ВУЗ: Тамбовский государственный технический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 09.02.2019
Просмотров: 5055
Скачиваний: 15
19
H
O
R
C
O
1
N
C
O
O
R
2
N
H
H
C
O
O
H
R
N
3
H
C
O
O
R
H
H
H
O
H
O
N
O
R
H
C
N
H
O
H
R
5
C
O
N
O
6
R
C
H
N
O
R
H
H
4
α
-Спираль возникает за счёт внутрицепочечных водородных свя-
зей, когда группы N–H и С=О находятся на разных участках одной и
той же полипептидной цепи. Такой тип водородных связей возможен
только в том случае, если основная цепь сворачивается в спираль с
шагом в 3,6 аминокислотных остатка. Только при таком взаимном рас-
положении групп N–H и С=О, принадлежащих разным пептидным
связям, виток спирали фиксируется водородной связью. Спиралевид-
ная структура обеспечивает более энергетически выгодное расположе-
ние боковых групп друг относительно друга, что особенно существен-
но для аминокислотных остатков с объёмными заместителями при
α
-
углеродном атоме.
3.
Ионные
связи являются результатом электростатического
взаимодействия и появляются в тех случаях, когда в боковой цепи
имеются заряженные группы – катионы NH
4
+
(протонированные ами-
ногруппы лизина, гуанидиновые группировки аргинина, основные
атомы имидазольного кольца гистидина) и анионы СОО
–
(карбокси-
лат-анионы аспарагиновой и глутаминовой кислот). Возможно и элек-
тростатическое взаимодействие N- и С-концов полипептидной цепи.
4. Гидрофобные связи (гидрофобные взаимодействия) представ-
ляют собой результат несвязного взаимодействия неполярных алкиль-
ных групп боковых цепей таких аминокислот, как аланин, валин, лей-
цин, изолейцин за счёт сил Ван-дер-Ваальса.
5. Гидратируемые группы оказывают влияние на формирование
вторичной структуры белка, тогда когда молекулы воды, окружающие
белковую молекулу, могут образовывать структуру, подобную струк-
туре льда.
20
Очень важно, что из всех перечисленных вариантов внутри- и
межмолекулярных взаимодействий только дисульфидные мостики не
зависят от показателя рН среды, полярности растворителя и ионной
силы раствора. Дисульфидные мостики разрушаются только под дей-
ствием восстановителей.
2.5. СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Свойства белков – химические, физические и биологические –
полностью определяются их химическим составом и структурой.
2.5.1. Физические свойства
1. Высокомолекулярные соединения. Белки значительно отлича-
ются друг от друга по молекулярной массе, например, молекулярная
масса яичного альбумина 44 000, гемоглобина крови человека 68 000, а
молекулярная масса белков некоторых вирусов достигает 10 600 000.
Соответственно, также значительно различается и число аминокислот-
ных остатков, образующих полипептид. У подавляющего большинства
белков полипептидные цепи содержат до нескольких сотен аминокис-
лотных остатков, однако известны и гигантские полипептиды. Так,
фактор VIII свёртывания крови в цепи содержит 2332 аминокислотных
остатка, одна из субъединиц тиреоглобулина – 2750.
Молекулярную массу белка определяют различными методами.
Из физических методов наиболее часто используют метод ультрацен-
трифугирования, суть которого заключается в измерении скорости
оседания молекул белков в ультрацентрифуге, где при вращении рото-
ра развивается центробежное ускорение, превышающее ускорение
силы тяжести в 100 000 и более раз. По скорости оседания рассчиты-
вают молекулярную массу белка.
Электрофоретический метод основан на зависимости длины про-
бега от заряда и молекулярной массы белковых молекул при проведе-
нии электрофореза в полиакриламидном или других гелях в присутст-
вии белков-маркеров с известной молекулярной массой.
2. Коллоиды. Благодаря большим размерам молекул (диаметр бо-
лее 10
–7
см) белки образуют растворы, по свойствам аналогичные кол-
лоидным системам. Белковые молекулы сильно гидратированы: они
имеют многослойные водные оболочки, в которых молекулы воды
образуют кристаллоподобные структуры и по свойствам сильно отли-
чаются от свободной воды. Белки, находящиеся в кристаллическом
состоянии, попадая в водную среду, могут связывать большое количе-
ство воды. При этом они набухают (их объём увеличивается более чем
в 15 раз) и могут оказывать очень большое давление на окружающие
тела – давление набухания (до 2000 атм). За счёт этого давления идёт
21
продвижение проростков растений через почву. В тканях животных и
человека 70…80% содержащейся воды связано с белками.
Коллоидные растворы белков очень вязкие, они не могут прохо-
дить через полупроницаемые мембраны; на этом основан метод очист-
ки белков от низкомолекулярных соединений – диализ. Растворы бел-
ков в живых организмах обладают низким осмотическим давлением,
так как из-за большого размера молекул их молярная концентрация
невелика.
Растворы белков опалесцируют, т.е. меняют окраску при рассмат-
ривании их в проходящем и отраженном свете. Они дают свойствен-
ный коллоидным растворам эффект Тиндаля: луч света, проходя че-
рез такой раствор, рассеивается крупными частицами растворенного
вещества и становится видимым.
Белковые растворы обладают оптической активностью, т.е. спо-
собны изменять плоскость поляризации света, а также способны по-
глощать ультрафиолетовое излучение. Все эти оптические свойства
широко используют при анализе природных белков.
