ЗАГАЛЬНА БІОХІМІЯ

I частина

Електронний посібник

Анотація

Теоретичні відомості

Додатки

Список використаних джерел

Укладачі

5. БІЛКИ ТА НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ

5.1. Характеристика та класифікація білків, їх амінокислотний склад

5.2. Будова і властивості нуклеїнових кислот

5.3. Значення білків і продуктів їх розпаду в харчових виробництвах

НЕОБХІДНО ЗНАТИ!

5.1. Характеристика та класифікація білків, їх амінокислотний склад

Білки є структурно-функціональною основою живих організмів. Це високомолекулярні органічні сполуки, побудовані з окремих одиниць – амінокислот, які зв'язані між собою пептидним (амідним) зв'язком. Білки – найбільш складні і важливі структури живих організмів. Тому інша їх назва - протеїни (з гр. «найважливіші»), яку запропонува Н.Мульдер в 1838 році.

В хімічному відношенні (дослідження 1809 р., здійснені Ф. Греном) білки складаються (%): С – 53, N –16, О – 22, Н – 7. Найбільш стабільним є вміст азоту. Також містять S, Р, Ре, І, Cu, Mo, Zn.

Білкам належить провідна роль у забезпеченні процесів життєдіяльності, тому відомий натурфілософ Ф.Енгельс давав визначення життя як «спосіб існування білкових тіл».

КЛАСИФІКАЦІЯ БІЛКІВ

Сучасна номенклатура класифікує білки таким чином:

Протеїни (прості). До їх складу входять лише залишки амінокислот.

Альбуміни. Дуже добре розчинні у воді, висолюються 100% розчином сульфату амонію. Молекули еліпсоподібної форми (молекулярна маса до 70 тис). Багаті лейцином і сірковмісними амінокислотами, дуже мало гліцину. Поширені в сироватці крові. Багато їх в молоці (лакто; альбуміни), яйцях (овоальбумін), злакових, бобових (легумелін). Функції в організмі: підтримання онкотичного тиску крові, забезпечення транспортування ліпідів, стероїдних гормонів, лікарських речовин.

Глобуліни. Менш гідрофільні, ніж альбуміни, із рослинних і тваринних тканин екстрагуються 10% розчинами солей, в 50% розчинах випадають в осад, молекулярна маса – до 1,5 млн. Містять до 5% гліцину і меншу кількість сірковмісних амінокислот, ніж альбуміни. Особливо велика кількість знаходиться в насінні злакових, соняшнику, бобових (фазеолін квасолі, легумін гороху). В крові виділяють фракції глобулінів – а, р, у-глобуліни, (β-глобуліни утворюють глікопротеїдні комплекси (глікопротеїд церулоплазмін забезпечує в організмі транспортування міді, β-глубулін трансфери–транспортування заліза). Антитіла за хімічною природою є у-глобулінами. Альбумін (глобуліновий), коефіцієнт–показник фізіологічного стану, у здорової людини він становить, 7-2,3.

Проламіни. Розповсюджені в рослинах. Містять велику кількість проліну, зовсім не містять лізину. Екстрагуються з тканин 70% спиртом. Входять до складу насіння злаків (гліадин пшениці, зеїн кукурудзи).

Глутеліни. Розповсюджені в рослинах. В їх складі наявна велика кількість глутамінової кислоти та лізину. Погано розчинні у воді та добре у розведених лугах.

Протаміни. Містять до 70% аргеніну, мають виражений лужний характер. Добре розчинні у воді, термостабільні. У великих кількостях розповсюджені у внутрішніх органах, залозах внутрішньої секреції, молоках риб. Містяться в ядрах клітин, де утворюють нуклеопротеїдні комплекси.

Гістони. Мають лужний характер, до 40% вмісту складають діаміномонокарбонові кислоти. Розповсюджені у внутрішніх органах (печінка, нирки, селезінка). Знаходяться в ядрах клітин, де утворюють нуклеопротеїдні комплекси, з яких побудовані хромосоми. Відіграють важливу роль у регуляції функцій та структурі ДНК.

Протеїноїди. Це білки сполучної і покривної тканин. Входять до складу тваринних тканин і виконують структурну, механічну і опорну функції. Нерозчинні у воді, кислотах, лугах, розчинах солей. Слабко гідролізуються травними ферментами, тому погано засвоюються і сприяють гниттю у кишках. У структурі розповсюджений р-складчастий шар.

Колаген. Основний компонент сухожилок, зв'язок, хрящів, шкіри, кісток (може становити до 25% усіх білків тварини). Містить гліцин, пролін, оксипролін, не містить сірковмісних амінокислот, має фібрилярну будову. Під час тривалого кип'ятіння утворює гель – желатину. Кератин. Має велику кількість сірковмісних амінокислот, у молекулі багато дисульфідних зв'язків, що зумовлює міцність і хімічну стійкість. Входить до складу шерсті, волосся, рогів, копит, сполучної тканини.

