Оглавление
1. Введение стр. 2 2. Структура стр. 4 3. Свойства стр. 6 4. Роль в организме стр. 7 5. Применение в медицине стр. 13 6. Литература стр. 14
белки
Б
ЕЛКИ — это азотсодержащие высокомолекулярные органические вещества со
сложным составом и строением молекул.
Белок можно рассматривать как сложный полимер аминокислот.
Белки входят в состав всех живых организмов, но особо важную роль они
играют в животных организмах, которые состоят из тех или иных форм белков
(мышцы, покровные ткани, внутренние органы, хрящи, кровь).
Растения синтезируют белки (и их составные части (-аминокислоты) из
углекислого газа СО2 и воды Н2О за счет фотосинтеза, усваивая остальные
элементы белков (азот N, фосфор Р, серу S, железо Fe, магний Mg) из
растворимых солей, находящихся в почве.
Животные организмы в основном получают готовые аминокислоты с пищей и на
их базе строят белки своей организма. Ряд аминокислот (заменимые
аминокислоты) могут синтезироваться непосредственно животными организмами.
Характерной особенностью белков является их многообразие, связанное с
количеством, свойствами и способах соединения входящих в их молекулу
аминокислот. Белки выполняют функцию биокатализаторов — ферментов,
регулирующих скорость и направление химических реакций в организме. В
комплексе с нуклеиновыми кислотами обеспечивают функции роста и передачи
наследственных признаков, являются структурной основой мышц и осуществляют
мышечное сокращение.
В молекулах белков содержатся повторяющиеся амидные связи С(0)—NH,
названные пептидными (теория русского биохимика А.Я.Данилевского).
Таким образом, белок представляет собой полипептид, содержащий сотни или
тысячи аминокислотных звеньев.
Структура белков
О
[pic]
собый характер белка каждого вида связан не только с длиной, составом и
строением входящих в его молекулу полипептидных цепей, но и с тем, как эти
цепи ориентируются.
В структуре любого белка существует несколько степеней организации:
1. Первичная структура белка — специфическая последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
[pic]
[pic]
1. Вторичная структура белка — способ скручивания полипептидной цепи в пространстве (за счет водородной связи между водородом амидной группы
—NH— и карбонильной группы — СО—, которые разделены четырьмя аминокислотными фрагментами).
2. Третичная структура белка — реальная трехмерная конфигурация закрученной спирали полипептидной цепи в пространстве (спираль, скрученная в спираль). Третичная структура белка обуславливает специфическую биологическую активность белковой молекулы. Третичная структура белка поддерживается за счет взаимодействия различных функциональных групп полипептидной цепи:
дисульфидный мостик (-S-S-) между атомами серы,
сложноэфирный мостик – между карбоксильной группой (-СО-) и
гидроксильной (-ОН),
солевой мостик - между карбоксильной (-СО-) и аминогруппами (NH2).
[pic]
4. Четвертичная структура белка — тип взаимодействия между несколькими полипептидными цепями.
Например, гемоглобин представляет из себя комплекс из четырех макромолекул белка.
Физические свойства
Б
елки имеют большую молекулярную массу ( 104—107), многие белки растворимы в
воде, но образуют, как правило, коллоидные растворы, из которых выпадают
при увеличении концентрации неорганических солей, добавлении солей тяжелых
металлов, органических растворителей или при нагревании (денатурация).
Химические свойства
1. Денатурация — разрушение вторичной и третичной структуры белка.
2. Качественные реакции на белок:
биуретовая реакция: фиолетовое окрашивание при обработке солями меди в
щелочной среде (дают все белки),
ксантопротеиновая реакция: желтое окрашивание при действии
концентрированной азотной кислоты, переходящее в оранжевое под действием
аммиака (дают не все белки),
выпадение черного осадка (содержащего серу) при добавлении ацетата свинца
(II), гидроксида натрия и нагревании.
1. Гидролиз белков — при нагревании в щелочном или кислом растворе с образованием аминокислот.
Синтез белков
Белок — сложная молекула, и синтез его представляется трудной задачей. В
настоящее время разработано много методов прекращения (-аминокислот в
пептиды и синтезированы простейшие природные белки — инсулин, рибонуклеаза
и др.
Большая заслуга в создании микробиологической промышленности по
производству искусственных пищевых продуктов принадлежит советскому ученому
А.Н.Несмеянову.
Роль белков в организме.
Функции белков в организме разнообразны. Они в значительной мере
обусловлены сложностью и разнообразием форм и состава самих белков.
