Контрольная работа по «Товароведение продовольственных товаров»

а) водородная; б) гидрофобная; в) ионные; г) ковалентные (дисульфидные, пептидные).

Денатурация белков

Денатурация белка — разрушение сил (связей), стабилизирующих четвертичную, третичную и вторичную структуры, приводящее к дезориентации конфигурации белковой молекулы и сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, характера рассеивания рентгеновских лучей, снижением или полной потерей биологической функции.

Различают физические (температура, давление, механическое воздействие, ультразвуковое и ионизирующее излучения) и химические (тяжелые  металлы, кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды) факторы, вызывающие денатурацию.

Обратным  процессом является ренатурация, то есть восстановление физико-химических и биологических свойств белка. Иногда для этого достаточно удалить денатурирующий объект. Ренатурация невозможна если затронута первичная структура.

3.5. Химические и физические свойства

Несмотря  на внешнее несходство, различные  представители белков обладают некоторыми общими свойствами.

Так, поскольку  все белки являются коллоидными частицами (размер молекул лежит в пределах 1 мкм до 1 нм), в воде они образуют коллоидные растворы. Эти растворы характеризуются высокой вязкостью, способностью рассеивать лучи видимого света, не проходят сквозь полупроницаемые мембраны.

Вязкость  раствора зависит от молекулярной массы  и концентрации растворенного вещества. Чем выше молекулярная масса, тем  раствор более вязкий. Белки как  высокомолекулярные соединения образуют вязкие растворы. Например, раствор  яичного белка в воде.

Коллоидные  частицы не проходят через полупроницаемые  мембраны (целлофан, коллоидную пленку), так как их поры меньше коллоидных частиц. Непроницаемыми для белка  являются все биологические мембраны. Это свойство белковых растворов  широко используется в медицине и  химии для очистки белковых препаратов от посторонних примесей. Такой процесс  разделения называется диализом. Явление  диализа лежит в основе действия аппарата “искусственная почка”, который  широко используется в медицине для  лечения острой почечной недостаточности.

Белки способны к набуханию, характеризуются оптической активностью и подвижностью в  электрическом поле, некоторые растворимы в воде. Белки имеют изоэлектрическую точку.

Важнейшим свойством  белков является их способность проявлять  как кислые, так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, а щелочные — радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и наоборот.

Эти же группировки  имеют и электрические заряды, формирующие общий заряд белковой молекулы. В белках, где преобладают  аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН 7–14) белок отдает протон и заряжается отрицательно (движение к аноду), тогда как в кислой среде (рН 1–7)

подавляется диссоциация кислотных групп  и белок становится катионом (движение к катоду):

            NH₃⁺      кислая ср.                     NH₃⁺  щелочная ср.                  NH₂

R                                              R                                               R           

COOH                                          COO ^–                                       COO ^–      

 Катион                                      Амфион                                        Анион

Таким образом, фактором, определяющим поведение белка  как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов  и выражается величиной рН. Однако при определенных значениях рН число  положительных и отрицательных  зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, то есть она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8–5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот.

Свойство  амфотерности лежит в основе буферных свойств белков и их участии в  регуляции рН крови. Величина рН крови  человека отличается постоянством и  находится в пределах 7,36–7,4 , несмотря на различные вещества кислого или  основного характера, регулярно  поступающие с пищей или образующиеся в обменных процессах, следовательно, существуют специальные механизмы  регуляции кислотно-щелочного равновесия внутренней среды организма.

Белки активно  вступают в химические реакции. Это  свойство связано с тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные функциональные группы, способные  реагировать с другими веществами. Важно, что такие взаимодействия происходят и внутри белковой молекулы, в результате чего образуется пептидная, водородная, дисульфидная и другие виды связей. К радикалам аминокислот, а, следовательно, и белков, могут присоединяться различные соединения и ионы.

Белки обладают большим сродством к воде, то есть они гидрофильны. Это значит, что молекулы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Например, альбумины более легко связываются с молекулами воды и имеют относительно большую водную оболочку, тогда как глобулины, фибриноген присоединяют воду хуже, и гидратная оболочка и них меньше. Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами: наличием заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее водной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым.

Обратимое осаждение белков (высаливание) предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее часто в практике используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой — при полном насыщении.

Необратимое осаждение связано с глубокими внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит в потере ими нативных свойств — денатурации , которая влечет потерю растворимости, биологической активности и т.д. Необратимое осаждение можно вызвать кипячением, действием концентрированными растворами некоторых из минеральных и органических кислот, солями тяжелых металлов . Примером естественно вызванной денатурации служит расщепление белков в желудке, где имеется сильнокислая среда (рН 0,5–1,5), под действием протеолитических ферментов. Денатурация белков положена в основу лечения отравления тяжелыми металлами, когда больному вводят per os (“через рот”) молоко или сырые яйца с тем, чтобы металлы адсорбировались на поверхности денатурирующего белка и не действовали на белки слизистой оболочки желудка и кишечника, а также не всасывались в кровь.

