катерици- естествени полипептиди с огромно молекулно тегло. Те са част от всички живи организми и изпълняват различни биологични функции.
Структурата на протеина.
Протеините имат 4 нива на структура:
- първична структура на протеин- линейна последователност от аминокиселини в полипептидната верига, нагъната в пространството:
- вторична структура на протеина- конформация на полипептидната верига, т.к усукване в пространството поради водородни връзки между NHи ТАКАгрупи. Има 2 метода на инсталиране: α - спирала и β - структура.
- протеинова третична структурае триизмерно представяне на завихряне α - спирала или β -структури в пространството:
Тази структура се образува от дисулфидни мостове -S-S- между цистеинови остатъци. Противоположно заредените йони участват в образуването на такава структура.
- кватернерна протеинова структураобразувани от взаимодействието между различни полипептидни вериги:
Синтез на протеини.
Синтезът се основава на твърдофазния метод, при който първата аминокиселина се фиксира върху полимерен носител и към нея последователно се пришиват нови аминокиселини. След това полимерът се отделя от полипептидната верига.
Физически свойства на протеина.
Физичните свойства на протеина се определят от структурата, така че протеините се разделят на кълбовиден(разтворим във вода) и фибриларен(неразтворим във вода).
Химични свойства на протеините.
1. Денатурация на протеини(разрушаване на вторичната и третичната структура със запазване на първичната). Пример за денатурация е подсирването на яйчен белтък, когато яйцата се варят.
2. Протеинова хидролиза- необратимо разрушаване на първичната структура в кисел или алкален разтвор с образуване на аминокиселини. По този начин можете да определите количествения състав на протеините.
3. Качествени реакции:
Биуретова реакция- взаимодействие на пептидната връзка и соли на мед (II) в алкален разтвор. В края на реакцията разтворът става лилав.
ксантопротеинова реакция- при взаимодействие с азотна киселина се наблюдава жълт цвят.
Биологичното значение на протеина.
1. Протеините са строителен материал, от него са изградени мускулите, костите и тъканите.
2. Белтъци – рецептори. Те предават и приемат сигнали от съседни клетки от околната среда.
3. Протеините играят важна роля в имунната система на организма.
4. Протеините изпълняват транспортни функции и пренасят молекули или йони до мястото на синтез или натрупване. (Хемоглобинът пренася кислород до тъканите.)
5. Белтъци - катализатори - ензими. Това са много мощни селективни катализатори, които ускоряват реакциите милиони пъти.
Има редица аминокиселини, които не могат да бъдат синтезирани в тялото - незаменим, те се набавят само с храната: тизин, фенилаланин, метинин, валин, левцин, триптофан, изолевцин, треонин.
катерици- високомолекулни органични съединения, състоящи се от аминокиселинни остатъци, свързани в дълга верига чрез пептидна връзка.
Съставът на протеините на живите организми включва само 20 вида аминокиселини, всички от които са алфа-аминокиселини, а аминокиселинният състав на протеините и редът им на свързване един с друг се определят от индивидуалния генетичен код на живия организъм.
Една от характеристиките на протеините е способността им спонтанно да образуват пространствени структури, характерни само за този конкретен протеин.
Поради спецификата на тяхната структура, протеините могат да имат различни свойства. Например, протеини с глобуларна кватернерна структура, по-специално протеин от пилешко яйце, се разтварят във вода, за да образуват колоидни разтвори. Протеините с фибриларна кватернерна структура не се разтварят във вода. Фибриларните протеини, по-специално, образуват нокти, коса, хрущял.
Химични свойства на протеините
Хидролиза
Всички протеини са способни да претърпят хидролиза. В случай на пълна хидролиза на протеини се образува смес от α-аминокиселини:
Протеин + nH 2 O => смес от α-аминокиселини
Денатурация
Разрушаването на вторичната, третичната и кватернерната структура на протеина без разрушаване на неговата първична структура се нарича денатурация. Денатурирането на протеини може да се извърши под действието на разтвори на натриеви, калиеви или амониеви соли - такава денатурация е обратима:
Денатурацията, възникваща под въздействието на радиация (например нагряване) или обработка на протеин със соли на тежки метали, е необратима:
Така например необратима денатурация на протеина се наблюдава при топлинна обработка на яйца по време на тяхното приготвяне. В резултат на денатурацията на яйчния белтък изчезва способността му да се разтваря във вода с образуването на колоиден разтвор.
Качествени реакции към протеини
Биуретова реакция
Ако към разтвор, съдържащ протеин, се добави 10% разтвор на натриев хидроксид и след това малко количество 1% разтвор на меден сулфат, ще се появи виолетов цвят.
протеинов разтвор + NaOH (10% разтвор) + СuSO 4 = виолетов цвят
ксантопротеинова реакция
протеиновите разтвори при варене с концентрирана азотна киселина стават жълти:
протеинов разтвор + HNO 3 (конц.) => жълт цвят
Биологични функции на протеините
| каталитичен | ускоряват различни химични реакции в живите организми | ензими |
| структурен | клетъчен строителен материал | колаген, протеини на клетъчната мембрана |
| защитен | защита на тялото от инфекции | имуноглобулини, интерферон |
| регулаторен | регулират метаболитните процеси | хормони |
| транспорт | прехвърляне на жизненоважни вещества от една част на тялото в друга | хемоглобинът пренася кислород |
| енергия | захранва тялото с енергия | 1 грам протеин може да осигури на тялото 17,6 J енергия |
| мотор (мотор) | всяка двигателна функция на тялото | миозин (мускулен протеин) |
Съдържанието на статията
ПРОТЕИНИ (член 1)- клас биологични полимери, присъстващи във всеки жив организъм. С участието на протеини протичат основните процеси, които осигуряват жизнената дейност на тялото: дишане, храносмилане, мускулна контракция, предаване на нервни импулси. Костната тъкан, кожата, косата, роговите образувания на живите същества са съставени от протеини. За повечето бозайници растежът и развитието на организма се осъществяват благодарение на продукти, съдържащи протеини като хранителен компонент. Ролята на протеините в организма и съответно тяхната структура е много разнообразна.
Съставът на протеините.
Всички протеини са полимери, чиито вериги са сглобени от фрагменти на аминокиселини. Аминокиселините са органични съединения, съдържащи в състава си (в съответствие с наименованието) аминогрупа NH2 и органична киселина, т.е. карбоксилна, СООН група. От цялото разнообразие от съществуващи аминокиселини (теоретично броят на възможните аминокиселини е неограничен), само тези, които имат само един въглероден атом между аминогрупата и карбоксилната група, участват в образуването на протеини. Като цяло аминокиселините, участващи в образуването на протеини, могат да бъдат представени с формулата: H 2 N–CH(R)–COOH. R групата, свързана с въглеродния атом (тази между амино и карбоксилните групи), определя разликата между аминокиселините, които изграждат протеините. Тази група може да се състои само от въглеродни и водородни атоми, но по-често съдържа, в допълнение към С и Н, различни функционални (способни на по-нататъшни трансформации) групи, например HO-, H 2 N- и др. Има и опция, когато R \u003d H.
Организмите на живите същества съдържат повече от 100 различни аминокиселини, но не всички се използват в изграждането на протеини, а само 20, така наречените "основни". В табл. 1 са посочени техните наименования (повечето имена са се развили исторически), структурната формула, както и широко използваното съкращение. Всички структурни формули са подредени в таблицата така, че основният фрагмент на аминокиселината да е отдясно.
| Име | Структура | Обозначаване |
| ГЛИЦИН | GLI | |
| АЛАНИН | ALA | |
| ВАЛИН | ВАЛ | |
| ЛЕВЦИН | LEI | |
| ИЗОЛЕЙЦИН | ILE | |
| СЕРИН | SER | |
| ТРЕОНИН | TRE | |
| ЦИСТЕИН | ОНД | |
| МЕТИОНИН | MET | |
| ЛИЗИН | ЛИЗ | |
| АРГИНИН | AWG | |
| АСПАРАГИНОВА КИСЕЛИНА | ACH | |
| АСПАРАГИН | ACH | |
| ГЛУТАМИНОВА КИСЕЛИНА | GLU | |
| ГЛУТАМИН | GLN | |
| фенилаланин | сешоар | |
| ТИРОЗИН | ТИР | |
| триптофан | ТРИ | |
| ХИСТИДИН | ГИС | |
| ПРОЛИН | PRO | |
| В международната практика се приема съкратеното обозначение на изброените аминокиселини с латински трибуквени или еднобуквени съкращения, например глицин - Gly или G, аланин - Ala или A. | ||
Сред тези двадесет аминокиселини (Таблица 1) само пролинът съдържа NH група (вместо NH2) до COOH карбоксилната група, тъй като е част от цикличния фрагмент.
Осем аминокиселини (валин, левцин, изолевцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан), поставени в таблицата на сив фон, се наричат незаменими, тъй като тялото трябва постоянно да ги получава с протеинова храна за нормален растеж и развитие.
Протеиновата молекула се образува в резултат на последователното свързване на аминокиселини, докато карбоксилната група на една киселина взаимодейства с аминогрупата на съседната молекула, в резултат на което се образува –CO–NH– пептидна връзка и водата молекула се освобождава. На фиг. 1 показва последователното свързване на аланин, валин и глицин.
Ориз. един ПОСЛЕДОВАТЕЛНА ВРЪЗКА НА АМИНОКИСЕЛИНИпо време на образуването на протеинова молекула. Пътят от крайната аминогрупа H2N до крайната карбоксилна група COOH беше избран като основна посока на полимерната верига.
За компактно описание на структурата на протеиновата молекула се използват съкращенията за аминокиселини (Таблица 1, трета колона), участващи в образуването на полимерната верига. Фрагментът от молекулата, показан на фиг. 1 се записва по следния начин: H 2 N-ALA-VAL-GLY-COOH.
Протеиновите молекули съдържат от 50 до 1500 аминокиселинни остатъка (по-късите вериги се наричат полипептиди). Индивидуалността на протеина се определя от набора от аминокиселини, които изграждат полимерната верига и, не по-малко важно, от реда на тяхното редуване по веригата. Например, молекулата на инсулина се състои от 51 аминокиселинни остатъка (той е един от протеините с най-късата верига) и се състои от две взаимно свързани паралелни вериги с различна дължина. Последователността на аминокиселинните фрагменти е показана на фиг. 2.
Ориз. 2 МОЛЕКУЛА НА ИНСУЛИНА, изграден от 51 аминокиселинни остатъка, фрагменти от същите аминокиселини са маркирани със съответния цвят на фона. Цистеиновите аминокиселинни остатъци (съкратено обозначение CIS), съдържащи се във веригата, образуват дисулфидни мостове -S-S-, които свързват две полимерни молекули или образуват джъмпери в една верига.
Молекулите на аминокиселината цистеин (Таблица 1) съдържат реактивни сулфхидридни групи -SH, които взаимодействат помежду си, образувайки дисулфидни мостове -S-S-. Ролята на цистеина в света на протеините е специална, с негово участие се образуват кръстосани връзки между полимерни протеинови молекули.
Асоциирането на аминокиселини в полимерна верига се случва в жив организъм под контрола на нуклеинови киселини, именно те осигуряват строг ред на сглобяване и регулират фиксираната дължина на полимерната молекула ( см. НУКЛЕИНОВА КИСЕЛИНА).
Структурата на протеините.
Съставът на протеиновата молекула, представен под формата на редуващи се аминокиселинни остатъци (фиг. 2), се нарича първична структура на протеина. Водородни връзки възникват между иминогрупите HN, присъстващи в полимерната верига, и карбонилните групи CO ( см. ВОДОРОДНА ВРЪЗКА), в резултат на което протеиновата молекула придобива определена пространствена форма, наречена вторична структура. Най-често срещаните са два вида вторична структура на протеините.
