Білки

Білки ( Мr = 6000 --- 1000000) --- високомолекулярні азотовмісні органічні сполуки які характеризуються строго визначеним елементним складом , при кислотному гідролізі розпадаються до амінокислот.

На їх долю припадає близько 50 % ( по вазі ) сухих речовин організму. Як самі, так і сполучаючись з іншими органічними речовинами утворюють сполуки , які відіграють фундаментальну роль у формуванні та підтриманні структури і функцій живих організмів. Серед найважливіших функцій білкових молекул можна виділити слідуючі :
каталітична – полягає у прискоренні чи сповільненні б/х процесів. Забезпечується біологічно-активними білками – ферментами;
транспортна – полягає у перенесенні речовин як у міжклітинній рідині так і у внутрішньоклітинному просторі ( сироваточні альбуміни, - ліпопротеїди, ге-моглобін ) ;
структурна – забезпечується коллагеном , кератином , глікопротеїнами, еластином, білками актин-міозинової скорочувальної системи – складають осно-ву тканин та клітинних мембран;
скорочувальна – білки актин-міозинової скорочувальної системи забезпечують рух організму в просторі, скоротливу роботу серця та інших внутрішніх органів;
захисна – полягає у зв‘язуванні та нейтралізації токсинів імуноглобулінами;
регулююча – забезпечується біологічно-активними білковими речовинами (гор-монами, які регулюють обмін речовин;
енергетична – полягає у забезпеченні організму енергією. Забезпечується резервними білками ( білки яйця, молока);
токсична – забезпечується білками та речовинами білкової природи що входять до складу бактеріальних токсинів, рослинних і тваринних отрут. Полягає у пору-шенні нормального перебігу біохімічних процесів.

Незважаючи на велику різноманітність виконуваних функцій, білки мають майже однаковий елементний склад. Так, білкову молекулу, в основному, складають слідуючі елементи : С – 50 –54 % , О – 23.5 % , N –18 % , S –3 % , P – 2 % .

Тривалий час будова білкових молекул була невідома і лише наприкінці 19 сторіччя американські вчені на чолі з Фішером, проводячи кислотний гідроліз білкових молекул встановили, що білкові молекули являють собою лінійно-побудовані нитчасті структури які складаються з амінокислот.
Амінокислоти – органічні кислоти у молекулі яких один або кілька атомів вод-ню заміщені на аміно- ( –NH2) чи карбоксильну ( –СООН) групи.

Загальна формула : R – CH – COOH
NH2

По будові радикалу амінокислоти поділяють на дві великі групи ациклічні і циклічні.
Ациклічні в свою чергу поділяються на слідуючі підгрупи :
Моноаміномонокарбонові ( містять одну амінну та одну карбоксильну групи ):
СН2 – СООН СН3 – СН – СООН
NH2 NH2
( гліцин ) ( аланін )

Моноамінодикарбонові ( містять одну амінну та дві карбоксильні групи ):

НООС – СН – СН2 – СООН НООС – СН – СН2 – СН2 –СООН
NH2 NH2
( аспарагін ) ( глутамін )

Диаміномонокарбонові ( містять одну карбоксильну та дві амінні групи ) :

NH2 – ( CH2 )3 – CH – COOH
NH2

( лізин )

Циклічні амінокислоти залежно від якісного складу циклу поділяються на дві групи :
Карбоциклічні ( якщо циклічне угрупування складається тільки із атомів вуг-лецю:

С6 Н5 – СН2 – СН – СООН ; НО – С6 Н 4 – СН2 – СН – СООН
NH2 NH2
( фенілаланін ) ( тирозин )

Гетероциклічні ( якщо циклічне угрупування формується різними хімічними атомами – триптофан, гістидин).
На сьогодні науці відомо понад 240 амінокислот, але до складу білків організму входять лише 20. По цінності для організму вони поділяються на замінні (синте-зуються організмом ) та незамінні ( в організмі не синтезуються і повинні надходити з харчовими продуктами): треонін, метіонін, валін, лейцин, ізолейцин, аргінін, лізин, фенілаланін.

