План:
1. Введение.
2. Исследование белков.
3. Классификация белков.
4. Состав и строение
. пептидная связь
. элементарный состав
. молекулярная масса
. аминокислоты
. строение
а) первичная структура
б) вторичная структура
в) третичная структура
. пространственная структура
г) четвертичная структура
. денатурация
5. Химические и физические свойства.
6. Химический синтез белков.
7. Значение белков.
8. Вывод.
Список использованной литературы.
Введение
Белки - высокомолекулярные азотистые органические вещества,
построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и
жизнедеятельности организмов. Белки – основная и необходимая составная
часть всех организмов. Именно Белки осуществляют обмен веществ и
энергетические превращения, неразрывно связанные с активными биологическими
функциями. Сухое вещество большинства органов и тканей человека и животных
, а также большая часть микроорганизмов состоят главным образом из белков
(40-50%), причем растительному миру свойственно отклонение от этой средней
величины в сторону понижения, а животному – повышения. Микроорганизмы
обычно богаче белком (некоторые же вирусы являются почти чистыми белками).
Таким образом, в среднем можно принять, что 10% биомассы на Земле
представлено белком, то есть его количество измеряется величиной порядка
1012 - 1013 тонн. Белковые вещества лежат в основе важнейших процессов
жизнедеятельности. Так , например , процессы обмена веществ (
пищеварение, дыхание, выделение, и другие) обеспечиваются деятельностью
ферментов , являющихся по своей природе белками. К белкам относятся и
сократительные структуры, лежащие в основе движения, например
сократительный белок мышц ( актомиозин), опорные ткани организма (коллаген
костей, хрящей, сухожилий) , покровы организма ( кожа, волосы, ногти и
т.п.) , состоящие главным образом из коллагенов, эластинов, кератинов, а
также токсины, антигены и антитела, многие гормоны и другие биологически
важные вещества.
Роль белков в живом
организме подчеркивается уже самим их названием «протеины» ( в переводе с
греческого protos – первый, первичный) , предложенным в 1840 голландским
химиком Г. Мульдером, который обнаружил , что в тканях животных и
растений содержатся вещества, напоминающие по своим свойствам яичный белок.
Постепенно было установлено, что белки представляют собой обширный класс
разнообразных веществ, построенных по одинаковому плану. Отмечая
первостепенное значение белков для процессов жизнедеятельности, Энгельс
определил, что жизнь есть способ существования белковых тел, заключающийся
в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.
В природе существует примерно 1010-1012 различных белков,
обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степеней сложности от
вирусов до человека, они обеспечивают жизнь более 2 млн. видам организмов.
Белками являются ферменты, антитела, многие гормоны и другие биологические
активные вещества. Необходимость постоянного обновления белков лежит в
основе обмена веществ. Именно поэтому белки и явились тем исключительным
материалом , который послужил основой возникновения жизни на Земле. Ни одно
вещество из всех веществ биологического происхождения не имеет столь
большого значения и не обладает столь многогранными функциями в жизни
организма как белки.
Ф. Энгельс писал: „Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она
связана с каким-либо белковым телом и повсюду, где мы встречаем какое-либо
белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без
исключения встречаем и явления жизни“.
Исследование белков
Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных
времен использовался человеком как составная часть пищи. Согласно описаниям
Плиния Старшего, уже в Древнем Риме яичный белок применялся и как лечебное
средство. Однако подлинная история белковых веществ начинается тогда, когда
появляются первые сведения о свойствах белков как химических соединений
(свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и
т. п.). Среди белков животного происхождения, вслед за яичным белком, были
охарактеризованы белки крови. Образование сгустков крови при ее свертывании
описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем; позднее на этот
факт обратил внимание и Р. Бойль. Среди растительных белков пальма
первенства принадлежит нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки,
которую впервые получил Я. Беккари. В своих работах, он отметил сходство
клейковины с веществами животной природы.
