Белки и их функции. Свойства и функции белков

Среди органических веществ белки , или протеины , - самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 - 80% сухой массы клетки.

Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами . Кроме углерода , кислорода , водорода и азота , в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 1)

Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:

Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (-NH 2 ) с основными свойствами, другая - карбоксильной группой (-COOH ) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R ), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами .

Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между -CO- и -NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль - вторичная структура белка.

Третичная структура - трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация - глобула . Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.

Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

Кроме простых белков , состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки

Классификация белков. По форме молекул белки можно разделить на две большие группы – глобулярные (имеют сферическую форму) и фибриллярные (удлиненной формы). Так, глобулярными белками являются глобулины и альбумины крови, фибриноген, гемоглобин. Фибриллярные белки – кератин, коллаген, миозин и др. (рис.)

Белки, образованные только аминокислотами, называются простыми . Сложными являются белки, имеющие в своем составе компонент неаминокислотной природы. Это могут быть ионы металлов (Fe, Zn, Mg, Mn), липиды, нуклеотиды, сахара и др. Простыми белками являются сывороточный альбумин крови, фибрин, некоторые ферменты (трипсин) и др. Сложными белками являются липопротеины и гликопротеины (например, иммуноглобулины), а также большинство ферментов.

Денатурация и ренатурация белков . Одно из основных свойств белков - спосо­бность изменять свою структуру и свойства под влиянием различных факторов (действие концентрированных кислот и щелочей, высокая температура и др.). Процесс нарушения природной конформации белков под влия­ни­ем ка­ких-ли­бо фак­то­ров без нарушения первичной структуры называе­тся денатурацией (от лат. де - приставка, означаю­щая потерю, и натура - природные свойства) (рис.). Из­ме­нение струк­ту­ры белка происходит вслед­ст­вие раз­ры­ва во­до­род­ных и ион­ных свя­зей, стабилизирующих пространственные структуры. При денатурации могут утрачиваться четвертичная, третичная и даже вторичная структура. Денатурация сопровождается потерей биологической активности белка. При этом наблюдается уменьшение ра­створимости белка, изменение формы и размеров молекул, поте­ря ферментативной активности и т.д. Денатурирующими агентами являются: высокая температура, кислоты и щелочи, мочевина, спирты, фенол, хлорамин, соли тяжелых металлов и др. Так, соли тяжелых металлов (кадмия, ртути и др.) при взаимодействии с белками образуют нерастворимые соединения, и белки выпадают в осадок.

Как правило, денатурация имеет необратимый хара­ктер. Хотя на первых ее стадиях, при условии пре­кращения действия повреждающих факторов, белок может восстановить свое первоначальное состояние. Это явле­ние называется ренатурацией (от лат. ре - пристав­ка, обозначающая возобновление). В организмах обычно наблюдается частичная обратимая денатурация белков.

Способность белков к обратимому изменению своей структуры в ответ на действие фи­зических и химических факторов лежит в основе важнейшего свой­ства всех живых систем - раздра­жимости .

Под влиянием некоторых факторов (воздействие формалина, спирта, щелочей и др.) может происходит разрушение пер­вич­ной струк­ту­ры. Процесс разрушения первичной структуры белков, на­зываемый деструкцией (от лат. де - и структура - строение), всегда необратимый.

Явление денатурации часто используется в биологических исследованиях и в медицине. При определении в биологическом материале низкомолекулярных соединений из раствора сначала удаляют белки. Для этого вызывают их денатурацию, осаждают или отфильтровывают.

В медицине денатурирующие агенты часто применяются для стерилизации медицинских инструментов и материалов в автоклавах (здесь денатурирующий агент – высокая температура). Их используют также в качестве антисептиков (спирт, фенол, хлорамин и др.) для очистки загрязненных материалов и поверхностей. То же происходит при обеззараживании ран, ссадин, царапин раствором йода или спиртом. На денатурации белков основано применение мышьяковистого ангидрида в стоматологической практике при лечении пульпита.

Функ­ции бел­ков. Большое разнообразие белков позволяет им выполнять в живом организме множество различных функций, как структурных, так и метаболических.

Структурная. Белки входят в состав всех биологических мембран и органоидов клетки. Преимуще­ственно из белков состоят хрящи, сухожилия. В их состав входит белок коллаген . Кератин – компонент перьев, волос, ногтей, когтей, рогов, копыт у высших жи­вотных. Эластин является компонентом связок, стенок кровеносных сосудов.

Каталитическая (фермента­тивная). Белковые молекулы ферментов способны ускорять течение биохимических реакций в клетках живых организмов в сотни миллионов раз. Ферменты участвуют как в процессах синтеза, так и распада веществ. Они обеспечивают рас­щепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фикса­цию углерода при фотосинтезе и т.д.

