Строение биологической мембраны

Биологическая мембрана отграничивает содержимое клетки от внешней среды, образует стенки большинства органоидов и оболочку ядра, разделяет содержимое цитоплазмы на отдельные отсеки. У всех клеток она построена одинаково и имеет толщину 7-10 нм. Биологическая мембрана при рассмотрении в электронном микроскопе выглядит трехслойной – два темных слоя, разделенные светлым. Наружный и внутренний слои мембраны (темные) образованы молекулами белков, а средний (светлый) – двумя слоями молекул липидов. Липидные молекулы расположены строго упорядоченно: водорастворимые (гидрофильные) концы молекул обращены к белковым слоям, а водонерастворимые (гидрофобные) – друг к другу. Белковые молекулы по отношению к липидному слою могут располагаться по-разному: большинство их находится на обеих поверхностях липидного слоя, часть молекул пронизывает один, а часть – оба слоя липидных молекул.

Нарисовать строение биологической мембраны.

Гликолипиды – липиды + углеводы

жирные кислоты, гексозамины,

сфингозин сиаловые кислоты

цереброзиды (сфингозин, остаток жирной кислоты, галактоза или глюкоза)

 

ганглиозиды (сфингозин, олигосахарид, содержащий остатки глюкозы и галактозы и одну или несколько молекул сиаловых кислот → производные аминосахаров).

 

Схема строение цереброзидов.

 

Схема строение ганглиозидов.

 

 

Ганглиозиды обнаруживаются обычно на внешней поверхности клеточных мембран, особенно в нервных клетках. Отмечено распределение цереброзидов в составе белого вещества мозга, а ганглиозидов – в составе серого вещества мозга.

 

Сульфолипиды – это гликолипиды, содержащие остаток серной кислоты. Они имеют структуру, аналогичную цереброзидам, но включают остаток серной кислоты. Сульфатиды в больших количествах содержатся в миелине.

 

Среди сложных липидов определенный интерес представляют липопротеиды – комплексы липидов с белками. По строению это небольшого размера (150-200 нм) сферические частицы, наружная оболочка которых образована белками (что позволяет им передвигаться по крови), а внутренняя часть – липидами и их производными. Основная функция липопротеидов – транспорт по крови липидов. В зависимости от количества белка и липидов липопротеиды подразделяются на хиломикроны, липопротеиды низкой плотности (ЛПНП) и высокой плотности (ЛПВП), которые раньше обозначались как α- и β-липопротеиды.

Хиломикроны являются наиболее крупными из липопротеидов и содержат до 98-99% липидов и только 1-2% белка. Они образуются в клетках слизистой оболочки кишечника и обеспечивают транспорт липидов из кишечника в лимфу, а затем в кровь.

В ЛПНП количество белка составляет 9-20%, а среди липидов преобладают холестерин и триацилглицерины (до 40%).

Белковая часть ЛПВП колеблется в пределах 35-50%, а липидная представлена фосфолипидами и холестерином. Таким образом, холестерин транспортируется по крови в составе липопротеидов, особенно ЛПНП. Вследствие этого между уровнем холестерина и ЛПНП отмечается прямая зависимость: накопление холестерина сопровождается увеличением в крови его транспортной формы ЛПНП и наоборот. Вот почему определению уровня липопротеидов в крови придается важное значение в клинической лабораторной практике.

 

Лекция № 6.

ТЕМА «ХИМИЯ БЕЛКОВ».

1. Белки – природные полимеры, биологическое значение. Функции.
2. Аминокислоты: классификация, физико-химические свойства.
3. Электрофорез аминокислот.
4. Образование пептидной связи. Пептиды – состав, биологические функции.
5. Уровни структурной организации белковой молекулы.

 

БЕЛКИ – это высокомолекулярные соединения, состоящие из α-аминокислот – мономерных звеньев, соединенных между собой пептидными связями.

Белки, или протеины, количественно преобладают над всеми другими макромолекулами живой клетки. С белками мы встречаемся всюду, где имеет место проявление жизни. Белки участвуют во всех биологических процессах, выполняя разнообразные функции.

Основная функция белков в организме – это

1) пластическая, т.е. они используются для построения органов и тканей животных и человека.

Белки выполняют:

2) каталитическую функцию – свыше 2000 ферментов-биокатализаторов – выделено к настоящему времени. Практически все они являются белками. Химические реакции, лежащие в основе процессов жизнедеятельности, катализируются ферментами.

3) Сократительная функция – важным признаком живого является подвижность. В основе ее лежит сократительная функция белков. Например, мышечные сокращения, изменение формы клеток и субклеточных частиц.

4) Транспортная функция – белки обладают исключительными возможностями по специфическому связыванию различные соединений, например связь Нb с О₂ и перенос по крови, комплекс альбумина с билирубином, что способствует обезвреживанию билирубина и др.

5) Защитная функция – белки-антитела предохраняют организм от чужеродных агентов, участвуют в выработке иммунитета.

6) Регуляторная функция – некоторые белки являются гормонами, участвуют в регуляции разнообразных процессов, протекающих в организме. Так, гормон инсулин регулирует содержание глюкозы в крови, ряд белков участвуют в регуляции осмотического давления, рН крови и т.д.

7) Белки могут использоваться и как энергетический материал (при полном окислении 1 г белка выделяется 16,9 кДж энергии).

 

Каждый белок имеет уникальную, свойственную лишь ему структуру и в такой же мере уникальную функцию, отличающую от функций других белков.

