Свойства и функции белков. Свойства денатурированных белков, виды денатурации При денатурации белков не происходит изменение

Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые, так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. 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. Белки обладают большим сродством к воде, то есть они гидрофильны. Разная растворимость в воде. Растворимые белки образуют коллоидные растворы. Гидролиз - под действием растворов минеральных кислот или ферментов происходит разрушение первичной структуры белка и образование смеси аминокислот.

Денатурация – утрата белковой молекулы структурной организации (вторичного, третичного, четвертичного). Может быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением, изменением рН среды и др. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая денатурация не затрагивает первичную структуру. При необратимой денатурации разрушается первичная структура. Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка - ренатурация.

Функции белков в клетке.

Одна из важнейших функций белков в клетке - строительная : белки участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах клетки, а также внеклеточных структур. Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Все биологические катализаторы - ферменты - вещества белковой природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т.е. он узкоспецифичен. Высокая специфичность ферментативных реакций обусловлена тем, что пространственная конфигурация активного центра фермента, т.е. участка белка, который связывает какую-либо молекулу, точно соответствует конфигурации этой молекулы. Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных. Транспортная функция белков заключается в присоединения химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела. При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах - лейкоцитах - образуются особые белки - антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков. Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е, выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Ферменты. Основные свойства ферментативных процессов.

Ферменты, или энзимы - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов.Все реакции с участием ферментов протекают, в основном, в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Однако максимальная активность каждого отдельного фермента проявляется при строго определенных значениях pH. Для действия большинства ферментов теплокровных животных наиболее благоприятной температурой является 37-40С. У растений при температуре ниже 0С. Действие ферментов полностью не прекращается, хотя жизнедеятельность растений при этом резко снижается. Ферментативные процессы, как правило, не могут протекать при температуре выше 70С, так как ферменты, как и всякие белки подвержены тепловой денатурации (разрушению структуры).

Строение ферментов.

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:

1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата (Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е)) и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

В свою очередь в активном центре выделяют два участка:

якорный (контактный, связывающий, адсорбционный центр) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,

каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество. Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.

Денатурация белка - это процесс, который связан с нарушением вторичной, третичной, четвертичной структур молекулы под воздействием разных факторов.

Особенности процесса

Он сопровождается разворачиванием полипептидной связи, которая в растворе изначально представлена в виде беспорядочного клубка.

Процесс денатурации белка сопровождается утрачиванием гидратной оболочки, выпадением белка в осадок, утрачиванием им нативных свойств.

Среди основных факторов, которые провоцируют процесс денатурации, выделим физические параметры: давление, температуру, механическое действие, ионизирующее и ультразвуковое излучение.

Денатурация белка происходит под воздействием органических растворителей, минеральных кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, алкалоидов.

Виды

В биологии выделяют два варианта денатурации:

• Обратимая денатурация белка (ренатурация) предполагает процесс, в котором денатурированный белок после устранения всех денатурирующих веществ восстанавливается в исходную структуру. В этом случае в полном объеме возвращается биологическая активность.
• Необратимая денатурация предполагает полное разрушение молекулы, даже после удаления из раствора денатурирующих реагентов физиологичная активность не возвращается.

Особенности денатурированных белков

После того как произошла денатурация белка, он получает определенные свойства:

1. В сравнении с нативной белковой молекулой увеличивается количество функциональных либо реактивных групп в молекуле.
2. Уменьшается растворимость и процесс осаждения белков, чему способствует потеря водной оболочки. Происходит разворачивание структуры, появляются гидрофобные радикалы, наблюдается нейтрализация зарядов полярных фрагментов.
3. Меняется конфигурация белковой молекулы.
4. Утрачивается биологическая активность, причиной этого будет нарушение нативной структуры.

Последствия

После денатурации происходит переход нативной компактной структуры в рыхлую развернутую форму, упрощается проникновение к пептидным связям ферментов, необходимых для разрушения.

