Физико-химические свойства белков

Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, их относительная молекулярная масса составляет от 6000 до 1000000 а.е.м. и выше. Для определения молекулярной массы белков используют методы седиментационного анализа, гель-хроматографию и гель-электрофорез. Обычно вычисляют молекулярную массу по скорости седиментации; последнюю выражают через константу седиментации S (сведберг).

Характерные физико-химические свойства белков:

- высокая вязкость растворов;

- незначительная диффузия;

- способность к набуханию;

- оптическая активность;

- подвижность в электрическом поле;

- низкое осмотическое и высокое онкотическое давление;

- способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм (имеет важное значение для количественного определения белков);

- белки не проникают через полупроницаемые искусственные мембраны и биомембраны.

Белки – полиэлектролиты, т.к. имеют фунциональные группы, способные к электролитической диссоциации. В изоэлектрической точке (рI) суммарный заряд белков, обладающих амфотерными свойствами, равен нулю, и белки не перемещаются в электрическом поле. В изоэлектрической точке белки наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок. Для большинства белков животных тканей рI = 5,5-7,0.

Раствор белка называют изоионным, если он не содержит никаких других ионов, кроме ионизированных остатков аминокислот белковой молекулы и ионов, образующихся при диссоциации воды. Изоионная точка белка - значение рН изоионного раствора этого белка. Изоионная и изоэлектрическая точка белка совпадают только в том случае, когда обе равны 7.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Согласно функциональному принципу различают 12 главных классов белков:

1) каталитически активные (ферменты);

2) гормоны;

3) регуляторы активности генома;

4) защитные (антитела, белки свертывающей и антисвертывающей систем крови);

5) токсические;

6) транспортные;

7) мембранные;

8) сократительные;

9) рецепторные;

10) ингибиторы ферментов;

11) белки вирусной оболочки;

12) белки с прочими функциями.

Различают a-, β-, a+β- и a/β-белки:

- a-белки содержат a-спирали (не менее 60%);

- β-белки имеют β-структуру (не менее двух антипараллельных цепей);

- a+β–белки включают те и другие структуры в пределах одной полипептидной цепи;

- a/β-белки состоят из a- и β-структур, чередующихся вдоль полипептидной цепи или домена.

В зависимости от химического состава белки делят на 2 группы.

Простые белки состоят только из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются на свободные аминокислоты.

Сложные белки двухкомпонентны: состоят из простого белка и небелковой части (простетической группы).

ПРОСТЫЕ БЕЛКИ

Альбумины и глобулины.

Альбумины - простые белки; входят в состав животных и растительных тканей; содержатся в белке яиц, сыворотке крови, молоке, в семенах растений. Растворимы в воде, солевых растворах, кислотах и щелочах. Примерно 75-80% осмотического давления белков сыворотки крови приходится на альбумины. Они выполняют также функцию транспорта жирных кислот.

Глобулины - группа животных и растительных белков, широко распространённых в природе. Относятся к глобулярным белкам. Растворимы в слабых растворах нейтральных солей, разбавленных кислотах и щелочах. Глобулины, представленные a-фракцией, содержатся в крови в комплексе с билирубином и с липопротеинами высокой плотности. Фракция β-глобулинов включает протромбин, являющийся предшественником тромбина - белка, участвующего в свертывании крови. Фракция g-глобулинов наиболее гетерогенная. Важнейшие g-глобулины - иммуноглобулины.

В плазме крови человека в норме содержится около 7% белков, представленных преимущественно альбуминами и глобулинами. Отношение альбумин/глобулин имеет диагностическое значение: в норме оно близко к 2, а при воспалительных заболеваниях - уменьшается.

Протамины и гистоны.

Протамины – низкомолекулярные белки в ядрах сперматозоидов у рыб и птиц. Они содержат 60-85% аргинина и обладают основными свойствами. Хорошо растворяются в воде, кислой и нейтральной среде. Осаждаются щелочами. В ядрах клеток ассоциированы с ДНК.

Гистоны также являются небольшими белками основного характера. В их состав входят лизин и аргинин, содержание которых не превышает
20-30%. Существует пять различных типов гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Эти белки находятся в основном в ядрах клеток, принимают участие в структурной организации хроматина и необходимы для регуляции экспрессии генов.