По своему элементарному составу белки характеризуются наличием С, О, Н, N, S и часто Р. Процентное содержание отдельных элементов в белковых веществах: С – 50,6-54,5%; О₂ – 21,5-23,5%; Н – 6,5-7,3%; N – 15,0-17,6%; S – 0,3-2,5%. Обычно среднее содержание азота в белке принимают равным 16%. В связи с этим предложено определять количество белка по входящему в его состав азоту.

Зная, что 1 г азота содержится в 6,25 г белка, находят количество азота, умножают на коэффициент 6,25 и получают количество белка.

Например, в организм с пищей человек получил 80 г белка. Сколько азота может выделиться с продуктами распада?

1 г азота ---------------- 6,25 г белка

Х г азота ---------------- 80 г белка

 

 

Аминокислоты – главные составные части белков, мономеры белков. Физико-химические и биологические свойства белков определяются их аминокислотным составом. Аминокислоты – это аминопроизводные класса карбоновых кислот, они входят не только в состав белков, многие из них выполняют специальные функции. По биологической значимости аминокислоты разделяют на заменимые и незаменимые. Известно 20 аминокислот, которые входят в состав природных белков. Аминокислоты живых организмов кодируются генетическим кодом, их называют протеиногенные, их 20, 19 из них являются α-аминокислотами, т.е. группа -NН₂- присоединена к α-углеродному атому тех карбоновых кислот, производными которых они являются. Исключение составляет пролин – аминокислота, она не соответствует общей формуле аминокислот:

R

Н₂N-СН-СООН

 

СН₂-СООН СН₃-СН-СООН

NН₂ NН₂

Глицин аланин и др.

 

По строению соединений, получающихся при расщеплении углеродной цепи аминокислоты в организме, различают:

а) глюкопластичные (глюкогенные) – при недостаточном поступлении углеводов или нарушении их превращения они через щавелевоуксусную или фосфоэнолпировиноградную кислоты превращаются в глюкозу или гликоген. К этой группе относятся глицин, аланин, серин, треонин, Валин, аспарагиновая и глутаминовая кислота, аргинин, гистидин и метионин;

б) кетопластичные (кетогенные) – ускоряют образование кетоновых тел – лейцин, изолейцин, тирозин и фенилаланин (три последние могут быть и глюкогенными).

 

По структуре аминокислоты разделяют на 2 группы:

А) ациклические – аминокислоты предельного ряда;

Б) циклические – аминокислоты ароматического ряда.

А. По количеству функциональных групп различают ациклические аминокислоты:

1) моноаминомонокарбоновые – в молекуле каждой из них имеется одна амино- и одна карбоксильная группа, в водном растворе дает нейтральную среду.

Глицин

СН₂-СООН

NН₂

Участвует в образовании нуклеиновых кислот, желчных кислот, гема, необходим для обезвреживания в печенитоксических веществ.

Аланин

Н₃С-СН-СООН

NН₂

Участвует в процессах обмена углеводов и энергии. Его изомер β-аланин является составной частью витамина пантотеновой кислоты (В₅), коэнзима А (КоА), экстрактивных веществ мышц.

 

Серин

НОН₂С-СН-СООН

NН₂

Входит в состав различных ферментов, основного белка молока – казеина, обнаружен в составе липопротеидов и других белков.

Цистеин

СН₂-СН-СООН

SН NН₂

Благодаря группе -SН- цистеин окисляется и защищает организм при лучевом поражении, отравлении фосфором.

Метионин

СН₂-S-СН₃

 

СН₂

СН-NН₂

СООН

Содержит группу -СН₃, которая используется для синтеза важных соединений – холина, креатина, Тимина, адреналина и др.

2) моноаминодикарбоновые кислоты – имеют одну амино- и 2 карбоксильных группы, в водном растворе дают кислую среду. К ним относят

аспарагиновую кислоту СООН и глутаминовую к-ту СООН

СН₂ СН₂

СН-NН₂ СН₂

СООН СН-NН₂

СООН

Эти аминокислоты участвуют в биосинтезе белка, образовании тормозных медиаторов (переносчик нервных возбуждений) нервной системы, энергетическом обмене.

3) диаминомонокарбоновые кислоты – имеют две амино- и одну карбоксильную группу, в водном растворе дают щелочную среду. К ним относят лизин NН₂-СН₂-(СН₂)₃-СН-СООН

NН₂

и аргинин NН₂-С-NН-(СН₂)₃-СН-СООН

NН₂ NН₂

Лизин участвует в синтезе белка, обнаружен в составе некоторых ферментов. Аргенин участвует в синтезе мочевины, креатина, который входит в состав мышц и участвует в обмене энергии.

Б. Циклические аминокислоты имеют в составе ароматическое или гетероциклическое ядро, незаменимые, должны поступать с пищей. Активно участвуют в разнообразных обменных процессах.

 

 

Фенилаланин

-СН₂-СН-СООН

NН₂

Основной источник синтеза тирозина – предшественник гормонов тироксина, адреналина, некоторых пигментов.

 

Тирозин

НО -СН₂-СН-СООН

NН₂

 

Участвует в синтезе адреналина, тироксина.

 

Триптофан

N

Н₂С

N – Н

СН

Н₂N СООН

Участвует в синтезе белка, используется для синтеза витамина РР, серотонина, гормонов эпифиза, ряда пигментов.

Гистидин

Н₂С

NН

Н₂N-СН-СООН

Участвует в синтезе белка, предшественник гистамина, влияющего на кровяное давление, секрецию желудочного сока.

 

Химические и физико-химические свойства аминокислот обусловлены функциональными группами с противоположными свойствами. Поэтому в водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм молекулы. Равновесие зависит от рН среды.

