Физико-химические свойства белков

Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах: от нескольких тысяч дальтон (инсулин – 5700) до сотен миллионов (белок вируса гриппа – 322∙10⁶). Форма белковых молекул бывает глобулярная (шаровидная) и фибриллярная (нитевидная), рис.2.1.

Форма белковых молекул изменяется под влиянием различных факторов: рН, температуры среды, ионной силы, природы растворителя, концентрации раствора.

 

Рис. 2.1. Глобулярные и фибриллярные белки.

А. В глобулярных белках полипептидная цепь свернута так, что образуется компактная структура. Эти белки обычно растворимы в водной среде.

Б. В кератине, фибриллярном белке шерсти, полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси. На рисунке показаны три молекулы кератина, навитые одна на другую наподобие каната. Фибриллярные белки нерастворимы в воде.

Большинство белков растворяется в воде. Они образуют лиофильные коллоидные растворы. Молекулы белков имеют большие размеры и не проходят через поры полупроницаемых мембран.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов белков связаны с размерами и перемещением мицелл в среде, рН раствора и т.д. Белки имеют низкий коэффициент диффузии, низкое осмотическое давление, высокую относительную вязкость и большую степень набухания – белки связывают до 80-90% всей воды организма.

Вода обеспечивает формирование структуры белков. Общее количество связанной воды составляет в миоглобине, лизоциме, цитохроме около 22% от общей массы белка. Под влиянием различных факторов белки могут выпадать из коллоидных растворов в осадок (коагулировать); это легче происходит в изоэлектрической точке белка.

Коагуляция бывает обратимая, когда нарушается в коллоидной частице только сольватная оболочка и необратимая, когда произошли глубокие нарушения структуры белковой молекулы. Необратимую коагуляцию называют денатурацией. Она вызывается кипячением, действием солей тяжелых металлов, алкалоидов, минеральных кислот и т.д.

Кислотно-щелочные свойства белков связаны с катионообразующими (-NH₃⁺) и анионобразующими (-COO^-) группами. Суммарный заряд молекулы можно представить как:

 

Знак заряда зависит от соотношения аминных и карбоксильных групп, соответственно различают белки кислые, нейтральные и щелочные (основные).

 

Аминокислоты

 

Для изучения аминокислотного состава белков пользуются кислотным (HCl), щелочным (NaOH) и ферментативным гидролизом. При гидролизе чистого белка высвобождается до 20 различных α-аминокислот. Все другие аминокислоты, открытые в тканях животных, растений и микроорганизмов, их свыше 200, существуют в свободном состоянии или же в составе коротких пептидов или комплексов с другими органическими веществами.

Способы получения аминокислот:

1.Гидролиз из соответствующих белков.

2.Методом химического синтеза, в том числе с использованием иммобилизованных ферментов.

3.Методом микробиологического синтеза. Таким способом производят аминокислоты для нужд животноводства, – это многотоннажный промышленный способ.

α-аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода, у α-углерода замещен на аминогруппу (-NH₂):

 

жирная кислота α-аминокислота

Все аминокислоты, входящие в состав природных белков, являются α-аминокислотами.

Общим свойством аминокислот является их амфотерность, т.е. каждая из них содержит, как минимум, одну кислую и одну основную группу (исключение составляет пролин и его производное гидроксипролин, являющиеся иминокислотами).

Общий тип строения α-аминокислот может быть представлен в виде следующей формулы:

Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала R, представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты, связанную с α-углеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка.

Почти все α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы, теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот кислотно-основные свойства. Поэтому все разнообразие особенностей структуры и функции белковой молекулы связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот.

Все аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, на вкус сладковатые или кисло-сладкие.

Большинство аминокислот хорошо растворимо в воде. В тканях организма, в клетках, в крови среда слабощелочная – рН 7,3, поэтому карбоксильные группы находятся в форме R-COO^-, а аминные – в форме R-NH₃⁺ (в протонированной форме), поэтому правильная ионная форма аминокислоты:

 

то есть амфиона (цвитериона) (в пределах рН 4-9).