Впервые термин белковый (albumineise) применительно ко всем жидкостям
животного организма использовал французский физиолог Ф. Кене в 1747 г., и
именно в таком толковании термин вошел в 1751 г. в «Энциклопедию» Д. Дидро
и Ж. Д'Аламбера.
С этого периода исследования, связанные с получением белков, приобретают
систематический характер. В 1759 г. А. Кессель-Майер, а несколько позднее
И. Руэль описали выделение клейковины из различных растений и
охарактеризовали ее свойства. В 1762 г. А. Халлер исследовал процесс
образования и свертывания казеина, а в 1777 г. А. Тувенель, работавший
тогда в Петербурге, называет творог белковой частью молока . Важнейший этап
в изучении белков связан с работами французского химика А. Фуркруа, который
рассматривал белки как индивидуальные вещества и доказал единую природу
белковых веществ, выделенных из растительных и животных источников. Для
трех главных белковых компонентов крови он предложил названия альбумин,
желатин и фибрин. В 1780 г. Ф. Вассерберг относит к телам белковой природы
хрусталик глаза.
К началу XIX столетия появляются первые работы по химическому изучению
белков. Уже в 1803 г. Дж. Дальтон дает первые формулы белков - альбумина и
желатина - как веществ, содержащих азот. В 1810 г. Ж. Гей-Люссак проводит
химические анализы белков - фибрина крови, казеина и отмечает сходство их
элементного состава. Решающее значение для понимания химической природы
белков имело выделение при их гидролизе аминокислот. Вероятно, первым это
сделал А. Браконно в 1820 г., когда, действуя на белки серной кислотой, при
кипячении он получил «клеевой сахар», или глицин, при гидролизе фибрина из
мяса - лейцин и при разложении шерсти - также лейцин и смесь других
продуктов гидролиза. Первой открытой аминокислотой был, видимо, аспарагин,
выделенный Л. Вокленом из сока спаржи Asparagus (1806). В это же время Ж.
Пруст получил лейцин при разложении сыра и творога. Затем из продуктов
гидролиза белка были выделены многие другие аминокислоты.
Первая концепция строения белков принадлежит голландскому химику Г.
Мульдеру (1836). Основываясь на теории радикалов, он сформулировал понятие
о минимальной структурной единице, входящей в состав всех белков. Эту
единицу, которой приписывался состав 2C8H12N2 + 50, Мульдер назвал
протеином (Рг), а свою концепцию - теорией протеина.Позднее состав протеина
был уточнен – C40H62N10O12; дополнительно к протеинным единицам некоторые
белки содержали серу и фосфор. Формула белков, предложенная Мульдером в
1838 г., выглядела так:
белок сыворотки крови 10Pr S2P
белок куриных яиц 10Pr SP
фибрин 10Pr SP
казеин 10Pr S
клейковина растений 10Pr S2
кристаллин (из хрусталика глаза) 15Рг
Работы Г. Мульдера способствовали широкому распространению взглядов о
единстве всех белков, их фундаментальном значении в мире живой природы.
В ходе проверки «теории протеина» были резко расширены химические
исследования белков, и в этом приняли участие выдающиеся химики того
времени Ю. Либих и Ж. Дюма. Ю. Либих, поддерживавший в принципе идею
протеиновой единицы, уточнил формулу протеина C48H72N12O14, Ж. Дюма
предложил свой вариант C48H74 N 12О15 -, однако Г. Мульдер отстаивал
правильность составленной им формулы. Его поддерживал И. Берцелиус,
изложивший теорию протеина в качестве единственной теории строения белка в
знаменитом учебнике химии (1840), что означало полное признание и торжество
концепции Г. Мульдера.
Однако вскоре наступают трудные времена для теории протеина. В 1846 г. Н.
Э. Лясковский, работавший в лаборатории Ю. Либиха, доказал неточность
многих приведенных Г. Мульдером анализов. Свои сомнения в правильности
теории публично высказал Ю. Либих, он планировал начать широкие
исследования структуры белков и даже изучил продукты распада белковых
веществ. Понимая весомость аргументов оппонентов, Г. Мульдер пытался
корректировать формулу протеина (C36H50N8O10), но в конце концов уступил
под натиском новых фактов и открытий. Теория протеина стала достоянием
истории, однако ее значение непреходяще, ибо она стимулировала химические
исследования белков, сделала белки одним из главных объектов бурно
развивающейся химии природных веществ.
