Учебное пособие для студентов заочной формы обучения 3 страница

 

при рН 7 при снижении рН

 

 

_{+ + O -}

NH₃ NH₂ NH₂

½ ₊ + OH^- ½ ₊ +OH^- ½

^¾ООС¾ ¾ NH₃ ^¾ООС¾ ¾ NH₃ ^¾ООС¾ ¾NH₂

H₂O H₂O

при рН 7 при увеличении рН

Следовательно, изменяя рН среды добавлением кислот или щелочей, можно не только уравнять положительные и отрицательные заряды на поверхности молекулы белка, но и усилить один из них или изменить на противоположный. В кислой среде молекулы белка приобретают положительный заряд и в поле постоянного электрического тока движутся к катоду; в щелочной среде они приобретают отрицательный заряд и в поле постоянного электирческого тока движутся к аноду. Передвижение заряженных растворенных частиц в поле постоянного электрического тока получило название э л е к т р о ф о р е з а (“движение посредством электрического поля”).

Для каждого белка (равно пептида и аминокислоты) существует рН при котором положительные и отрицательные заряды в молекуле белка уравновешиваются и суммарный заряд ее становится равным нулю. Такая молекула теряет подвижность в электрическом поле. Величина рН, при котором молекула белка не несет суммарного заряда и не движется в электрическом поле, называется и з о э л е к т р и ч е с к о й т о ч к о й (ИЭТ) и обозначается рН_J; это одна из характерных констант белков.

В изоэлектрической точке белок обладает наименьшей растворимостью, легко выпадает в осадок, растворы его менее вязки. Эти явления можно объяснить отсутствием электростатического отталкивания между молекулами белка.

 

2.4.3. Растворимость и осаждаемость белков

Подавляющее большинство белков обладает гидрофильными свойствами, т.е. способностью легко взаимодействовать с молекулами воды. Гидрофильность белков обусловлена полярными заряженными и полярными незаряженными группами, расположенными на поверхности их молекул. Полярными заряженными группами в молекуле белка являются радикалы лизина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот; полярными незаряженными - радикалы серина, треонина, тирозина, цистеина, аспарагина, глутамина и др. Гидрофильные вещества легко растворяются в воде и водных растворах.

Растворимость белков в растворителях неодинакова и зависит от многих факторов: природы, состава и рН растворителя, ионной силы и температуры раствора, структурных особенностей молекулы данного белка и других факторов. В результате чего одни белки хорошо растворимы в воде, другие - в водных растворах нейтральных солей, третьи - в слабых растворах кислот или щелочей, четвертые - в смеси воды и органических растворителей (например, этанола или ацетона). В большинстве чистых органических растворителей белки не растворяются. Среди белков есть и нерастворимые во всех перечисленных растворителях. Это связано с особенностью их структуры.

Большое значение для растворимости белка имеет ионная сила раствора (в частности, концентрация электролита). При низких ионных силах растворимость белка увеличивается, а при высоких - уменьшается. Зависимость раствримости большинства белков от рН при данной ионной силе описывается U -образной кривой с минимумом растворимости вблизи изоэлектрической точки и увеличенной растворимостью при значениях рН меньше и больше изоэлектрической точки. С повышение температуры до определенной величины (например, от 0 до 25 - 40^О С) растворимость большинства белков повышается (это правило имеет исключение).

При растворении белков в воде и водных растворах происходит гидратация каждой белковой молекулы, т.е. взаимодействие полярных групп белка с водой. При этом например, -СО-NH- группы связывают по одной молекуле воды, карбоксильные группы - по четыре молекулы воды, аминогруппы - по одной молекуле воды.

В результате гидратации вокруг заряженных молекул белка образуется электрозаряженный водный слой (гидратная оболочка), состоящая из молекул воды, ориентированных по отношению к молекуле белка строго определенным образом.

Чем дальше молекулы воды удалены от поверхности молекулы белка, тем беспорядочнее их расположение в растворе. Вокруг электронейтральных молекул белка гидратная оболочка не образуется.