Първият вариант, наречен α-спирала, се реализира с помощта на водородни връзки в една полимерна молекула. Геометричните параметри на молекулата, определени от дължините на връзките и ъглите на връзката, са такива, че е възможно образуването на водородни връзки за групите H-N и C=O, между които има два пептидни фрагмента H-N-C=O (фиг. 3) .
Съставът на полипептидната верига, показан на фиг. 3 се изписва съкратено, както следва:
Н 2 Н-АЛА ВАЛ-АЛА-ЛЕЙ-АЛА-АЛА-АЛА-АЛА-ВАЛ-АЛА-АЛА-АЛА-КООН.
В резултат на свиващото действие на водородните връзки, молекулата приема формата на спирала - така наречената α-спирала, изобразява се като извита спирална лента, преминаваща през атомите, които образуват полимерната верига (фиг. 4)
Ориз. четири 3D МОДЕЛ НА ПРОТЕИНОВА МОЛЕКУЛАпод формата на α-спирала. Водородните връзки са показани като зелени пунктирани линии. Цилиндричната форма на спиралата се вижда при определен ъгъл на завъртане (водородните атоми не са показани на фигурата). Цветът на отделните атоми е даден в съответствие с международните правила, които препоръчват черно за въглеродни атоми, синьо за азот, червено за кислород и жълто за сяра (бял цвят се препоръчва за водородни атоми, които не са показани на фигурата, в този случай цялата структура, изобразена на тъмен фон).
Друг вариант на вторичната структура, наречена β-структура, също се образува с участието на водородни връзки, разликата е, че H-N и C=O групите на две или повече паралелно разположени полимерни вериги си взаимодействат. Тъй като полипептидната верига има посока (фиг. 1), възможни са варианти, когато посоката на веригите е еднаква (паралелна β-структура, фиг. 5), или те са противоположни (антипаралелна β-структура, фиг. 6) .
Полимерни вериги с различен състав могат да участват в образуването на β-структурата, докато органичните групи, оформящи полимерната верига (Ph, CH 2 OH и др.), В повечето случаи играят второстепенна роля, взаимното разположение на H-N и C =O групите са решаващи. Тъй като групите H-N и C=O са насочени в различни посоки спрямо полимерната верига (нагоре и надолу на фигурата), става възможно три или повече вериги да взаимодействат едновременно.
Съставът на първата полипептидна верига на фиг. 5:
H 2 N-LEI-ALA-FEN-GLI-ALA-ALA-COOH
Съставът на втората и третата верига:
H 2 N-GLY-ALA-SER-GLY-TRE-ALA-COOH
Съставът на полипептидните вериги, показан на фиг. 6, същото като на фиг. 5, разликата е, че втората верига има противоположна (в сравнение с фиг. 5) посока.
Възможно е да се образува β-структура в рамките на една молекула, когато фрагмент от веригата в определен участък се окаже завъртян на 180 °, в този случай два клона на една молекула имат противоположна посока, в резултат на това антипаралел се образува β-структура (фиг. 7).
Структурата, показана на фиг. 7 в плоско изображение, показано на фиг. 8 под формата на триизмерен модел. Секциите на β-структурата обикновено се обозначават по опростен начин с плоска вълнообразна лента, която преминава през атомите, които образуват полимерната верига.
В структурата на много протеини се редуват участъци от α-спиралата и лентовидни β-структури, както и единични полипептидни вериги. Тяхното взаимно разположение и редуване в полимерната верига се нарича третична структура на протеина.
Методите за изобразяване на структурата на протеините са показани по-долу, използвайки растителния протеин крамбин като пример. Структурните формули на протеини, често съдържащи до стотици аминокиселинни фрагменти, са сложни, тромави и трудни за разбиране, поради което понякога се използват опростени структурни формули - без символи на химични елементи (фиг. 9, вариант А), но в същото време запазват цвета на валентните щрихи в съответствие с международните правила (фиг. 4). В този случай формулата се представя не в плоско, а в пространствено изображение, което съответства на реалната структура на молекулата. Този метод позволява например да се прави разлика между дисулфидни мостове (подобни на тези, открити в инсулина, фиг. 2), фенилови групи в страничната рамка на веригата и т.н. Изображението на молекулите под формата на триизмерни модели (топки, свързани с пръти) е малко по-ясен (фиг. 9, вариант B). И двата метода обаче не позволяват показване на третичната структура, така че американският биофизик Джейн Ричардсън предложи да се изобразят α-структурите като спирално усукани ленти (виж фиг. 4), β-структурите като плоски вълнообразни ленти (фиг. 8) и свързващите тях единични вериги - под формата на тънки снопове, всеки тип структура има свой собствен цвят. Този метод за изобразяване на третичната структура на протеин сега е широко използван (фиг. 9, вариант B). Понякога, за по-голямо съдържание на информация, третична структура и опростена структурна формула се показват заедно (фиг. 9, вариант D). Съществуват и модификации на метода, предложен от Ричардсън: α-спиралите са изобразени като цилиндри, а β-структурите са под формата на плоски стрелки, показващи посоката на веригата (фиг. 9, опция E). По-рядко срещан е методът, при който цялата молекула се изобразява като сноп, където неравните структури се отличават с различни цветове, а дисулфидните мостове се показват като жълти мостове (фиг. 9, вариант Е).
Вариант Б е най-удобен за възприятие, когато при изобразяване на третичната структура не са посочени структурните характеристики на протеина (фрагменти на аминокиселини, техният ред на редуване, водородни връзки), докато се приема, че всички протеини съдържат „подробности“ взети от стандартен набор от двадесет аминокиселини (Таблица 1). Основната задача при изобразяването на третична структура е да се покаже пространственото разположение и редуване на вторичните структури.
Ориз. 9 РАЗЛИЧНИ ВЕРСИИ НА ИЗОБРАЖЕНИЕ НА СТРУКТУРАТА НА ПРОТЕИНА CRUMBIN.
А е структурна формула в пространствено изображение.
B - структура под формата на триизмерен модел.
B е третичната структура на молекулата.
G - комбинация от опции A и B.
E - опростено изображение на третичната структура.
E - третична структура с дисулфидни мостове.
Най-удобна за възприемане е триизмерна третична структура (вариант Б), освободена от детайлите на структурната формула.
Белтъчна молекула, която има третична структура, като правило, придобива определена конфигурация, която се формира от полярни (електростатични) взаимодействия и водородни връзки. В резултат на това молекулата приема формата на компактна намотка - глобуларни протеини (глобули, лат. топка), или нишковидни - фибриларни протеини (фибра, лат. фибри).
Пример за глобуларна структура е протеинът албумин, протеинът на пилешкото яйце принадлежи към класа на албумините. Полимерната верига на албумина е съставена главно от аланин, аспарагинова киселина, глицин и цистеин, редуващи се в определен ред. Третичната структура съдържа α-спирали, свързани с единични вериги (фиг. 10).
Ориз. десет ГЛОБУЛНА СТРУКТУРА НА АЛБУМИНА
Пример за фибриларна структура е протеинът фиброин. Те съдържат голямо количество глицинови, аланинови и серинови остатъци (всеки втори аминокиселинен остатък е глицин); отсъстват цистеинови остатъци, съдържащи сулфхидридни групи. Фиброинът, основният компонент на естествената коприна и паяжината, съдържа β-структури, свързани с единични вериги (фиг. 11).
Ориз. единадесет ФИБРИЛАРЕН ПРОТЕИН ФИБРОИН
Възможността за образуване на третична структура от определен тип е присъща на първичната структура на протеина, т.е. определен предварително от реда на редуване на аминокиселинните остатъци. От някои набори от такива остатъци възникват предимно α-спирали (има доста такива набори), друг набор води до появата на β-структури, единичните вериги се характеризират с техния състав.
Някои протеинови молекули, запазвайки третична структура, са в състояние да се комбинират в големи супрамолекулни агрегати, докато се държат заедно чрез полярни взаимодействия, както и водородни връзки. Такива образувания се наричат кватернерна структура на протеина. Например протеинът феритин, който се състои основно от левцин, глутаминова киселина, аспарагинова киселина и хистидин (ферицинът съдържа всичките 20 аминокиселинни остатъка в различни количества) образува третична структура от четири паралелно положени α-спирали. Когато молекулите се комбинират в един ансамбъл (фиг. 12), се образува кватернерна структура, която може да включва до 24 феритинови молекули.
Фиг.12 ФОРМИРАНЕ НА КВАТЕРНЕРНАТА СТРУКТУРА НА ГЛОБУЛАРНИЯ ПРОТЕИН ФЕРИТИН
Друг пример за супрамолекулни образувания е структурата на колагена. Това е фибриларен протеин, чиито вериги са изградени главно от глицин, редуващ се с пролин и лизин. Структурата съдържа единични вериги, тройни α-спирали, редуващи се с лентовидни β-структури, подредени в паралелни снопове (фиг. 13).
Фиг.13 НАДМОЛЕКУЛНА СТРУКТУРА НА КОЛАГЕН ФИБРИЛАРЕН ПРОТЕИН
Химични свойства на протеините.
Под действието на органични разтворители, отпадъчните продукти на някои бактерии (млечнокисела ферментация) или с повишаване на температурата, вторичните и третичните структури се унищожават, без да се уврежда първичната му структура, в резултат на което протеинът губи разтворимост и губи биологична активност, това процесът се нарича денатурация, тоест загуба на естествени свойства, например подсирване на кисело мляко, коагулиран протеин на варено пилешко яйце. При повишени температури протеините на живите организми (по-специално микроорганизмите) бързо се денатурират. Такива протеини не могат да участват в биологични процеси, в резултат на това микроорганизмите умират, така че вареното (или пастьоризирано) мляко може да се съхранява по-дълго.
Пептидните връзки H-N-C=O, образуващи полимерната верига на протеиновата молекула, се хидролизират в присъствието на киселини или основи и полимерната верига се разкъсва, което в крайна сметка може да доведе до оригиналните аминокиселини. Пептидните връзки, включени в α-спирали или β-структури, са по-устойчиви на хидролиза и различни химически атаки (в сравнение със същите връзки в единични вериги). По-деликатно разглобяване на протеиновата молекула на нейните съставни аминокиселини се извършва в безводна среда с помощта на хидразин H 2 N–NH 2, докато всички аминокиселинни фрагменти, с изключение на последния, образуват така наречените хидразиди на карбоксилната киселина, съдържащи фрагментът C (O)–HN–NH 2 (фиг. 14).
Ориз. четиринадесет. ПОЛИПЕПТИДНО РАЗПАДАНЕ
Такъв анализ може да даде информация за аминокиселинния състав на протеина, но е по-важно да се знае тяхната последователност в протеиновата молекула. Един от широко използваните методи за тази цел е действието на фенилизотиоцианат (FITC) върху полипептидната верига, която в алкална среда се прикрепя към полипептида (от края, който съдържа аминогрупата), и когато реакцията на средата се промени до киселинна, тя се отделя от веригата, отнасяйки със себе си фрагмент от една аминокиселина (фиг. 15).
Ориз. петнадесет СЕКВЕНЦИАЛНО ПОЛИПЕПТИДНО разцепване
За такъв анализ са разработени много специални методи, включително тези, които започват да „разглобяват“ протеинова молекула на нейните съставни компоненти, като се започне от карбоксилния край.