 

NН₃⁺-СН-СООН ↔NН₃⁺-СН-СОО^¯ ↔ NН₂-СН-СОО^¯

R R R

катионная форма биполярный ион анионная форма

кислая среда ←← рН→→ щелочная среда

 

Нейтральные аминокислоты в воде не имеют заряда. Иначе ведут себя дикарбоновые кислоты, обе их карбоксильные группы диссоциируют, отдавая 2 протона, но поскольку у них только одна аминогруппа, принимающая один протон, то такие аминокислоты ведут себя как кислоты и раствор имеет кислую реакцию. Возникающий при этой диссоциации ион имеет избыток отрицательного заряда.

 

СООН СОО^¯

R ↔ R + Н⁺

NН₂ NН₂

 

Основные аминокислоты реагируют в водном растворе как слабые основания. Это связано с тем, что один протон, который освобождается при диссоциации карбоксильной группы таких аминокислот, связывается с одной из аминогрупп, а вторая аминогруппа связывает протон из водного окружения, увеличивая тем самым количество ОН-групп и повышая рН. Заряд иона таких аминокислот положительный.

 

СООН СООН

R + Н⁺ → R

NН₂ NН₃⁺

 

При добавлении в раствор аминокислот дополнительного количества протонов (кислоты) подавляется диссоциация карбоксильных групп и увеличивается количество NН₃⁺-групп. Аминокислоты при этом переходят в катионную форму (приобретают положительный заряд). При добавлении щелочи улучшаются условия для диссоциации карбоксильных групп – аминокислоты переходят в анионную форму (приобретают отрицательный заряд). Изменяя таким образом рН раствора, можно изменять заряд молекул аминокислот. В зависимости от свойств аминокислот количество добавляемой кислоты или щелочи для изменения величины заряда будет разным. При определенном для каждой аминокислоты значении рН наступает такое состояние, при котором заряд аминокислоты становится нейтральным. Такое значение рН получило название изоэлектрической точки (рJ). При значении рН, равном изоэлектрической точке, аминокислоты не перемещаются в электрическом поле. При рН ниже изоэлектрической точки катион аминокислоты движется к катоду, а при рН выше рJ анион аминокислоты движется к аноду. На этих свойствах аминокислот основана возможность их разделения в электрическом поле (электрофорез). Кислые аминокислоты имеют рJ в слабокислой среде, основные – в слабоосновной, а нейтральные – в нейтральной.

 

Аминокислоты, обладая одновременно свойствами слабой кислоты и слабого основания (амфотерные свойства), могут играть роль буферной системы, где могут реагировать как слабая кислота или как слабое основание.

Аминокислоты могут объединяться в длинные цепи, образуя между собой пептидные связи. Две аминокислоты при этом образуют дипептид и т.д. Пептиды содержащие до 10 аминокислот называют олигопептидами, а до 50 – полипептидами, а если больше, чем 50 аминокислот, то уже – белками.

 

Н

СН₂-СО ОН + N-СН₂-СООН → СН₂-СО-NН-СН₂-СООН + Н₂О

дипептид глицина

NН₂ Н NН₂

Пептидные связи образуются при взаимодействии α-аминогруппы одной аминокислоты с α-карбоксильной группой другой аминокислоты.

Пептидная связь – амидная ковалентная связь, соединяющая аминокислотные остатки в цепочку. Следовательно, пептиды – это цепочки аминокислот.

Пептидная связь довольно прочная, её можно разорвать, например, путем нагревания раствора белка в присутствии кислоты или щелочи, которые активируют гидролиз этой связи.

Гидролиз пептидной связи в клетках ускоряется при помощи специальных ферментов. Небольшие пептиды в организме присутствуют в незначительных количествах. В последние годы много внимания уделяется изучению структуры и функции пептидов, выполняющих многие важные биологические функции.

 

Природные пептиды разделяются на несколько групп в зависимости от выполняемых ими функций.

ØГруппа пептидов, содержащих глутаминовую кислоту, образующих пептидную связь своей гамма-карбоксильной группой. Это гамма-глутамилпептиды. К этой группе относят глутатион – трипептид (глу-цис-гли), участвующий в окислительно-восстановительных реакциях и обладающий антиоксидантными свойствами (препятствие развитию цепных реакций и свободнорадикальных).

Ø Пептиды – кинины – регуляторы тонуса сосудов.

Ø Пептиды – регуляторы функций гипофиза.

Ø Пептиды – гормоны – инсулин, глюкагон и др.

Ø Пептиды – нейромедиаторы. Существуют группы нейронов, связанных между собой молекулами – посредниками пептидной природы.

Ø Нейропептиды секретируются нервными клетками, могут оказывать обезболивающий эффект (энкефалины и эндорфины), модулировать поведенческие реакции.

Ø Пептиды – антибиотики. Ряд пептидов, образуемых микроорганизмами, используется в медицинской и исследовательской практике в качестве регуляторов механизмов синтеза белка, проницаемости мембран.

Ø Пептиды – токсины. Из грибов и растений выделено большое число пептидов, вызывающих отравления у человека и животных (пептиды бледной поганки, пептиды насекомых).

Исследование строения и функций биологически активных пептидов позволяет понять многие стороны регуляции процессов жизнедеятельности организмов.

 

Белки имеют сложную пространственную структуру. Исследователи выделили 4 уровня организации.

Первичная структура – понятие, обозначающее последовательность аминокислотных остатков в белке. Например,

S S

Глу-Глун-Цис-Цис-Ала-Сер-Вал-Цис-Сер-Лей

(фрагмент одной из цепей молекулы инсулина)

Пептидная связь – основной вид связи, определяющий первичную структуру, она является ковалентной связью. Возможно и присутствие дисульфидных связей между двумя остатками цистеина в одной полипетидной цепи с образованием цистина.