Властивості білків визначаються властивостями амінокислот які їх складають.
Поскільки амінокислоти є похідними карбонових кислот, то у водних розчинах вони дисоціюють згідно схеми :

NH2 – CH2 – COOH NH2 – CH2 – COO -- + H +

Згідно рівняння дисоціації розчини моноаміномонокарбонових кислот повинні мати кислу реакцію. Проте вони мають нейтральну реакцію і ось чому: протон водню, що утворюється при розпаді карбоксильної групи ( кислотні властивості) не залишається вільним у розчині обумовлюючи його кислу реакцію , а зв‘язу-ється вільною парою електронів атома азоту ( основні властивості амінної гру-пи). Це приводить до утворення біполярного іону ( цвіттеріону ).

..
H2N – CH2 – COO -- + H + H3N + – CH2 –COO –

Отже : амінокислоти у водних розчинах існують у вигляді біполярного (проти-лежнозарядженого ) іону . На цій властивості амінокислот базується явище еле-ктрофорезу – руху амінокислот і білків у розчині через який пропущено елек-тричний струм .

У кислому середовищі амінокислоти зв‘язують протони водню перетворюю-чись при цьому у позитивно заряджену форму – катіон ( проявляючи основні властивості). При пропусканні крізь такий розчин електричного струму, аміно-кислоти рухаються до катода – негативнозарядженого електроду:

H3N + --- CH2 --- COO -- + H + H3N + --- CH2 ---- COOH

У лужному середовищі амінокислоти відщеплюють протон водню як типові кислоти, перетворюючись при цьому в аніонну ( – ) форму, яка в електричному полі рухається до аноду – позитивнозарядженого електроду:

..
Н ) :NH2+ --- CH2 –COO -- + OH -- NH2 – CH2 – COO --- + H2O

Наявність різнойменнозаряджених полюсів у молекулах амінокислот приводить до виникнення особливого виду взаємодії – електростатичної ( притягування протилежнозаряджених кінців, як однієї молекули так і різних, за рахунок сил електростатичної індукції ). Проте , при певних значеннях рН ( для кожної амі-нокислоти індивідуальне ) процеси протонізації (приєднання протону по парі електронів амінної групи) і депротонізації ( відщеплення водню у вигляді про-тона від карбоксильної групи ) зрівноважуються і молекула набуває нульового заряду. Значення рН при якому заряд молекули дорівнює нулю називається ізоелектричною точкою амінокислоти.
Висновок:
1. Амінокислоти – амфотерні сполуки ( мають властивості і кислот і основ ).
2. Існування амінокислот у вигляді цвіттеріону, робить можливим виникнення сил електростатичної взаємодії.
3. Залежно від кількісного вмісту амінних та карбоксильних груп , амінокислоти дають різні значеня рН у водних розчинах :
моноаміномонокарбонові – нейтральну реакцію, Іt = 7;
моноамінодикарбонові – кислі, Іt<7;
диаміномонокарбонові – лужні, Іt >7.

Хімічні властивості амінокислот.

Найголовнішими реакціями метаболізму (перетворення) амінокислот є слідую-чі:

1.Декарбоксилювання – полягає у відщепленні від молекули амінокислоти молекули вуглекислого газу декарбоксилазною ферментною системою з утво-ренням відповідних амінів.

Декарбоксилаза
СН3 – СН – СООН СН3 – СН2 – NH2 + CO2
NH2
(аланін) (етиламін)

2. Дезамінування – проходить за участю дезаміназних ферментних систем які відщеплюють молекулу аміаку від молекули амінокислоти , перетворюючи останню в - оксикарбонову кислоту:

Дезаміназа
CH3 – CH – COOH + HOH CH3 – CH – COOH + NH3
NH2 OH

( аланін ) ( - оксипропіонова кислота )

3. Амфотерні властивості амінокислот підтверджуються їх взаємодією з кисло-тами і лугами по утворенню солей:

:NH2 – CH2 – COOH + NaOH NH2 --- CH2 ---- COONa + H2O

( гліцин ) ( натрієва сіль гліцину )

: NH2 – CH2 – COOH + HCI CI -- [ NH3+ – CH2 – COOH ]

( гліцин ) ( солянокислий гліцин )
та взаємодією між собою з утворенням пептидів – низькомолекулярних амідів, що утворюються внаслідок взаємодії амінних- та карбоксильних груп аміно-кислот.