Конформация белковых молекул определяется возникновением достаточного количества связей между разными участками определенной полипептидной цепочки.

Белки, состоящие из достаточного количества атомов, которые находятся в непрерывном хаотичном движении, способствует определенным перемещениям частей полипептидной цепи, что вызывает нарушение общей структуры белков, снижение его физиологических функций.

Белки имеют конформационную лабильность, то есть предрасположенность к незначительным изменениям конформации, происходящим в результате обрыва одних и образования других связей.

Денатурация белка приводит к изменениям его химических свойств, способности вступать во взаимодействие с другими веществами. Наблюдается изменение пространственной структуры и участка, непосредственно контактирующего с иной молекулой, и всей конформацией в целом. Наблюдаемые конформационные изменения имеют значение для функционирования белков в живой клетке.

Механизм разрушения

Процесс денатурации белка предполагает разрушение химических (водородных, дисульфидных, электростатических) связей, стабилизирующих высшие уровни организации молекулы белка. В результате этого меняется пространственная структура белка. Во многих ситуациях не наблюдается разрушения его первичной структуры. Это дает возможность после раскручивания полипептидной цепи стихийно скручиваться протеину, создавая «случайный клубок». В подобной ситуации наблюдается переход к беспорядочному состоянию, имеющему существенные отличия от нативной конформации.

Заключение

Температура денатурации белков превышает 56 градусов Цельсия. Типичными признаками прохождения необратимой денатурации белковых молекул считаются снижение растворимости и гидрофильности молекул, повышение оптической активности, понижение стойкости белковых растворов, увеличение вязкости.

Денатурация вызывает агрегацию частиц, они могут выпадать в осадок. Если на белок действует денатурирующий агент на протяжении незначительного временного промежутка, высока вероятность восстановления нативной белковой структуры. Данные процессы широко используют при переработке продуктов питания, консервировании, изготовлении обуви, одежды, во время сушки фруктов и овощей. Денатурацию используют в ветеринарии, медицине, клинике, фармации, при проведении биохимических исследований, связанных с осаждением в биологическом материале протеина. Далее проводится идентификация в исследуемом растворе небелковых и низкомолекулярных инстанций, в результате чего можно установить количественное содержание веществ. В настоящее время ищут способы защиты белковых молекул от разрушения.

Конформация (структура) пептидной цепи упорядочена и уникальна для каждого белка. В особых условиях происходит разрыв большого количества связей, которые стабилизировали пространственную структуру молекулы соединения. В результате разрыва полностью вся молекула (или значительная ее часть) принимает форму беспорядочного клубка. Данный процесс называют "денатурация". Это изменение можно спровоцировать нагреванием от шестидесяти до восьмидесяти градусов. Таким образом, каждая молекула, полученная в результате разрыва, может отличаться по конформации от прочих.

Денатурация белков происходит и под воздействием каких-либо агентов, способных разрушить нековалентные связи. Этот процесс может случиться в щелочных или кислых условиях, на поверхности фазового раздела, под воздействием некоторых (фенолов, спиртов и прочих). Денатурация белка может происходить и под влиянием гуанидин-хлорида или мочевины. Указанные агенты формируют слабые связи (гидрофобные, ионные, водородные) с карбонильными или аминогруппами пептидного остова и с рядом групп аминокислотных радикалов, подменяя имеющиеся в белке собственные внутри молекул. В результате происходит изменение во вторичной и третичной структуре.

Устойчивость к воздействию денатурирующих агентов зависит преимущественно от присутствия в молекуле белкового соединения дисульфидных связей. Ингибитор трипсина имеет три связи S — S. При условии их восстановления денатурация белка происходит без прочих воздействий. Если же впоследствии поместить соединение в условия, где осуществляется окисление SH-групп цистеина и формирование дисульфидных связей, то первоначальная конформация восстановится. При этом наличие даже одной дисульфидной связи существенно увеличивает стабильность в пространственной структуре.