Белки - незаменимый строительный материал. Одной из важнейших
функций белковых молекул является пластическая. Все клеточные мембраны
содержат белок, роль которого здесь разнообразна. Количество белка в
мембранах составляет более половины массы.
Многие белки обладают сократительной функцией. Это прежде
всего белки актин и миозин, входящие в мышечные волокна высших организмов.
Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные тонкие нити,
состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных
внутриклеточной жидкостью. В ней растворены аденозинтрифосфорная кислота
(АТФ), необходимая для осуществления сокращения, гликоген - питательное
вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности
кальций.
Велика роль белков в транспорте веществ в организме. Имея
различные функциональные группы и сложное строение макромолекулы, белки
связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего
гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию
берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин.
Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят
ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин -
белок семян кукурузы.
Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны.
Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на
обмен веществ. Многие гормоны являются белками, полипептидами или
отдельными аминокислотами. Одним из наиболее известных белков-гормонов
является инсулин. Этот простой белок состоит только из аминокислот.
Функциональная роль инсулина многопланова. Он снижает содержание сахара в
крови, способствует синтезу гликогена в печени и мышцах, увеличивает
образование жиров из углеводов, влияет на обмен фосфора, обогащает клетки
калием. Регуляторной функцией обладают белковые гормоны гипофиза - железы
внутренней секреции, связанной с одним из отделов головного мозга. Он
выделяет гормон роста, при отсутствии которого развивается карликовость.
Этот гормон представляет собой белок с молекулярной массой от 27000 до
46000.
Оним из важных и интересных в химическом отношении
гормонов являетс вазопрессин. Он подавляет мочеобразование и повышает
кровеное давление. Вазопрессин - это октапептид циклического строения с
боковой цепью:
про - лиз - гли(NH2)
| цис - асп(NH2)
/
S глу(NH2)
| |
S фенилаланин
/ цис - тир
Регуляторную функцию выполняют и белки, содержащиеся в
щитовидной железе - тиреоглобулины, молекулярная масса которых около
600000. Эти белки содержат в своем составе йод. При недоразвитии железы
нарушается обмен веществ.
Другая функция белков - защитная. На ее основе создана
отрасль науки, названная иммунологией.
В последнее время в отдельную группу выделены белки с
рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и др.
рецепторы.
Следует упомянуть и о существовании белковых веществ,
тормозящих действие ферментов. Такие белки обладают ингибиторными
функциями. При взаимодействии с этими белками фермент образует комплекс и
теряет свою активность полностью или частично. Многие белки - ингибиторы
ферментов - выделены в чистом виде и хорошо изучены. Их молекулярные массы
колеблются в широких пределах; часто они относятся к сложным белкам -
гликопротеидам, вторым компонентом которых является углевод.
Если белки классифицировать только по их функциям, то такую
систематизацию нельзя было бы считать завершенной, так как новые
исследования дают много фактов, позволяющих выделять новые группы белков с
новыми функциями. Среди них уникальные вещества - нейропептиды
(ответственные за важнейшие жизненные процессы: сна, памяти, боли, чувства
страха, тревоги).
Биологические катализаторы.
В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических
реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и
давления, т. е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках
человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм
энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами
храниться как в консервированном (изолированом от воздуха) виде, так и на
воздухе в присутствие кислорода. Возможность быстрого переваривания
продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках
особых биологических катализаторов - ферментов.
Ферменты - это специфические белки, входящие в состав
всех клеток и тканей живых организмов играющие роль биологических
катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в
Петербурге К.С.Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать
полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял
свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые
исследования в ферментологии. Хотя на практике применеие ферментативных
процессов было известно с незапямятных времен (сбраживание винограда,
сыроварение и др.).
В разных изданиях примняются два понятия :
"ферменты" и "энзимы". Эти названия эдентичны. Они обозначают одно и тоже -
биологические катализаторы. Первое слово переводится как "закваска", второе
- "в дрожжах".
Долгое время не представляли, что же происходит в
дрожжах, какая сила, присутствующая в них, заставляет вещества разрушаться
и превращаться в более простые. Только после изобретения микроскопа было
установлено, что дрожжи - это скопление большого количества микрорганизмов,
которые используют сахар в качестве своего основного питательного вещества.
Иными словами, каждая дрожжевая клетка "начинена" ферментами способными
разлагать сахар. Но в то же время были известны и другие биологические
катализаторы, не заключенные в живую клетку, а свободно "обитающие" вне ее.