 

Гидратная оболочка препятствует агрегации белковых частиц и тем самым способствует устойчивсти раствора белка. Таким образом, заряд и гидратная оболочка являются важными факторами, обусловливающими устойчивость белковых растворов.

При осаждении белков необходимо устранить факторы, обусловливающие устойчивость их растворов, т.е. разрушить гидратную оболочку и снять электрический заряд.

Разрушить гидратную оболочку можно прибавлением к раствору белка достаточно больших количеств в о д о о т н и м а ю щ и х (дегидратирующих) веществ, таких как этанол, ацетон, сульфат аммония, нейтральные соли.

Осаждение белка из раствора при добавлении нейтральных солей и сульфата аммония называют в ы с а л и в а н и е м.

Разные белки высаливаются при неодинаковых концентрациях нейтральных солей. Это свойство широко используют для разделения смеси белков.

Электрический заряд можно снять добавлением к раствору белка кислоты или щелочи до рН, равной изоэлектрической точке растворенного белка. Как указывалось выше в изоэлектрической точке отсутствует электростатическое отталкивание между молекулами белка и они легко выпадают в осадок. Поскольку разные белки имеют разные изоэлектрические точки, то их можно отделить друг от друга путем осаждения в изоэлектрической точке.

Наиболее полное осаждение белка может быть достигнуто путем разрушения гидратной оболочки и снятия электрического заряда.

 

2.4.4. Коллоидные свойства белков

Растворы белков обладают свойствами как истиных, так и коллоидных растворов. Это связано с тем, что белки в растворе диспергированы до единичных молекул, но, вследствие большой молекулярной массы и связанного с ней большого размера частиц (1 - 100 нм), растворы белков имеют коллоидный характер.

Растворы белка, в связи с коллоидным характером, рассеивают свет (явление Тиндаля), характеризуются высокой вязкостью, при определенных условиях могут терять текучесть и образовывать г е л и, или с т у д н и (студни, сформированные из молекул белков, рассматривают как частную форму гелей).

Молекулы белка вследствие большого размера медленно диффундируют в растворе в направлении более низкой концентрации и неспособны проникать через поры искусственных мембран из целлофана, коллодия, пергамента, а также большинства мембран клеток растений и животных. В то же время молекулы низкомолекулярных веществ (вода, этанол, соли, аминокислоты, сахара и т.п.) свободно проходят через такие мембраны.

 

2.4.5. Денатурация белков

Под денатурацией понимают вызванную различными физическими и химическими факторами утрату молекулой белка присущей ей нативной конформации. Денатурация - характерное свойство белков. При денатурации происходит разрыв нековалентных (в первую очередь водородных) связей в молекуле белка, что сопровождается нарушением четвертичной, третичной и частично вторичной структур белка без каких-либо изменений первичной структуры. Разрыв нековалентных связей приводит к тому, что компактная молекула белка превращается в беспорядочный клубок (рис 2.6).

 

А Б

Рис 2.6. Схема денатурации белка

А - нативная молекула Б- беспорядочный клубок

Денатурация белковых молекул сопровождается потерей ими биологической активности (способности выполнять свойственную функцию) и изменением многих физико-химических свойств: уменьшением (и даже потерей) растворимости, способности кристаллизоваться, водопоглотительной способности и способности к набуханию, смещением изоэлектрической точки и константы седиментации, повышением вязкости, увеличением поглощения света в ультрафиолетовой области и др.

Из химических соединений денатурацию вызывают кислоты и щелочи (при рН ниже 3 и выше 10-11), этанол и ацетон при продолжительном воздействии, мочевина, гуанидинхлорид, ионы тяжелых металлов, йода, тиоцианата, поверхностно-активные вещества (додецилсульфат), дубильные вещества (танин) и др.

Из физических факторов денатурацию вызывают сильное перемешивание или встряхивание. высокое давление - 500-1000 Мпа, высушивание, нагревание, активное вспенивание растворов белка, ультрафиолетовое, рентгеновское и радиактивное облучение, обработка ультразвуком и др.