Последовательность аминокислот в белке уникальна и детерминируется генами. Даже небольшие изменения первичной структуры могут серьезно изменять свойства белка. Первичная структура белков обеспечивает формирование последующих уровней структурной организации и определяет видовую специфичность белка.

Расшифрована первичная структура ряда ферментов: рибонуклеазы (129 аминокислот), карбоксипептидазы (309 аминокислот), некоторых гормонов. В последние годы внимание исследователей привлекают пептиды, состоящие из небольшого числа аминокислот и обладающие высокой биологической активностью. Гормон окситоцин (9 аминокислот) стимулирует сокращение гладкой мускулатуры (матки, молочной железы, кишечника). Гормон вазопрессин (9) – антидиуретический гормон, повышает кровяное давление, увеличивает реабсорбцию воды в почках. Недостаток его приводит к развитию несахарного диабета, при котором выделяется больше 10 л мочи в сутки, сильно разбавленной. Гормон инсулин контролирует содержание глюкозы в крови.

Определенный интерес представляет группа пептидов – энкефалины, которые вырабатываются в клетках ЦНС в ответ на болевые раздражения и ослабляют чувство боли. Так же обнаружены пептиды целенаправленного действия сна, жажды и т.д.

 

Вторичная структура – упорядоченная и компактная упаковка полипептидной цепи в пространстве. Она бывает в виде спирали и складчатой структуры. Образование вторичной структуры обеспечивается водородной связью, нековалентной. α-спиральную конфигурацию поддерживают, в основном, водородные связи внутри полипептидной цепи, β-структура полипептидной цепи имеет зигзагообразную структуру, полипептидные цепи уложены параллельно друг другу в виде складчатого слоя. В β-конфигурации отсутствуют внутрицепочечные водородные связи, а имеются межцепочечные водородные связи между пептидными группами соседних полипептидных цепей. Вторичная структура способствует компактизации полипептидной цепи, укладывая ее в α-спираль или β-структуру, тем самым определяя такие свойства как прочность, нерастворимость.

Вторичная структура детерминирована размером, формой и полярностью боковых радикалов аминокислот полипептидных цепей. Вторичная структура характерна для альбуминов, глобулинов, кератина волос, коллагена сухожилий.

 

Третичная структура – расположена в пространстве всей полипетидной цепи, содержащей α-спирали, β-структуры. Большая часть белков на уровне этой структуры принимает глобулярную форму. Основу составляют ионные связи, электростатические, в некоторых белках – ковалентные дисульфидные связи, которые стабилизируют третичную структуру. Третичная структура обеспечивает выполнение белком его основных функций. Глобулярные белки – альбумины и глобулины, обнаружены в крови и многих органах, фибриллярные – основа мышечных тканей. Характер третичной организации устанавливают с помощью рентгеноструктурного анализа.

Третичную структуру принято называть «нативной конформацией», т.е. нативные свойства белков (естественное состояние) определяются третичной структурой. При разрыве связей, стабилизирующих третичную структуру, белок теряет частично или в полной мере биологические и функциональные свойства.

 

Четвертичная структура – возникает в результате объединения нескольких субъединиц с третичной структурой в одну большую молекулу. Связь между субъединицами нековалентная, хотя в ряде белков субъединицы соединены ковалентными дисульфидными мостиками. Четвертичная структура обеспечивает кооперативный эффект, например молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц (степень α-спирализации составляет 80%, т.е. наибольшую), каждая из которых способна присоединять молекулу кислорода. При этом связывание кислорода одной субъединицей изменяет конформацию других субъединиц таким образом, что присоединение кислорода к ним облегчается – это совместный (кооперативный) эффект.

Фермент ЛДГ – 4 субъединицы: 2Н и 2М. их разные комбинации позволяют создать 5 ферментов, катализирующих одинаковую реакцию в разных органах и тканях: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ. Такие белки называются – изопротеины или изоферменты. Изоферменты имеют различную локализацию в тканях. Это имеет важное значение для диагностики различных заболеваний.

 

Высшие уровни структуры молекулы белка обусловлены в основном особенностями первичной структуры, но в значительной мере зависят также и от условий среды, в которой находится белок (рН, tº).

 

Лекция № 7.

ТЕМА «ХИМИЯ БЕЛКА».

1. Изопротеины, их биологическое и клиническое значение.
2. Физико-химические свойства белков.
3. Конформация белков, её биологическое значение:

- специфическое белок-лиганд взаимодействие;

- кооперативный эффект;

- факторы регуляции.

1. Классификация белков. Простые белки: представители, биологическое значение.

 

Белки с одинаковыми функциями, но отличающиеся физико-химическими свойствами, получили название – изопротеины. Так, например, фермент-белок лактатдегидрогеназа (ЛДГ), состоит из 4-х субъединиц, формируется из 2-х генетически детерминированных полипептидных цепей «Н» и «М». Их разные комбинации позволяют создать 5 ферментов-белков, катализирующих одинаковую реакцию в разных органах и тканях. Это имеет важное значение для диагностики различных заболеваний.

Размер молекул белка, растворимость, электрический заряд и другие физико-химические свойства их в большой мере определяют биологическую роль белков, их участие в процессах обмена веществ, а также в формировании структуры и функций организма.