Протеїди (складні). Складаються з простого білка і сполуки небілкової природи – простетичної групи.

Глікопротеїни. Простетичною групою є вуглеводи (олігосахариди). Нейтральні глікопротеїни (небілковою частиною є аміносахара – глюкозамін, галактозамін, гексози, сіалові кислоти). Містяться в крові, білках молока, яйцях. Багато ферментів і деякі гормони мають глікопротеїдну природу. Простетична група зв'язана з білковою міцними ковалентними зв'язками, вуглеводна частина менша за 5%.

Мукопротеїди. Вуглеводна частина більша за 5%, зв'язана з білковою слабкими зв'язками. Вона включає залишки гексуронових кислот і сульфатів, що зумовлює кислий характер. Включають хондроїтинсірчану кислоту (хрящі, зв'язки, сухожилки) і гіалуронову кислоту (основна речовина сполучної тканини). Серед мукопротеїдів виділяють муцини і мукоїди. Муцини входять до складу слини, шлункового соку, захищають слизові оболонки кишкового тракту від дії травних ферментів. Мукоїди забезпечують функціонування сполучної тканини.

ЛІПОПРОТЕЇДИ

Ліпопротеїди. Структура

Простетична група – ліпіди. Розповсюджені в тваринних і рослинних тканинах. Їх утворення підвищує розчинність ліпідів за рахунок формування міцел: на поверхні гідрофільні білки, а всередині – гідрофобні ліпіди. Це транспортна форма ліпідів у плазмі крові. Утворюють з білками нековалентні зв'язки, білкова частина – глобуліни:

- ліпопротеїди високої густини, білок: ліпіди – 1:1, включають фосфоліпіди, холестерин;

- низької густини, 25% білка, високий вміст холестерину;

- дуже низької густини, 91% ліпідів, включають триацилгліцероли;

- хіломікрони, 1% білка, це основна транспортна форма ліпідів. Рівень ліпопротеїдів низької густини підвищується при гіпертонії, атеросклерозі. В біологічних мембранах ліпіди становлять 30% сухої маси, особливо фосфатидилхолін.

Нуклеопротеїди. Простетична група – нуклеїнові кислоти (РНК, ДНК). Білкова частина в більшості представлена протамінами і істонами, яка зв'язана з небілковою іонними зв'язками через фосфорну кислоту. Містяться переважно в ядрі, молоках риб. Основні функції: ріст, розвиток, біосинтез білка, передача та збереження спадкової інформації.

Хромопротеїди. Мають забарвлену простетичну групу: похідні ізоалоксазину (флавопротеїди) та порфірину (гемопротеїди).

Гемоглобін. У 1968 році Перутц М. відкрив третинну структуру цього білка, за що одержав Нобелівську премію. Глобінова (білкова) частина складається з 4 субодиниць, пов'язаних електростатичними зв'язками, кожна субодиниця включає небілкову частину-гем (порфіринове кільце з Fe²⁺); для гемоглобіну характерне висококооиеративне зв'язування 40₂. Видова різноманітність зумовлюється амінокислотним складом. У легенях високий парціальний тиск О₂, тому спостерігається його зв'язування з гемоглобіном, при цьому суттєво змінюється третинна та четвертинна структури. У тканинах низький рО₂, але великий рС0₂, тому гемоглобін зв'язує СО₂ і звільнює О₂. Спорідненість гемоглобіну до CO₂ значно вища, ніж до 0₂, що лежить в основі отруєння чадним газом. При серпоподібній анемії (спадкова хвороба) заміна в одному ланцюзі глобіну амінокислоти глутамату на валін змінює форму, розчинність, транспортну здатність білка. Міоглобін. Третинна структура розшифрована Кендрю Дж. у 1957р., молекулярна маса–17500. Молекула побудована з 1-ого поліпептидного ланцюга, небілкова частина представлена гемом, 70% глобінової частини спіралізовано, неспіралізовані ділянки містять пролін, який перешкоджає спіралізації. Міоглобін – резерв О₂ в спокої в м'язах, який використовується під час м'язового навантаження. Міоглобін дає червоне забарвлення м'ясу. Чим більше навантаження на м'яз, тим більш червонім м'ясо (грудні м'язи птахів, м'язи ніг парнокопитних). Під час з'єднання з СО утворюється карбоксиміоглобін вишнево-червоного кольору, а з NО– нітрозоміоглобін червоного кольору. Ці процеси мають місце під час соління і коптіння м'яса. У членистоногих і молюсків замість гемоглобіну присутній блакитний гемоціан (мідьвмісний пігмент).