CH2 – COOH + H – NH – CH – COOH CH2 – CO – NH – CH – COOH

NH2 CH3 NH2 CH3

Назву пептидів утворюють з назв амінокислот що входять до його складу. При цьому,всі амінокислоти пептиду, за вийнятком останньої що містить вільну карбоксильну групу, змінюють у закінченні назви букву «н» на «л». Так, дипеп-тид що складається з амінокислот гліцину та аланіну має назву «гліцил-аланін». У представленого дипептиду є вільні амінна та карбоксильна групи , що робить можливим приєднання по них, інших амінокислот. Залежно від кількості аміно-кислотних залишків у молекулі, пептиди поділяються на :
Дипептиди ( молекула містить два залишки амінокислоти ), трипептиди ( три залишки амінокислоти), тетрапептиди ( чотири залишки амінокислоти ), полі-пептиди ( дуже велика кількість залишків амінокислот ).
Поліпептидами вважють пептиди з Mr до 10000, а пептиди з більшою молярною масою вважають білками.
Велика різноманітність виконуваних функцій при порівняно постійному хіміч-ному складі, напевне, обумовлюється складною внутрішньою будовою білкових молекул.
Послідовність розміщення амінокислотних залишків у полімерному ланцюзі вважають первинною структурою білкової молекули.
Первинна структура:
1.Утворюється за допомогою пептидних та дисульфідних зв‘язків ( останні проявляються в тому випадку , коли білкова молекула складається з двох і більшої кількості полімерних ланцюгів чи утворює петлеподібну структуру ).
2. Характеризує кількісно–якісний амінокислотний склад полімерного ланцюга молекули білка.
Фрагмент білкових ланцюгів що складається з амінокислотних залишків Глі- Ала-Фен та Ала-Глі -Фен маючи однаковий якісний та кількісний склад – відпо-відають за виконання різних функцій , завдяки різному розміщенню амінокис-лотних залишків.
Полімерні ланцюги білкових молекул налічують від декількох сотень до кількох мільйонів амінокислотних залишків, що обумовлює їх досить значну довжину. Проте, в просторі білкові молекули набувають компактної форми, завдяки їх вторинній і третинній організації.
Під вторинною структурою розуміють:просторове розміщення (форму) білко-вого ланцюга.
Утворюють і стабілізують водневі зв‘язки які виникають між пептидними групами.
1. Якщо водневі зв‘язки утворені між пептидними групами одного полімерного ланцюга ( через три на четверту ), то утворюється - спіраль, витки якої закру-чені вправо. Характерна для глобулярних білків ( ферменти, гормони ) та -ке-ратинів (білки волосся та нігтів).
2. Якщо водневі зв‘язки виникають між пептидними групами різних поліпеп-тидних ланцюгів, то утворюється шарово-складчата - конформація. Характерна для - кератинів (фіброїн шовку). Вторинна структура – вища форма організації фібрилярних білків. Проте, полімерні ланцюги білкових молекул не завжди повністю спіралізуються: параміозин – 100%, гемоглобін – 75%, альбуміни – 50%. Тому, просторова укладка спіральних та лінійних ділянок полімерного ланцюга у компактне тіло , отримала назву третинної структури білкової мо-лекули.
Утворюється і стабілізується за допомогою :
1.Дисульфідних зв‘язків;
2.Гідрофобної взаємодії неполярних радикалів амінокислот ; 3.Електростатичної взаємодії різнойменнозаряджених функціональних груп; 4.Нестійких локальних точок (а.к. пролін ); 5.Водневих зв‘язків між боковими ОН-групами тирозину та карбоксильними гру- пами аспарагінової і глутамінової кислот.
Третинна структура:
1. Вища форма організації глобулярних білків;
2. Визначається первинною структурою;
3. Залежить від рН середовища та іонної сили розчину.