Открытие аминокислот в составе белков
|Аминокислота |Год |Источник |Кто впервые |
| | | |выделил |
|Глицин |1820|Желатина |А. Браконно |
|Лейцин |1820|Мышечные |А, Браконно |
| | |волокна | |
| |1839|Фибрин шерсти |Г. Мульдер |
|Тирозин |1848|Казеин |Ф. Бопп |
|Серии |1865|Шелк |Э. Крамер |
|Глутаминовая |1866|Растительные |Г. Риттхаузен |
|кислота | |белки | |
|Аспарагиновая |1868|Конглутин, |Г. Риттхаузен |
|кислота | |легумин (ростки| |
| | |спаржи) | |
|Фенилаланин |1881|Ростки люпина |Э. Шульце, И, |
| | | |Барбьери |
|Аланин |1888|Фиброин шелка |Т. Вейль |
|Лизин |1859|Казеин |Э. Дрексель |
|Аргинин |1895|Вещество рога |С. Гедин |
|Гистидин |1896|Стурин,гистоны |А. Кессель |
|Цистин |1899|Вещество рога |К. Мёрнер |
|Валин |1901|Казеин |Э. Фишер |
|Пролин |1901|Казеин |Э. Фишер |
|Гидроксипролин |1902|Желатина |Э. Фишер |
|Триптофан |1902|Казеин |Ф.Гопкинс, Д, Кол|
|Изолейцин |1904|Фибрин |Ф.Эрлих |
|Метионин |1922|Казеин |Д. Мёллер |
|Треонин |1925|Белки овса |С. Шрайвер и др. |
|Гидроксилизин |1925|Белки рыб |С. Шрайвер и др. |
Для формирования современных представлений о структуре белка существенное
значение имели работы по расщеплению белковых веществ протеолитическими
ферментами. Одним из первых их использует Г. Мейснер. В 1850 г. К. Леман
предлагает называть пептонами продукты разложения белков пепсином. Изучая
этот процесс, Ф. Хоппе-Зайлер и Ш. Вюрц в 70-х годах прошлого столетия
пришли к важному выводу, что пептоны образуются в результате гидролиза
белков ферментом. Они были весьма близки к правильному толкованию таких
экспериментов с позиций структурной химии, но, к сожалению, последнего шага
на пути к теории строения белка сделать не сумели. Очень близок к истине
был и А. Я. Данилевский, который в своей работе "Исследование состава,
физического и химического строения продуктов распадения белковых веществ и
генетических отношений между различными их видами" справедливо утверждал,
что белки построены из аминокислот и имеют полимерную природу.
Дальнейшие структурные исследования белка, а также основополагающие работы
Т. Курциуса по синтезу пептидов привели в конце концов к формулированию
пептидной гипотезы, согласно которой белки построены из аминокислот,
соединенных пептидными связями -СО-NH-. В 1902 Э. Фишер создал метод
анализа и разделения аминокислот, основанный на переводе их в сложные
эфиры, которые можно было подвергать фракционной перегонке, не опасаясь
разложения. С помощью этого метода провел качественное и количественное
определение продуктов расщепления белков и открыл аминокислоты валин,
пролин и гидроксипролин. Позднее из аминокислот он получил продукты их
конденсации, названные полипептидами. Последовательно синтезировал ди-, три-
и т.д. пептиды, всего около 125. Один из них, состоящий из 18 аминокислот,
долгое время оставался наиболее сложным из всех синтезированных
органических соединений с известной структурой. Фишер установил механизм
соединения аминокислот в линейные цепочки через образование пептидной связи
(и ввел этот термин), разработал методы синтеза D- и L-аминокислот.
Пептидная теория получила полное подтверждение в
дальнейших исследованиях. Изучение строения белков было поставлено на
прочную научную основу.