Фосфопротеїди. Це білки, фосфорильовані за спиртовими групами серину, треоніну, тирозину. Тобто простетична група – залишки ортофосфорної кислоти, зв'язані з білковою частиною складноефірним зв'язком. Важливу роль відіграють в обмінних процесах, рості, розвитку. Часто використовуються для живлення ембріонів (багато в яйці, молоці), де виступають донорами лабільних фосфорних груп. Казеїн – найпоширеніший фосфопротеїд молока, молекулярна маса сягає 100 тис; не розчиняється у воді, але розчиняється у сольових розчинах, ізоелектрична точка спостерігається при рН = 4,8. Казеїн містить всі незамінні амінокислоти, є важливим джерелом неорганічного фосфату для синтезу АТФ, креатинфосфату, формування кісткової тканини. Тому є необхідним для повноцінного раціону. Білизько 30 % яєчного жовтка складають фосфопротеїди вітелін та фосфовітин.

Металопротеїди. Простетичною групою є метал, який ковалентно зв'язаний з білком. До цього класу відносяться чисельні ферменти: супероксиддисмутаза (мідь, цинк), карбоксипептидаза (цинк); транспортні білки з резервною функцією (церулоплазмін, феритин).

ПОЛІПЕПТИДИ

Найважливішим трипептидом є глутатіон. Він складається із залишків глутамінової кислоти, цистеїну та гліцину; містить вільну – SH групу. Є складовою частиною багатьох ферментів (тканинні катепсини – протеолітичні ферменти), захищає сульфгідрильні групи білків від окислення та інактивації. Є потужним антиоксидантом – захищає організм від реакційноздатних вільних радикалів (зокрема продуктів окислення ліпідів киснем). Під час нагрівання рослинної (тваринної) сировини в умовах дефіциту кисню кількість відновленого глутатіону зростає.

Функції білків

1) Каталітична

Переважна більшість хімічних реакцій в організмі каталізується більш-менш специфічними біологічними каталізаторами – ферментами. Вони знижують енергію активації хімічних реакцій в мільйони разів, ефективно прискорюючи їх перебіг. Всі ферменти мають білкову природу. Мабуть, це основна функція білків.

2) Гормональна

Залози внутрішньої секреції продукують у кров у дуже низьких кількостях регуляторні молекули-гормони. Деякі з них мають білкову природу або є похідними амінокислот (інсулін – гормон підшлункової залози, адреналін – наднирників, тиреотропін – щитовидної залози, окситоцин – гіпофіза і т.д.). Гормони регулюють роботу ферментів, процеси транскрипції і трансляції білків.

3) Транспортна

Це забезпечення органів і тканин необхідними речовинами, зокрема поживними. Ліпіди та жиророзчинні вітаміни транспортуються кров'ю у складі ліпопротеїдних комплексів. 0₂ та С0₂ – складним білком гемоглобіном (у м'язах міоглобіном). Багато лікарських препаратів зв'язується альбуміном крові.

4) Захисна

У разі попадання до організму антигену (мікроорганізми, токсини) спеціальні імунокомпетентні клітини (відносяться до лейкоцитів) виробляють продукти білкового походження – антитіла. Антитіла знешкоджують антигени і служать маркерами для подальшого фагоцитозу. Вони відносяться до класу білків – глобулінів.

5) Енергетична

10–15% енергії організм отримує з білків, 1 г білку відповідає 17,7 кДж.

6) Механічна

Білки забезпечують механічний рух організмів. У м'язах тварин присутні актин, міозин, тропоніни, які забезпечують м'язове скорочення.

1) Структурна

У середньому білки складають 45–50% сухої маси тварин (м'язи – 80, печінка – 57, кістки – 28). Вони виступають структурною основою клітин і, відповідно, тканин і органів.

Your browser does not support the video tag.

Білки та функції білка

АМІНОКИСЛОТИ

Білки складаються з амінокислот – похідні органічних кислот аліфатичного або ароматичного ряду і містять аміно- та карбоксильну групи (звідки походить й назва).

Загальна формула:

H2N – CH – COOH

│

Вони різняться між собою природою радикала (R). До складу більшості білків входять 20 амінокислот, 10 з яких найбільш розповсюджені.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АМІНОКИСЛОТ

Це безбарвні кристалічні речовини, які добре розчиняються у воді, різні на смак; деякі під час нагрівання розкладаються (фенілаланін, тирозин, цистеїн і інші.). Всі містять аміногрупу біля а-вуглецевого атому, тому є а-амінокислотами.

Амінокислоти є оптично активними сполуками, це проявляється у тому, що вони обертають кут плоскополяризованого світла вліво або вправо. Залежно від просторової конфігурації замісників біля а-вуглецевого атому вони поділяються на Д-та L-ізомери. Це стереоізомерія, для якої є «ключ» – гліцериновий альдегід:

COH COH

│ │

H – C* – OH OH – C* – H

│ │

CH2OH CH2OH

D – ізомер L – ізомер

COOH COOH

│ │

H – C – NH2 H2N – C – H

│ │

R (D – амінокислота) R (L – амінокислота )

У білках рослинного і тваринного походження переважають амінокислоти L-ряду.