Денатурация белка, как правило, сопровождается понижением его растворимости. Вместе с этим часто формируется осадок. Возникает он в форме "свернувшегося белка". При высокой концентрации соединений в растворе, "свертывание" претерпевает весь раствор, как, например, это случается при варке куриных яиц. При денатурации белок теряет свою биологическую активность. На этом принципе основывается использование (водного фенольного раствора) в качестве антисептического вещества.

Неустойчивость пространственной структуры, высокая вероятность разрушения под воздействием разнообразных агентов значительно затрудняют выделение и исследование белка. Создаются также определенные проблемы при использовании соединений в промышленности и медицине.

Если денатурация белка проводилась путем воздействия высоких температур, то при медленном охлаждении в определенных условиях происходит процесс ренативации - восстановления нативной (исходной) конформации. Этот факт доказывает, что укладка пептидной цепи происходит в соответствии с первичной структурой.

Формирование нативной конформации (исходного расположения) является процессом самопроизвольным. Другими словами, это расположение отвечает минимальному количеству свободной энергии, заключенному в молекуле. Можно в результате сделать вывод, что пространственная структура соединения закодирована в аминокислотной последовательности в пептидных цепях. Это, в свою очередь, означает, что все полипептиды, похожие по чередованию аминокислот (к примеру, миоглобиновые пептидные цепи), будут принимать идентичную конформацию.

Белки могут иметь существенные различия в первичной структуре, даже если практически или абсолютно одинаковы по конформации.

Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией (рис. 260). Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Причем первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.

Рис. 260. Денатурация и ренатурация белка:

1 - молекула белка третичной структуры; 2 - денатурированный белок; 3 - восстановление третичной структуры в процессе ренатурации.

Денатурация может быть:

Обратимой , если возможно восстановление свойственной белку структуры. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны.

Необратимой , если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно. Обычно это происходит при разрыве большого количества связей, например, при варке яиц.

Если белок подвергся обратимой денатурации, то при восстановлении нормальных условий среды он способен полностью восстановить свою структуру и, соответственно, свои свойства и функции. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией.

Функции белков

Строительная (структурная) функция

Транспортная функция

Регуляторная функция

Защитная функция

Двигательная функция

Сигнальная функция

Запасающая функция

Энергетическая функция

Каталитическая функция

Общая характеристика ферментов

Как отмечалось ранее, большинство химических реакций в организме протекает с участием катализаторов - ферментов. Ферменты 7 - специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биологических катализаторов.

Сходство ферментов и неорганических катализаторов заключается в том, что они:

снижают энергию активации 8 ;

не изменяют направления реакции, а лишь изменяют скорость ее протекания;

в катализируемой реакции всегда затрачивается меньше энергии, чем в некатализируемой.

Но, поскольку ферменты являются белками, это придает им особые свойства:

если неорганический катализатор может использоваться в разных типах реакций, то ферменты катализируют только одну реакцию или один вид реакции;

большинство неорганических катализаторов ускоряют химические реакции при очень высоких температурах, имеют максимальную эффективность в сильнокислой или сильнощелочной среде, при высоких давлениях, а большинство ферментов активны при температурах 35-45˚С, физиологических значениях кислотности раствора и при нормальном атмосферном давлении;

скорость ферментативных реакций в десятки тысяч (а иногда и в миллионы раз) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Например, пероксид водорода без катализаторов разлагается медленно: 2Н 2 0 2 →2Н 2 0 + 0 2 . В присутствии солей железа (катализатора) эта реакция идет несколько быстрее. Ферменткаталаза за1сек. расщепляет 100 тыс. молекул Н 2 0 2 .

Известно более 2000 различных ферментов, представленных белками с высокой молекулярной массой, например каталаза (М=252000).