Кръстосаните дисулфидни мостове S-S (образувани от взаимодействието на цистеинови остатъци, фиг. 2 и 9) се разцепват, превръщайки ги в HS-групи чрез действието на различни редуциращи агенти. Действието на окислителите (кислород или водороден прекис) отново води до образуване на дисулфидни мостове (фиг. 16).
Ориз. 16. Разцепване на дисулфидни мостове
За създаване на допълнителни напречни връзки в протеините се използва реактивността на амино и карбоксилни групи. По-достъпни за различни взаимодействия са аминогрупите, които са в страничната рамка на веригата - фрагменти на лизин, аспарагин, лизин, пролин (Таблица 1). Когато такива аминогрупи взаимодействат с формалдехид, възниква процесът на кондензация и се появяват напречни мостове –NH–CH2–NH– (фиг. 17).
Ориз. 17 СЪЗДАВАНЕ НА ДОПЪЛНИТЕЛНИ НАПРЕЧНИ МОСТОВЕ МЕЖДУ ПРОТЕИНОВИТЕ МОЛЕКУЛИ.
Крайните карбоксилни групи на протеина са способни да реагират със сложни съединения на някои поливалентни метали (по-често се използват хромни съединения), а също така възникват кръстосани връзки. И двата процеса се използват при дъбене на кожа.
Ролята на протеините в организма.
Ролята на протеините в организма е разнообразна.
Ензими(ферментация лат. - ферментация), другото им име е ензими (en zumh гръцки. - в дрожди) - това са протеини с каталитична активност, те са в състояние да увеличат скоростта на биохимичните процеси хиляди пъти. Под действието на ензимите съставните компоненти на храната: протеини, мазнини и въглехидрати се разграждат до по-прости съединения, от които след това се синтезират нови макромолекули, необходими за определен тип тяло. Ензимите също участват в много биохимични процеси на синтез, например в синтеза на протеини (някои протеини помагат да се синтезират други). См. ЕНЗИМИ
Ензимите са не само високоефективни катализатори, но и селективни (насочват реакцията строго в зададената посока). В тяхно присъствие реакцията протича с почти 100% добив без образуване на странични продукти и в същото време условията на протичане са меки: нормално атмосферно налягане и температура на живия организъм. За сравнение, синтезът на амоняк от водород и азот в присъствието на активиран железен катализатор се извършва при 400–500 ° C и налягане 30 MPa, добивът на амоняк е 15–25% на цикъл. Ензимите се считат за ненадминати катализатори.
Интензивното изучаване на ензимите започва в средата на 19 век; повече от 2000 различни ензими са изследвани сега; това е най-разнообразният клас протеини.
Имената на ензимите са както следва: името на реагента, с който ензимът взаимодейства, или името на катализираната реакция, се добавя с окончанието -аза, например аргиназата разлага аргинин (таблица 1), декарбоксилазата катализира декарбоксилирането, т.е. елиминиране на CO 2 от карбоксилната група:
– COOH → – CH + CO 2
Често, за да се посочи по-точно ролята на ензима, в името му се посочват както обектът, така и типът на реакцията, например алкохол дехидрогеназата е ензим, който дехидрогенира алкохоли.
За някои ензими, открити доста отдавна, историческото наименование (без окончанието -аза) е запазено, например пепсин (pepsis, Гръцки. храносмилане) и трипсин (thrypsis Гръцки. втечняване), тези ензими разграждат протеините.
За систематизиране ензимите се комбинират в големи класове, класификацията се основава на вида на реакцията, класовете се наименуват според общия принцип - името на реакцията и окончанието - аза. Някои от тези класове са изброени по-долу.
Оксидоредуктазаса ензими, които катализират редокс реакции. Дехидрогеназите, включени в този клас, извършват пренос на протони, например алкохол дехидрогеназата (ADH) окислява алкохолите до алдехиди, последващото окисление на алдехиди до карбоксилни киселини се катализира от алдехид дехидрогенази (ALDH). И двата процеса протичат в организма по време на преработката на етанол в оцетна киселина (фиг. 18).
Ориз. осемнадесет ДВУСТЪПНО ОКИСЛЕНИЕ НА ЕТАНОЛкъм оцетна киселина
Не етанолът има наркотичен ефект, а междинният продукт ацеталдехид, колкото по-ниска е активността на ензима ALDH, толкова по-бавно преминава вторият етап - окислението на ацеталдехида до оцетна киселина и толкова по-дълъг и по-силен е опияняващият ефект от поглъщането от етанол. Анализът показа, че повече от 80% от представителите на жълтата раса имат относително ниска активност на ALDH и следователно значително по-тежка поносимост към алкохол. Причината за тази вродена намалена активност на ALDH е, че част от остатъците от глутаминова киселина в „атенюираната“ молекула на ALDH е заменена от лизинови фрагменти (Таблица 1).
Трансферази- ензими, които катализират прехвърлянето на функционални групи, например трансиминазата катализира прехвърлянето на аминогрупа.
Хидролазиса ензими, които катализират хидролизата. Споменатите по-горе трипсин и пепсин хидролизират пептидните връзки, а липазите разцепват естерната връзка в мазнините:
–RC(O)OR 1 + H 2 O → –RC(O)OH + HOR 1
Лиаза- ензими, които катализират реакции, протичащи по нехидролитичен начин, в резултат на такива реакции връзките C-C, C-O, C-N се разкъсват и се образуват нови връзки. Ензимът декарбоксилаза принадлежи към този клас
Изомерази- ензими, които катализират изомеризацията, например превръщането на малеинова киселина във фумарова киселина (фиг. 19), това е пример за цис-транс изомеризация (виж ИЗОМЕРИЯ).
Ориз. 19. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ НА МАЛЕИНОВА КИСЕЛИНАвъв фумарова киселина в присъствието на ензима.
В работата на ензимите се спазва общият принцип, според който винаги има структурно съответствие между ензима и реагента на ускорената реакция. Според образния израз на един от основоположниците на учението за ензимите Е. Фишър, реактивът се приближава към ензима като ключ към ключалка. В тази връзка всеки ензим катализира определена химична реакция или група от еднотипни реакции. Понякога ензимът може да действа върху едно съединение, като уреаза (урон Гръцки. - урина) катализира само хидролизата на урея:
(H 2 N) 2 C \u003d O + H 2 O \u003d CO 2 + 2NH 3
Най-добра селективност показват ензимите, които разграничават оптически активните антиподи - леви и десни изомери. L-аргиназата действа само върху лявовъртящия аргинин и не засяга дясновъртящия изомер. L-лактат дехидрогеназата действа само върху лявовъртящите естери на млечната киселина, така наречените лактати (lactis лат. мляко), докато D-лактат дехидрогеназата разгражда само D-лактатите.
Повечето от ензимите действат не върху едно, а върху група свързани съединения, например трипсинът "предпочита" да разцепва пептидните връзки, образувани от лизин и аргинин (Таблица 1.)
Каталитичните свойства на някои ензими, като хидролази, се определят единствено от структурата на самата протеинова молекула, друг клас ензими - оксидоредуктази (например алкохол дехидрогеназа) могат да бъдат активни само в присъствието на непротеинови молекули, свързани с тях - витамини, които активират Mg, Ca, Zn, Mn и фрагменти от нуклеинови киселини (фиг. 20).
Ориз. двадесет МОЛЕКУЛА НА АЛКОХОЛД ДЕХИДРОГЕНАЗА
Транспортните протеини свързват и транспортират различни молекули или йони през клетъчните мембрани (както вътре, така и извън клетката), както и от един орган към друг.
Например, хемоглобинът свързва кислорода, докато кръвта преминава през белите дробове и го доставя до различни тъкани на тялото, където кислородът се освобождава и след това се използва за окисляване на хранителните компоненти, този процес служи като източник на енергия (понякога те използват термина "изгаряне" храна в тялото).
В допълнение към протеиновата част, хемоглобинът съдържа сложно съединение на желязото с циклична порфиринова молекула (porphyros Гръцки. - лилаво), което определя червения цвят на кръвта. Именно този комплекс (фиг. 21, вляво) играе ролята на преносител на кислород. В хемоглобина железопорфириновият комплекс се намира вътре в протеиновата молекула и се задържа чрез полярни взаимодействия, както и чрез координационна връзка с азота в хистидина (Таблица 1), който е част от протеина. Молекулата O2, която се пренася от хемоглобина, е прикрепена чрез координационна връзка към железния атом от страната, противоположна на тази, към която е прикрепен хистидинът (фиг. 21, вдясно).
Ориз. 21 СТРУКТУРА НА ЖЕЛЕЗНИЯ КОМПЛЕКС
Структурата на комплекса е показана вдясно под формата на триизмерен модел. Комплексът се държи в протеиновата молекула чрез координационна връзка (пунктирана синя линия) между Fe атома и N атома в хистидина, който е част от протеина. Молекулата O 2, която се пренася от хемоглобина, е координирана (червена пунктирана линия) към Fe атома от противоположната страна на планарния комплекс.
Хемоглобинът е един от най-изследваните протеини, той се състои от a-спирали, свързани с единични вериги и съдържа четири железни комплекса. Така хемоглобинът е като обемна опаковка за пренос на четири кислородни молекули наведнъж. Формата на хемоглобина съответства на глобуларните протеини (фиг. 22).
Ориз. 22 ГЛОБУЛНА ФОРМА НА ХЕМОГЛОБИН
Основното "предимство" на хемоглобина е, че добавянето на кислород и последващото му отделяне при предаване на различни тъкани и органи се извършва бързо. Въглеродният окис, CO (въглероден окис), се свързва с Fe в хемоглобина още по-бързо, но за разлика от O 2 образува комплекс, който трудно се разгражда. В резултат на това такъв хемоглобин не е в състояние да свърже O 2, което води (при вдишване на големи количества въглероден оксид) до смъртта на тялото от задушаване.
Втората функция на хемоглобина е преносът на издишания CO 2, но не и железният атом, а Н 2 от N-групата на протеина участва в процеса на временно свързване на въглеродния диоксид.
„Ефективността“ на протеините зависи от тяхната структура, например заместването на единствения аминокиселинен остатък от глутаминова киселина в полипептидната верига на хемоглобина с остатък от валин (рядко наблюдавана вродена аномалия) води до заболяване, наречено сърповидноклетъчна анемия.
Има и транспортни протеини, които могат да свързват мазнини, глюкоза, аминокиселини и да ги пренасят както вътре, така и извън клетките.
Транспортните протеини от специален тип не носят самите вещества, а действат като „регулатор на транспорта“, преминавайки определени вещества през мембраната (външната стена на клетката). Такива протеини често се наричат мембранни протеини. Те имат формата на кух цилиндър и, като са вградени в стената на мембраната, осигуряват движението на някои полярни молекули или йони в клетката. Пример за мембранен протеин е поринът (фиг. 23).
Ориз. 23 ПОРИН ПРОТЕИН
Хранителните и запасните протеини, както подсказва името, служат като източници на вътрешно хранене, по-често за ембрионите на растенията и животните, както и в ранните етапи на развитие на младите организми. Диетичните протеини включват албумин (фиг. 10) - основният компонент на яйчния белтък, както и казеин - основният протеин на млякото. Под действието на ензима пепсин казеинът се свива в стомаха, което осигурява задържането му в храносмилателния тракт и ефективното му усвояване. Казеинът съдържа фрагменти от всички аминокиселини, необходими на тялото.
Във феритина (фиг. 12), който се съдържа в тъканите на животните, се съхраняват железни йони.
Миоглобинът също е запасен протеин, който по състав и структура наподобява хемоглобина. Миоглобинът е концентриран главно в мускулите, основната му роля е съхранението на кислород, който хемоглобинът му доставя. Той бързо се насища с кислород (много по-бързо от хемоглобина) и след това постепенно го прехвърля в различни тъкани.