Амінокислоти – амфотерні сполуки, які містять 2 і функціональні групи: карбоксильну і амінну. Згідно з хімічною теорією: кислоти – донори Н⁺, луги – акцептори Н⁺. Тому у водних розчинах амінокислот утворюється нейтральна сполука – внутрішня сіль амінокислоти (це стосується моноаміномонокарбонових кислот), внаслідок внутрішньомолекулярної взаємодії:

H2N – CH – COOH ↔ H3N – CH – COO ˉ

│ │

R R (цвіттеріон = біполярний іон)

У водних розчинах амінокислоти виявляють властивості амфотерних

електролітів (амфолітів):

H3N – CH –COO ˉ H3N – CH – COOH

│ + H ↔ │

R R

H3N – CH – COO ˉ H2N – CH – COO ˉ

│ + OH ↔ │ + H2O

R R

Значення рН середовища, при якому сумарний заряд амінокислоти становить «0» – ізоелектрична точка. В цій точці кислота електронейтральна і не рухається в електричному полі. Вона залежить від кількості груп, здатних до іонізації. Слід зазначити, що ступінь іонізації карбоксильних груп дещо вища, ніж аміногруп, тому для моноаміномокарбонових кислот ізоелектрична точка спостерігається при рН близьких до 5–6.

ДОБУВАННЯ ТА РОЗДІЛЕННЯ

Амінокислоти добувають гідролізом білків (лужний, кислотний, ферментативний), хімічним синтезом і мікробіологічними методами, зокрема, внаслідок кислотного гідролізу утворюється суміш амінокислот, які можна розділити кількома методами:

хроматографічним (іонообмінна хроматографія на смолах, тонкошарова на папері та ін.). В основі методу розділення лежать кислотно-основні властивості амінокислот (заряд) та їх сорбційна здатність. Наприклад, при тонкошаровій хроматографії амінокислоти залежно від їх заряду і сорбційної здатності з різною швидкістю рухаються разом з розчинником по хроматографічнм папером від лінії старту.

Електрофорез. В основі методу також лежать кислотно-основні властивості амінокислот (заряд при різному значенні рН). Під час електрофорезу наносять на змочений буфером фільтрувальний папір пляму суміші амінокислот, розділення відбувається у постійному електричному струмі з високою напругою. Амінокислоти, які при цьому рН електронейтральні, залишаються на своєму місці, інші, залежно від заряду, мігрують до катоду (аноду).

У сучасній промисловості для добування окремих амінокислот широко застосовують мікробіологічний метод. Наприклад, лізин добувають, використовуючи штами Micrococcus, як поживне середовище використовують малясу, кукурудзяний екстракт, білкові гідролізати, як джерело азоту – солі амонію і сечовину. Триптофан добувають за участю мутантів Е.соІі.

Незамінні амінокислоти. В організмі не синтезуються, обов'язково повинні до нього надходити з їжею. Це 8 амінокислот: валін, лейцин, ізолейцин, треонін, метіонін, лізин, фенілаланін, триптофан. Напівзамінні амінокислоти утворюються в недостатній кількості, а замінні повністю синтезуються з інших сполук. Метіонін, лізин і триптофан входить до складу кормових концентратів, які підвищують якість відгодівлі сільськогосподарських тварин. Вони поліпшують засвоєння білка, збільшують нагромадження азоту, стимулюють ріст і розвиток молодих тварин. Метіонін використовують при захворюваннях печінки, недокрів'ї, опіках. Триптофан – для лікування пелагри, психічних хвороб.

Будова білків

Рівні структури та природа

Цю проблему вивчали Данилевський О., Фішер Е. Білки — одна з найскладніших і високоорганізованих структур в живій природі. Існує кілька рівнів структурної організації білка.

Первинна структура. Це послідовність залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу. Є специфічною і генетично детермінованою. Подібність будови первинних структур різних білків називається гомологією і може свідчити про еволюційну спорідненість.

Первинна структура є основою всіх інших. За з'ясування первинної структури інсуліну Сенгеру Ф. у 1962 році отримав Нобелівську премію.

Вторинна структура. Це просторова конфігурація поліпептидного ланцюга. Запропанована на основі рентгеноструктурного аналізу Полінгом Л. та Корі Р. Це правозакручена а-спіраль.

Стабілізація спіральної структури забезпечується чисельними слабкими водневими зв'язками, які утворюються між атомами водню амінної групи одного пептидного зв'язку (має частковий позитивний заряд) та киснем карбоксильної групи іншого (несе частковий негативний заряд).

Зазначених зв'язків дуже багато, тому в сукупності формується достатньо міцна структура.

Відповідні білки не мають ферментативної активності. В більшості білків чергуються спіралізовані та неспіралізовані ділянки.

Третинна структура. Це певне положення спіралізованих і неспіралізованих ділянок у просторі (конформація).