 

Белки как коллоиды. Белки в организме находятся в коллоидном состоянии. При определенных условиях можно получить и кристаллические формы белков. Имея большой размер молекулы – 0,001-0,1 мкм, белки не проходят через полупроницаемые перегородки, какими являются клеточные мембраны. Этим пользуются для очистки растворов белка от остатков низкомолекулярных веществ (солей, сахаров) при изготовлении иммунных сывороток, сухой плазмы, γ-глобулина и других препаратов. Метод такой очистки белков получил название – диализ. Для растворов белков характерен оптический эффект Тиндаля (при пропускании пучка света через коллоидный раствор путь луча имеет вид светящегося конуса – см. рисунок 21, уч. Ермолаев. Биохимия, стр. 42) – это явление используется для определения белка методом нефелометрии. Явление диализа лежит в основе действия аппарата «искусственная почка», который широко используется в клиниках для лечения почечной недостаточности. Для коллоидных растворов характерна способность преломлять луч света, что используется для количественного определения белка методом рефрактометрии.

 

Молекулярная масса белков. Молекулярная масса белков колеблется от нескольких тысяч до миллионов. Размеры молекул отдельных белков могут приближаться к размерам наименьших живых существ.

Точность определения молекулярной массы белков зависит от метода и условий, в которых определяется эта масса, в частности, от реакции среды. Одной из характерных особенностей многих белков является их свойство образовывать молекулярные агрегаты, состоящие из нескольких молекул. При изменении температуры, величины рН, добавлении некоторых органических и минеральных веществ способность белков к агрегации или диссоциации на субъединицы изменяется. Это обусловливает изменение величины молекулярной массы белков и в определенной мере влияет на результаты изучения молекулярной массы.

 

Белки – амфотерные электролиты. Благодаря наличию в белках аминных и карбоксильных групп, они в кислой среде диссоциируют как основания, а в щелочной – как кислоты. Ионное состояние белков в большой мере обусловливает их физико-химические свойства. Так, вязкость, онкотическое давление, способность к набуханию зависят от степени диссоциации белков. Амфотерные свойства белков обусловливают их значение как буферных систем, поддерживающих постоянство реакции среды в тканях, их участие в регуляции рН крови.

Амфотерность белков используют для разделения их на фракции с целью диагностики ряда заболеваний и контроля за состоянием больного, так как при различных патологических состояниях фракционный состав белков существенно меняется.

 

Изоэлектрическое состояние белка. Свойства белков определяются свойствами аминокислот, из которых состоят белки. Аминокислоты – амфотерные соединения, и это их свойство обусловлено амино- и карбоксильными группами. Число таких групп зависит от числа основных и кислых аминокислот в белковой молекуле. Все эти группы в белке находятся в ионизированном состоянии в зависимости от рН. Белки также при определенном значении рН имеют нейтральный заряд, такое значение рН называют изоэлектрической точкой белка (рJ). При этом белок находится в наименее устойчивом состоянии. При рН ниже рJ увеличивается число положительных зарядов и молекула белка становится катионом. При рН выше рJ увеличивается число отрицательных зарядов и белок становится анионом. рJ большинства природных белков находятся в пределах рН 4,8 – 5,4, что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых кислот. Значение рJ белка важно для разделения белков методом электрофореза, который занимает а лабораторной практике важное место.

Все несущие заряд частицы передвигаются в электрическом поле в зависимости от величины заряда. Постоянное электрическое поле можно получить, используя источники постоянного напряжения и пропуская постоянный ток через буферный раствор. Выбирая рН буферного раствора, можно управлять характером распределения белков в электрическом поле. Скорость перемещения молекул зависит от ряда факторов: присутствия других ионов, температуры, молекулы носителя, на котором проводится разделение, величины заряда самой белковой молекулы. Метод разделения, учитывающий все указанные факторы называется электрофорезом. Его применяют как для разделения белков, так и любых частиц, имеющих заряд.

Вначале разделение белков проводили в буферном растворе (электрофорез со свободной границей), а затем большое распространение получил электрофорез на носителях. Носителем служат полоски бумаги, ацетатцеллюлозы, агаровый, крахмальный, полиакриламидный гель, смоченные или содержащие буферный раствор. В клинической практике наибольшую популярность приобрел электрофорез на ацетатцеллюлозных полосках для разделения белков плазмы крови. Обычно белки плазмы в стандартных условиях электрофореза (буферный раствор рН 8,8) разделяются на 5 фракций. Полоски пропитывают красителем, который количественно связывается с белками, что позволяет после извлечения краски количественно оценить элекрофореграмму. Соотношение между отдельными фракциями меняется при разных заболеваниях. Для определения индивидуальных белков пользуются сочетанием электрофореза с иммунологическими реакциями (иммуноэлектрофорез).

 

Гидрофильность и гидрофобность белков. Белки обладают большим сродством к воде, т.е. вокруг белковой молекулы расположена гидратная оболочка, предохраняющая от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Альбумины связываются с молекулами воды и имеют большую водную оболочку, а глобулины, фибриноген присоединяет воду хуже и гидратная оболочка у них меньше.

Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами:

1) наличием электрического заряда белковой молекулы;

2) находящаяся вокруг молекулы водная оболочка.

При удалении этих факторов белок выпадает в осадок.

 

Адсорбция – способность поглощать на своей поверхности некоторые вещества и ионы (гормоны, витамины, железо, медь и др.), которые либо плохо растворимы в воде, либо являются токсичными (билирубин, свободные жирные кислоты). Белки транспортируют их по крови к местам дальнейших превращений или обезвреживания.

 

Осаждение белков.

 

а) обратимое – (высаливание) путем добавления солей щелочноземельных металлов. В основе действия лежит конкуренция их с белками за воду. Высаливающий эффект наступает при достаточно высоких концентрациях солей (насыщенные или полунасыщенные растворы). В практике часто используют Nа₂SО₄ и (NН₄)₂SО₄. эти соли удаляют водную оболочку и снимают заряд. Глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой – при полном насыщении.

После удаления солей, белок возвращается в нативное состояние.