В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А.E. Мирски сформулировал теорию
строения и функции белка. В 1936 г. он положил начало изучению атомной и
молекулярной структуры белков и аминокислот (мономеров, из которых состоят
белки) с применением рентгеновской кристаллографии.В 1942 г. Полингу и его
коллегам, получив первые искусственные антитела, удалось изменить
химическую структуру некоторых содержащихся в крови белков, известных как
глобулины.В 1951 г. П. и Р.Б. Кори опубликовали первое законченное описание
молекулярной структуры белков. Это был результат исследований, длившихся
долгих 14 лет. Применяя методы рентгеновской кристаллографии для анализа
белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях,
они обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой
таким образом, что образуют спираль. Это описание трехмерной структуры
белков ознаменовало крупный прогресс в биохимии.
Классификация белков.
Из-за относительно больших размеров белковых молекул , сложности их
строения и отсутствия достаточно точных данных о структуре большинства
белков еще нет рациональной химической классификации белков. Существующая
классификация в значительной мере условна и построена главным образом на
основании физико-химических свойств белков, источников их получения ,
биологической активности и других, нередко случайных, признаков. Так, по
физико-химическим свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные , на
гидрофильные(растворимые) и гидрофобные (нерастворимые) и т.п. По источнику
получения белки подразделяют на животные, растительные и бактериальные; на
белки мышечные, нервной ткани, кровяной сыворотки и т.п.; по биологической
активности – на белки-ферменты, белки-гормоны, структурные белки,
сократительные белки, антитела и т.д. Следует, однако, иметь в виду, что из-
за несовершенства самой классификации, а также вследствие исключительного
многообразия белков многие из отдельных белков не могут быть отнесены ни к
одной из описываемых здесь групп.
Все белки принято делить на простые белки ,или протеины, и сложные
белки , или протеиды (комплексы белков с небелковыми соединениями).Простые
белки являются полимерами только аминокислот; сложные, помимо остатков
аминокислот, содержат также небелковые, так называемые простетические
группы.
Протеины представляют собой простые белки, состоящие только из остатков
аминокислот. Они широко распространены в животном и растительном мире.
Гистоны
Имеют сравнительно низкую молекулярную массу (12-13 тыс.), с
преобладанием щелочных свойств. Локализованы в основном в ядрах клеток.
Растворимы в слабых кислотах, осаждаются аммиаком и спиртом. Имеют только
третичную структуру. В естественных условиях прочно связаны с ДНК и входят
в состав нуклеопротеидов. Основная функция — регуляция передачи
генетической информации с ДНК и РНК (возможна блокировка передачи).
Протамины
Самая низкая молекулярная масса (до 12 тыс.). Проявляет выраженные
основные свойства. Хорошо растворимы в воде и слабых кислотах. Содержатся
в половых клетках и составляют основную массу белка хроматина. Как и
гистоны образуют комплекс с ДНК, функция - придают ДНК химическую
устойчивость.
Глютелины
Растительные белки, содержащиеся в клейковине семян злаковых и
некоторых других, в зеленых частях растений. Нерастворимые в воде,
растворах солей и этанола, но хорошо растворимы в слабых растворах щелочей.
Содержат все незаменимые аминокислоты, являются полноценными продуктами
питания.
Проламины
Растительные белки. Содержатся в клейковине злаковых растений.
Растворимы только в 70%-м спирте (это объясняется высоким содержанием
пролина и неполярных аминокислот).
Протеиноиды
Белки опорных тканей (кость, хрящ, связки, сухожилия, ногти, волосы).
Нерастворимые или трудно растворимые в воде, солевых и водно-спиртовых
смесях белки с высоким содержанием серы. К протеиноидам относятся кератин,
коллаген, фиброин.
Альбумины
Невысокой молекулярной массой (15-17 тыс.). Характерны кислые
свойства. Растворимы в воде, и слабых солевых растворах. Осаждаются
нейтральными солями при 100%-м насыщении. Участвуют в поддержании
осмотического давления крови, транспортируют с кровью различные вещества.
Содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке.
Глобулины
Молекулярная масса до 100 тыс.. В воде нерастворимы, но растворимы в
слабых солевых растворах и осаждаются в менее концентрированных растворах
(уже при 50%-м насыщении). Содержатся в семенах растений, особенно в
бобовых и масленичных; в плазме крови и в некоторых других биологических
жидкостях. Выполняющие функцию иммунной защиты, обеспечивают устойчивость
организма к вирусным инфекционным заболеваниям.
Сложные белки делят на ряд классов в зависимости от характера
простетической группы.
Фосфопротеины
Имеют в качестве небелкового компонента фосфорную кислоту.
Представителями данных белков являются казеиноген молока, вителлин (белок
желтков яиц). Такая локализация фосфопротеидов свидетельствует о важном их
значении для развивающегося организма. У взрослых форм эти белки
присутствуют в костной и нервной тканях.
Липопротеины
Сложные белки, простетическая группа которых образована липидами. По
строению это небольшого размера (150-200 нм) сферические частицы, наружная
оболочка которых образована белками (что позволяет им передвигаться по
крови), а внутренняя часть — липидами и их производными. Основная функция
липопротеинов — транспорт по крови липидов. В зависимости от количества
белка и липидов, липопротеиды подразделяются на хиломикроны, липопротеиды
низкой плотности (ЛПНП) и высокой плотности (ЛПВП), которые иногда
обозначаются как (- и (-липопротеиды.
Металлопротеины
Содержат катионы одного или нескольких металлов. Наиболее часто это —
железо, медь, цинк, молибден, реже марганец, никель. Белковый компонент
связан с металлом координационной связью.
Гликопротеины
Простетическая группа представлена углеводами и их производными.
Исходя из химического строения углеводного компонента, выделяют 2 группы:
Истинные — в качестве углеводного компонента наиболее часто встречаются
моносахариды. Протеогликаны — построены из очень большого числа
повторяющихся единиц, имеющих дисахаридный характер (гиалуроновая кислота,
гипарин, хондроитин, каротинсульфаты).
Функции: структурно-механическую (имеются в коже, хряще, сухожилиях);
каталитическую (ферменты); защитную; участие в регуляции клеточного
деления.
Хромопротеины
Выполняют ряд функций: участие в процессе фотосинтеза и окислительно-
восстановительных реакциях, транспорт С и СО2. Являются сложными белками,
простетическая группа которых представлена окрашенными соединениями.
Нуклеопротеины
Роль протеистической группы выполняет ДНК или РНК. Белковая часть
представлена в основном гистонами и протаминами. Такие комплексы ДНК с
протаминами обнаружены в сперматозоидах, а с гистонами — в соматических
клетках, где молекула ДНК “намотана” вокруг молекул белка-гистона.
Нуклепротеинами по своей природе являются вне клетки вирусы — это комплексы
вирусной нуклеиновой кислоты и белковой оболочки — капсида.
Состав и строение
Пептидная связь
Белки представляют собой нерегулярные полимеры, построенные из
остатков (-аминокислот, общую формулу которых в водном растворе при
значениях pH близких к нейтральным можно записать как NH3+CHRCOO– . Остатки
аминокислот в белках соединены амидной связью между (-амино- и (-
карбоксильными группами. Связь между двумя (-аминокислотными остатками
обычно называется пептидной связью, а полимеры, построенные из остатков (-
аминокислот, соединенных пептидными связями, называют полипептидами. Белок
как биологически значимая структура может представлять собой как один
полипептид, так и несколько полипептидов, образующих в результате
нековалентных взаимодействий единый комплекс.
Все входящие в пептидную связь атомы располагаются в одной плоскости
(планарная конфигурация).
Расстояние между атомами С и N (в -СО-NH-связи) равно 0,1325 нм, то
есть меньше нормального расстояния между (-углеродным атомом и атомом N той
же цепи, выражаемого величиной 0,146 нм. Вместе с тем оно превышает
расстояние между атомами С и N, соединенными двойной связью (0,127 нм).
