Химия белка

2) Лиганд траспортного  белка – транспортируемое вещество.

3) Лиганд антитела (иммуноглобулина)  – антиген.

4) Лиганд рецептора  гормона или нейромедиатора –  гормон или нейромедиатор.

Белок может изменять свою конформацию не только при взаимодействии с лигандом, но и в результате любого химического взаимодействия. Примером такого взаимодействия может  служить присоединение остатка  фосфорной кислоты.

В природных условиях белки имеют несколько термодинамически выгодных конформационных состояний. Это нативные состояния (природные). Natura (лат.) – природа.

 

НАТИВНОСТЬ  БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ

 

НАТИВНОСТЬ - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Например: белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой  прозрачностью только в нативном состоянии).

 

ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКА

 

Для обозначения процесса, при котором нативные свойства белка  теряются, используют термин ДЕНАТУРАЦИЯ.

ДЕНАТУРАЦИЯ - это лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи.

 

ФАКТОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ДЕНАТУРАЦИЮ БЕЛКОВ

 

Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить  на физические и химические.

Физические факторы

1. Высокие температуры.  Для разных белков характерна  различная чувствительность к  тепловому воздействию. Часть  белков подвергается денатурации  уже при 40-50⁰С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

2. Ультрафиолетовое облучение

3. Рентгеновское и  радиоактивное облучение

4. Ультразвук

5. Механическое воздействие  (например, вибрация).

Химические факторы

1. Концентрированные  кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO₄).

3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

4. Растительные алкалоиды.

5. Мочевина в высоких  концентрациях

 

 

5. Другие вещества, способные  нарушать слабые типы связей  в молекулах белков.

Воздействие факторами  денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также  как антисептики.

Обратимость денатурации

В пробирке (in vitro) чаще всего это – необратимый процесс. Если же денатурированный белок поместить в условия, близкие к нативным, то он может ренатурировать, но очень медленно, и такое явление характерно не для всех белков.

In vivo, в организме, возможна  быстрая ренатурация. Это связано с выработкой в живом организме специфических белков, которые «узнают» структуру денатурированного белка, присоединяются к нему с помощью слабых типов связи и создают оптимальные условия для ренатурации. Такие специфические белки известны как «белки теплового шока» или «белки стресса».

Белки стресса

Существует несколько  семейств этих белков, они отличаются по молекулярной массе.

Например, известен белок hsp 70 – heatshock protein массой 70 kDa.

Такие белки есть во всех клетках организма. Они выполняют  также функцию траспорта полипептидных цепей через биологические мембраны и участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белковых молекул. Перечисленные функции белков стресса называются шаперонными. При различных видах стресса происходит индукция синтеза таких белков: при перегреве организма (40-44⁰С), при вирусных заболеваниях, отравлениях солями тяжелых металлов, этанолом и др.

В организме южных  народов установлено повышенное содержание белков стресса, по сравнению  с северной расой.

Молекула белка теплового шока состоит из двух компактных глобул, соединенных свободной цепью:

 

 

 

 

 

Разные белки теплового  шока имеют общий план построения. Все они содержат контактные домены.

Разные белки с различными функциями могут содержать одинаковые домены. Например, различные кальций-связывающие белки имеют одинаковый для всех них домен, отвечающий за связывание Ca⁺².

Роль доменной структуры  заключается в том, что она  предоставляет белку большие  возможности для выполнения своей  функции благодаря перемещениям одного домена по отношению к другому. Участки соединения двух доменов – самое слабое в структурном отношении место в молекуле таких белков. Именно здесь чаще всего происходит гидролиз связей, и белок разрушается.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ. РАСТВОРИМОСТЬ БЕЛКОВ В ВОДЕ

 

Большинство белков гидрофильны. Однако белковые молекулы имеют очень  большие размеры, поэтому белки  не могут образовывать истинных растворов, а только коллоидные. Внешнее проявление этого - это эффект Тиндаля (или конус Тиндаля). Эффект Тиндаля вызывается рассеянием тонкого пучка света при прохождении через белковый раствор. Несмотря на большую величину, многие белковые молекулы не осаждаются в водных растворах. Осаждению белковых молекул препятствуют факторы стабилизации белкового раствора.

 

ФАКТОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ БЕЛКА В РАСТВОРЕ

 

ГИДРАТНАЯ ОБОЛОЧКА - это слой молекул воды, определенным образом ориентированных на поверхности белковой молекулы. Поверхность большинства белковых молекул заряжена отрицательно, и диполи молекул воды притягиваются к ней своими положительно заряженными полюсами (смотрите рисунок).

Чем больше гидрофильных свойств у белковой молекулы, чем  больше в ее составе и на ее поверхности  аминокислот с полярными (гидрофильными) радикалами, тем сильнее выражена и прочнее удерживается гидратная оболочка и тем больше в ней слоев. Вода гидратной оболочки обладает особыми свойствами: она не является свободной, а связана с белковой молекулой. Это - “связанная” вода. Она принадлежит белку, и поэтому имеет особые свойства.

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства воды гидратной оболочки

а) Температура кипения  выше 100⁰С.

б) Температура замерзания ниже 0^ОС.

в) В воде гидратной  оболочки не растворяются различные  соли и другие гидрофильные вещества.

г) Окружая каждую молекулу белка, гидратная оболочка не дает этим белковым молекулам сблизиться, соединиться и выпасть в осадок.