Структурните протеини изпълняват защитна функция (кожа) или подкрепа - те държат тялото заедно и му придават сила (хрущял и сухожилия). Основният им компонент е фибриларният протеин колаген (фиг. 11), най-често срещаният протеин в животинския свят, в тялото на бозайниците, той представлява почти 30% от общата маса на протеините. Колагенът има висока якост на опън (здравината на кожата е известна), но поради ниското съдържание на напречни връзки в кожния колаген животинските кожи не са много подходящи в суров вид за производството на различни продукти. За намаляване на подуването на кожата във вода, свиване при сушене, както и за увеличаване на здравината в напоено състояние и повишаване на еластичността в колагена се създават допълнителни напречни връзки (фиг. 15а), това е т.нар. процес на дъбене на кожа.
В живите организми колагеновите молекули, възникнали в процеса на растеж и развитие на организма, не се обновяват и не се заменят с новосинтезирани. С остаряването на тялото се увеличава броят на кръстосаните връзки в колагена, което води до намаляване на неговата еластичност и тъй като не настъпва обновяване, се появяват свързани с възрастта промени - увеличаване на крехкостта на хрущялите и сухожилията, появата на бръчки по кожата.
Ставните връзки съдържат еластин, структурен протеин, който лесно се разтяга в две измерения. Най-голяма еластичност има резилиновият протеин, който се намира в точките на шарнирно закрепване на крилата при някои насекоми.
Роговите образувания - косми, нокти, пера, състоящи се предимно от кератинов протеин (фиг. 24). Основната му разлика е забележимото съдържание на цистеинови остатъци, които образуват дисулфидни мостове, което придава висока еластичност (способността да възстанови първоначалната си форма след деформация) на косата, както и на вълнените тъкани.
Ориз. 24. ФРАГМЕНТ ОТ ФИБРИЛАРЕН ПРОТЕИН КЕРАТИН
За необратима промяна във формата на кератинов обект, първо трябва да разрушите дисулфидните мостове с помощта на редуциращ агент, да му придадете нова форма и след това да създадете отново дисулфидните мостове с помощта на окислител (фиг. 16), така например се прави къдрене на косата.
С увеличаване на съдържанието на цистеинови остатъци в кератина и съответно увеличаване на броя на дисулфидните мостове, способността за деформация изчезва, но в същото време се появява висока якост (рогата на копитни животни и черупките на костенурките съдържат до 18% цистеинови фрагменти). Бозайниците имат до 30 различни вида кератин.
Свързаният с кератин фибриларен протеин фиброин, секретиран от гъсеници на копринени буби по време на извиване на пашкули, както и от паяци по време на тъкане на мрежа, съдържа само β-структури, свързани с единични вериги (фиг. 11). За разлика от кератина, фиброинът няма напречни дисулфидни мостове, той има много силна якост на опън (якостта на единица напречно сечение на някои проби от мрежата е по-висока от тази на стоманените кабели). Поради липсата на кръстосани връзки, фиброинът е нееластичен (известно е, че вълнените тъкани са почти незаличими, а копринените се намачкват лесно).
регулаторни протеини.
Регулаторните протеини, по-често наричани хормони, участват в различни физиологични процеси. Например, хормонът инсулин (фиг. 25) се състои от две α-вериги, свързани с дисулфидни мостове. Инсулинът регулира метаболитните процеси с участието на глюкоза, липсата му води до диабет.
Ориз. 25 ПРОТЕИН ИНСУЛИН
Хипофизната жлеза на мозъка синтезира хормон, който регулира растежа на тялото. Има регулаторни протеини, които контролират биосинтезата на различни ензими в тялото.
Контрактилните и двигателните протеини дават на тялото способността да се свива, променя формата си и се движи, преди всичко, говорим за мускулите. 40% от масата на всички протеини, съдържащи се в мускулите, е миозин (mys, myos, Гръцки. - мускул). Молекулата му съдържа както фибриларна, така и глобуларна част (фиг. 26)
Ориз. 26 МОЛЕКУЛА МИОЗИН
Такива молекули се комбинират в големи агрегати, съдържащи 300–400 молекули.
Когато концентрацията на калциеви йони се промени в пространството около мускулните влакна, настъпва обратима промяна в конформацията на молекулите - промяна във формата на веригата поради въртенето на отделни фрагменти около валентните връзки. Това води до свиване и отпускане на мускулите, сигналът за промяна на концентрацията на калциевите йони идва от нервните окончания в мускулните влакна. Изкуственото свиване на мускулите може да бъде причинено от действието на електрически импулси, което води до рязка промяна в концентрацията на калциеви йони, това е основата за стимулиране на сърдечния мускул за възстановяване на работата на сърцето.
Защитните протеини ви позволяват да предпазите тялото от нахлуването на атакуващи бактерии, вируси и от проникването на чужди протеини (обобщеното име на чужди тела е антигени). Ролята на защитни протеини се изпълнява от имуноглобулини (другото им име е антитела), те разпознават антигени, които са проникнали в тялото и се свързват здраво с тях. В тялото на бозайниците, включително хората, има пет класа имуноглобулини: M, G, A, D и E, тяхната структура, както подсказва името, е глобуларна, освен това всички те са изградени по подобен начин. Молекулярната организация на антителата е показана по-долу, използвайки имуноглобулин клас G като пример (фиг. 27). Молекулата съдържа четири полипептидни вериги, свързани с три S-S дисулфидни моста (на фиг. 27 те са показани с удебелени валентни връзки и големи S символи), освен това всяка полимерна верига съдържа вътрешноверижни дисулфидни мостове. Две големи полимерни вериги (маркирани в синьо) съдържат 400–600 аминокиселинни остатъка. Другите две вериги (маркирани в зелено) са почти наполовина по-дълги и съдържат приблизително 220 аминокиселинни остатъка. И четирите вериги са разположени по такъв начин, че крайните H 2 N-групи са насочени в една посока.
Ориз. 27 СХЕМАТИЧЕН ЧЕРТЕЖ НА СТРУКТУРАТА НА ИМУНОГЛОБУЛИНА
След като тялото влезе в контакт с чужд протеин (антиген), клетките на имунната система започват да произвеждат имуноглобулини (антитела), които се натрупват в кръвния серум. На първия етап основната работа се извършва от секции на веригата, съдържащи терминал H 2 N (на фиг. 27 съответните секции са маркирани в светло синьо и светло зелено). Това са места за улавяне на антиген. В процеса на синтез на имуноглобулини тези места се образуват по такъв начин, че тяхната структура и конфигурация да съответстват максимално на структурата на приближаващия антиген (като ключ за ключалка, като ензими, но задачите в този случай са различно). Така за всеки антиген се създава строго индивидуално антитяло като имунен отговор. Нито един известен протеин не може да промени структурата си толкова "пластично" в зависимост от външни фактори, в допълнение към имуноглобулините. Ензимите решават проблема със структурното съответствие на реагента по различен начин - с помощта на гигантски набор от различни ензими за всички възможни случаи, а имуноглобулините всеки път възстановяват "работния инструмент". Освен това шарнирната област на имуноглобулина (Фиг. 27) осигурява на двете области на улавяне известна независима подвижност, в резултат на което имуноглобулиновата молекула може незабавно да „намери“ двете най-удобни области за улавяне в антигена, за да се фиксира сигурно това наподобява действията на ракообразно същество.
След това се включва верига от последователни реакции на имунната система на тялото, свързват се имуноглобулини от други класове, в резултат на което чуждият протеин се деактивира и след това антигенът (чужд микроорганизъм или токсин) се унищожава и отстранява.
След контакт с антигена максималната концентрация на имуноглобулин се достига (в зависимост от естеството на антигена и индивидуалните характеристики на самия организъм) в рамките на няколко часа (понякога няколко дни). Организмът запазва паметта за такъв контакт и при повторна атака със същия антиген имуноглобулините се натрупват в кръвния серум много по-бързо и в по-големи количества - възниква придобит имунитет.
Горната класификация на протеини е до известна степен условна, например протеинът тромбин, споменат сред защитните протеини, по същество е ензим, който катализира хидролизата на пептидните връзки, т.е. принадлежи към класа на протеазите.
Защитните протеини често се наричат протеини от змийска отрова и токсични протеини на някои растения, тъй като тяхната задача е да предпазват тялото от увреждане.
Има протеини, чиито функции са толкова уникални, че е трудно да се класифицират. Например, протеинът монелин, открит в африканско растение, е много сладък на вкус и е бил обект на изследване като нетоксично вещество, което може да се използва вместо захар за предотвратяване на затлъстяването. Кръвната плазма на някои антарктически риби съдържа протеини с антифризни свойства, които предпазват кръвта на тези риби от замръзване.
Изкуствен синтез на протеини.
Кондензацията на аминокиселини, водеща до полипептидна верига, е добре проучен процес. Възможно е да се извърши, например, кондензацията на всяка една аминокиселина или смес от киселини и да се получи, съответно, полимер, съдържащ същите единици или различни единици, редуващи се в произволен ред. Такива полимери имат малка прилика с естествените полипептиди и не притежават биологична активност. Основната задача е да се свържат аминокиселини в строго определен, предварително планиран ред, за да се възпроизведе последователността на аминокиселинните остатъци в естествените протеини. Американският учен Робърт Мерифийлд предложи оригинален метод, който направи възможно решаването на такъв проблем. Същността на метода е, че първата аминокиселина е прикрепена към неразтворим полимерен гел, който съдържа реактивни групи, които могат да се комбинират с –COOH – групите на аминокиселината. Като такъв полимерен субстрат беше взет омрежен полистирен с въведени в него хлорометилови групи. Така че аминокиселината, взета за реакцията, да не реагира сама със себе си и така че да не се присъедини към H 2 N-групата към субстрата, аминогрупата на тази киселина е предварително блокирана с обемен заместител [(C 4 H 9) 3] 3 OS (O) -група. След като аминокиселината се прикрепи към полимерната подложка, блокиращата група се отстранява и в реакционната смес се въвежда друга аминокиселина, в която H2N групата също е предварително блокирана. В такава система е възможно само взаимодействието на H 2 N-групата на първата аминокиселина и групата –COOH на втората киселина, което се извършва в присъствието на катализатори (фосфониеви соли). След това цялата схема се повтаря, като се въвежда третата аминокиселина (фиг. 28).
Ориз. 28. СХЕМА ЗА СИНТЕЗ НА ПОЛИПЕПТИДНИ ВЕРИГИ
В последния етап получените полипептидни вериги се отделят от полистиреновата подложка. Сега целият процес е автоматизиран, има автоматични пептидни синтезатори, които работят по описаната схема. По този метод са синтезирани много пептиди, използвани в медицината и селското стопанство. Също така беше възможно да се получат подобрени аналози на естествени пептиди със селективно и засилено действие. Синтезирани са някои малки протеини, като хормона инсулин и някои ензими.
Има и методи за синтез на протеини, които възпроизвеждат естествени процеси: те синтезират фрагменти от нуклеинови киселини, конфигурирани да произвеждат определени протеини, след което тези фрагменти се вмъкват в жив организъм (например в бактерия), след което тялото започва да произвежда желания протеин. По този начин сега се получават значителни количества труднодостъпни протеини и пептиди, както и техните аналози.
Протеините като хранителни източници.