Проламины и глютелины.

Проламины - белки растительного происхождения. Содержат 20-25% глутаминовой кислоты и 10-15% пролина. Растворимы в 60-80% водном растворе этанола (все остальные простые белки в этих условиях обычно осаждаются).

Глютелины - простые белки, содержатся в семенах злаков, в зеленых частях растений. Для них характерно высокое содержание глутаминовой кислоты и наличие лизина. Растворимы в разбавленных растворах щелочей. Глютелины - запасные белки.

 

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

1. Хромопротеины (от греч. chroma - краска) состоят из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента. Различают гемопротеины и флавопротеины. Они участвуют в таких процессах, как дыхание, транспорт кислорода и диоксида углерода, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цветовосприятие и др.

К группе гемопротеинов относятся гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза, пероксидаз. Все они содержат железопорфирины, но различные по составу и структуре белки, и выполняют разнообразные биологические функции. Видовые различия гемоглобина обусловлены глобином.

Рассмотрим строение гемоглобина – белка крови. Небелковым компонентом гемоглобина является гем - пигмент, придающий крови красный цвет. Основу его структуры составляет протопорфирин IX (рис. 6). В центре гема расположен ион железа в степени окисления +2, связанный с двумя атомами азота ковалентно и с двумя другими - координационными связями. Гем «обернут» одной полипептидной цепью. В гемоглобине железо соединяется с атомом азота имидазольной группы гистидина белковой молекулы пятой координационной связью. Шестая координационная связь железа предназначена для присоединения кислорода или других лигандов (рис. 7).

Рис. 6. Гем	Рис. 7. Координационные связи Fe2+ в геме

 

Гемоглобин взрослого человека НbА (от англ. аdult - взрослый) имеет четыре полипептидные цепи, составляющие глобин (рис. 8) - белковую часть молекулы. Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, две β-цепи - по 146.

Рис. 8. Гемоглобин

В крови взрослого человека присутствуют также гемоглобин НbА₂ (2α-, 2δ-цепи, 2,5%) и НbA₃ (менее 1%, отличается строением b-цепи).

Известен фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных) HbF, состоящий из 2α- и 2γ-цепей. Гемоглобин F обладает повышенным сродством к кислороду и позволяет сравнительно малому объему крови плода выполнять функцию снабжения кислородом более эффективно. Кровь новорожденного содержит до 80% HbF, к концу 1-го года жизни он почти целиком заменяется на НbА.

Гемоглобинозы – болезни гемоглобинов.

1. Гемоглобинопатии. В их основе лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина. В крови человека открыто около 150 различных типов мутантных гемоглобинов. Аномальные гемоглобиныразличаются по физико-химическим свойствам (электрофоретическая подвижность, растворимость, изоэлектрическая точка, сродство к кислороду).

Пример гемоглобинопатии - серповидно-клеточная анемия. Заболевание распространено в странах Южной Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. Химический дефект сводится к замене глутаминовой кислоты в 6-м положении с N-конца на валин в β-цепях молекулы гемоглобина HbS. Это результат мутации в молекуле ДНК. У HbS снижены растворимость и сродство к кислороду. Эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. HbS после отдачи кислорода в тканях превращается в плохо растворимую дезоксиформу и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллов (тактоидов). Тактоиды деформируют клетку и приводят к гемолизу. Гетерозиготная форма аномалии протекает бессимптомно или сопровождается легкой гемолитической анемией. У гомозиготных особей уже с первых месяцев жизни развивается тяжелая форма серповидноклеточной анемии. Болезнь протекает остро, и дети часто умирают в раннем возрасте.

Примерами аномальных гемоглобинов являются также гемоглобин С (в b-цепи на 6 месте вместо глутаминовой кислоты находится лизин) и гемоглобин D (в b-цепи на 28 месте вместо глутаминовой кислоты находится лейцин). Данные мутации обнаружены в основном в Африке.

2. Талассемии - группа заболеваний с наследственным нарушением синтеза одной из цепей глобина. Различают α-талассемии, когда не происходит синтез α-цепи, и β-талассемии (не синтезируются β-цепи). Гемоглобинопатия Н (один из вариантов a-талассемии) проявляется гемолитической анемией, выпадением в осадок гемоглобина Н, увеличением селезенки, тяжелыми костными изменениями.