2) ЗАРЯД БЕЛКОВОЙ  МОЛЕКУЛЫ. Поверхность большинства белковых молекул заряжена потому, что в каждой молекуле белка есть свободные заряженные СОО^- и NH₃⁺ группы. Изоэлектрическая точка (ИЭТ) большинства белков организма находится в слабокислой среде. Это означает, что у таких белков количество кислотных (СООН) групп больше количества основных групп (NH₃). рН плазмы крови около 7,36 - это выше ИЭТ большинства белков, поэтому в плазме крови белки имеют отрицательный заряд.

 

СПОСОБЫ ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКОВ

 

Делятся на две группы:

1) Способы осаждения нативного белка

2) Способы осаждения денатурированного белка

Чтобы осадить белок  из раствора, надо лишить его обоих  факторов стабилизации: и заряда, и  гидратной оболочки.

 

ОСАЖДЕНИЕ НАТИВНЫХ БЕЛКОВ

 

Чтобы сохранить нативность белковой молекулы, ее заряд можно  устранить только одним способом: приблизить рН среды к изоэлектрической точке белка (ИЭТ), а для большинства белков нашего организма ИЭТ находится в слабокислой среде. Другой фактор стабилизации - гидратную оболочку можно устранить разными способами.

Наиболее типичным примером осаждения нативного белка является ВЫСАЛИВАНИЕ.

а) ВЫСАЛИВАНИЕ - это осаждение белков высокими концентрациями нейтральных солей щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку такие соли очень гидрофильны и обладают в высоких концентрациях водоотнимающими свойствами. Чаще это NaCl, Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, CaCl₂. По мере добавления таких солей к раствору белка они сначала растворяюся в свободной воде, а затем, при дальнейшем повышении концентрации соли, конкурируют с белком за обладание водой, которая входит в состав гидратных оболочек. Белки менее гидрофильные, плохо удерживающие воду гидратной оболочки, теряют ее раньше. Более гидрофильные белки требуют большей концентрации соли для высаливания. Поэтому с помощью высаливания можно разделить белки с разной степенью гидрофильности. Таким способом, например, можно разделить альбумины и глобулины плазмы крови.

При высаливании сохраняется  нативность белковых молекул. Если осадить белки с помощью высаливания, а затем уменьшить концентрацию солей, например, методом диализа, то белок опять растворится.

Осаждения белков без  потери ими нативности можно достичь  также с помощью водоотнимающих средств.

б) ПРИМЕНЕНИЕ ВОДООТНИМАЮЩИХ СРЕДСТВ. Такими средствами являются растворители, которые смешиваются с водой в любых соотношениях. Чаще всего это ацетон, этиловый спирт. Эти вещества отнимают гидратные оболочки белков, и белки выпадают в осадок, если они лишены заряда. Но, в отличие от высаливания, осадок сразу (немедленно!) должен быть отделен от растворителя. Если растворитель и белок будут длительно находиться в контакте, то могут произойти необратимые изменения структуры белковой молекулы (денатурация).

 

ОСАЖДЕНИЕ ДЕНАТУРИРОВАННЫХ БЕЛКОВ

 

а) ДЕЙСТВИЕ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ. Образуют соединения с SH-группами белков. Ядовиты для человека и животных. В медицинской практике применяются способы детоксикации при отравлениях тяжелыми металлами. В этих случаях для обезвреживания этих металлов дают внутрь молоко или другие белковые растворы.

б) КИПЯЧЕНИЕ (или просто нагревание до высоких температур) - усиливается тепловое движение молекул, ослабляются слабые типы связей, теряется нативность, белковая молекула “разворачивается”, гидрофобные структуры выходят наружу. Это приводит к потере гидратной оболочки, молекулы сближаются и взаимодействуют друг с другом. Это приводит к тому, что белок выпадает в осадок. При охлаждении нативность не восстанавливается.

При кипячении белок не всегда выпадает в осадок. Если нагревать белок в любой среде (сильно кислой, сильно щелочной или нейтральной средах), то денатурация белка происходит обязательно, белковые молекулы теряют гидратную оболочку. Но в сильно кислой или в сильно щелочной средах молекулы белка в осадок не выпадают, потому что у них остается один из факторов стабилизации - заряд. Сохранение заряда не позволяет молекулам белка сблизиться друг с другом - агрегация полипептидных цепей не происходит. Даже если раствор белка охладить - осадок все равно не выпадает - это будет коллоидный раствор денатурированного белка. Если приблизить затем рН среды к изоэлектрической точке белка (например, добавлением кислоты или щелочи), то белок выпадет в осадок, потому что будет лишен обоих факторов стабильности в растворе - и заряда, и гидратной оболочки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

Степанов В. М. (1996) Структура и функция белков.

Якубке Х. Д., Ушкайт Х. Аминокислоты, пептиды, белки. М., " Мир", 1985.

Шамин А.Н. История химии белка. Серия "Из наследия А.Н.Шамина". Изд.2 2006 г

Комаров О. С, Терентьев  А. А. Химия белка. Просвещение. 1984

И. В. Шугалей, А. В. Гарабаджиу, И. В. Целинский Химия белка. Учебное пособие.

Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. Учебник  для вузов./ Под ред. Петрова А.А. – М.: Высшая школа,1981.

Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в вузы. – М.: ООO «Издательство Новая Волна», 2002.

Потапов В.М., Чертков  И.Н. Строение и свойства органических веществ. Пособие для учащихся 10 кл. – М.: Просвещение, 1980.