Таким образом, связь С и N в -СО-NH -группировке может рассматриваться как
промежуточная между простой и двойной вследствие сопряжения ?-электронов
карбонильной группы со свободными электронами атома азота. Это определенным
образом сказывается на свойствах полипептидов и белков: по месту пептидных
связей легко осуществляется таутомерная перегруппировка, приводящая к
образованию енольной формы пептидной связи, отличающейся повышенной
реакционной способностью.
Элементный состав белков
Белки содержат в среднем около 1 6% азота, 50-55% углерода , 21-
23% кислорода , 15-17% азота , 6-7% водорода , 0,3-2,5% серы . В составе
отдельных белков обнаружены также фосфор, йод, железо, медь и некоторые
другие макро- и микроэлементы, в различных, часто очень малых количествах.
Содержание основных химических элементов в белках может различаться,
за исключением азота, концентрация которого характеризуется наибольшим
постоянством.
Для изучения аминокислотного состава белков используется главным
образом метод гидролиза, то есть нагревание белка с 6-10 моль/ литр
соляной кислотой при температуре 100-110 0С. получают смесь (-аминокислот,
из которых можно выделить индивидуальные аминокислоты. Для количественного
анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную и бумажную
хроматографию. Сконструированы специальные автоматические анализаторы
аминокислот.
Разработаны также ферментативные методы ступенчатого расщепления
белка. Некоторые ферменты расщепляют макромолекулу белка специфически –
только в местах нахождения определенной аминокислоты. Так получают продукты
ступенчатого расщепления - пептоны и пептиды, последующим анализом
которых устанавливают их аминокислотный остаток.
В результате гидролиза различных белков выделено не более 30 (-
аминокислот. Двадцать из них встречаются чаще других.
При образовании молекулы белка или полипептида (-аминокислоты могут
соединяться в различной последовательности . Возможно огромное число
различных комбинаций, например из 20 (-аминокислот можно образовать больше
1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически
неограничено.
Последовательность соединения аминокислот в том или ином белке
устанавливают путем ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным
анализом.
Для идентификации белков и полипептидов используют специфические
реакции на белки. Например :
а) ксантопротеиновая реакция ( появление желтого окрашивания при
взаимодействии с концентрированной азотной кислотой, которое в присутствии
аммиака становиться оранжевым ; реакция связана с нитрованием остатков
фенилаланина и тирозина);
б) биуретовая реакция на пептидные связи – действие разбавленного
сульфата меди (II) на слабощелочной раствор белка сопровождающийся
появлением фиолетово-синей окраски раствора ,что обусловлено
комплексообразованием между медью и полипептидами.
в) реакция Миллона (образование желто-коричневого окрашивания при
взаимодействии с Hg(NO3)2 + HNO3 + HNO2;
Молекулярная масса
Белки являются высокомолекулярными соединениями. Это полимеры,
состоящие из сотен и тысяч аминокислотных остатков — мономеров.
Соответственно и молекулярная масса белков находится в пределах 10000-
1000000. Так, в составе рибонуклеазы (фермента, расщепляющего РНК)
содержится 124 аминокислотных остатка и ее молекулярная масса составляет
примерно 14000. Миоглобин (белок мышц), состоящий из 153 аминокислотных
остатков, имеет молекулярную массу 17000, а гемоглобин – 64500 (574
аминокислотных остатка). Молекулярные массы других белков более высокие: (-
глобулин (образует антитела) состоит из 1250 аминокислот и имеет
молекулярную массу около 150000, а молекулярная масса белка вируса гриппа –
320 000 000.
Аминокислоты
В настоящее время в различных объектах живой природы обнаружено до 200
различных аминокислот. В организме человека их, например, около 60. Однако
в состав белков входят только 20 аминокислот, называемых иногда природными.
Аминокислоты — органические кислоты, у которых атом водорода (-
углеродного атома замещен на аминогруппу –NH2. Следовательно, по химической
природе это (-аминокислоты с общей формулой:
COOH
|