Протеините в живия организъм непрекъснато се разграждат до първоначалните си аминокиселини (с незаменимото участие на ензими), едни аминокиселини преминават в други, след което отново се синтезират протеини (също с участието на ензими), т.е. тялото непрекъснато се обновява. Някои протеини (колаген на кожата, косата) не се обновяват, тялото непрекъснато ги губи и вместо това синтезира нови. Протеините като хранителни източници изпълняват две основни функции: доставят на тялото строителен материал за синтеза на нови протеинови молекули и освен това доставят на тялото енергия (източници на калории).
Месоядните бозайници (включително хората) получават необходимите протеини от растителна и животинска храна. Нито един от протеините, получени от храната, не се интегрира в тялото в непроменен вид. В храносмилателния тракт всички абсорбирани протеини се разграждат до аминокиселини и от тях вече са изградени необходимите за даден организъм протеини, докато останалите 12 могат да се синтезират от 8 незаменими киселини (Таблица 1) в тялото, ако не са се доставят в достатъчни количества с храната, но незаменимите киселини трябва да се доставят задължително с храната. Серните атоми в цистеина се получават от тялото с незаменимата аминокиселина метионин. Част от протеините се разграждат, освобождавайки енергията, необходима за поддържане на живота, а съдържащият се в тях азот се отделя от тялото с урината. Обикновено човешкото тяло губи 25-30 g протеин на ден, така че протеиновите храни винаги трябва да присъстват в правилното количество. Минималната дневна нужда от протеини е 37 г за мъжете и 29 г за жените, но препоръчителният прием е почти два пъти по-висок. Когато оценявате храните, е важно да вземете предвид качеството на протеина. При липса или ниско съдържание на незаменими аминокиселини, протеинът се счита за малоценен, така че такива протеини трябва да се консумират в по-големи количества. И така, протеините на бобовите растения съдържат малко метионин, а протеините на пшеницата и царевицата са с ниско съдържание на лизин (и двете аминокиселини са незаменими). Животинските протеини (с изключение на колагените) се класифицират като пълноценни храни. Пълен набор от всички незаменими киселини съдържа млечен казеин, както и извара и сирене, приготвено от него, така че вегетарианската диета, ако е много строга, т.е. „без млечни продукти“, изисква повишена консумация на бобови растения, ядки и гъби, за да се снабдят тялото с незаменими аминокиселини в точното количество.
Синтетичните аминокиселини и протеини също се използват като хранителни продукти, добавяйки ги към фуражите, които съдържат незаменими аминокиселини в малки количества. Има бактерии, които могат да обработват и асимилират нефтени въглеводороди, в този случай за пълния синтез на протеини те трябва да се хранят с азотсъдържащи съединения (амоняк или нитрати). Полученият по този начин протеин се използва като храна за добитък и птици. Към храната за животни често се добавя набор от ензими, карбохидрази, които катализират хидролизата на трудни за разграждане въглехидратни хранителни компоненти (клетъчните стени на зърнените култури), в резултат на което растителните храни се усвояват по-пълно.
Михаил Левицки
ПРОТЕИНИ (Член 2)
(протеини), клас сложни азотсъдържащи съединения, най-характерните и важни (заедно с нуклеиновите киселини) компоненти на живата материя. Протеините изпълняват много и разнообразни функции. Повечето протеини са ензими, които катализират химичните реакции. Много хормони, които регулират физиологичните процеси, също са протеини. Структурни протеини като колаген и кератин са основните компоненти на костната тъкан, косата и ноктите. Контрактилните протеини на мускулите имат способността да променят дължината си, като използват химическа енергия за извършване на механична работа. Протеините са антитела, които свързват и неутрализират токсични вещества. Някои протеини, които могат да реагират на външни влияния (светлина, миризма), служат като рецептори в сетивните органи, които възприемат дразнене. Много протеини, разположени вътре в клетката и върху клетъчната мембрана, изпълняват регулаторни функции.
През първата половина на 19в много химици, и сред тях преди всичко J. von Liebig, постепенно стигнаха до извода, че протеините са специален клас азотни съединения. Името "протеини" (от гръцки protos - първият) е предложено през 1840 г. от холандския химик Г. Мулдер.
ФИЗИЧНИ СВОЙСТВА
Протеините са бели в твърдо състояние, но безцветни в разтвор, освен ако не носят някаква хромофорна (цветна) група, като хемоглобин. Разтворимостта във вода на различните протеини варира значително. Той също варира в зависимост от pH и концентрацията на соли в разтвора, така че човек може да избере условията, при които един протеин ще се утаи селективно в присъствието на други протеини. Този метод на "осоляване" се използва широко за изолиране и пречистване на протеини. Пречистеният протеин често се утаява от разтвора като кристали.
В сравнение с други съединения, молекулното тегло на протеините е много голямо - от няколко хиляди до много милиони далтона. Следователно, по време на ултрацентрофугиране, протеините се утаяват и освен това с различни скорости. Поради наличието на положително и отрицателно заредени групи в белтъчните молекули, те се движат с различна скорост в електрическо поле. Това е в основата на електрофорезата, метод, използван за изолиране на отделни протеини от сложни смеси. Пречистването на протеини също се извършва чрез хроматография.
ХИМИЧНИ СВОЙСТВА
Структура.
Протеините са полимери, т.е. молекули, изградени като вериги от повтарящи се мономерни единици или субединици, чиято роля се играе от алфа-аминокиселини. Обща формула на аминокиселините
където R е водороден атом или някаква органична група.
Една протеинова молекула (полипептидна верига) може да се състои само от относително малък брой аминокиселини или няколко хиляди мономерни единици. Свързването на аминокиселини във верига е възможно, тъй като всяка от тях има две различни химични групи: аминогрупа с основни свойства, NH2, и киселинна карбоксилна група, COOH. И двете групи са свързани с въглеродния атом. Карбоксилната група на една аминокиселина може да образува амидна (пептидна) връзка с аминогрупата на друга аминокиселина:
След като две аминокиселини са свързани по този начин, веригата може да бъде удължена чрез добавяне на трета към втората аминокиселина и т.н. Както може да се види от горното уравнение, когато се образува пептидна връзка, се освобождава водна молекула. В присъствието на киселини, основи или протеолитични ензими реакцията протича в обратна посока: полипептидната верига се разцепва на аминокиселини с добавяне на вода. Тази реакция се нарича хидролиза. Хидролизата протича спонтанно и е необходима енергия за свързване на аминокиселините в полипептидна верига.
Карбоксилна група и амидна група (или имидна група, подобна на нея - в случая на аминокиселината пролин) присъстват във всички аминокиселини, докато разликите между аминокиселините се определят от естеството на тази група, или "странична верига", която е обозначена по-горе с буквата R. Ролята на страничната верига може да се играе от един водороден атом, като аминокиселината глицин, и някои обемисти групи, като хистидин и триптофан. Някои странични вериги са химически инертни, докато други са силно реактивни.
Много хиляди различни аминокиселини могат да бъдат синтезирани и много различни аминокиселини се срещат в природата, но само 20 вида аминокиселини се използват за синтеза на протеини: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагинова киселина, валин, хистидин, глицин, глутамин, глутаминова киселина киселина, изолевцин, левцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в протеините цистеинът може да присъства като димер - цистин). Вярно е, че в някои протеини има и други аминокиселини в допълнение към редовно срещащите се двадесет, но те се образуват в резултат на модификация на която и да е от изброените двадесет, след като е била включена в протеина.
оптична дейност.
Всички аминокиселини, с изключение на глицина, имат четири различни групи, свързани с α-въглеродния атом. По отношение на геометрията, четири различни групи могат да бъдат прикрепени по два начина и съответно има две възможни конфигурации, или два изомера, свързани един с друг като обект към неговия огледален образ, т.е. като лявата ръка надясно. Едната конфигурация се нарича лява или лява (L), а другата дясна или дясна (D), тъй като двата такива изомера се различават по посоката на въртене на равнината на поляризираната светлина. Само L-аминокиселини се срещат в протеините (изключение е глицинът; той може да бъде представен само в една форма, тъй като две от четирите му групи са еднакви) и всички те имат оптична активност (тъй като има само един изомер). D-аминокиселините са редки в природата; те се намират в някои антибиотици и клетъчната стена на бактериите.
Последователността на аминокиселините.
Аминокиселините в полипептидната верига не са подредени произволно, а в определен фиксиран ред и именно този ред определя функциите и свойствата на протеина. Променяйки реда на 20-те вида аминокиселини, можете да получите огромен брой различни протеини, точно както можете да съставите много различни текстове от буквите на азбуката.
В миналото определянето на аминокиселинната последователност на протеин често отнемаше няколко години. Директното определяне все още е доста трудоемка задача, въпреки че са създадени устройства, които позволяват автоматичното му извършване. Обикновено е по-лесно да се определи нуклеотидната последователност на съответния ген и да се изведе аминокиселинната последователност на протеина от нея. Към днешна дата аминокиселинните последователности на много стотици протеини вече са определени. Функциите на декодираните протеини обикновено са известни и това помага да си представим възможните функции на подобни протеини, образувани, например, в злокачествени новообразувания.
Сложни протеини.
Протеините, състоящи се само от аминокиселини, се наричат прости. Често обаче към полипептидната верига е прикрепен метален атом или някакво химично съединение, което не е аминокиселина. Такива протеини се наричат сложни. Пример е хемоглобинът: той съдържа железен порфирин, който му придава червения цвят и му позволява да действа като носител на кислород.
Имената на повечето сложни протеини съдържат индикация за естеството на свързаните групи: захарите присъстват в гликопротеините, мазнините в липопротеините. Ако каталитичната активност на ензима зависи от прикрепената група, тогава тя се нарича простетична група. Често някой витамин играе ролята на протетична група или е част от нея. Витамин А, например, прикрепен към един от протеините на ретината, определя нейната чувствителност към светлина.
Третична структура.
Важна е не толкова аминокиселинната последователност на протеина (първичната структура), а начинът, по който той е разположен в пространството. По цялата дължина на полипептидната верига водородните йони образуват правилни водородни връзки, които й придават формата на спирала или слой (вторична структура). От комбинацията на такива спирали и слоеве възниква компактна форма от следващия ред - третичната структура на протеина. Около връзките, които държат мономерните връзки на веригата, са възможни завъртания на малки ъгли. Следователно, от чисто геометрична гледна точка, броят на възможните конфигурации за всяка полипептидна верига е безкрайно голям. В действителност всеки протеин обикновено съществува само в една конфигурация, определена от неговата аминокиселинна последователност. Тази структура не е твърда, тя сякаш "диша" - тя осцилира около определена средна конфигурация. Веригата е сгъната в конфигурация, в която свободната енергия (способността за извършване на работа) е минимална, точно както освободената пружина се компресира само до състояние, съответстващо на минимум свободна енергия. Често една част от веригата е твърдо свързана с другата чрез дисулфидни (–S–S–) връзки между два цистеинови остатъка. Това е отчасти защо цистеинът сред аминокиселините играе особено важна роля.
Сложността на структурата на протеините е толкова голяма, че все още не е възможно да се изчисли третичната структура на протеина, дори ако неговата аминокиселинна последователност е известна. Но ако е възможно да се получат протеинови кристали, тогава неговата третична структура може да се определи чрез рентгенова дифракция.
В структурните, контрактилните и някои други протеини веригите са удължени и няколко леко нагънати вериги, разположени една до друга, образуват фибрили; фибрилите от своя страна се сгъват в по-големи образувания - влакна. Въпреки това, повечето протеини в разтвора са кълбовидни: веригите са навити в глобула, като преждата в кълбо. Свободната енергия с тази конфигурация е минимална, тъй като хидрофобните („водоотблъскващи“) аминокиселини са скрити вътре в глобулата, а хидрофилните („привличащи водата“) аминокиселини са на нейната повърхност.