3. Железодефицитные анемии - нарушение синтеза гемоглобина вследствие дефицита железа. Основными причинами являются кровопотери и недостаток богатой гемом пищи - мяса и рыбы.

Производные гемоглобина

Оксигемоглобин HbO₂. Молекулярный кислород присоединяется к каждому гему Hb при помощи координационных связей железа. Присоединение каждой молекулы кислорода облегчает присоединение последующей. Эта аллостерическая зависимость получила название эффекта Бора. Оксигемоглобин, попадая в ткани, теряет кислород, превращаясь в дезоксигемоглобин.

Карбгемоглобин HbCO₂ - соединение гемоглобина с углекислым газом. Он нестоек и быстро диссоциирует в легочных капиллярах с отщеплением СО₂.

Карбоксигемоглобин HbCO - продукт присоединения оксида углерода CO (угарного газа) к гемоглобину. Гемоглобин имеет высокое сродство к СО и прочно с ним связывается, теряя способность к транспорту кислорода, что приводит к смерти от удушья.

Метгемоглобин MtHb -форма гемоглобина, в которой железо гема находится в трехвалентном состоянии.Не способен переносить кислород. Образуется из свободного гемоглобина под действием различных окислителей, а в организме - при отравлениях нитробензолом, оксидами азота.

Метгемоглобинемия - появление в крови метгемоглобина. Выделяют наследственные и приобретенные метгемоглобинемии. Наследственные развиваются в результате наличия нестабильных или аномальных гемоглобинов. Среди приобретенных могут быть токсические метгемоглобинемии экзогенного происхождения, возникающие при воздействии ряда химических веществ, и эндогенного происхождения, развивающиеся вследствие нарушения продукции и всасывания нитратов при энтероколитах. При значительной метгемоглобинемии развивается кислородное голодание (гипоксия).

Методом качественного определения различных производных гемоглобина является исследование их спектров поглощения.

Миоглобин - глобулярный белок, осуществляющий в мышцах запасание молекулярного кислорода и передачу его окислительным системам клеток. Состоит из одной полипептидной цепи. Как и в гемоглобине, активным центром молекулы, связывающим O₂, является гем. Миоглобин определяет цвет мышц.

К хромопротеинам относятся также ферменты каталаза и пероксидаза, входящие в антиоксидантную систему организма, и цитохромы, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях и служащие переносчиками электронов.

Флавопротеины – хромопротеины, простетические группы которых представлены производными изоаллоксазина - флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Флавопротеины входят в состав оксидоредуктаз.

2. Липопротеины состоят из белка и простетической группы, представленной липидом (нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды). В их образовании участвуют нековалентные связи различной природы, например, гидрофобные или ионные (если в состав входит фосфолипид).

Липопротеины широко распространены и выполняют разнообразные биологические функции (белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца и т.д.).

Липопротеины присутствуют в свободном состоянии (главным образом в плазме крови). Липопротеины сыворотки крови содержат гидрофобное липидное ядро, окруженное полярными липидами и оболочкой из белков, получивших название апобелки. Они обеспечивают транспорт водонерастворимых липидов.

Липиды, ковалентно связанные с белком, служат якорем, с помощью которого белки прикрепляются к мембране. Это структурированные липопротеины (липиды мембран клетки, миелиновой оболочки нервных волокон).

3. Фосфопротеины - сложные белки, в состав которых в качестве небелкового компонента входит фосфорная кислота, присоединенная к полипептидной цепи сложноэфирной связью через остатки серина или треонина. Возможен также ионный тип связи.

К фосфопротеинам относятся казеиноген молока, овальбумин белка куриного яйца, ряд ферментов (РНК-полимеразы). Фосфопротеины широко представлены в клетках ЦНС.

Фосфопротеины являются ценным источником энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза и постнатального роста и развития организма, участвуют в регуляции ядерной активности клетки, транспорте ионов и окислительных процессах в митохондриях.