Виконання певних біологічних функцій вимагає об‘єднання цілком самостійних білкових молекул в одну мультимолекулу. Класичним прикладом білка з четвер-тинною структурою є молекула гемоглобіну, молярна маса якої 68000. Мульти-молекула складається з чотирьох молекул, молярні маси котрих по 17000 кожна. Дві з них - субодиниці містять по 141 амінокислотному залишку; дві - субодиниці – по 146 амінокислотних залишка. Поодинці вони не можуть переносити кисень , а сполучаючись у мультимолекулу ( м.гемоглобіну), успіш-но транспортують його.
Отже: структура, що характеризується наявністю певної кількості поліпеп-тидних ланцюгів які займають строго фіксовані положення між собою, володіє біологічною активністю, називається четвертинною .

Утворюється і стабілізується за допомогою: іонних та водневих зв‘язків; гідрофобної взаємодії неполярних радикалів.

Четвертинна структура – найвищий рівень організації глобулярних білків.
Знаходячись у розчинах, білки утворюють колоїди, перебуваючи при цьому у нативній формі. Нативною – називається форма у якій білок проявляє біо-логічну активність, яка визначається станом колоїдної системи. Стійкість коло-їдного розчину залежить від наявності заряду на білковій молекулі та наявності гідратної оболонки. При дії чинників що зменшують стійкість колоїдної системи ( наближують білок до його ізоелек тричної точки): зміні рН , додаванні розчинів солей, нагріванні чи механічному втручанні – відбувається явище коагуляції ( злипання білкових молекул ). Розрізняють оборотню коагуляцію ( висолювання ) та необоротню коагуляцію ( денатурацію ).
Оборотня коагуляція ( висолювання ) – процес, в якому після припинення дії чинника що визиває коагуляцію білок повертається в нативний стан. Ви-солювання визивають розчини нейтральних солей ( NaCI ,Na2SO4, ( NH4)2SO4 ), водовідбірні речовини які руйнують гідратну оболонку білкової молекули ( кис-лоти та луги).
Процес повернення скоагульованого білка в нативний стан – пептизація.
Необоротня коагуляція ( денатурація) – процес при якому, білок що скоагулював у нативний стан повернутися не може.
Визивають чинники, які не тільки нейтралізують заряд молекули і руйнують гідратну оболонку, а і повністю руйнують первинну структуру білкової мо-лекули: висока температура, солі важких металів ( HgSO4, Pb(NO3)2 та інші ), концентровані кислоти, органічні речовини ( ацетон, фенол, формалін). Процес пептизації не можливий.
Існує декілька систем класифікації білкових молекул.

По  фібрилярні – полімерні ланцюги яких розміщені паралельно,
àформі  утворюючи петлеподібні структури. Складають основу сполучної та кісткової тканин.
 глобулярні – поліпептидні ланцюги звернуті в компактні сферичні утворен-ня (глобули ). Складові ферментів, гормонів, антитіл.
à