Много протеини са комплекси от няколко полипептидни вериги. Тази структура се нарича кватернерна структура на протеина. Молекулата на хемоглобина, например, е изградена от четири субединици, всяка от които е глобуларен протеин.
Структурните протеини поради тяхната линейна конфигурация образуват влакна, в които якостта на опън е много висока, докато глобуларната конфигурация позволява на протеините да влизат в специфични взаимодействия с други съединения. На повърхността на глобулата, с правилното полагане на вериги, се появяват кухини с определена форма, в които се намират реактивни химични групи. Ако този протеин е ензим, тогава друга, обикновено по-малка, молекула от някакво вещество влиза в такава кухина, точно както ключът влиза в ключалка; в този случай конфигурацията на електронния облак на молекулата се променя под въздействието на химически групи, разположени в кухината, и това я принуждава да реагира по определен начин. По този начин ензимът катализира реакцията. Молекулите на антителата също имат кухини, в които се свързват различни чужди вещества и по този начин се обезвреждат. Моделът "ключ и ключалка", който обяснява взаимодействието на протеините с други съединения, дава възможност да се разбере спецификата на ензимите и антителата, т.е. способността им да реагират само с определени съединения.
Протеини в различни видове организми.
Протеините, които изпълняват една и съща функция в различни растителни и животински видове и следователно носят едно и също име, също имат подобна конфигурация. Те обаче се различават донякъде в своята аминокиселинна последователност. Тъй като видовете се отделят от общ прародител, някои аминокиселини в определени позиции се заменят с мутации с други. Вредните мутации, които причиняват наследствени заболявания, се изхвърлят чрез естествен подбор, но полезните или поне неутралните могат да бъдат запазени. Колкото по-близо са два биологични вида един до друг, толкова по-малко разлики се откриват в техните протеини.
Някои протеини се променят относително бързо, други са доста консервативни. Последните включват, например, цитохром с, респираторен ензим, открит в повечето живи организми. При хората и шимпанзетата неговите аминокиселинни последователности са идентични, докато в цитохром с на пшеницата само 38% от аминокиселините се оказаха различни. Дори когато се сравняват хората и бактериите, все още може да се види сходството на цитохромите с (разликите тук засягат 65% от аминокиселините), въпреки че общият прародител на бактериите и хората е живял на Земята преди около два милиарда години. В наши дни сравнението на аминокиселинни последователности често се използва за изграждане на филогенетично (генеалогично) дърво, което отразява еволюционните връзки между различни организми.
Денатурация.
Синтезираната протеинова молекула, сгъвайки се, придобива своя собствена конфигурация. Тази конфигурация обаче може да бъде разрушена чрез нагряване, чрез промяна на pH, чрез действието на органични разтворители и дори чрез просто разбъркване на разтвора, докато на повърхността му се появят мехурчета. Променен по този начин протеин се нарича денатуриран; той губи своята биологична активност и обикновено става неразтворим. Добре известни примери за денатуриран протеин са варени яйца или бита сметана. Малките протеини, съдържащи само около сто аминокиселини, са в състояние да ренатурират, т.е. възстановете оригиналната конфигурация. Но повечето от протеините просто се трансформират в маса от заплетени полипептидни вериги и не възстановяват предишната си конфигурация.
Една от основните трудности при изолирането на активни протеини е тяхната изключителна чувствителност към денатурация. Това свойство на протеините намира полезно приложение при консервирането на хранителни продукти: високата температура необратимо денатурира ензимите на микроорганизмите и микроорганизмите умират.
СИНТЕЗ НА ПРОТЕИН
За синтеза на протеини живият организъм трябва да има система от ензими, способни да прикрепят една аминокиселина към друга. Необходим е и източник на информация, който да определи кои аминокиселини трябва да бъдат свързани. Тъй като в тялото има хиляди видове протеини и всеки от тях се състои средно от няколкостотин аминокиселини, необходимата информация трябва да е наистина огромна. Той се съхранява (подобно на това как записът се съхранява на магнитна лента) в молекулите на нуклеиновата киселина, които изграждат гените.
Ензимна активация.
Полипептидната верига, синтезирана от аминокиселини, не винаги е протеин в крайната си форма. Много ензими първо се синтезират като неактивни прекурсори и стават активни едва след като друг ензим отстрани няколко аминокиселини от единия край на веригата. Някои от храносмилателните ензими, като трипсин, се синтезират в тази неактивна форма; тези ензими се активират в храносмилателния тракт в резултат на отстраняването на крайния фрагмент от веригата. Хормонът инсулин, чиято молекула в активната си форма се състои от две къси вериги, се синтезира под формата на единична верига, т.нар. проинсулин. След това средната част на тази верига се отстранява, а останалите фрагменти се свързват един с друг, образувайки активната хормонална молекула. Сложните протеини се образуват само след като определена химична група е прикрепена към протеина и това прикрепване често също изисква ензим.
Метаболитна циркулация.
След хранене на животно с аминокиселини, маркирани с радиоактивни изотопи на въглерод, азот или водород, етикетът бързо се включва в неговите протеини. Ако белязаните аминокиселини спрат да навлизат в тялото, тогава количеството на етикета в протеините започва да намалява. Тези експерименти показват, че получените протеини не се съхраняват в тялото до края на живота. Всички те, с малки изключения, са в динамично състояние, непрекъснато се разграждат до аминокиселини и след това отново се синтезират.
Някои протеини се разпадат, когато клетките умират и се унищожават. Това се случва през цялото време, например с червените кръвни клетки и епителните клетки, покриващи вътрешната повърхност на червата. В допълнение, разграждането и ресинтезата на протеини също се случват в живите клетки. Колкото и да е странно, по-малко се знае за разграждането на протеините, отколкото за техния синтез. Това, което е ясно обаче е, че в разграждането участват протеолитичните ензими, подобни на тези, които разграждат протеините до аминокиселини в храносмилателния тракт.
Времето на полуразпад на различните протеини е различно - от няколко часа до много месеци. Единственото изключение са молекулите на колагена. Веднъж образувани, те остават стабилни и не се подновяват или заменят. С течение на времето обаче някои от техните свойства, по-специално еластичността, се променят и тъй като не се обновяват, някои промени, свързани с възрастта, са резултат от това, например появата на бръчки по кожата.
синтетични протеини.
Химиците отдавна са се научили как да полимеризират аминокиселини, но аминокиселините се комбинират произволно, така че продуктите от такава полимеризация почти не приличат на естествените. Вярно е, че е възможно да се комбинират аминокиселини в определен ред, което прави възможно получаването на някои биологично активни протеини, по-специално инсулин. Процесът е доста сложен и по този начин е възможно да се получат само тези протеини, чиито молекули съдържат около сто аминокиселини. За предпочитане е вместо това да се синтезира или изолира нуклеотидната последователност на ген, съответстващ на желаната аминокиселинна последователност, и след това да се въведе този ген в бактерия, която ще произведе чрез репликация голямо количество от желания продукт. Този метод обаче има и своите недостатъци.
ПРОТЕИНИ И ХРАНЕНИЕ
Когато протеините в тялото се разграждат на аминокиселини, тези аминокиселини могат да се използват повторно за протеинов синтез. В същото време самите аминокиселини са обект на разпад, така че не се използват напълно. Също така е ясно, че по време на растеж, бременност и зарастване на рани протеиновият синтез трябва да надвишава разграждането. Тялото непрекъснато губи някои протеини; това са протеините на косата, ноктите и повърхностния слой на кожата. Следователно, за синтеза на протеини, всеки организъм трябва да получава аминокиселини от храната.
Източници на аминокиселини.
Зелените растения синтезират всички 20 аминокиселини, намиращи се в протеините от CO2, вода и амоняк или нитрати. Много бактерии също са в състояние да синтезират аминокиселини в присъствието на захар (или някакъв еквивалент) и фиксиран азот, но захарта в крайна сметка се доставя от зелени растения. При животните способността за синтез на аминокиселини е ограничена; те получават аминокиселини, като ядат зелени растения или други животни. В храносмилателния тракт усвоените протеини се разграждат до аминокиселини, последните се усвояват и от тях се изграждат белтъчините, характерни за дадения организъм. Нито един от абсорбирания протеин не се включва в телесните структури като такъв. Единственото изключение е, че при много бозайници част от майчините антитела могат да преминат непокътнати през плацентата в кръвообращението на плода и чрез майчиното мляко (особено при преживните) да бъдат прехвърлени на новороденото веднага след раждането.
Нужда от протеини.
Ясно е, че за да поддържа живота, тялото трябва да получава определено количество протеин от храната. Размерът на тази нужда обаче зависи от редица фактори. Тялото се нуждае от храна както като източник на енергия (калории), така и като материал за изграждане на своите структури. На първо място е нуждата от енергия. Това означава, че когато в диетата има малко въглехидрати и мазнини, диетичните протеини се използват не за синтеза на собствени протеини, а като източник на калории. При продължително гладуване дори вашите собствени протеини се изразходват за задоволяване на енергийните нужди. Ако в диетата има достатъчно въглехидрати, тогава приемът на протеини може да бъде намален.
азотен баланс.
Средно ок. 16% от общата протеинова маса е азот. Когато аминокиселините, които изграждат протеините, се разграждат, съдържащият се в тях азот се отделя от тялото с урината и (в по-малка степен) с изпражненията под формата на различни азотни съединения. Следователно е удобно да се използва такъв показател като азотен баланс, за да се оцени качеството на протеиновото хранене, т.е. разликата (в грамове) между количеството азот, приет в тялото, и количеството азот, отделен на ден. При нормално хранене при възрастен тези количества са равни. В растящия организъм количеството на отделения азот е по-малко от количеството на входящия, т.е. балансът е положителен. При липса на протеини в диетата балансът е отрицателен. Ако в диетата има достатъчно калории, но протеините липсват напълно, тялото спестява протеини. В същото време протеиновият метаболизъм се забавя и повторното използване на аминокиселините в протеиновия синтез протича възможно най-ефективно. Загубите обаче са неизбежни и азотните съединения все още се екскретират в урината и отчасти в изпражненията. Количеството азот, отделено от тялото на ден по време на протеиново гладуване, може да служи като мярка за дневната липса на протеин. Естествено е да се предположи, че чрез въвеждане в диетата на количество протеин, еквивалентно на този дефицит, е възможно да се възстанови азотният баланс. Обаче не е така. След като получи това количество протеин, тялото започва да използва аминокиселините по-малко ефективно, така че е необходим допълнителен протеин за възстановяване на азотния баланс.
Ако количеството протеин в диетата надвишава необходимото за поддържане на азотния баланс, тогава изглежда няма вреда от това. Излишните аминокиселини просто се използват като източник на енергия. Особено ярък пример са ескимосите, които консумират малко въглехидрати и около десет пъти повече протеини, отколкото е необходимо за поддържане на азотния баланс. В повечето случаи обаче използването на протеин като източник на енергия не е от полза, тъй като можете да получите много повече калории от дадено количество въглехидрати, отколкото от същото количество протеин. В бедните страни населението получава необходимите калории от въглехидрати и консумира минимално количество протеини.
Ако тялото получава необходимия брой калории под формата на непротеинови продукти, тогава минималното количество протеин, което поддържа азотния баланс, е приблизително. 30 г на ден. Приблизително толкова белтъчини съдържат четири филийки хляб или 0,5 литра прясно мляко. Малко по-голямо количество обикновено се счита за оптимално; препоръчва се от 50 до 70 g.
Есенциални аминокиселини.