4. Гликопротеины -сложные белки, содержащие, помимо простого белка или пептида, линейные или разветвленные гетероолигосахаридные цепи из 2 - 15 остатков гексоз, пентоз и конечный углевод
(N-ацетилгалактозамин или др.). Углеводный компонент соединяется с белком ковалентными связями:

Гликопротеины - белки плазмы крови (кроме альбуминов), некоторые ферменты, муцин слюны, белки хрящевой и костной тканей. Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран. Они обеспечивают клеточную адгезию, молекулярное и клеточное узнавание. Углеводные компоненты, помимо информативной функции, повышают стабильность молекул, в состав которых они входят, к различного рода химическим, физическим воздействиям, и предохраняют их от действия протеиназ.

Гликопротеины мембран эритроцитов предопределяют группу крови у человека. К типичным гликопротеинам относятся интерфероны, иммуноглобулины.

Интерфероны - ингибиторы размножения многих типов вирусов. Они образуются в клетке в ответ на внедрение вирусной нуклеиновой кислоты. Интерфероны считаются основными защитными белками не только против вирусной инфекции, но и при опухолевых поражениях.

Иммуноглобулины, или антитела, выполняют защитную функцию, обезвреживая поступающие в организм чужеродные вещества – антигены - любой химической природы. Выделяют три основных класса иммуноглобулинов: IgG, IgA, IgM; минорные классы иммуноглобулинов плазмы человека обозначаются как IgD и IgE. Иммуноглобулины разных классов отличаются по молекулярной массе, по концентрации в крови, по биологическим свойствам. Структура иммуноглобулина G приведена на рис. 9. Он состоит из двух идентичных легких L-цепей (от англ. light) и двух идентичных тяжелых
Н-цепей (от англ. heavy). Каждая из этих цепей имеет вариабельные (V) и константные (С) участки.

Рис. 9. Структура иммуноглобулина

 

При ревматоидных артритах часто синтезируются аномальные антитела с необычайно короткими сахарными цепями, что вызывает стимуляцию иммунной системы против самого организма.

Протеогликаны - комплексы белка и гликозаминогликанов. Углевод в этих соединениях составляет основную часть молекулы (до 95%). Типичными гликозаминогликанами являются гиалуроновая кислота (ее основная функция - в соединительной ткани - связывание воды) и гепарин, участвующий в регуляции свертывания крови.

5. Металлопротеины помимо белка содержат ионы какого-либо одного металла или нескольких металлов.

Белки, содержащие негемовое железо:

- ферритин (около 20% железа) сосредоточен главным образом в селезенке, печени, костном мозге. Выполняет роль депо железа в организме;

- трансферрин сыворотки крови (около 0,13% железа) транспортирует ионы железа в ретикулоциты, в которых осуществляется биосинтез гемоглобина.

Металлоферменты - белки, обладающие ферментативной активностью и содержащие катионы металлов.

АТФ-аза содержит Na, K, Са, Мg, алкогольдегидрогеназа – Zn, цитохромоксидаза – Cu, протеиназы - Mg, K.

6. Нуклеопротеины (НП) - устойчивые комплексы нуклеиновых кислот с белками.

Нуклеиновые кислоты (НК) - ДНК и РНК–полимеры нуклеотидов.

ДНК находится в основном в ядре клетки, а также в митохондриях.

РНК обнаруживается во всех частях клетки. Различают мРНК (определяет порядок аминокислот в молекуле белка), рРНК (входит в состав рибосом), тРНК (транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка), мяРНК (выполняет каталитические функции). НК обеспечивают хранение и передачу наследственной информации путем программирования синтеза клеточных белков.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания (ДНК - аденин, гуанин, цитозин, тимин, РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил), углеводы (дезоксирибоза и рибоза соответственно), остатки фосфорной кислоты.

Нуклеотиды (рис. 10) состоят из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания, пентозы (рибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды – нуклеозидфосфаты.

Рис. 10. Строение нуклеотида

 

ДНК, выделенная из разных тканей одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований. Закономерности состава и количественного содержания азотистых оснований установлены впервые Э. Чаргаффом и были названы правилами Чаргаффа:

1. Молярная доля пуриновых оснований равна молярной доле пиримидиновых оснований:

А + Г = Ц + Т.

2. Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

А + Ц = Г + Т.

3. Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина:

А = Т, Г = Ц.

4. Коэффициент специфичности равен (Г + Ц)/(А + Т) (у животных
0,54-0,94, у микроорганизмов 0,45-2,57).