По будові
прості – побудовані тільки із залишків амінокислот;
складні – поряд з амінокислотними залишками містять речовини небілкової природи ( простетичні групи ).
Прості білки (протеїни) поділяють на групи залежно від їх розчинності у різних розчинниках.
Альбуміни – добре розчиняються у воді але не розчиняються у насиченому розчині сульфату амонію. Широко розповсюджені у тваринному і рослинному світі . Характерні відносно низькі значення молекулярної маси. Ізоелектрична точка цих білків лежить в межах рН = 5. Являються складовими крові, м‘язів, молока, цитоплазми майже всіх клітин.
Глобуліни – нерозчинні у воді і слабких кислотах. Випадають в осад при 50% концентрації сульфату амонію. Добре розчинні в слабких розчинах нейтральних солей. Глобуліни, на відміну від альбумінів, містять великі кількості гліцину. Широко розповсюджені в організмах тварин і рослин. У вищих організмів глобуліни виконують захисну роль, із них утворюються антитіла. В крові людини міститься декілька видів глобулінів – , , .
Гістони – низькомолекулярні білки що розчинні у воді і кислих розчинах. При додаванні аміаку випадають в осад. Володіють основними властивостями завдяки високому вмістові основних амінокислот – аргініну і лізину (25–30 %). Локалізовані у ядрі. Сполучаючись з нуклеїновими кислотами, обумовлюють їх унікальну структуру що необхідна для біосинтезу білків. Ізоелектрична точка гістонів лежить в межах рН = 10.
Протаміни – по розчинності подібні до гістонів. Низькомолекулярні білки з чітко вираженими основними властивостями. Містять надзвичайно велику кількість аргініну. Значна кількість протамінів міститься у спермі риб, печінці, селезінці, нирках і залозах внутрішньої секреції. Біологічна роль протамінів така як і у гістонів.
Проламіни – рослинні білки. Погано розчиняються у воді, добре розчинні у 60–80 % етиловому спирті. Містять до 10–15 % проліну і 20 – 50 % глутамінової кислоти. Проламіни – цінні продукти харчування.
Глутеліни – також рослинні білки. Розчиняються в розведених розчинах лугів і кислот. Містять в значних кількостях глутамінову кислоту і лізин. Глутеліни – цінні харчові білки.
Фібриноген – фібрилярний білок, розчинний у концентрованих сольових розчинах і нерозчинний у воді. Являється складовою частиною плазми крові і виконує захисну функцію. В результаті складних хімічних реакцій фібриноген перетворюється у фібрин, який утворює густу сітку ниток в яких осідають еритроцити утворюючи тромб (згусток). Останній перешкоджає втратам крові при порушенні цілісності кровоносних судин.
Актин і міозин – водонерозчинні фібрилярні білки із яких складаються міо-фібрили – скоротливі елементи клітин м‘язевої тканини.
Протеїноїди (склеропротеїди) – міцні, еластичні білки що не розчиняються у воді, розчинах кислот, лугів, солей, не розкладаються ферментами. Входять до складу опорної і покривної тканин (кісток, хрящів, сухожилків, волосся, шкіри) і відносяться до фібрилярних білків. В організмі більше всього міститься коллагену, який являється основним білковим компонентом шкіри, сухожилків і хрящів . Цікаві фізичні властивості коллагену. По своїй міцності він порівню-ється із міцністю стального дроту. В складі цього білка відмічено підвищений вміст гліцину, оксипроліну і оксилізину
Складні білки (протеїди) поділяються (залежно від будови простетичної групи) на слідуючі групи:
Хромопротеїди – складні білки, молекули яких складаються із простого білка і забарвленої простетичної групи (завдяки чому і отримали свою назву «хрома»–фарба). Білкова частина частіше всього представлена гістонами, а простетичні групи – різними забарвленими сполуками: вітаміном В2, каротином, порфірином. Велика кількість хромопротеїдів в складі небілкової частини містять метали, тому їх ще називають металопротеїдами.
Фосфопротеїди – складні білки, в молекулах которих простий білок зв‘язаний із фосфорною кислотою. Найбільш вивченим білком даної групи є білок молока – казеїн. Він являється цінним харчовим продуктом для організму людини і тварин. Казеїн – джерело фосфору для утворення макроергічних сполук, фосфа-тидів, багатьох білків, побудови кісток. До фосфопротеїдів відноситься пепсин – основний фермент шлункового соку, овальбумін – білок курячого яйця, вітеллін, вітеллінін, фосфовітін – білки курячого жовтка.
Ліпопротеїди – складні білки, в яких білок зв‘язаний з ліпідами. Вони являються основою біологічних мембран, мієлінових оболонок нервових волокон. У вільному стані містяться у лімфі, крові, молоці, яєчному жовтку. Біологічна роль ліпопротеїдів полягає в тому, що вони транспортують жири в клітинах і ткани-нах. У формі ліпопротеїдних комплексів транспортуються в клітини вітаміни А, Д, Е, К і F.
Глікопротеїди – складні білки, в склад яких входять вуглеводи і їх похідні (ман-ноза, галактоза, глюкуронова , гіалуронова і хондроїтинсірчана кислоти, гепа-рин). Вони відіграють важливу роль у багатьох фізіологічних процесах організму. Так, гепарин – володіє антикоагулюючими властивостями. Глікопротеїди що містять хондроїтинсірчану і гіалуронову кислоти входять до складу хрящової і сполучної тканини, зв‘язок і сухожилків. Глікопротеїд муцин – слизові виділення харчового тракту – виконує захисну функцію, зберігаючи стінки органів харчового тракту від хімічних і механічних пошкоджень. Глікопротеїд лізоцим (міститься в собачій слині) володіє сильною бактеріостатичною дією.
Нуклеопротеїди – одна із найважливіших груп білків. Вони являють собою сполуки білків з нуклеїновими кислотами. Білкова частина нуклеопротеїдів найчастіше представлена протамінами і гістонами. Їх роль в організмі надзвичай-но важлива – зберігають і передають спадкову інформацію.

