Физико-химические свойства белков

      Комментарии к записи Физико-химические свойства белков отключены

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.

Физико-химические свойства белков

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:

Физико-химические свойства белков

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 ?-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.

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

Физико-химические свойства белков

жирная кислота ?-аминокислота

Все аминокислоты, входящие в состав природных белков, являются ?-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 ?-аминокислот может быть представлен в виде следующей формулы:

Физико-химические свойства белков

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

Почти все ?-амино- и ?-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:

Физико-химические свойства белков

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

Аминокислоты в виде недиссоциированных молекул:

Физико-химические свойства белков

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:

Физико-химические свойства белков

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

Физико-химические свойства белков

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:

Физико-химические свойства белков

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:

Физико-химические свойства белков

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:

Физико-химические свойства белков

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):

Физико-химические свойства белков

Это единственная ?-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 (?-аминопропионовая кислота) – является производной пропионовой кислоты; заменимая аминокислота:

Физико-химические свойства белков

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 (?-амино- ?-оксипропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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

L-Цистеин (?-амино- ?-тиопропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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 (?,?’-диамино- ?,?’-дитиопропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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 (?-амино-?-метилтиомасляная кислота):

Физико-химические свойства белков

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 (?-амино-?-гидрооксимасляная кислота):

Физико-химические свойства белков

Незаменимая аминокислота.

L-валин (?-амино- ?-метилмасляная кислота):

Физико-химические свойства белков

Валин широко распространен в белках тканей, незаменимая аминокислота.

L-лейцин (?-аминоизокапроновая кислота):

Физико-химические свойства белков

В клетках организма не синтезируется, незаменимая аминокислота.

L-Изолейцин (?-амино — ?-метил-валериановая кислота):

Физико-химические свойства белков

Незаменимая аминокислота, входит в состав многих белков.

Моноаминодикарбоновые кислоты.

Аспарагиновая кислота (?-аминоянтарная кислота):

Физико-химические свойства белков

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

Глутаминовая кислота (?-аминоглутаровая кислота):

Физико-химические свойства белков

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 (?-амино-?-гуанидилвалериановая кислота):

Физико-химические свойства белков

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

Физико-химические свойства белков

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.

Физико-химические свойства белков

L-Лизин (?,?-диаминокапроновая кислота):

Физико-химические свойства белков

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

Ароматические аминокислоты

L-Фенилаланин (?-амино-?-фенилпропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

Незаменимая аминокислота.

L-Тирозин (?-амино-?-параоксифенилпропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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

Гетероциклические аминокислоты

Триптофан (?-амино-?-индолилпропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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

L-Гистидин (?-амино-?-имидозолилпропионовая кислота):

Физико-химические свойства белков

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-

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

Физико-химические свойства белков Физико-химические свойства белков

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

Дополнительные материалы:

№ 178. Органическая химия. Тема 27. Белки. Часть 4. Химические свойства белка


Похожие статьи:

  • Физико-химические свойства белка.

    Молекулы белков имеют массу от десятков тыс. до 1 млн. и выше. Так, фермент рибонуклеаза имеет молекулярную массу 12 700, дыхательный пигмент улитки…

  • Свойства и функции белков

    Размер белка может измеряться в числе аминокислотных остатков или в дальтонах(молекулярная масса), но из-за относительно большой величины молекулы масса…

  • Физические свойства белков

    Классификация белков Все природные белки (протеины) подразделяют на два больших класса:1 Простые белки гидролизуются кислотами или щелочами до…