Наиболее распространенным фактором денатурации является нагревание. Этот прием широко используют в пищевой промышленности. Важное значение при тепловой денатурации белка имеет вода. Например, в водн ых растворах белки денатурируют при нагревании выше 50-60^ОС; обезвоженный белок не денатурирует при нагревании до 100^ОС.

При переработке сырья животного и растительного происхождения в продукт в одних случаях необходимо создать условия, способствующие денатурации белков, в других - предотвратить этот процесс. Денатурация белков имеет важное значение при изготовлении консервов, выделке кожи и меха, выпечке хлеба и кондитерских изделий, при сушке макарон и овощей, приготовлении пищи и т.п. П ри получении биологически активных препаратов (ферментов, гормонов и т.п.) процесс денатурации необходимо предотвратить. Денатурация в большинстве случаев - процесс необратимый, однако известны случаи обратимой денатурации белков, называемой р е н а т у р а ц и е й.

 

2.4.6. Химические реакции, характерные для белков. Оптические свойства белков

Для белков наиболее характерны - цветные реакции и реакции осаждения. Из цветных реакций важнейшими являются биуретовая, нингидриновая, ксантопротеиновая и некоторые другие.

Биуретовая реакция обусловлена наличием пептидных связей, образущих в щелочной среде с ионами двухвалентной меди комплекс, окрашенный в фиолетовый или красно-фиолетовый цвет.

Нингидриновая реакция обусловлена наличием в белках аминных групп, образующих при нагревании с нингидрином соединение, окрашенное в сине-фиолетовый цвет.

Ксантопротеиновая реакция заключается в том, что при нагревании раствора белка с концентрированной азотной кислотой появляется желтое окрашивание, обусловленное наличием в молекуле белка радикалов аминокислот, содержащих бензольное кольцо.

Из реакций осаждения часто пользуются получением осадка при действии на раствор белка так называемых белковых осадителей: растворов трихлоруксусной и сульфосалициловой кислот, таннина, ацетата свинца, вольфрамата натрия, гидроксида меди. Белки можно осадить при нагревании их нейтральных или слабокислых растворов.

Наиболее полно цветные реакции на белки и реакции осаждения белков изложены в руководствах к лабораторным занятиям по биохимсии.

Растворы белков обладают способностью поглощать ультрафиолетовый свет (УФ-свет) в трех областях: вблизи 190, при 210-250 и более 250 нм. Поглощение УФ-света при длинах волн более 250нм с максимумом при 280нм обусловлено радикалами триптофана, тирозина и, в меньшей степени, фенилаланина. Это свойство белков используют для их количественного определения методом с п е к т р о- ф о т о м е т р и и. Поскольку число остатков ароматических аминокислот в одной и той же массе разных белков варьирует в широких пределах, метод не является точным. При работе с белками условно принимают, что одна единица оптической плотности при 280 нм соответствует массовой концентрации белка, равной приблизительно 1мг/мл (при толщине слоя жидкости 1 см). На основании этого делают расчет. Метод прост и быстр в исполнении, поэтому, несмотря на недостаточную точность его широко применяют при работе с индивидуальными белками.

 

2.5. Номенклатура и классификация белков

К настоящему времени из животных и растительных организмов выделено большое количество самых разнообразных белков, что требует создания определнной системы в их номенклатуре и классификации.

Названия белкам дают по различным признакам: латинскому названию объекта, из которого выделен белок, химическому составу белка, выполняемой функции и т.п. Например, название авидин - белок яиц - происходит от латинского слова avis -птица; оризин - белок риса - от oryza - рис; авенин - белок овса - от avena - овес; гордеин - белок ячменя - от hоrdeum - ячмень и т.д. На основании химического состава и функций названы: ферритин - белок тканей животных и зеленых растений, содержащий железо; трансферрин - белок животных тканей, участвующий в транспорте железа; церулоплазмин - белок крови, содержащий медь и участвующий в ее обмене и др.