Гидролиз белка достигается при помощи кипячения белка с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или основаниями (щелочной гидролиз). Схема следующая:                       

 О    H             О    Н               О                                                                          О

 NH₂ —  СН—С—N—СH—С—N—СН—С— ·· + nH₂O                ·· + NH₂—СН—С—ОН +  

R₁                            R₂                             R₃                                                                                    R₁                       

     O                                   O

+ NH₂—СН—С—ОН + NH₂—СН—С—ОН + ··           

    R₂                                  R₃

Химический синтез

Химический  синтез белков имеет большое практическое и теоретическое значение. В практическом отношении важны белковые гормоны  — инсулин и вазопрессин, в  настоящее время получаемые синтетическим  путем. Умение производить искусственным  путем необходимые белки откроет  огромные ресурсы для использования  в медицине, технике и т.д.

Традиционные  методы синтеза регулярных полимеров  позволяют получить сополимеры, состоящие  из двух (или более) сходных типов  мономеров со статистическим распределением их по цепи, в том числе белков. В частности, возможно получение  гомополимеров или статистических сополимеров, состоящих из аминокислотных остатков, связанных пептидными связями (полиаминокислот).

В качестве примера  можно привести процесс получения  полиаминокислот, основанный на конденсации N-карбоксиангидридов аминокислот, образуемых из соответствующих аминокислот обработкой фосгеном:

 

Эти соединения содержат электрофильную ангидридную группу, которая может атаковать алифатическую аминогруппу аминокислоты, используемой в качестве затравки, с выделением СО₂и одновременном освобождением новой аминогруппы из атакующей молекулы N-карбоксиангидрида, таким образом, открывая возможность поликонденсации:

 

Нетрудно  заметить, что каждая стадия поликонденсации (с учетом реакции образования N-карбоксиангидридов аминокислот) сопровождается превращением молекулы COCl₂ в CO₂ и 2HCl, что термодинамически выгодно и является источником свободной энергии для образования пептидной связи.

При синтезе  нерегулярных полипептидов базируются также на активации карбоксильных  групп. Большинство из них базируется на использовании N,N-дициклогексилкарбодиимида (ДЦК). Он способен в присутствии RCOO^- и амина NH₂R’ осуществить активацию карбоксильных групп:

 

Промежуточным соединением является O-ацил-N,N’-дициклогексилмочевину (ДЦМ):

 

3.6. Значение белков

Функции белков чрезвычайно многообразны. Каждый данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет  одну узкоспециализированную функцию  и лишь в нескольких отдельных  случаях — несколько взаимосвязанных. Например, гормон мозгового слоя надпочечников  адреналин, поступая в кровь, повышает потребление кислорода и артериальное давление, содержание сахара в крови, стимулирует обмен веществ, а  также является медиатором нервной  системы у холоднокровных животных.

 

белки

 
                                                      

        

 

 

 

 

 

 
           

 

 

 Схема практического значения белков

Каталитическая (ферментативная) функция

Многочисленные  биохимические реакции в живых  организмах протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40°С, и значениях рН близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их приемлемого осуществления необходимы специальные биологические катализаторы — ферменты. Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной кислоты:

CO₂ + H₂O              HCO₃^-+ H⁺

катализируется  ферментом карбоангидразой. Вообще все реакции, за исключением реакции фотолиза воды 2H₂O®4H⁺ + 4e^- + O₂, в живых организмах катализируются ферментами (реакции синтеза, осуществляются при помощи ферментов синтетаз, реакции гидролиза — при помощи гидролаз, окисление — при помощи оксидаз, восстановление с присоединением — при помощи гидрогеназ и т.д.). Как правило, ферменты — это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо кофактором — ионом металла или специальной органической молекулой. Ферменты обладают высокой, иногда уникальной, избирательностью действия. Например, ферменты, катализирующие присоединение a-аминокислот к соответствующим т-РНК в процессе биосинтеза белка, катализируют присоединение только L-аминокислот и не катализируют присоединение D-аминокислот.  

Транспортная функция  белков

Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие ее строительным материалом и энергией. В то же время все  биологические мембраны построены  по единому принципу — двойной  слой липидов, в который погружены  различные белки, причем гидрофильные участки макромолекул сосредоточены  на поверхности мембран, а гидрофобные  “хвосты” — в толще мембраны. Данная структура непроницаема для  таких важных компонентов, как сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их проникновение внутрь клетки осуществляется с помощью специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану клеток. Например, у бактерий имеется  специальный белок, обеспечивающий перенос через наружную мембрану молочного сахара — лактозы. Лактоза  по международной номенклатуре обозначается b-галаткозид, поэтому транспортный белок называют b-галактозидпермеазой.