Аминокислоты в виде недиссоциированных молекул:

т.е. в неионизированной форме приводятся для удобства восприятия. В кислой среде аминогруппа присоединяет протон, получает положительный заряд и под действием электрического тока движется к катоду:

В щелочной среде аминокислота ведет себя как кислота и диссоциирует по такой схеме:

В этом случае при пропускании тока через раствор ионизированная молекула аминокислоты движется к аноду.

Для каждой аминокислоты существует своя изоэлектрическая точка (ИЭТ), т.е. такое состояние, при котором сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов и под действием электрического тока аминокислота не движется ни к аноду, ни к катоду. Для моноаминомонокарбоновых кислот ИЭТ будет близка к реакции нейтральной среды, моноаминодикарбоновых - к кислой и диаминомонокарбоновых – к щелочной.

Для определения количественного содержания аминокислот важное значение имеют следующие методы:

1. Формольное титрование – оно основано на способности формальдегида реагировать с аминогруппой в результате чего аминокислота превращается в основание Шиффа. В этой реакции аминогруппа аминокислоты блокируется остатком формальдегида, а карбоксильная группа не затрагивается и может быть оттитрована щелочью:

2. Реакция с азотистой кислотой – при действии азотистой кислоты аминогруппа разрушается, при этом выделяющийся азот собирают и по его количеству рассчитывают содержание аминокислоты (метод Ван-Слайка) - газометрический метод:

диазосоединение оксикислота

 

3.Нингидриновый метод определения широко применяется:

а) при хроматографическом разделении аминокислот на бумаге;

б) в автоматических анализаторах аминокислот;

в) для определения аминного азота.

4. Существуют реакции для обнаружения и полуколичественного определения аминокислот:

• реакция Миллона (тирозин);

• ксантопротеиновая реакция (фенилаланин, тирозин)

• реакция Сакагучи (аргинин).

Аминокислоты природных белков (кроме глицина) обладают оптической активностью, т.е. способностью вращать плоскость поляризованного света. Различают D- и L-формы аминокислот, например:

D (-) - Аланин L (+) - Аланин

Все природные белковые аминокислоты относятся к L-ряду. Лишь в белках некоторых микроорганизмов встречаются некоторые D-аминокислоты (также в грибах, антибиотиках).

Аминокислоты D-ряда или совершенно не усваиваются организмом или же усваиваются плохо, т.к. ферментные системы животного организма специфически приспособлены к обмену L-аминокислот. Это важно при учете балансирования рациона животных по незаменимым аминокислотам синтетическими аналогами, которые, как правило, содержат в равных количествах L- и D- формы (рацематы).

Аминокислоты обозначают трехбуквенными символами, например: Алании Ала, Гистидин Гис, Аргинин Apr, и т.д. Кроме того, принято однобуквенное обозначение аминокислот; например, глицин - G, аланин - А, валин - V, лейцин - L и т.д.

Важным свойством аминокислот является их способность синтезироваться в тканях организма животных. Различают аминокислоты заменимые, которые могут синтезироваться в тканях животного организма и незаменимые, которые не могут синтезироваться в организме, а должны поступать с кормом.

Ациклические аминокислоты

Моноаминомонокарбоновые кислоты

Глицин (гликокол или аминоуксусная кислота):

Это единственная α-аминокислота, не содержащая асимметрического атома углерода и не имеющая в связи с этим оптического изомера. Глицин входит в состав всех растительных и животных белков. Он синтезируется в организме животных из других аминокислот, не является незаменимой аминокислотой.

L(+)-аланин (α-аминопропионовая кислота) – является производной пропионовой кислоты; заменимая аминокислота:

 

Впервые выделена из фиброина шелка при его кислотном гидролизе. Аланин и его производные жирного и циклического ряда составляют 55-60 % всех аминокислот, входящих в состав белков:

 

L-серин (α-амино- β-оксипропионовая кислота):

Эта аминокислота имеет 3 функциональные группы α-аминогруппу, карбоксильную и гидроксильную. В связи с этим может вступать в химические реакции чаще, чем аланин и глицин; заменимая аминокислота.