В основу классификации белков положено несколько подходов, а именно различие в форме их молекул, различие в функциях, различие в структуре, различие в химическом составе.

В зависимости от формы молекул белки делят на глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные).

Г л о б у л я р н ы е белки характеризуются тем, что их молекулы, называемые глобулами, по своей форме приближаются к шару или эллипсоиду вращения. Отношение длинной оси к короткой (степень асимметрии) в молекулах этих белков наиболее часто колеблется в пределах от 3 до 6 (1 бывает редко). В некоторых случаях степень асимметрии может достигать 11 - 20 и даже более. В общем, одни из глобулярных белков могут иметь шарообразную форму, другие - форму сигары, третьи - форму эллипсоида вращения.

Для глобулярных белков наиболее типична третичная структура, они растворимы в воде и разбавленных растворах нейтральных солей. К этой группе белков относятся все фементы и, за исключением структурных, большинство других белков животных и растительных организмов.

Ф и б р и л л я р н ы е белки - ус тойчивые, нерастворимые в воде и разбавленных растворах нейтральных солей, вещества. Для этих белков наиболее характерной является вторичная структура; третичная почти или полностью не выражена. Полипептидные цепи, располагаясь параллельно друг другу вдоль одной оси, образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Отношение длинной оси к короткой в молекулах этих белков составляет несколько десятков, сотен и даже тысяч единиц. Фибриллярные белки являются основными элементами сухожилий, костей, хрящей, волос, перьев, рогов, паутины и т.п.

В соответствии с биологическими функциями можно выделить следующие группы белков: ферменты, транспортные белки, пищевые и запасные белки, сократительные и двигательные белки, структурные белки, защитные белки, регуляторные белки.

В зависимости от химического состава все белковые вещества разделили на две группы: п р о с т ы е белки и с л о ж н ы е белки. Простые белки построены из аминокислот. Сложные белки состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. Каждая из этих групп белков подразделяется на ряд подгрупп.

 

2.5.1. Простые белки

На основании условно выработанных критериев (растворимость, аминокислотный состав, осаждаемость и др.) простые белки делят на следующие группы: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины, протеиноиды.

П р о т а м и н ы (простейшие белки). Это относительно небольшие белки с молекулярной массой до 10 000. В составе молекулы этих белков содержится до 85% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин) и ограниченный набор (6 - 8) других аминокислот, что обусловливает их основные свойства.

Протамины растворимы в слабых растворах кислот, не осаждаются при кипячении, имеют изоэлектричекую точку при рН 10 -12, входят в состав белков нуклеопротеинов, не содержат триптофан и серу.

Г и с т о н ы. Представляют собой основные белки с молекулярной массой от 12000 до 20000, содержащие в составе молекулы 20-30% аминокислот с положительно заряженными радикалами (обычно аргинин и лизин). Гистоны не содержат триптофана, растворимы в разбавленных кислотах (0,2М HСl), осаждаются аммиаком и этанолом, имеют изоэлектрическую точку при рН 8,5.

Гистоны содержатся главным образом в ядрах клеток животных и растений, где играют важную роль в структуре хроматина (нитевидного комплекса ДНК, гистонов и др. белков).

А л ь б у м и н ы относятся к белкам, широко распространенным в животных и растителтных организмах. Содержатся эти белки в сы-воротке крови, белке яиц, мышцах, молоке, семенах, листьях, стеблях и корнях растений.

Альбумины растворяются в воде, из водных растворов высаливаются сульфатом аммония при полном насыщении, при кипя-чении выпадают в осадок в виде сгустков денатурированного белка.

Г л о б у л и н ы - белки, нерастворимые в воде, но растворимые в разбавленных растворах нейтральных солей (4-10%); осаждаются из раствора при полунасыщении сульфатом аммония,а также при полном удалении солей, например посредством диализа. Представителями этой группы белков являются глобулины сыворотки крови, глобулины молока, яичный глобулин, легумин семян гороха, фазеолин семян фасоли, эдестин семян конопли и др.