Досега протеинът се разглежда като цяло. Междувременно, за да се осъществи протеиновият синтез, всички необходими аминокиселини трябва да присъстват в тялото. Някои от аминокиселините тялото на самото животно може да синтезира. Те се наричат взаимозаменяеми, тъй като не е задължително да присъстват в диетата - важно е само като цяло приемът на протеин като източник на азот да е достатъчен; след това, при недостиг на несъществени аминокиселини, тялото може да ги синтезира за сметка на тези, които присъстват в излишък. Останалите "незаменими" аминокиселини не могат да бъдат синтезирани и трябва да бъдат погълнати с храната. Основни за хората са валин, левцин, изолевцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, хистидин, лизин и аргинин. (Въпреки че аргининът може да се синтезира в тялото, той се счита за незаменима аминокиселина, тъй като новородените и растящите деца произвеждат недостатъчни количества от нея. От друга страна, за човек в зряла възраст приемът на някои от тези аминокиселини от храната може да стане по избор.)
Този списък от незаменими аминокиселини е приблизително същият при други гръбначни и дори при насекоми. Хранителната стойност на протеините обикновено се определя чрез хранене на подрастващи плъхове и следене на наддаването на тегло на животните.
Хранителната стойност на протеините.
Хранителната стойност на протеина се определя от незаменимата аминокиселина, която е най-дефицитна. Нека илюстрираме това с пример. Протеините на нашето тяло съдържат средно ок. 2% триптофан (тегловни). Да кажем, че диетата включва 10 g протеин, съдържащ 1% триптофан, и че в него има достатъчно други незаменими аминокиселини. В нашия случай 10 g от този дефектен протеин е по същество еквивалентен на 5 g пълен; останалите 5 g могат да служат само като източник на енергия. Имайте предвид, че тъй като аминокиселините практически не се съхраняват в тялото и за да се осъществи протеиновият синтез, всички аминокиселини трябва да присъстват едновременно, ефектът от приема на незаменими аминокиселини може да бъде открит само ако всички те постъпят в тяло едновременно.
Средният състав на повечето животински протеини е близък до средния състав на протеините на човешкото тяло, така че е малко вероятно да се сблъскаме с дефицит на аминокиселини, ако диетата ни е богата на храни като месо, яйца, мляко и сирене. Въпреки това, има протеини, като желатин (продукт от денатурацията на колаген), които съдържат много малко незаменими аминокиселини. Растителните протеини, въпреки че са по-добри от желатина в този смисъл, също са бедни на незаменими аминокиселини; особено малко в тях лизин и триптофан. Въпреки това, чисто вегетарианската диета не е никак вредна, освен ако не се консумират малко по-големи количества растителни протеини, достатъчни да осигурят на тялото незаменими аминокиселини. Повечето протеини се намират в растенията в семената, особено в семената на пшеницата и различни бобови растения. Младите филизи, като аспержи, също са богати на протеини.
Синтетични протеини в диетата.
Чрез добавяне на малки количества синтетични есенциални аминокиселини или протеини, богати на тях, към непълни протеини, като царевични протеини, е възможно значително да се увеличи хранителната стойност на последните, т.е. като по този начин увеличава количеството консумиран протеин. Друга възможност е да се отглеждат бактерии или дрожди върху петролни въглеводороди с добавяне на нитрати или амоняк като източник на азот. Микробният протеин, получен по този начин, може да служи като храна за домашни птици или добитък или може да бъде директно консумиран от хората. Третият, широко използван, метод използва физиологията на преживните животни. При преживните животни в началния отдел на стомаха, т.нар. Търбухът е обитаван от специални форми на бактерии и протозои, които превръщат дефектните растителни протеини в по-пълни микробни протеини, а те от своя страна, след смилане и усвояване, се превръщат в животински протеини. Уреята, евтино синтетично азотсъдържащо съединение, може да се добави към храната за добитък. Микроорганизмите, живеещи в търбуха, използват карбамиден азот, за да превърнат въглехидратите (от които има много повече във фуража) в протеини. Около една трета от целия азот в храната за животни може да дойде под формата на урея, което по същество означава, до известна степен, химически протеинов синтез.
Класификацията на протеините се основава на техния химичен състав. Според тази класификация протеините са простои комплекс. Простите протеини са изградени само от аминокиселини, тоест един или повече полипептиди. Простите протеини, открити в човешкото тяло, са албумини, глобулини, хистони, поддържащи тъканни протеини.
В сложната белтъчна молекула освен аминокиселини има и неаминокиселинна част, т.нар протезна група.В зависимост от структурата на тази група се разграничават такива сложни протеини като фосфопротеини (съдържат фосфорна киселина) нуклеопротеини(съдържат нуклеинова киселина), гликопротеини(съдържат въглехидрати) липопротеини(съдържат липоид) и др.
Според класификацията, която се основава на пространствената форма на протеините, протеините се разделят на фибриларени кълбовиден.
Фибриларните протеини се състоят от спирали, тоест предимно от вторична структура. Молекулите на глобуларните протеини имат сферична и елипсоидна форма.
Пример за фибриларни протеини е колаген -най-разпространеният протеин в човешкото тяло. Този протеин представлява 25-30% от общия брой протеини в тялото. Колагенът има висока якост и еластичност. Той е част от съдовете на мускулите, сухожилията, хрущялите, костите, съдовите стени.
Пример за глобуларни протеини са албумини и глобулини в кръвната плазма.
Физико-химични свойства на протеините.
Една от основните характеристики на протеините е тяхната високо молекулно тегло, която варира от 6000 до няколко милиона далтона.
Друго важно физикохимично свойство на протеините е тяхното амфотерни,тоест наличието както на киселинни, така и на основни свойства.Амфотерността се свързва с наличието в състава на някои аминокиселини на свободни карбоксилни групи, т.е. киселинни и аминогрупи, т.е. алкални. Това води до факта, че в кисела среда протеините проявяват алкални свойства, а в алкална среда те са киселинни. Въпреки това, при определени условия, протеините проявяват неутрални свойства. Стойността на pH, при която протеините са неутрални, се нарича изоелектрична точка. Изоелектричната точка за всеки протеин е индивидуална. Протеините по този показател се разделят на два големи класа - кисели и алкалнитъй като изоелектричната точка може да бъде изместена или на едната, или на другата страна.
Друго важно свойство на протеиновите молекули е разтворимост.Въпреки големия си молекулен размер, протеините са доста разтворими във вода. Освен това разтворите на протеини във вода са много стабилни. Първата причина за разтворимостта на протеините е наличието на заряд на повърхността на протеиновите молекули, поради което протеиновите молекули практически не образуват водонеразтворими агрегати. Втората причина за стабилността на протеиновите разтвори е наличието на хидратна (водна) обвивка в протеиновата молекула. Хидратиращата обвивка разделя протеините един от друг.
Третото важно физикохимично свойство на протеините е изсоляване,способността за утаяване под действието на обезводняващи агенти.Осоляването е обратим процес. Тази способност да влезеш в разтвора, след това да излезеш от него, е много важна за проявата на много жизненоважни свойства.
И накрая, най-важното свойство на протеините е способността им да денатурация.Денатурацията е загуба на нативност от протеин.Когато правим бъркани яйца в тиган, получаваме необратима денатурация на протеина. Денатурацията е постоянно или временно нарушение на вторичната и третичната структура на протеина, но първичната структура се запазва. В допълнение към температурата (над 50 градуса), други физически фактори могат да причинят денатурация: радиация, ултразвук, вибрации, силни киселини и основи. Денатурацията може да бъде обратима или необратима. При малки въздействия разрушаването на вторичната и третичната структура на протеина става незначително. Следователно, при липса на денатуриращ ефект, протеинът може да възстанови естествената си структура. Процесът на обратна денатурация се нарича ренатурация.Въпреки това, при продължителна и силна експозицияренатурацията става невъзможна и следователно денатурацията е необратима.
катерици- високомолекулни органични съединения, състоящи се от остатъци от α-аминокиселини.
AT протеинов съставвключва въглерод, водород, азот, кислород, сяра. Някои протеини образуват комплекси с други молекули, съдържащи фосфор, желязо, цинк и мед.
Протеините имат голямо молекулно тегло: яйчен албумин - 36 000, хемоглобин - 152 000, миозин - 500 000. За сравнение: молекулното тегло на алкохола е 46, оцетната киселина - 60, бензола - 78.
Аминокиселинен състав на протеините
катерици- непериодични полимери, мономерите на които са α-аминокиселини. Обикновено 20 вида α-аминокиселини се наричат протеинови мономери, въпреки че повече от 170 от тях са открити в клетки и тъкани.
В зависимост от това дали аминокиселините могат да се синтезират в тялото на човека и другите животни, има: неесенциални аминокиселини- може да се синтезира незаменими аминокиселини- не може да се синтезира. Есенциалните аминокиселини трябва да се приемат с храната. Растенията синтезират всички видове аминокиселини.
В зависимост от аминокиселинния състав, протеините са: пълноценни- съдържат целия набор от аминокиселини; дефектен- в състава им липсват някои аминокиселини. Ако протеините са изградени само от аминокиселини, те се наричат просто. Ако протеините съдържат освен аминокиселини и неаминокиселинен компонент (простетична група), те се наричат. комплекс. Простетичната група може да бъде представена от метали (металопротеини), въглехидрати (гликопротеини), липиди (липопротеини), нуклеинови киселини (нуклеопротеини).
всичко съдържат аминокиселини: 1) карбоксилна група (-COOH), 2) аминогрупа (-NH 2), 3) радикал или R-група (останалата част от молекулата). Структурата на радикала в различните видове аминокиселини е различна. В зависимост от броя на аминогрупите и карбоксилните групи, които изграждат аминокиселините, има: неутрални аминокиселинис една карбоксилна група и една амино група; основни аминокиселиниимащи повече от една амино група; киселинни аминокиселинис повече от една карбоксилна група.
Аминокиселините са амфотерни съединения, тъй като в разтвор те могат да действат както като киселини, така и като основи. Във водни разтвори аминокиселините съществуват в различни йонни форми.
Пептидна връзка
Пептиди- органични вещества, състоящи се от аминокиселинни остатъци, свързани с пептидна връзка.
Образуването на пептиди възниква в резултат на реакцията на кондензация на аминокиселини. Когато аминогрупата на една аминокиселина взаимодейства с карбоксилната група на друга, между тях възниква ковалентна връзка азот-въглерод, която се нарича пептид. В зависимост от броя на аминокиселинните остатъци, които изграждат пептида, има дипептиди, трипептиди, тетрапептидии т.н. Образуването на пептидна връзка може да се повтори многократно. Това води до образуването полипептиди. В единия край на пептида има свободна аминогрупа (нарича се N-край), а в другия край има свободна карбоксилна група (нарича се С-край).
Пространствена организация на белтъчните молекули
Изпълнението на определени специфични функции от протеините зависи от пространствената конфигурация на техните молекули, освен това е енергийно неблагоприятно клетката да поддържа протеини в разширена форма, под формата на верига, следователно полипептидните вериги са сгънати, придобивайки определена триизмерна структура или конформация. Разпределете 4 нива пространствена организация на протеините.
Първична структура на протеин- последователността на аминокиселинните остатъци в полипептидната верига, която изгражда протеиновата молекула. Връзката между аминокиселините е пептидна.
Ако една протеинова молекула се състои само от 10 аминокиселинни остатъка, тогава броят на теоретично възможните варианти на протеинови молекули, които се различават по реда на редуване на аминокиселините, е 10 20. С 20 аминокиселини можете да направите още по-разнообразни комбинации от тях. В човешкото тяло са открити около десет хиляди различни протеини, които се различават както един от друг, така и от протеините на други организми.