Механизм действия ферментов объясняет теория активного цен­тра . Согласно ей, в молекуле каждого фермента имеется один или более участков, в которых происходит тесный контакт меж­ду молекулами фермента и спе­цифического вещества - субстрата (рис.). Активным центром выступает функциональная группа (напри­мер, ОН-группа серина), отдельная аминокислота либо сочетание не­скольких (в среднем от 3 до 12), расположенных в определенном по­рядке аминокислотных остатков. Форма и химическое строение ак­тивного центра таковы, что с ним могут связываться только опреде­ленные субстраты в силу точного соответствия их простран­ственных структур (как ключ и замок).

Молекула фермента вызывает ослаб­ление определенных химических связей субстрата, и ката­лизируемая реакция происходит с меньшими начальными затратами энер­гии, а следовательно, с намного большей скоростью. Ферменты уско­ряют ход реакции без изменения ее об­щего результата за счет снижения энер­гии активации , т.е. в их присутствии затрачивается значительно меньше энергии для придания молекулам реакционной способности.

На заключительном этапе хими­ческой реакции фермент-субстрат­ный комплекс распадается с образо­ванием конечных продуктов и сво­бодного фермента, который сохраняет исходную структуру и свойства. Освободившийся при этом активный центр может при­нимать следующие новые молекулы субстрата. Именно поэтому ферменты требуются в крайне низких концентрациях.

Некоторые ферменты, помимо активного центра, имеют один или несколько регуляторных центров. С этими участками могут связывать­ся молекулы, регулирующие актив­ность фермента. Они носят назва­ние активаторов (от лат. активус - деятельностный).

Молекулы некоторых веществ, взаимодействуя с ферментом, снижают или блокиру­ют его активность (рис.). Та­кие вещества называются ингиби­торами (от лат. ингибео – сдерживаю, останавливаю) . Например, многие лекарственные препараты природного или синтетического происхождения являются ингибиторами определенных ферментов. Кроме того, в основе действия некоторых токсических веществ лежит ингибирование активного центра ферментов.

Транспортная. Многие белки способны присоединять и перено­сить различные вещества. Гемоглобин связывает и пере­носит кислород и углекислый газ. Альбуми­ны крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы метал­лов и гормоны. Молекулы белков, входящие в со­став цитоплазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ в клетку и из нее.

Сократительная (или двигательная). Сократительные белки обеспечивают способность клеток, тканей, органов и целых организмов изменять форму, двигаться. Так, актин и миозин – обеспечивают работу мышц и немышечные внутриклеточные сокращения. Белок тубулин входит в состав микротрубочек веретена деления, ресничек и жгутиков эукариотических клеток.

Регуляторная . Некоторые пептиды и белки являются гормо­нами. Они влияют на различные физиологические процессы. Например, инсулин регулирует содержание глюкозы в крови. Глюкагон регулирует расщепление гликогена до глюкозы, повышая ее содержание в крови.

Сигнальная. Некоторые бел­ки клеточных мемб­ран способны изменять свою структуру в ответ на действие фак­торов внешней среды. Так проис­ходит прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотоперио­дическую реакцию растений, и onсин - составная часть пигмента родопсина, находящегося в клетках сетчатки глаза.

Защитная. Специфические белки предохраняют организм от вторжения чужеродных организмов и от повреждений. Так в от­вет на про­ник­но­ве­ние чу­же­род­ных тел - ан­ти­ге­нов - в клет­ке вы­ра­ба­ты­ва­ют­­­ся ан­ти­те­ла - осо­бые бел­ки, на­зы­вае­мые им­му­­но­­гло­бу­ли­на­ми, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют им­­­му­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ни­тет. Интерфероны защищают организм от вирусной инфекции. Фибриноген , тромбопластин и тромбин участвуют в свертывании крови и предотвращении кровопотери.

Токсическая. Многие живые существа в качестве собственной защиты выделяют белки, называемые токсинами , которые в большинстве случаев являются ядами для других организмов. Токсины синтезируются в организме некоторых змей, лягушек, на­се­­ко­мых, гри­бов, рас­те­ний, бактерий. В свою очередь, некоторые организмы способны вырабатывать антитоксины , которые подавляют действие этих ядов.

Энергетическая. Белки могут служить источником энергии в клетке (после гидролиза). При пол­ном окис­ле­нии 1 г бел­ка вы­де­ля­ет­ся 17,6 кДж энер­гии. Белки расходуются на энергетичес­кие нужды в крайних случаях, ког­да исчерпаны запасы уг­леводов и жиров.