Від специфічної просторової будови залежить біологічна активність білка, в першу чергу, ферментативна. Вперше її розшифрував у 1957 році для міоглобіну Дж. Кендрю. Фактори стабілізації третинної структури:

- водневі зв'язки;

- іонні зв'язки (електростатичні зв'язки між протилежно зарядженими радикалами амінокислот);

- гідрофобні зв'язки (міжмолекулярна взаємодія між неполярними радикалами амінокислот), наприклад, такі зв'язки утворюють аланін, валін, лейцин, фенілаланін і т.д.;

- ковалентний зв'язок – міцна хімічна взаємодія за рахунок утворенняспільних електронних пар; в білках – це дисульфідний зв'язок.

Наприклад, в інсуліні 3 дисульфідних зв'язки, 2 міжланцюгові та 1 внутрішньоланцюговий. Багато дисульфідних зв'язків у сполучній тканині, волоссі (на руйнуванні та відновленні дисульфідних зв'язків грунтується хімічна завивка, виготовлення шкіри тощо).

Іноді має місце четвертинна структура (гемоглобін).

Тоді такий білок називають олігомерним, а окремі субодиниці – протомерами.

М (гемоглобіну) = 68000, субодиниці – 17000. Стабілізація структури досягається різними типами зв'язків. За дії фізико-хімічних факторів (сечовина, органічні розчинники, мінеральні солі, різка зміна рН) відбувається дисоціація субодиниць, під час відмивання – реасоціація.

Білки класифікують за формою третинної структури: глобулярна чи фібрилярна. Фібрилярні білки – це білки сполучної тканини, в структурі переважає β -складчастий шар, мають форму стрижня, нитки. Більшість ферментів – глобулярні білки, причому порушення третинної структури призводить до втрати ферментативної активності. Глобулярні білки мають форму шару, кульки, сфери. На конформацію глобули впливають рН, температура, іонна сила тощо. Молекулярна маса білків коливається від кількох тисяч до 10 – 100 млн: поліпептиди (6 тис), олігомери – (50–60 тис); інсулін – 5700, люд. альбумін – 69000, вірус тютюнової мозаїки – 2 тис протомерів.

ЗАПАМ’ЯТАЙ!

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ МАСИ БІЛКІВ

1. Осмометрія: визначення за осмотичним тиском розчину білка.

2.Оптичні методи: інтенсивність розсіювання світла молекулами прямо пропорційна їх числу та розмірам.

3. Аналітичні методи: у різних білках містяться певні хімічні елементи в постійній кількості, знаючи їх відсотковий вміст можна вирахувати масу.

4. Гель-фільтрація: через прокалібровану білками з відомою масою і заповнену гідратованим полімерним матеріалом (сефадексом) колонку пропускають розчин білка, швидкість проходження обернено пропорційна розмірам молекул. Таким методом білки можна очищати, розділяти та, за швидкостістю проходження, порівнюючи зі стандартом, визначати масу.

5. Седиментаційний аналіз: з використанням ультрацентрифуг.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ

Білки – амфотерні поліелектроліти. Заряд макромолекули зумовлюється наявністю заряджених амінокислот: «–» аспарагінова та глутамінова кислоти, «+» лізин та аргінін. У білках переважає «–», втім лужний характер мають протаміни і гістони. Ізоелектрична точка білку – значення рН, при якому молекула електронейтральна. Наприклад, за додавання Н⁺ (закислення середовища) до білка (1) утворюється білок (2), який є в цілому електронейтральний:

Існує два фактори стабілізації білка у водних розчинах – заряд та гідратаційна вода. Тому в ізоелектричній точці за наявності водовідбираючих агентів білок випадає в осад. Гідрофільні групи на поверхні білків мають заряд і зв'язують диполі води – зв'язана вода або гідратна оболонка. У лужному середовищі білок стає аніоном і рухається в електричному полі до аноду, у кислому – катіоном і рухається до катоду. Внаслідок негативного заряду ізоелектрична точка більшості білків знаходиться при кислому рН.

Деякі реакції білків: фосфорилювання (за залишками серину, треоніну, тирозину), ацилювання, окислення (відновлення (цистеїн), естеріфікація, взаємодія з металами (іноді метали стабілізують певну конформацію білка або можуть входити до його складу – металопротеїди). Реакційна здатність залежить від природи радикалів в амінокислотах. Хімічні модифікації змінюють біохімічну характеристику білків, в першу чергу, ферментативні властивості. Легко утворюють комплекси з ліпідами і вуглеводами (ліпопротеїди та глікопротеїди).

