и для определения химической структуры белка требуется несколько лет. Для изучения пространственной структуры белка, последо в ательности соединения аминокислот в том или ином белке исполь з уют ра з личные физико-химические методы, из которых наиболее эффективными оказались метод ступенчатого расщепления и рентгеноструктурный анализ.

Рентгеноструктурный анализ - метод исследования атомной структуры в-ва с помощью дифракции рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи взаимодействуют с электронными оболочками атомов. В результате этого взаимодействия происходит дифракция рентгеновских лучей и на фотопленке получается дифракционная картина — пятна или окружности. Из дифрак ц ионной картины при помощи сложных расчетов устанавливают распределение электронной плотности в-ва, а по ней - род атомов и их расположение. В настоящее время установлено, что большинство белков состоят из 22 качественно разных а-аминокислот. При образовании молекулы белка или полипептида а -аминокислоты могут соединяться в различной последовательности.

Возможно огромное число различных комбинаций. Так же как, пользуясь 20 ... 30 буквами алфавита, можно написать текст любой длины, так и из 20 а - амино к ислот можно образовать больше 10 18 комбинаций.

Сущест в ование различного типа полипептидов практически неограничено.

Определение наличия белка: Для идентификации белков и полипептидов использую т специфические реакции на белки.

Например: а) биуретовая реакция б) ксантопротеиновая реакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с онцентрированной азотной кисло т ой, которое в присутствии аммиака становится оранжевым; реакция связана с нитрованием остатков фенилаланина и тирозина) ; в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окраши вания при взаимодействии с Hg(N 3 ) 2 +HN О 3 +HNO 2 г) нингидриновая реакция д) при нагревании белков со щелочью в присутствии солей свинца выпадает черный осадок PbS, что свидетельствует о присутствии серусодержащих аминокислот. е) сильное нагревание вызывает не только денатурацию белков, но и разложение их с выделением летучих продуктов, обладающих запахом жженых перьев. Белки обычно образуют коллоидные растворы.

Многие реагенты вызывают осаждение белков — коагуляцию, которая может быть обратимой и необратимой.

Например, этанол и ацетон коагулируют белки, но эта коагуляция является обратимой. В чистой воде коагулированные этим способом белки снова образуют коллоидный раствор.

Обратимую коагуляцию вызывают также растворы некоторых солей (MgSO 4 (NH 4) 2 SO 4 Na 2 SO 4 ). Необратимую коагуляцию (денатурацию) белка вызывает кипячение, а также действие минеральных кислот, пикриновой кислоты, солей тяжелых металлов, танина.

Синтез пептидов Синтез пептидов связан с рядом существенных трудностей. Прежде всего, необходимы оптические акти в ные изомеры а-аминокислот. Кроме того, требуются специальные приемы для осуществления последовательного образования пептидных связей в нужной нам последовательности а-аминокислот: защита аминогрупп, активация карбоксиль ных групп, отщепление защитных групп, множество специальных реагентов. Но грандиозная работа по анализу и синтезу белков в последний период революционизировалась благодаря использованию высокоэффективных автоматических приборов. К ним относят синтезаторы — установки для синтеза, круглосуточно работающие без человека по заданной программе. Это одно из проявлений компьютеризации в химии.

Создание таких автоматов стало возможным после появления новых плодотворных химических идей.

Синтезаторы появились после предложения американским химиком P. Meрифилдом нового принципа — синтеза на полимерном носителе, обладающем определенными функциональными группами. Такой способ исключает необходимость выделения промежуточных продуктов на каждой стадии синтеза и легко подвергается автоматизации.

Изыскивая пути исусственного получения белка, ученые интенсивно изучают механизм его синтеза в организмах. Ведь здесь он совершается в «мягких» условиях, удивительно четко и с большой скоростью. (Молекула белка в клетке образуется всего за 2—3 с.) Выяснено, что синтез белков в организме осуществляется с участием других высокомолекулярных веществ—нуклеиновых кислот. В настоящее время человек уже глубоко познал механизм биосинтеза белка и приступил к искусственному получению важнейших белков на основе тех же прин ц ипов, которые столь совершенно отработаны в процессе развития органического мира. Кроме этого, промышленное получение белков осуществляется посредством микробиологического синтеза.

Оказалось, что, размножаясь на соответствующей питательной среде, некоторые микрооргани з мы могут создавать обильную белковую массу. На от ходах гидролизного п р оизводства спирта и з древесины , например, выращивают кормовые дрожжи для живот новодства.

Использование продуктов микробиологического синтеза в ж и вот новодстве позволяет значительно по вышать его продуктивность.

оценка стоимости патента в Брянске
оценка ущерба экспертиза в Смоленске
оценка стоимости ценных бумаг в Курске