б) необратимое осаждение связано с нарушением пространственной структуры, что приводит к потере свойств. Это денатурация (в желудке, ожоги, свертывание крови и др.). денатурацию могут вызывать факторы: нагревание, облучение, механическое встряхивание, охлаждение, химическое воздействие – действие кислот и щелочей, ионов тяжелых металлов и др. Белки имеют высокую чувствительность к повышению температуры, поэтому термостабильность для белков не характерна. Денатурация – процесс разрушения пространственной структуры путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных связей. При этом происходит развертывание цепей и утрата биологической активности без разрушения пептидных связей, т.е. первичная структура белка сохраняется. Реакции осаждения белков используются в медицине для выделения и обнаружения белка в крови, моче. В лабораторной практике денатурация используется для депротеинизации биологических жидкостей.

Денатурация белков положена в основу лечения отравлений тяжелыми металлами, когда больному per os вводят молоко или сырые яйца с тем, чтобы Ме, денатурируя белки молока и яиц, адсорбировали их на поверхности Ме и не действовали на белки слизистой оболочки желудка и кишечника, а также не всасывались в кровь.

 

Конформация белков – это пространственное расположение в молекуле белка замещающих групп, способных свободно изменять своё положение в пространстве без разрыва каких-либо связей, благодаря свободному вращению вокруг одинарных углерод-углеродных связей.

В природе полипептидная цепь нативного белка имеет одну или очень ограниченное число конформаций. Эта нативная конформация является устойчивой и формирует её связи, делающие стабильной третичную структуру белка, которая называется нативной конформацией.

 

Основным свойством белка, обеспечивающим его функцию, является избирательное взаимодействие с определенным веществом – лигандом. Лигандами могут быть вещества разной природы, как низкомолекулярные, так и макромолекулы, в том числе белки. На белковых молекулах есть участки, центры связывания или активные центры, к которым присоединяется лиганд. Связи между белком и лигандом могут быть нековалентными и ковалентными. Высокая специфичность взаимодействия белка и лиганда обеспечивается комплементарностью структуры активного центра пространственной структуре лиганда.

Белок-лигандное взаимодействие описывается уравнением:

 

Р + L ↔ РL

белок лиганд белково-лигандный комплекс

 

 

К_дисс. – константа диссоциации комплекса

Из равновесия реакции следует, что если [Р] = [РL], то К_дисс.= [L]. Равенство [Р] и [РL] наступает при полунасыщении белка лигандом, т.е. 50% молекул белка связаны с лигандом, а 50% свободны. Максимальная величина РL означает, что весь белок связан с лигандом.

Четвертичная структура характерна для белков, состоящих из нескольких субъединиц и представляет собой взаиморасположение их в пространстве. Каждая из субъединиц несет часть функциональной активности. Например, молекула гемоглобина состоит из 4-х субъединиц, каждая из которых способна присоединять молекулу кислорода. При этом связывание кислорода одной субъединицей так изменяет конформацию остальных, что присоединение кислорода к ним облегчается, т.е. увеличивается их сродство к кислороду. Это так называемый кооперативный эффект.

 

К факторам регуляции, влияющим на конформацию белка относятся: а) неспецифические факторы регуляции – изменение рН, температуры, которые в равной мере влияют одновременно на все белки; б) специальные специфические факторы регуляции.

 

В основе классификации белков лежат их химические и физические свойства, а также биологическая роль, которую они выполняют в организме.. все белковые вещества разделяются на 2 большие группы: простые белки – протеины и сложные – протеиды. По форме белковой молекулы белки делятся на глобулярные (шаровидные) и фибриллярные (нитевидные). По растворимости в воде выделяют водорастворимые, солерастворимые, нерастворимые в воде (характерны для биологических мембран).

Водорастворимые простые белки имеют глобулярную форму. Они находятся в биологических жидкостях, выполняют транспортные функции, являются ферментами и т.д.

Водонерастворимые простые белки имеют форму нитей. Это фибриллярные белки. Они выделены из кожи, костей, сухожилий и др. Типичный белок такого типа – коллаген.

Простые белки при гидролизе образуют только аминокислоты. Простые белки разделяются на альбумины и глобулины, протамины и гистоны и др.

Альбумины – в крови, спинномозговой жидкости, а также в клетках всех животных, растений и микроорганизмов. Хорошо растворимы в воде, отличаются от глобулинов незначительным содержанием глицина. Содержат много серусодержащих аминокислот. Альбумины – мелкодисперсные молекулы, окружены большой водной оболочкой, легко вступают в связь с различными веществами с образованием комплексов (альбумин-билирубиновый и др.). Обеспечивают кислотные свойства. Альбумины участвуют в поддержании осмотического давления крови (создают онкотическое давлении), транспортируют с кровью различные вещества.

Глобулины – почти всегда встречаются вместе с альбуминами. Они растворимы в воде и легко растворяются в солевых растворах слабой концентрации. В альбуминах находится лейцин (до 15%) и очень мало глицина. В глобулинах больше глицина, находятся в более грубодисперсном состоянии, чем альбумины. Их можно разделить на α-, β-, γ-глобулины. Глобулины входят в состав ферментов, составляют основу иммуноглобулинов, выполняющих функции антител. Глобулины плазмы крови выполняют транспортную роль.

Гистоны у человека в свободном состоянии не встречаются. В их составе преобладают остатки диаминомонокарбоновых кислот (аргинина, лизина) и гистидина. Эти белки имеют резко основной характер. Представитель – глобин, который входит в состав гемоглобина. Гистоны встречаются в значительных количествах в белках эритроцитов и зобной железы.