Розчинність білків у воді залежить від багатьох факторів – іонної сили, рН, температури. Явище, коли під час додавання невеликих кількостей нейтральних солей збільшується розчинність білка називається засолюванням (глобуліни, міозин з високими дипольними моментами). Воно пояснюється тим, що невеликі кількості іонів екранують дипольні заряди на білку. За значного збільшення концентрації нейтральної солі, тобто іонної сили розчину, відбувається випадання білків в осад – висолювання. Пояснюється конкуренцією іонів за диполі води, які формують гідратну оболонку білка. За здатністюі до висолювання катіони і аніони утворюють ліотропні ряди. У практиці для очищення і розділення білків використовують NaCl, KC1, (NH₄)S0₄. Так, глобуліни випадають в осад у напівнасичених розчинах, а альбуміни за 100 % насичення, що залежить від заряду та дипольного моменту. Зменшення гідратації білка можна досягти додаючі спирт, ацетон за низьких температур, при цьому спостерігається зворотнє осадження, яке використовується, зокрема, для вивчення білків крові.

Денатурація – це втрата властивостей нативного білка під впливом фізико-хімічних факторів, які призводять до руйнування четвертинної, третинної і частково вторинної структури.

Серед основних денатуруючих агентів: температура (вища 50–60°С), ультразвук, іонізуюче і УФ-опромінення, сильні луги та кислоти (серед органічних – сульфосаліцилова, трихлороцтова), солі важких металів. Під час денатурації зв'язки руйнуються, поліпептидний ланцюг розгортається, утворюється нитка, в якій хаотично формуються інші зв'язки. Тобто порушується нативна конформація білка – специфічна просторова структура. Якщо видалити денатуруючий агент, який діяв короткий час, можна спостерігати ренатурацію (зворотня денатурація). Практичне значення денатурації – переробка продуктів харчування (термічна), консервація, сушка (в цих випадках спостерігається денатурація ферментів бактерій, які псують продукт).

Your browser does not support the video tag.

Дослідження фізико-хімічних властивостей білка. Денатурація

Колоїдні властивості білків

Колоїдно-осматичні властивості білків

Білки в водних розчинах є часточками розміром 0,001 – 0,1 ммк. Це гідрофільні колоїди (золі). Якщо до білка (желатину) додати води, то він набрякає, утворюючі гель, в якому частина води зв'язана (гідратаційна), а частина вільна. За певних умов вода відокремлюється від гелю – явище синерезису, яке є оборотне набряканню. Переходи золь–гель мають значення в функціонуванні цитоплазми клітин, проростанні зерна, замочуванні желатину, випіканні хлібу тощо. Колоїдні розчини здатні розсіювати промені світла-конус Тіндаля.

Методи визначення білків (якісні реакції)

Біуретова реакція. Це реакція на пептидний зв'язок. Сполуки, які мають 2 або більше пептидних зв'язки утворюють у лужному середовищі, в присутності сульфату міді (2) комплекси, забарвлені у фіолетовий кольор. Ксантопротеїнова реакція. Ароматичні амінокислоти (фенілаланін, тирозин, триптофан) дають з азотною кислотою нітросполуки жовтого кольору внаслідок нітрування бензольного кільця.

Реакція Міллона. Зумовлена наявністю в білках тирозину. Реактив Міллона – суміш нітратів і нітритів ртуті (1,2) в конц. азотній кислоті. З білком утворює білий осад, який під час нагрівання стає червоним.

Методи виділення і очищення білків

Гельфільтрація (рдв. вище). Діаліз. Білки не проходять крізь напівпроникні перетинки в водних розчинах (целюлоза, пергамент), при цьому йде очищення від низькомолекулярних домішок.

Електрофорез – це розділення за зарядом при певному рН на носії (поліакриламідний гель) в електричному струмі. Хроматографія (див. вище).

5.2. Будова і властивості нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти відкрив швейцарський вчений Мішер у 1869 р. в ядрах лейкоцитів. У зв'язку з цим їх назвали нуклеїновими від nucleus – ядро. Існує два типи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнова (РНК) та дезоксирибонуклеїнова (ДНК) кислоти. Вони є полінуклеотидами, які побудовані з великої кількості структурних одиниць –нуклеотидів.

Нуклеотид – це сполука, що складається із залишків азотистої основи, пентози та фосфорної кислоти.

1. В якості пентози до складу РНК входить рибоза, до ДНК – дезоксирибоза.

2. З азотистих основ до складу нуклеїнових кислот входять дві похідних пурину – аденін та гуанін та три похідних піримідину – урацил, тимін та цитозин.

• До складу РНК входять: аденін, урацил, гуанін, цитозин.

• До складу ДНК входять: аденін, тимін, гуанін, цитозин.

3.Третім компонентом НК є фосфорна кислота.

Для розуміння особливостей структури НК важливе значення мають закономірності кількісного вмісту азотистих сполук, названі правилами Чаргафа:

1. Сума пуринових основ дорівнює сумі піримідинових: А + Г = Ц + Т

2. Кількість аденіну і цитозину рівна кількості гуаніну та тиміну: А+Ц=Г+Т.

3. Кількість аденіну рівна кількості тиміну, а кількість гуаніну рівна кількості цитозину: А = Т та Г = Ц.

Властивості та будова ДНК

ДНК є носієм спадкової інформації. ДНК сконцентрована в ядрах клітин, невелика кількість її міститься у мітохондріях, хлоропластах. У клітинах ДНК упаковано у вигляді компактних структур – хромосом.