L-Цистеин (α-амино- β-тиопропионовая кислота):

 

Входит в состав многих белков, особенно в состав кожи (эпидермиса), шерсти, рогов, копыт. Значительно в составе ферментов. Наличие -SH сульфгидрильной (тиоловой) группы в составе ферментов дало им название тиоловых; заменимая аминокислота.

L-цистин (α,α'-диамино- β,β'-дитиопропионовая кислота):

 

Образуется в результате окисления цистеина, две молекулы которой соединяются через атомы серы. Цистин можно рассматривать как дицистеин. Плохо растворяется в воде, несколько лучше в слабых кислотах и щелочах.

L-Метионин (α-амино-γ-метилтиомасляная кислота):

Открыт в 1922 г. в составе белка казеина. Незаменимая аминокислота, в тканях организма животных не синтезируется, является донором метальных групп и серы для образования некоторых биологически активных веществ, в т.ч. серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, гомоцистеин), холина, креатина и др.

 

L-Треонин (α-амино-β-гидрооксимасляная кислота):

 

Незаменимая аминокислота.

L-валин (α-амино- β-метилмасляная кислота):

 

Валин широко распространен в белках тканей, незаменимая аминокислота.

L-лейцин (α-аминоизокапроновая кислота):

 

В клетках организма не синтезируется, незаменимая аминокислота.

L-Изолейцин (α-амино - β-метил-валериановая кислота):

 

Незаменимая аминокислота, входит в состав многих белков.

Моноаминодикарбоновые кислоты.

Аспарагиновая кислота (α-аминоянтарная кислота):

 

Входит в состав белков тканей, много в составе кислых белков, заменимая аминокислота.

Глутаминовая кислота (α-аминоглутаровая кислота):

 

Входит в состав белков, особенно много в составе кислых белков. Заменимая аминокислота.

 

 

Диаминомонокарбоновые кислоты.

Это производные валериановой и капроновой кислот (5 и 6 атомов углерода).

L-Аргинин (α-амино-δ-гуанидилвалериановая кислота):

 

Является частично заменимой аминокислотой. Содержит 2 аминогруппы – относится к основным аминокислотам. Входит в состав гистонов, протаминов. Является важным промежуточным продуктом при синтезе мочевины:

аргинин орнитин мочевина

Орнитин не является составной частью белков, является диаминовалериановой кислотой, образуется в процессе обмена при гидролизе аргинина.

L-Цитруллин образуется при синтезе мочевины. В состав белков не входит.

L-Лизин (α,ε-диаминокапроновая кислота):

 

 

Много лизина в ядерных белках протаминах и гистонах. Незаменимая аминокислота.

Ароматические аминокислоты

L-Фенилаланин (α-амино-β-фенилпропионовая кислота):

 

Незаменимая аминокислота.

 

L-Тирозин (α-амино-β-параоксифенилпропионовая кислота):

 

 

Распространенная аминокислота. Является основным субстратом при синтезе гормонов щитовидной железы и мозгового слоя надпочечников. Заменимая аминокислота.

 

Гетероциклические аминокислоты

Триптофан (α-амино-β-индолилпропионовая кислота):

Содержит гетероциклическое пиррольное кольцо, из него образуется биологически активный амин – триптамин, который повышает кровяное давление; незаменимая аминокислота.

 

L-Гистидин (α-амино-β-имидозолилпропионовая кислота):

 

 

Незаменимая аминокислота. Содержит имидазольный цикл с двумя атомами азота. Гистидин, как и триптофан, входит в состав многих белков организма. При декарбоксилировании образуется биологический активный амин – гистамин.

 

L-Пролин (пирролидин – Оксипролин (4-гидроксипирро-

α-карбоновая кислота): лидин-2-карбоновая кислота).

 

Пролин и оксипролин могут превращаться в другие аминокислоты, принимают участие в обмене веществ, они иминокислоты, т.к. содержат =NH группу; относятся к заменимым аминокислотам.