Протамины – белки, включающие до 80% диаминомонокарбоновых кислот. У них ещё более ярко выражены основные свойства по сравнению с гистонами. Высоким содержанием протаминов отличаются сперма и икра рыб, а также многоядерные ткани. Протамины и гистоны составляют белковую часть нуклеопротеидов, поэтому представляют значительный биологический интерес.

Лекция № 8.

ТЕМА «ХИМИЯ БЕЛКА».

1. Сложные белки, представители, характеристика, биологическое значение:

- нуклеопротеиды,

- хромопротеиды,

- фосфопротеиды,

- гликопротеиды,

- липопротеиды.

1. Миоглобин – строение молекулы, биологическое значение.
2. Гемоглобин – особенности его строения, биологические фукции.
3. Типы гемоглобна – физиологические и патологические, их биологическое и клиническое значение.
4. Методы выделения и очистки белков, их значение в лабораторной диагностике.

 

Классификация сложных белков базируется на химических особенностях их небелковых компонентов – простетических групп. Исходя из этого они разделяются на хромопротеиды, фосфопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, нуклеопротеиды и др.

 

ХРОМОПРОТЕИДЫ – это белки, простетическая группа которых имеет окраску. К ним относятся многие белки, содержащие Ме. Например, церулоплазмин – белок, содержащий медь, имеет синюю окраску. Белок, переносящий витамин В₁₂, имеет розовый цвет (этот витамин имеет в своем составе кобальт). Хорошо изучены белки, содержащие железо: гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Они имеют красную окраску. Красный цвет миоглобина и гемоглобина обеспечивается гемом – циклическим тетрапирролом. Атом железа в этой молекуле занимает центральное положение. Цитохромы, каталаза – это тоже белки с тетрапиррольными структурами. Железо в составе гема цитохромов способно менять свою валентность. А в гемоглобине и миоглобине изменение валентности железа нарушает их функцию – связывание кислорода.

Так как многие изместные биологически активные хромопротеиды содержат металл, их ещё называют металлопротеидами. К железосодержащим металлопротеидам, имеющим окраску, относятся гемоглобин, миоглобин, цитохромы и цитохромоксидаза. Некоторые металлопротеиды окраски не имеют. Например, фермент карбоангидраза, содержащий цинк, относится к неокрашенным металлопротеидам. Известны хромопротеиды, не содержащие металла. К ним относятся некоторые флавопротеиды, в состав которых входит рибофлавин – витамин В₂. Хромопротеиды имеют очень важное значение, поскольку они обусловливают процессы дыхания у многих организмов, особенно у человека и высших животных.

Гемоглобин – состоит из белка глобина и небелковой части гема, в составе которого имеется атом Fе(II). Молекула Нb содержит 4 гема и является белком с четвертичной структурой (4 субъединицы – 2 α-цепи и 2 β-цепи, каждая из которых имеет свою третичную структуру и особым образом уложена вокруг кольца гема). Каждая из субъединиц похожа на молекулу миоглобина. Молекула гемоглобина способна присоединять 4 молекулы О₂. Гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, а углекислый газ в обратном направлении.

Нb + О₂ → НbО₂ – оксигемоглобин – в капиллярах легких Нb насыщается кислородом при высоком парциальном давлении (100 мм.рт.ст.).

В капиллярах тканей, где парциальное давление кислорода низкое (5 мм.рт.ст.) НbО₂ → на Нb и О₂. Кислород переходит в ткани, а освободившийся Нb соединяется с поступившим из тканей СО₂ и превращается в НbСО₂ – карбгемоглобин, который переносится с кровью к легким. В легочных капиллярах НbСО₂ → Нb + СО₂. СО₂ выводится из организма при выдыхании, а Нb вновь насыщается кислородом.

Сравнение зависимости насыщения от парциального давления кислорода показывает, что при парциальных давлениях кислорода, характерных для тканей, гемоглобин отдает значительные количества кислорода. В гемоглобине происходит перемещение атома железа в плоскость гема с одновременным изменением конформации полипептидной цепи, но так как молекула Нb имеет четвертичную структуру и отдельные цепи связаны между собой, то это позволяет передать изменения конформации на область связи между полипептидными цепями. Это изменяет положение в пространстве всей молекулы и облегчает доступ О₂ к остальным гемам молекулы Нb. Одновременно это изменение конформации сопровождается появлением на поверхности групп, которые, диссоциируя, отдают протоны (Н⁺) в окружающую среду. При понижении парциального давления кислорода события повторяются в обратном направлении: отдача кислорода идет по мере снижения парциального давления, гемоглобин переходит в другое конформационное состояние, при этом из окружающей среды (ткань), где высока концентрация протонов, протоны присоединяются к гемоглобину. Такие изменения конформации позволяют гемоглобину не только регулировать обеспечение кислородом тканей, но и участвовать в поддержании кислотно-основного равновесия в организме.

При отравлении угарным газом в крови образовывается карбоксигемоглобин Нb + СО → НbСО – прочное соединение, препятствует образованию НbО₂ и транспорту кислорода. Возникает кислородное голодание.

Различные формы Нb определяются методом спектрального анализа. У взрослого человека молекула НbА (2 α-цепи и 2 β-цепи). Но от целого ряда условий состав цепей гемоглобина может меняться. У плода НbF (фетальный – 2 α-цепи, 2 γ-цепи) – он лучше связывает кислород при его относительной недостаточности в период внутриутробного развития.

В результате определенных нарушений генетического аппарата клетки Нb патологический, а заболевания – гемоглобинопатии наследственного происхождения.