Вона має велику молекулярну масу – може досягати десятків і сотень мільйонів; високу в'язкість розчину, високу оптичну активність (обертають площину поляризації світла), є здатність до денатурації.

Денатурація полягає у розриві водневих і вандерваальсових зв'язків, в деспіралізації та розходженні полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Денатурацію викликають кислоти, луги, спирти, температура. Ренатурація – відновлення структури ДНК.

Завдяки наявності великої кількості залишків фосфорної кислоти НК мають яскраво виражену кислотність: легко взаємодіють з іонами металів (кальцій, магній) та з лужними білками (гістонами).

Структури ДНК

Первинна структура – це порядок з'єднання мононуклеотидів у полінуклеотидний ланцюг за рахунок утворення 3,5-фосфодіефірного зв’язку:

Вторинну структуру ДНК була запропонована Уотсоном та Кріком в 1953 році. За це відкриття вони отримали в 1962 р. Нобелівську премію.

Вторинна структура – це поєднання двох ланцюгів, що утворюють правообертальну спіраль, в яку обидва полінуклеотидні ланцюги закручені навколо однієї осі. Причому азотисті основи знаходяться в середині спіралі, а фосфорильні та вуглеводні компоненти зовні.

Утримуються ланцюги завдяки водневим зв'язкам, що утворюються між їх азотистими основами. Азотисті основи в спіралі укладені парами: пурин з одного ланцюга та піримідин з іншого відповідно до правилами Чаргафа. Водневі зв'язки утворюються між взаємодоповнюючими (комплементарними) парами азотистих основ (А–Т, Г–Ц). Стабільність А–Т основ забезпечується двома водневими зв'язками, а Г–Ц пар –трьома.

А═=Т Г ≡ = Ц

Відстань між витками спіралі 3,4 нм. На цій ділянці вкладаються 10 пар нуклеотидних залишків, діаметр спіральної молекули 1,8 нм – спіралізації з утворенням суперспіралі. Відомо, що суперспіральна (суперскручена) структура забезпечує економну упаковку величезної молекули ДНК в хромосомі: замість 8 см довжини, яку вона могла б мати у витягнутій формі, в хромосомі людини молекула ДНК настільки щільно упакована, що її довжина вкладається в 5 нм.

Більша частина НК в організмі знаходиться не у вільному стані, а з'єднана з білками. НК зв'язуються з білками лужного характеру (гістонами), а також кислими (негістонними). Взаємодія між білками і молекулами ДНК забезпечується за рахунок утворення іонних зв'язків між негативно зарядженими залишками фосфату та позитивно зарядженими групами діаміномонокорбонових кислот. Отже, третинна структура ЩІК – це суперспіралізація молекули з утворенням клубків, паличок, комплексів з білками.

Будова і функції РНК

На відміну від ДНК, молекули РНК відрізняються за вмістом у клітині, будовою, складом, функціями і локалізацією.

Вміст її в різних клітинах залежить від умов існування клітин (в клітині, що швидко росте, де інтенсивно відбувається синтез білка, РНК більше). На частину РНК припадає 5–10% від загальної маси клітини.

Основна маса РНК міститься у цитоплазмі (90%), решта – в ядрі та інших органелах клітини.

СТРУКТУРА РНК

Розрізняють декілька рівнів структурної організації РНК.

Первинна структура – послідовність чергування залишків мононуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах.

Мононуклеотиди РНК містять рибозу, залишки фосфорної кислоти та азотисті основи (АУГЦ). Зв'язуються фосфодіефірними зв'язками.

Вторинна структура. РНК побудована з одного ланцюга, для якого властива спіралізація.

Полінуклеотидний ланцюг закручується сам на себе, утворюючи водневі зв'язки між азотистими основами А = У, Г = Ц. Особливістю вторинної структури є те, що ланцюг спаралізований не повністю, утворюються виступи в окремих нуклеотидів на поверхні спіралі.

РНК може мати різні типи третинної структури: невпорядковано розташований у просторі ланцюг, клубок або компактні палички, що містять біспіральні ділянки.

ТИПИ РНК

1. Матрична (інформаційна) РНК (м РНК) – 2–6% від загальної кількості РНК. Молекулярна маса від 250 тисяч до 1 млн. Зчитує інформацію з ДНК і переносить її в рибосоми, де відбувається синтез білка.

2. Транспортна РНК (т РНК) – її кількість 10–15% від усієї клітинної РНК. Мають невелику молекулярну масу (близько 30 000). Містяться в розчинній фракції цитоплазми, виконуючи функцію перенесення активованих амінокислот до місця синтезу білка - в рибосому.

3. Рибосомна РНК (р РНК) – 80–85% від загальної кількості РНК. Молекулярна маса від 35 тис до 1,1 млн. Рибосомна РНК є структурною основою рибосом. У складі рибосом рРНК знаходиться у комплексі з білками.