Например, они были найдены в составе желудочных соков, клеточных
экстрактов. В связи с этим в прошлом различали два типа катализаторов:
считалось, что собственно ферменты неотделимы от клетки и вне ее не могут
функционировать, т.е. они "организованы". А "неорганизованные"
катализаторы, которые могут работать вне клетки, называли энзимами. Такое
противопоставление "живых" ферментов и "неживых" энзимов объяснялось
влиянием виталистов, борьбой идеализма и матермализма в естествознании.
Точки зрения ученых разделились. Основоположник микробиологии Л. Пастер
утверждал, что деятельность ферментов определяется жизнью клетки. Если
клетку разрушить, то прекратиться и действие фермента. Химики во главе с Ю.
Лбихом развивали чисто химическую теорию брожения, доказывая, что
активность ферментов не зависит от существования клетки.
В 1871 г. русский врач М.М. Манассеина разрушила
дрожжевые клетки, растирая их речным песком. Клеточный сок, отделенный от
остатков клеток, сохранял свою способность сбраживать сахар. Через четверть
века немецкий ученый Э. Бухнер получил бесклеточный сок прессованием живых
дрожжей под давлением до 5*10 Па. Этот сок, подобно живым дрожжам,
сбраживал сахар с образованием спирта и оксида углерода (IV):
фермент
C6H12O6--->2C2H5OH + 2CO2
Работы А.Н. Лебедева по исследованию дрожжевых клеток и
труды других ученых положили конец виталистическим представления в теории
биологического катализа, а термины "фермент" и "энзим" стали применять как
равнозначные.
В наши дни ферментология - это самостоятельная наука.
Выделено и изучено около 2 тыс. ферментов.
Свойства ферментов.
Важнейшим свойством ферментов является преимущественное
одной из нескольких теоретически возможных реакций. В зависимости от
условий ферменты способны катализировать как прямую так и обратную реакцию.
Это свойство ферментов имеет большое практическое значение.
Другое важнейшее свойство ферментов - термолабильность,
т. е. высокая чувствительность к изменениям температуры. Так как ферменты
являются белками, то для большенства из них температура свыше 70 C приводит
к денатурации и потере активности. При увелечении температуры до 10 С
реакция ускоряется в 2-3 раза, а при температурах близких к 0 С скорость
ферментативных реакций замедляется до минимума.
Следующим важным свойством является то, что ферменты
находятся в тканях и клетках в неактивной форме (проферменте).
Классическими его примерами являются неактивные формы пепсина и трипсина.
Существование неактивных форм ферментов имеет большое биологическое
значение. Если бы пепсин вырабатывался сразу в активной форме, то пепсин
"переваривал" стенку желудка, т. е. желудок "переваривал" сам себя.
Классификация ферментов.
----------------------------------------
На Международном биохимическом съезде было принято, что
ферменты должны классифицироваться по типу реакции, катализируемой ими. В
названии фермента обязательно присутствует название субстрата, т. е. того
соединения, на которое воздействует данный фермент, и окончание -аза.
(Аргиназа катализирует гидролиз аргинина и т.д.)
По этому принципу все ферменты были разделены на 6
признаков:
1.Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-
восстановительные реакции, например каталаза:
2H2O2-->O2+2H2O
2.Трансферазы - ферменты, катализирующие перенос атомов или
радикалов.
3.Гидролазы - ферменты, разрывающие внутримолекулярные связи
путем присоединения молекул воды, например фосфатаза:
OH
/
R - O - P = O + H2O --> ROH + H3PO4
OH
4.Лиазы - ферменты, отщепляющие от субстрата ту или
иную группу без присоединения воды, негидролитическим путем.
Например: отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой:
O O
// /
CH3 - C - C ---->CO2 + CH3 - C
||
O OH H
5.Изомеразы - ферменты, катализирующие превращение одного
изомера в другой:
глюкозо-6-фосфат --> глюкозо-1-фосфат
6.Синтетазы - ферменты, катализирующие реакции синтеза.
Ферментология - молодая и преспективная наука, отделившаяся
от биологии и химии и обещающая много удивительных открытий тем, кто решит
заняться ею всерьез.
Литература:
Справочник школьника “ХИМИЯ” М.,”СЛОВО” 1995.
Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман “Химия 11. Органическая химия”
М., “Просвещение”,1993.
А.И.Артеменко, И.В. Тикунова М., “Просвещение” 1993.
“Химия 10-11. Органическая химия”
-----------------------
Первичная структура белков
Вторичная структура белков
Третичная структура белков
Четвертичная структура белков