Складні білки (протеїди)

Нуклеопротеїди. Розчиняються у розчинах лугів і не розчиняються у кислотах. При гідролізі розкладаються з утворенням нуклеїнової кислоти* і білка. Входять до складу клітинних ядер і вірусів.

Хромопротеїди. Білки, що в якості простетичної групи вміщують забарвлюючі речовини, наприклад, гемоглобін.

Металопротеїди. Білки, що в якості простетичної групи вміщують метали, які не зв'язані з забарвлюючими речовинами. Як приклад можна навести гемоціаніни - речовини, які виконують роль переносника кисню у молюсків.

Фосфопротеїди. Вміщують фосфорну кислоту, проявляють слабкі кислотні властивості. Як приклад можна навести казеїн, що входить до складу молока і молочних продуктів.

Глюкопротеїди. До складу глюкопротеїдів входять вуглеводи. Не розчиняються у воді, розчиняються у розбавлених розчинах лугів.

До даної групи відносяться наступні білки:

муцини - білки, що входять до складу тваринного слизу

мукоїди - білки, що входять до складу хрящової тканини

Ліпопротеїди.Білки, що в якості простетичної групи вміщують жироподібні речовини - лецитини*. Основною фунцією ліпопротеїдів є транстпорт жироподібних речовин - ліпідів.

Прості білки (протеїни)

Альбуміни і глобуліни. Альбуміни. Розчиняються у воді, звертаються при нагріванні, мають відносно невелику молекулярну масу. Глобуліни. Нерозчинні у воді, розчиняються у розбавлених розчинах солей, звертаються при нагріванні. Альбуміни і глобуліни входять до складу майже всіх клітин; входять до складу крові, молока, м'язів, тощо. Глобуліни рослин виконують роль білкового депо і накопичуються, в основному, в білках зерна.

Проламіни. Рослинні білки. Нерозчинні у воді, розчиняються у 60-80%-ному розчині етанолу, вміщують значну кількість глютамінової кислоти і проліну.

Проламіни входять до складу зерна всіх злаків.

Глютеліни. Рослинні білки; розчиняються у розбавлених розчинах лугів. Глютеліни мають досить збалансований амінокислотний склад; входять переважно до складу злакових рослин.

Протаміни. Сильні основи, що утворюють з кислотами кристалічні солі, не вміщують сірки. Близько 80% всіх амінокислот протамінів складають аргінін, гістидин і лізин. Найбільший вміст протамінів виявлено в ікри риби.

Гістони. Мають основний характер. Входять до складу багатьох складних білків, наприклад, гемоглобіну* і лейкоцитів.

Склеропротеїни.

Білки скелету і покривних тканих тварин. Нерозчинні у воді, розчинах солей, кислот і лугів.

До даної групи відносяться наступні білки:

Колаген - білок кісток і шкіри

Еластин - білок тваринних зв'язок

Кератини - білок шерсті, волосся, нігтів, рогів, копит тощо. Характеризуються значним вмістом сірки.