Денатурация белков. Под влиянием физических (температура, ультразвук, ионизирующая радиация и т.п.), химических (минеральные и органические кислоты, щелочи, органические растворители, тяжелые металлы,

алкалоиды, детергенты, некоторые амиды, например, мочевина и др.). Факторов происходят глубокие изменения в молекуле белка, связанные с нарушением четвертичной, третичной и вторичной структур, что приводит в свою очередь изменение физико-химических и биологических свойств белка, т.е. денатурацию. При денатурации белка имеет место разрыв цементирующих белковую молекулу вторичных связей (водородных, дисульфидных, электростатических, ван-дер-ваальсовых и др..). Это приводит к изменению пространственной структуры; глобула белка раскручивается, на ее поверхности увеличивается количество гидрофобных групп, то есть уменьшаются гидрофильные свойства белка. Он становится более гидрофобным, теряет способность растворяться в обычных для него растворителях и избавляется от своих биологических функций (ферментов, гормонов и др.). После денатурации изменяется большинство физико-химических свойств белка: уменьшается растворимость, увеличивается количество БН-и других групп, усиливается вязкость, появляется больше хиральных атомов углерода, изменяются оптические свойства и константа седиментации. В структуре белка существенно уменьшается количество а-спиралей и ß-структур, уменьшается количество внутримолекулярных водородных связей и увеличивается количество этих связей между белком и водой. При денатурации белка высвобождаются реактивные группы, которые в его нативной-м состоянии были не совсем доступны (сульфгидрильные, фенольные, гидроксильные, имидазольным и др.)., Что вызывает изменение ИЭТ белков. Чаще всего она смещается в сторону щелочных значений рН. Денатурация белков сопровождается ростом оптической активности. Преобразование компактной молекулы в беспорядочный клубок, которое имеет место при денатурации, приводит к тому, что большинство пептидных связей становятся доступными для действия протеолитических ферментов (трипсина, химотрипсина и др.).. В связи с этим протеолиз таких белков происходит с большей скоростью, чем нативных белков.

При денатурации в большинстве случаев первичная структура не нарушается, поэтому после раскрутки полипептидной цепи (стадия нити) он может снова стихийно скручиваться, образуя «случайный клубок», т.е. переходит к хаотическому состоянию (рис. 18). При этом наблюдается агрегация белковых частиц и выпадение их в осадок.

Полная денатурация белка в большинстве случаев необратима, в отличие от оборотной, при которой изменения в молекуле белка незначительные, и белок при определенных условиях снова приобретает свои нативных свойств (процесс ренатурации). Например, такое происходит во время осаждения белков органическими растворителями - спиртом или ацетоном, если проводить его при низкой температуре, а затем быстро удалить осадитель. Процесс денатурации белков широко используется в клинике, фармации и биохимических исследованиях для осаждения белка в биологическом материале с целью дальнейшего определения в нем небелковые-вых и низкомолекулярных соединений, для установления наличия белка и его количественного определения, для обеззараживания кожи и слизистых покровов, для свя Связывание солей тяжелых металлов при лечении отравлений солями ртути, свинца, меди и т.п. или для профилактики таких отравлений на предприятии.

Процесс денатурации белков имеет место во время приема фармпрепаратов танина и Танальбин, на чем основывается их вяжущее и противовоспалительное действие. Вяжущее действие танина обусловлено его способностью осаждать белки с образованием плотных альбуминаты, которые защищают от раздражения чувствительные нервные окончания тканей. При этом уменьшаются болевые ощущения и происходит непосредственное уплотнение клеточных мембран, уменьшает проявление воспалительной реакции. Препарат танальбин-продукт взаимодействия танина с белком казеином - в отличие от танина не оказывает вяжущего действия на слизистую оболочку рта и желудка. Только после поступления в кишечник он расщепляется, выделяя свободный танин. Применяется как вяжущее средство при острых и хронических заболеваниях кишечника, особенно у детей.