Классическим примером является серповидно-клеточная анемия (аномальный гемоглобин – причина). Синтезируется β-цепь необычного состава, в которой валин занимает место глутаминовой кислоты, присутствующей в нормальном НbА. Изменение такое вызывает нарушение структуры и свойств Нb, который обозначается НbS – он легко выпадает в осадок, обладает сниженной способностью переносить кислород. В результате эритроциты, содержащие НbS приобретают форму серпа. Клинически: нарушается кровообращение и дыхание, иногда летальный исход.

 

Миоглобин – хромопротеид, содержащийся в мышцах. Он обладает простетической группой – гемом, циклическим тетрапирролом, придающим ему красный цвет. Тетрапиррол состоит из 4 пиррольных колец, соединенных в плоскую молекулу метиленовыми мостиками. Атом железа занимает центральное положение в этой плоской молекуле. Железо составе гема цитохромов способно менять свою валентность, в гемоглобине и миоглобине изменение валентности железа нарушает их функцию. Главная функция и гемоглобина и миоглобина – связывание кислорода.

Миоглобин – сферическая молекула, состоит из 153 аминокислот с общей молекулярной массой 17000. он состоит из одной цепи, аналогичной субъединице Нb. На уровне вторичной структуры он образует 8 α-спиральных участков, захватывающих почти 75% всех аминокислот молекулы. Атом железа в геме миоглобина, не связанный с кислородом, выступает из плоскости молекулы на 0,03 нм. В оксигенированной форме атом железа как бы погружается в плоскость молекулы гема. Образуя связь с одной из молекул гистидина глобиновой части, железо при соединении с кислородом изменяет и конформацию белка. Миоглобин удобен для хранения кислорода, но не удобен для транспорта его по крови. Это объясняется процессом насыщения миоглобина в зависимости от парциального давления кислорода. Так как в легких парциальное давление кислорода 13,3 кПа, миоглобин хорошо бы насыщался кислородом, но в венозной крови это давление составляет 5,3 кПа, а в мышцах ещё меньше – 2,6 кПа. Миоглобин в таких условиях сможет отдавать мало кислорода и будет недостаточно эффективен в транспорте кислорода от легких к тканям.

 

ФОСФОПРОТЕИДЫ – это белки, содержащие фосфор. Фосфорная кислота в их молекуле образует сложноэфирные связи с гидроксильными группами таких оксиаминокислот, как серин и треонин. К фосфопротеидам относится большая группа белков, в том числе белок молока – казеиноген, который под влиянием желудочного сока в процессе переваривания белков молока превращается в нерастворимый казеин.

Овоальбумин – фосфопротеид яичного белка. Он составляет около 70% всего яичного белка. К фосфопротеидам относятся белки яичного желтка – вителин, вителенин и фосфовитин. Фосфопротеиды в больших количествах входят в те ткани, которые являются питательным материалом для быстро растущих эмбрионов или для молодых организмов, характеризующихся большой интенсивностью обмена и быстрым ростом.

 

ГЛИКОПРОТЕИДЫ – это белки, простетическая группа которых содержит углеводы – протеогликаны и мукопротеины. Этим белкам принадлежит важная роль в структурной организации клеток и тканей, они выполняют защитные функции. (Входят в состав клеточных мембран, участвуют в процессах свертывания крови, иммунитет, в слизь и секреты ЖКТ.) Например, гликопротеид (полисахарид гепарин) проявляет свою антикоагулянтную функцию в основном в комплексе с белками.

В крови человека и высших животных содержится много гликопротеидов. К ним относятся альбумины, глобулины, фибриноген и ряд других белков крови.

Группа соединений, у которых белковая часть относительно слабо связана с углеводной, а последняя характеризуется высоким содержанием сахаров, гексуроновых кислот и сульфатов, называется – мукопротеидами. Поскольку эти вещества содержат гексуроновые кислоты и остатки серной кислоты, они имеют кислый характер, т.е. являются кислыми гликопротеидами. К таким мукопротеидам относятся: хондромукоиды хрящей, которые содержат хондроитинсерную кислоту; гиаломукоиды основного вещества соединительной ткани, в состав которых входит гиалуроновая кислота, и некоторые другие.

Муцины – входят в состав различных слизей. К ним относятся белки слизей пищевого канала (слюны, желудочного сока, кишечного сока). Муцины предохраняют слизистую желудка и кишки от расщепления пищеварительными ферментами, ослабляют механическое и химическое раздражение пищевого канала разными составными частями пищи или вредными примесями.

Мукоиды – это белки синовиальной жидкости суставов, хрящей, роговицы глаза. Мукоиды выполняют роль смачивающих материалов в аппарате движения человека и животных. В печени найдены комплексы белка с гликогеном.

В клетках многих тканей найден белок интерферон, имеющий свойства антивируса. В отличие от антител интерфероны взаимодействуют не с антигеном, а вызывают образование внутриклеточных ферментов, которые блокируют синтез вирусных белков, что препятствует размножению вирусов.

 

НУКЛЕОПРОТЕИДЫ – простетическая группа у таких белков – нуклеиновая кислота. Различают ДНК-нуклеопротеины и РНК-нуклеопротеины. Им принадлежит важная роль в сохранении, передаче и реализации генетической информации. Белковая часть – протамины и гистоны. Комплексы ДНК + протамин обнаружены в сперматозоидах; ДНК + гистон – в соматических клетках.

 

ЛИПОПРОТЕИНЫ – небелковая часть представлена липидами, обеспечивают транспорт липидов по крови, являются компонентами биологических мембран. Различают липопротеины низкой и высокой плотности – ЛПНП, ЛПВП и ЛПОНП – очень низкой плотности, хиломикроны.

Почти во всех органах и тканях находятся различные комплексы белков с липидами (нейтральными жирами, фосфатидами, стеридами). В значительных количествах они есть в клетках печени, почек, нервной ткани, крови, а так же в молоке и яйцах.