НУКЛЕОЗИДИ І НУКЛЕОТИДИ

Речовина, що складається лише з залишків азотистої основи та пентози, називається нуклеозидом.

Якщо азотиста основа з'єднується'з дезоксирибозою – дезоксіа-денозин, дезоксицитйдин; нуклеотид – дезокситимідин-монофосфат.

Залежно від кількості залишків фосфорної кислоти, що приєднуються до нуклеозиду бувають МФ, ДФ, ТФ.

Нуклеотиди, що входять до складу нуклеїнових кислот, відіграють важливу роль у вільному стані. Найважливішою важливим серед вільних нуклеотидів є аденозинтрифосфорна кислота {АТФ). Вона виконує роль акумулятора енергії, бере участь в енергетичном обміні організму. Утворюється в результаті екзергонічних окислювально-відновлювальних процесів і складається із залишків аденіну, рибози та трьох залишків фосфорної кислоти.

Хімічний зв'язок, позначений кривою лінією, називається макроергічним зв'язком. У молекулі АТФ є два таких зв'язки. Вони містять значно більше енергії, ніж звичайні хімічні зв'язки. Сполуки, що мають такі 24 зв'язки, називаються макроергічними. Фосфатні зв'язки цих сполук містять від 29,4 до 67,2 кДж/моль відщепленого фосфату. Звичайний зв'язок фосфорних ефірів, зокрема перший зв'язок у молекулі АТФ, містить 8,4–12,6 кДж енергії'. Під час відщеплення від АТФ однієї або двох молекул фосфорної килоти, які зв'язані між собою макроергічним зв'язком, виділяється значна кількість енергії, яка використовується на синтез речовин.

Важливу роль в організмі відіграють не тільки трифосфати аденозину, але й трифосфати інших нуклеозидів – гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ), тимідинтрифосфат (ТТФ) і цитидинтрифосфат (ЦТФ). Вони беруть участь в окремих ланках найважливіших ферментативних процесів обміну речовин.

АМФ також має важливе значення як складова частина ферментів. АМФ входить до складу коферментів всіх дегідрогеназ. Похідні аденілової кислоти (АМФ) є складовою частиною коферменту ацилювання. Нуклеотиди мають величезне значення в організмі як складові частини ферментів. Так, аденілова кислота (АМФ) входить до складу активних груп (коферментів) усіх дегдрогеназ. Похідна аденілової кислоти є складовою частиною коферменту ацилювання (коферменту А).

До складу ферментів дегідрогеназ входять незвичайні нуклеотиди. Так, до складу коферменту піридинових дегідрогеназ входить нуклеотид, азотистою основою якого служить амід нікотинової кислоти (вітамін В₅). Цей кофермент піридинових дегідрогеназ складається з залишків двох нуклеотидів – аденіннуклеотиду і нікотинаміднуклеотиду і називається нікотинамідаденіндинуклеотидом (НАД).

5.3. Значення білків і продуктів їх розпаду в харчових виробництвах

Білки є основною складовою більшості продуктів харчування, у процесі технологічної обробки білки зазнають низки змін. Перетворення білків у харчових технологіях та будь-які зміни умов середовища в технологічних процесах виробництва харчових продуктів впливають на нековалентні зв’язки макромолекул білка і призводять до змін четвертинної, третинної і вторинної структур. Під дією технологічних факторів білки можуть утворювати ізоляти та брати участь у реакціях, зокрема біохімічних.

Основні перетворення білків полягають у їх денатурації, гідролізі, утворенні токсичних елементів тощо.

Процес денатурації білків викладено у попередніх розділах.

Термічна обробка білків за температури 40–100ºС призводить не лише до денатурації, а й прискорює небажані термічні перетворення, які були розглянуті раніше.

Термічна обробка білковмісних продуктів за температури 100–120ºС призводить до руйнування макромолекул білка з розщепленням пептидних зв’язків і утворенням Н₂S (сірководень), NH₂ (аміак), СО₂, диметилсульфіда Н3С – S – CH3 та інших сполук небілкової природи.

Так, стерилізація молочних продуктів за температури вище 115ºС викликає руйнування цистеінових залишків з відщеплюванням сірководню, диметилсульфіда і цистеінової кислоти.

Серед продуктів розщеплення білків зустрічаються сполуки, що надають їм мутагенні властивості.

Мутагени утворюються під час обсмажування в маслі, коптіння у диму і сушці. Вони містяться в бульйонах, смаженій гов’ядині та свинині, домашній птиці, смажених яйцях, копченій і в’яленій рибі. Деякі із них викликають спадкові зміни в ДНК, і їх вплив на здоров’я людини може бути від незначного до летального.

Токсичні сполуки білків утворюються за термічної обробки вище 200ºС за рахунок реакції ізомеризації амінокислот із L-форми в D-форму. Такі перетворення можливі за нижчих температур, але в лужному середовищі.