В животных организмах глобулины выполняют защитную, транспортную и некоторые другие функции; в семенах растений они являются в основном запасными белками, но среди них имеются белки, выполняющие каталитические функции.

П р о л а м и н ы - группа хорошо растворимых в 60-80% водном растворе этанола белков. Они являются растительными белками, характерны исключительно для семян злаковых, в животном мире не встречаются.

Проламины входят в состав клейковины - белкового сгустка, обеспечивающего упругость и элластичность теста.

Г л ю т е л и н ы хорошо растворяются в слабых растворах щелочей (0,1-0,2%), но не растворимы в воде, растворах этанола и нейтральных солей. Эта группа белков, содержится в семенах злаков и других культур, а также в зеленых частях растений.

Глютелины вместе с проламинами входят в состав клейковины. Глютелины содержат до 45% глутаминовой кислоты.

П р о т е и н о и д ы (склеропротеины). Характерной особенностью протеиноидов является полная нерастворимость в воде, растворах нейтральных солей, разведенных кислотах и щелочах.

Протеиноиды относятся к фибриллярным белкам. Эти белки входят в состав кожи, сухожилий, костей, хрящей (коллаген), волос, рогов, копыт, перьев (кератин), паутины и шелковой нити (фиброин). Кератины содержат до 3% серы.

 

2.5.2. Сложные белки

В состав сложных белков входит белковая часть и какая-либо небелковая (простетическая) группа. В зависимости от химической природы простетической группы различают: хромопротеины, фосфопротеины, липопротеины, гликопротеины, металлопротеины, нуклеопротеины.

Х р о м о п р о т е и н ы состоят из простого белка, связанного с каким-либо окрашенным соединением небелкового характера. Эти белки обладают высокой биологической активностью. Одни из них участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, другие - в процессе фотосинтеза, третьи - в переносе кислорода и диоксида углерода и т.д.

Окрашенными небелковыми компонентами хромопротеинов могут быть производные каротина, изоаллоксазина, порфиринов и др.

Хорошо изученным представителем хромопротеинов является г е м о г л о б и н - белок, играющий важную роль в дыхательной функции крови теплокровных (транспорт кислорода и диоксида углерода). Молекула гемоглобина состоит из белка глобина и небелковой группы гема. Видовая специфичность гемоглобина человека и животного обусловлена глобином; гем у всех гемоглобинов имеет одинаковое строение.

В основе химической структуры гема лежит протопорфирин IX (1,3,5,8-тетраметил-2,4-дивинил-6,7-дипропионовокислый порфирин), представляющий собой производное порфирина - ароматического макроцикла, состоящего из пиррольных колец, соединенных метиновыми группами (-СН=). Протопорфирин IX,

соединенный с двухвалентным железом, является гемом. Приводим формулы каждого из этих соединений.

Гемоглобин обладает очень интересной и биологически важной особенностью. Он легко соединяется не только с кислородом, но и с СО, NO и другими газами. При воздействии окислителей к железу гемоглобина присоединяется группа -ОН и оно становится трехвалентным.

М и о г л о б и н - относительно небольшой глобулярный, кислород-связывающий, белок (мол. масса 16700) мышечных клеток. Его молекула состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 153 аминокислотных остатка с установленной последовательностью и одного гема.

Ф о с ф о п р о т е и н ы - белки, содержащие в своем составе ортофосфорную кислоту, присоединенную сложноэфирной связью к остаткам серина, реже треонина.

Фосфопротеины играют важную роль в питании как зародышей животных, так и молодого, растущего животного организма. Важными представителями этой группы белков являются казеин - главный белок молока, вителлин и фосфовитин - белки яичного желтка, ихтулин, выделенный из икры рыб и некоторые другие.