Това е първичната структура на протеиновата молекула, която определя свойствата на протеиновите молекули и нейната пространствена конфигурация. Замяната само на една аминокиселина с друга в полипептидната верига води до промяна в свойствата и функциите на протеина. Например, заместването на шестата глутаминова аминокиселина в β-субединица на хемоглобина с валин води до факта, че молекулата на хемоглобина като цяло не може да изпълнява основната си функция - транспорт на кислород; в такива случаи човек развива заболяване - сърповидно-клетъчна анемия.
вторична структура- подредено сгъване на полипептидната верига в спирала (прилича на опъната пружина). Намотките на спиралата са подсилени от водородни връзки между карбоксилни групи и амино групи. Почти всички CO и NH групи участват в образуването на водородни връзки. Те са по-слаби от пептидните, но повтаряйки се многократно, придават стабилност и твърдост на тази конфигурация. На нивото на вторичната структура има протеини: фиброин (коприна, мрежа), кератин (коса, нокти), колаген (сухожилия).
Третична структура- опаковане на полипептидни вериги в глобули, в резултат на възникването на химични връзки (водородни, йонни, дисулфидни) и установяване на хидрофобни взаимодействия между радикалите на аминокиселинните остатъци. Основна роля в образуването на третичната структура играят хидрофилно-хидрофобните взаимодействия. Във водни разтвори хидрофобните радикали са склонни да се скрият от водата, групирайки се вътре в глобулата, докато хидрофилните радикали са склонни да се появят на повърхността на молекулата в резултат на хидратация (взаимодействие с водни диполи). В някои протеини третичната структура се стабилизира от дисулфидни ковалентни връзки, които се образуват между серните атоми на двата цистеинови остатъка. На нивото на третичната структура има ензими, антитела, някои хормони.
Кватернерна структурахарактерни за сложните протеини, чиито молекули са образувани от две или повече глобули. Субединиците се задържат в молекулата чрез йонни, хидрофобни и електростатични взаимодействия. Понякога по време на образуването на кватернерна структура между субединиците възникват дисулфидни връзки. Най-изследваният протеин с кватернерна структура е хемоглобин. Образува се от две α-субединици (141 аминокиселинни остатъка) и две β-субединици (146 аминокиселинни остатъка). Всяка субединица е свързана с хем молекула, съдържаща желязо.
Ако по някаква причина пространствената конформация на протеините се отклони от нормалната, протеинът не може да изпълнява функциите си. Например, причината за "болестта на луда крава" (спонгиформна енцефалопатия) е анормална конформация на прионите, повърхностните протеини на нервните клетки.
Свойства на протеина
Аминокиселинният състав, структурата на протеиновата молекула определят нейния Имоти. Протеините комбинират основни и киселинни свойства, определени от аминокиселинните радикали: колкото повече киселинни аминокиселини има в протеина, толкова по-изразени са неговите киселинни свойства. Способността да се дава и привързва H + определя буферни свойства на протеините; един от най-мощните буфери е хемоглобинът в еритроцитите, който поддържа pH на кръвта на постоянно ниво. Има разтворими протеини (фибриноген), има неразтворими протеини, които изпълняват механични функции (фиброин, кератин, колаген). Има химически активни протеини (ензими), има химически неактивни, устойчиви на различни условия на околната среда и изключително нестабилни.
Външни фактори (топлина, ултравиолетова радиация, тежки метали и техните соли, промени в pH, радиация, дехидратация)
може да причини нарушение на структурната организация на протеиновата молекула. Процесът на загуба на триизмерната конформация, присъща на дадена протеинова молекула, се нарича денатурация. Причината за денатурацията е разкъсването на връзки, които стабилизират определена протеинова структура. Първоначално се разкъсват най-слабите връзки, а когато условията станат по-тежки, още по-силни. Следователно първо се губят кватернерните, след това третичните и вторичните структури. Промяната в пространствената конфигурация води до промяна в свойствата на протеина и в резултат на това прави невъзможно протеинът да изпълнява своите биологични функции. Ако денатурацията не е придружена от разрушаване на първичната структура, тогава може да бъде обратими, в този случай настъпва самовъзстановяване на конформационната характеристика на протеина. Такава денатурация се подлага, например, на мембранни рецепторни протеини. Процесът на възстановяване на структурата на протеин след денатурация се нарича ренатурация. Ако възстановяването на пространствената конфигурация на протеина е невъзможно, тогава се нарича денатурация необратим.
Функции на протеините
| функция | Примери и обяснения |
|---|---|
| Строителство | Протеините участват в образуването на клетъчни и извънклетъчни структури: те са част от клетъчните мембрани (липопротеини, гликопротеини), косата (кератин), сухожилията (колаген) и др. |
| транспорт | Кръвният протеин хемоглобин свързва кислорода и го транспортира от белите дробове до всички тъкани и органи, а от тях въглеродният диоксид се пренася в белите дробове; Съставът на клетъчните мембрани включва специални протеини, които осигуряват активен и строго селективен пренос на определени вещества и йони от клетката към външната среда и обратно. |
| Регулаторен | Протеиновите хормони участват в регулирането на метаболитните процеси. Например, хормонът инсулин регулира нивата на кръвната захар, насърчава синтеза на гликоген и увеличава образуването на мазнини от въглехидрати. |
| Защитен | В отговор на проникването на чужди протеини или микроорганизми (антигени) в тялото се образуват специални протеини - антитела, които могат да ги свързват и неутрализират. Фибринът, образуван от фибриноген, помага за спиране на кървенето. |
| Мотор | Контрактилните протеини актин и миозин осигуряват мускулна контракция при многоклетъчните животни. |
| Сигнал | В повърхностната мембрана на клетката са вградени протеинови молекули, способни да променят своята третична структура в отговор на действието на факторите на околната среда, като по този начин получават сигнали от външната среда и предават команди на клетката. |
| резерва | В тялото на животните протеините, като правило, не се съхраняват, с изключение на яйчен албумин, млечен казеин. Но благодарение на протеините в тялото някои вещества могат да се съхраняват в резерв, например при разграждането на хемоглобина желязото не се отделя от тялото, а се съхранява, образувайки комплекс с протеина феритин. |
| Енергия | При разграждането на 1 g протеин до крайните продукти се отделят 17,6 kJ. Първо протеините се разграждат до аминокиселини, а след това до крайните продукти - вода, въглероден диоксид и амоняк. Въпреки това, протеините се използват като източник на енергия само когато други източници (въглехидрати и мазнини) са изразходвани. |
| каталитичен | Една от най-важните функции на протеините. Осигурен с протеини - ензими, които ускоряват биохимичните реакции, протичащи в клетките. Например, рибулоза бифосфат карбоксилазата катализира фиксацията на CO2 по време на фотосинтезата. |
Ензими
Ензими, или ензими, е специален клас протеини, които са биологични катализатори. Благодарение на ензимите биохимичните реакции протичат с огромна скорост. Скоростта на ензимните реакции е десетки хиляди пъти (а понякога и милиони) по-висока от скоростта на реакциите, включващи неорганични катализатори. Веществото, върху което действа ензимът, се нарича субстрат.
Ензимите са глобуларни протеини структурни особеностиЕнзимите могат да бъдат разделени на две групи: прости и сложни. прости ензимиса прости протеини, т.е. се състои само от аминокиселини. Комплексни ензимиса сложни протеини, т.е. в допълнение към протеиновата част, те включват група от непротеинова природа - кофактор. За някои ензими витамините действат като кофактори. В молекулата на ензима е изолирана специална част, наречена активен център. активен център- малък участък от ензима (от три до дванадесет аминокиселинни остатъка), където свързването на субстрата или субстратите става с образуването на ензимно-субстратен комплекс. След завършване на реакцията ензим-субстратният комплекс се разлага на ензим и реакционен продукт(и). Някои ензими имат (освен активни) алостерични центрове- места, към които са прикрепени регулаторите на скоростта на ензимната работа ( алостерични ензими).
Реакциите на ензимната катализа се характеризират с: 1) висока ефективност, 2) строга селективност и посока на действие, 3) субстратна специфичност, 4) фина и прецизна регулация. Субстратната и реакционната специфика на реакциите на ензимна катализа се обяснява с хипотезите на E. Fischer (1890) и D. Koshland (1959).
Е. Фишър (хипотеза за ключалка)предполагат, че пространствените конфигурации на активния център на ензима и субстрата трябва да съответстват точно един на друг. Субстратът се сравнява с "ключа", ензимът - с "ключалката".
Д. Кошланд (хипотеза "ръка-ръкавица")предполагат, че пространственото съответствие между структурата на субстрата и активния център на ензима се създава само в момента на тяхното взаимодействие един с друг. Тази хипотеза се нарича още хипотеза за индуцирано съответствие.
Скоростта на ензимните реакции зависи от: 1) температурата, 2) концентрацията на ензима, 3) концентрацията на субстрата, 4) pH. Трябва да се подчертае, че тъй като ензимите са протеини, тяхната активност е най-висока при физиологично нормални условия.
Повечето ензими могат да работят само при температури между 0 и 40°C. В рамките на тези граници скоростта на реакцията се увеличава около 2 пъти за всяко повишаване на температурата с 10 °C. При температури над 40 °C протеинът претърпява денатурация и активността на ензима намалява. При температури, близки до точката на замръзване, ензимите се инактивират.
С увеличаване на количеството на субстрата скоростта на ензимната реакция се увеличава, докато броят на субстратните молекули стане равен на броя на ензимните молекули. При по-нататъшно увеличаване на количеството на субстрата скоростта няма да се увеличи, тъй като активните центрове на ензима са наситени. Увеличаването на концентрацията на ензима води до повишаване на каталитичната активност, тъй като по-голям брой субстратни молекули претърпяват трансформации за единица време.
За всеки ензим има оптимална стойност на pH, при която той проявява максимална активност (пепсин - 2,0, слюнчена амилаза - 6,8, панкреатична липаза - 9,0). При по-високи или по-ниски стойности на pH активността на ензима намалява. При резки промени в pH, ензимът денатурира.
Скоростта на алостеричните ензими се регулира от вещества, които се прикрепят към алостеричните центрове. Ако тези вещества ускоряват реакцията, те се наричат активаториако се забавят - инхибитори.
Класификация на ензимите
Според вида на катализираните химични трансформации ензимите се разделят на 6 класа:
- оксидоредуктаза(прехвърляне на водородни, кислородни или електронни атоми от едно вещество в друго - дехидрогеназа),
- трансфераза(прехвърляне на метилова, ацилова, фосфатна или аминогрупа от едно вещество в друго - трансаминаза),
- хидролази(реакции на хидролиза, при които от субстрата се образуват два продукта - амилаза, липаза),
- лиази(нехидролитично добавяне към субстрата или елиминиране на група атоми от него, докато връзките C-C, C-N, CO, C-S могат да бъдат разкъсани - декарбоксилаза),
- изомераза(вътремолекулно пренареждане - изомераза),
- лигази(свързването на две молекули в резултат на образуването на C-C, C-N, C-O, C-S връзки - синтетаза).
Класовете от своя страна се подразделят на подкласове и подподкласове. В настоящата международна класификация всеки ензим има специфичен код, състоящ се от четири числа, разделени с точки. Първият номер е класът, вторият е подкласът, третият е подкласът, четвъртият е серийният номер на ензима в този подклас, например кодът на аргиназата е 3.5.3.1.
Отидете на лекции номер 2"Структурата и функциите на въглехидратите и липидите"
Отидете на лекции №4"Структурата и функциите на АТФ нуклеиновите киселини"
Зареждане...