С белками могут взаимодействовать некоторые вещества и подавлять их функции. Такие вещества называются ингибиторами. Ингибиторами белковых функций являются многие яды. Так, например, ингибиторами белков-рецепторов постсинаптической мембраны, которые связываются с медиатором ацетилхолином при передаче нервного импульса в синапсах, являются мускарин (токсин мукора) и никотин . При этом нарушается проведение нервного импульса. Подобное действие оказывает также атропин – вещество, содержащееся в растениях красавки и белены. Атропин является ингибитором М-холинорецепторов. Учитывая, что связывание ацетилхолина с М-холинорецепторами вызывает сокращение многих гладких мышц, атропин используется как лекарственное средство, снимающее их спазм (спазмолитик). Однако при передозировке атропином могут наблюдаться двигательное и психическое возбуждение, галлюцинации, признаки понижения тонуса гладких мышц радужной оболочки глаз, бронхов, органов брюшной полости. Такой же эффект наблюдается при употреблении отваров белены (отсюда поговорка «белены объелся».

s1. Что общего и чем отличаются процессы денатурации и деструкции? 2. Чем обусловлено разнообразие свойств белков? 3 . Каковы основные биологические функции белков? 4. В чем состоит защитная функция белков? 5. Чем определяется двигательная функция белков? 6. Что такое ферменты? Почему без участия ферментов протекание большинства биохимических процессов в клетке было бы невозможным?

Среди органических веществ белки , или протеины , - самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 - 80% сухой массы клетки.

Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами . Кроме углерода, кислорода,водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 1)

Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:

Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (-NH 2 ) с основными свойствами, другая - карбоксильной группой (-COOH ) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R ), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами .

Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между-CO- и -NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль - вторичная структура белка.

Третичная структура - трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация -глобула . Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.

Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией . Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном - третичная, а затем - вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

Кроме простых белков , состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки

Гидролиз белка
Любой белок состоит из аминокислот. Общая формула аминокислот есть 2HN-CHR-COOH. При образовании белка создаётся дипептидная связь:
2HN-CHR1-COOH + 2HN-CHR2-COOH -> 2HN-CHR1-CO-NH-CHR2-COOH + H2O.
Соответственно для гидролиза белка нужно разорвать дипептидную связь:
2HN-CHR1-CO-NH-CHR2-COOH + H2O -> 2HN-CHR1-COOH + 2HN-CHR2-COOH
Для определения белков среди других веществ используют качественные реакции:

а) Ксантопротеиновая реакция (б-к + HNO 3)

б) Биуретовая реакция (белок +Cu(OH) 2)

3. О п ы т. Как распознать с помощью характерной реакции соль серной кислоты среди трех выданных растворов солей?

ВЫПОЛНЕНИЕ:

Взять пробы из трех пробирок

Добавить в каждую пробу раствор хлорид бария, т.к. он является реактивом на сульфат ион

В пробирке с солью серной кислоты выпадает белый осадок сульфата бария

«Белки химия» - В состав слизи и синовиальной жидкости входят мукопротеиды. Структура белка. Кожа и волосы защищают внутреннюю среду организма от внешних воздействий. 2) Денатурация. Белки. Такие аминокислоты называются незаменимыми. Определение. Метионин лизин аргинин аспарагин аспарагиновая кислота глутаминовая кислота.

«Белка и Стрелка» - Белка и Стрелка первые космонавты. Стрелка в Музее Космонавтики. Через некоторое время у Стрелки появились щенки. Белка - беспородная самка белого окраса - была самая активная и общительная. Одними из наиболее приспособившихся собак-претендентов были Белка и Стрелка. 19 августа 1960 года был совершён успешный запуск космического корабля-спутника на орбиту.

«Урок Белки» - Конспект урока. Развивающая: развитие умения анализировать, сравнивать, делать выводы о свойствах белков. Белки. Уровни организации белковой молекулы. Рождение урока начинается: Почему молекулы аминокислот могут взаимодействовать между собой? Качественные реакции белков: биуретовая; ксантопротеиновая; реакция определения серы в белках.

«Дети с нарушением слуха» - Циолковский первым разработал модель ракеты, способной полететь в космос. Отставание мыслительной деятельности слабослышащих детей: С возникновением новых форм мышления старые формы не только не исчезают, а сохраняются и развиваются. Дети сравнительно поздно начинают осознавать свой дефект, как препятствие к развитию.

«Жиры белки углеводы» - Углеводы, как и жиры, являются энергетическим материалом. Что же такое рациональное питание? Проблема. Обед: макароны с сыром 430Ккал. Белки называют еще носителями жизни. Вывод. Результат. Наше питание. Задача. Узнать, почему необходимо правильно питаться и во время, чтобы не заболеть. От правильного питания будет зависить повышенность или пониженность нашего иммунитета.

«Белки урок» - Общие свойства белков. Структура белковой молекулы. Функции белков. Содержание белков в организме (в процентах к сухой массе). Качественные реакции. Что такое жизнь? Биуретовая Ксантопротеиновая HNO3 NaOH CuSO4. Белки. Содержание белков в пище. Четвертичная структура белковой молекулы.