 

OH

ОН O-P=O

½ ½ OH

СН₂ + Н₃РО₄ ¾¾® СН₂

½ ½

H₂N-CH-COOH H₂N-CH-COOH

Фосфосерин (серин-

Cерин фосфорная кислота)

Л и п о п р о т е и н ы - это сединения, состоящие из липидов и специфических белков, связанных между собой посредством гидро-фобных и электростатических взаимодействий. Из липидов в составе липопротеинов обнаружены ацилглицерины, жирные кислоты, фосфолипиды, холестерин и его эфиры.

Среди липопротеинов различают структурные (нерастворимые) и свободные (растворимые в воде). Структурные липопротеины входят в состав мембран клетки и ее структурных образований,оболочки нервных волокон и жировых шариков молока, пластид растительной клетки (хлоропластов) и др. Структурные липопротеины обеспечивают проницаемость мембран.

Свободные липопротеины содержатся в плазме крови, молоке, желтке яиц и др. Они занимают ключевое место в транспорте и обмене липидов. Наиболее изученными являются липопротеины крови.

Г л и к о п р о т е и н ы - белки, содержащие в качестве небелковой группы углеводы и их производные (галактозу, маннозу, аминосахара, олигосахариды, гетерополисахариды и др.) Углеводный и белковый компоненты в гликопротеинах соединены О- или N-гликозидными связями. В образовании О-гликозидных связей между углеводным компонентом и белком участвуют остатки серина, треонина, гидроксилизина и гидроксипролина. В образовании N-гликозидной углевод-белковой связи могут участвовать глюкозамины (или N-ацетилглюкозамины) и амидная группа аспарагина пептидной цепи. Углеводная часть в молекуле гликопротеина может составлять менее 1%, а может достигать 30% и более.

М е т а л л о п р о т е и н ы - сложные белки, в состав которых входят ионы какого-либо одного или нескольких металлов, соединенные с белковой частью посредством комплексной связи. Ионы металлов в металлопротеинах можно отделить от белка только при энергичном воздействии. К металлопротеинам относятся ф е р р и т и н, содержащий железо, ц е р у л о п л а з м и н и п о л и ф е н о л о к с и д а з а, содержащие медь, а м и л а з а, содержащая кальций и др.

Некоторые металлопротеины, особенно из группы ферментов, содержат в качестве простетической группы несколько различных веществ. Так, например, в сукцинатдегидрогеназе, наряду с производным флавина, содержится железо, ксантиноксидаза содержит производное флавина и молибден, алкогольдегидрогеназа - производные пиридина и цинк и т.д.

Н у к л е о п р о т е и н ы - это комплексы нуклеиновых кислот с белками. Они содержатся в каждой клетке и выполняют важнейшие специфические функции, связанные с хранением и реализацией генетической информации. Белковой составляющей нуклеопротеинов могут быть гистоны, протамины и так называемые негистоновые белки. Природа негистоновых белков пока не выяснена. Из нуклеиновых кислот в состав нуклеопротеинов входят дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) или рибонуклеиновая кислота (РНК).

Нуклеопротеины, содержащие ДНК называют дезоксирибонуклео-протеинами (ДНП), а содержащие РНК - рибонуклеопротеинами (РНП).

К нуклеопротеинам относят вирусы - паразиты, способные проникать в клетку специфического хозяина и, размножаясь, вызывать заболевание. Вирусы в виде чистых препаратов (вне клетки хозяина) не способны к самовоспроизведению.

 

ГЛАВА 3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновым кислотам, как и белкам, принадлежит ведущая роль в явлениях жизни. Они являются генетическим материалом всех живых организмов и вирусов.

 

3.1. Химический состав нуклеиновых кислот

При нагревании с хлорной кислотой нуклеиновые кислоты распадаются на следующие типы веществ: пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, пентозы и ортофосфорную кислоту.

Из пентоз в нуклеиновых кислотах обнаружены р и б о з а и д е з о к с и р и б о з а. В составе нуклеиновых кислот оба сахара находятся в b-D-рибофуранозной форме:

5 5

ОН О СН₂ОН ОН О СН₂ОН

1 4 1 4

Н Н Н Н

Н 2 3 Н Н 2 3 Н