Коллоидные частицы белков имеют большую суммарную по-
верхность, на которой могут адсорбироваться ионы и молекулы раз-
личных веществ. Эта особенность позволяет белкам выполнять в орга-
низме транспортные функции – переносить различные вещества из
одного органа в другой.
Белковые растворы неустойчивы. При действии веществ, способ-
ных активно связывать воду (спирт, ацетон, концентрированные рас-
творы солей щелочных металлов, аммония и некоторых других ве-
ществ), растворимость белков понижается, и они выпадают в осадок
(или всплывают на поверхность растворителя). При этом происходит
обезвоживание и нейтрализация коллоидной частицы (с одновремен-
ным некоторым изменением пространственной структуры белка).
Обезвоженные нейтральные частицы слипаются, происходит коагу-
ляция
. Образовавшиеся крупные агрегаты отделяются от растворите-
ля; процесс называется седиментацией. Обезвоживание частиц белка
никогда не бывает полным, поэтому осадок белка имеет вид студня
(геля). Жидкие коллоидные растворы белка (золи) могут «застывать» и
без выделения воды. При этом образуется трёхмерная сетчатая струк-
тура из белковых молекул, взаимодействующих своими гидрофобны-
ми радикалами. Вся вода оказывается связанной внутри этой сетчатой
структуры. Переход из золя в гель во многих случаях обратим. В каче-
стве примера перехода из золя в гель можно привести процесс свёрты-
вания крови при ранениях кровеносных сосудов. В качестве обратного
перехода можно рассматривать изменение состояния сократительных
белков в момент сокращения мышечного волокна.
22
3. Изоэлектрическая точка. Белковые макромолекулы несут на
своей поверхности большое количество карбоксильных и аминных
групп. Соотношение между количеством кислых и оснóвных группи-
ровок варьируется у различных белков.
Как и все амфотерные электролиты белки в кислой среде ведут
себя как катионы, а в щелочной – как анионы. В зависимости от соот-
ношения кислых и основных групп для каждого белка существует своя
изоэлектрическая точка (см. раздел «Аминокислоты»):
Белок
pJ
Фибриноген
8,0
Гемоглобин
6,7
Яичный альбумин
6,9
Казеин
4,7
Миозин
4,6…5,2
Муцин
2,7
Большинство белков имеют изоэлектрические точки, близкие к
нейтральной или лежащие в слабо-кислой области. Некоторые белки в
силу наличия в их составе большого количества диаминокислот имеют
отчётливо выраженный оснóвный характер. Это гистамины и прота-
мины; обычно их выделяют в особую группу оснóвных белков.
4. Денатурация белка. Изменение условий, в которых находится
молекула белка: варьирование рН среды, повышение температуры,
облучение УФ-светом, рентгеновскими лучами, сильное механическое
воздействие, давление, ультразвук – приводит к разрушению связей,
обеспечивающих сохранение четвертичной, третичной и даже вторич-
ной структуры, и, следовательно, к разрушению уникальной нативной
(созданной природой) структуры белка. Этот процесс носит название
денатурации
белка. Нарушение нативной конформации белка может
быть обратимым (если изменение структуры легко устранимо и натив-
ная структура восстанавливается) и необратимым (особенно выражено
при повышении температуры, лучевом воздействии, обработке силь-
ными кислотами и щелочами). Денатурация белка сопровождается
снижением гидрофильности белковых молекул, уменьшением ста-
бильности растворов белка в изоэлектрической точке, повышением
реакционной способности функциональных групп молекулы.
Большинство белковых молекул проявляют специфическую
функциональную активность только в узком интервале значение рН и
температуры (физиологические значения). В результате изменений
указанных параметров белок теряет активность из-за денатурации.
Денатурированные белки существуют в виде случайных хаотических
петель и клубков, форма которых подвержена изменениям.
23
5. Поверхностные свойства белков. Белки являются поверхно-
стно-активными веществами, что связано с наличием в молекуле
фрагментов с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами.
Поверхностную активность белки проявляют прежде всего за счёт бо-
ковых цепей. Белки способны не только адсорбировать на своей по-
верхности низкомолекулярные органические соединения и ионы, но и
захватывать их внутрь молекулы. Таким образом, белки являются ста-
билизаторами лиофобных дисперных систем – эмульгаторами жиров и
холестерина; осуществляют транспорт жиров из кишечника в ткани.
6. Оптическая активность используется при фракционирова-
нии, количественном определении и других исследованиях белков.
2.5.2. Химические свойства белков
Химические свойства белков исключительно разнообразны, по-
скольку образующие их аминокислоты содержат множество различных
функциональных групп: –СООН, –NH
2
, –OH, –SH, –OPO
3
H
2
, а также
углеводородные радикалы разного характера. Так же как и индивиду-
альные аминокислоты, белки вступают в реакции солеобразования,
окисления, восстановления, этерификации, ацилирования, амидирова-
ния. Возможны и другие типы превращений, в том числе реакции между
функциональными группами внутри самих белковых молекул.
1. Солеобразование протекает и по карбоксильным, и по амин-
ным группам:
NH
2
+NaOH
R
COOH
R
NH
2
COONa
- H
2
O
Натриевая соль белка
Белок
NH
2
+HCl
R
COOH
R
NH
3
Cl
COOH
Белок
Хлористоводородная
соль белка
2. Окисление протекает по сульфгидрильным группам аминокис-
лоты цистеина:
R
SH
SH
Белок
R
S
S
+
H
2
Белок с дисульфидным
мостиком
натриевая соль белка
белок
белок
хлористоводородная
соль белка
белок
белок с дисульфидным
мостиком
+
–