Биологические полимеры - белки

Содержание реферата

Введение
1. Строение белков
2. Классификация белков
3. Структурная организация белковых молекул
4. Выделение белков
5. Цветные реакции белков
6. Расшифровка первичной структуры белка
7. Функции белков
8. Как синтезируют белок
9. Заключение
Список литературы

«Жизнь - есть способ существования белковых тел»
Ф. Энгельс.

Введение

Белки вместе с нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами, некоторыми низкомолекулярными органическими веществами, минеральными солями и водой образуют протоплазму всех земных организмов - животных и растительных, сложных и элементарных. Термин «протоплазма» предложен чешским физиологом Пуркине (1839) для обозначения содержимого живой клетки. Содержание белков в протоплазме, как правило, значительно выше, чем всех остальных ее компонентов (не считая воду). В большинстве случаев на белки приходится до 75-80 % сухой массы клеток.
Белковые вещества представляют главную, наиболее активную часть протоплазмы: «В протоплазме ярче просвечивают свойства той составной части, которая присутствует в большем количестве и которая наиболее активна «Данилевский А. Я. (основное вещество протоплазмы и его видоизменение жизнью. 1894).
Убеждение в перворазрядном значении белков для жизни остается непоколебленным и в наше время несмотря на открытие роли нуклеиновых кислот в явлениях наследственности, выяснение важнейшего значения для жизнедеятельности витаминов, гормонов и т. д.
Благодаря особенностям своего состава и структуры белки обнаруживают замечательное разнообразие физических и химических свойств. Известны белки, совершенно нерастворимые в воде, есть белки, крайне неустойчивые, изменяющиеся под влиянием видимого света или даже легкого механического прикосновения. Есть белки, молекулы которых имеют вид нитей, достигающих в длину нескольких миллиметров, и есть белки, молекулы которых представляют шарики диаметром в несколько десятков ангрем. Но во всех случаях строение и свойства белков находятся в тесной и ответливой связи с выполняемой ими функцией.

I. Строение белков.

Белки представляют собой самый многочисленный и наиболее разнообразный класс органических соединений клетки. Белки - это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. все аминокислоты имеют как минимум по одной аминогруппе (-NH₂) и карбоксильную группу (-COOH) и различаются структурной и физико-химическими свойствами радикалов (R).
Пептиды, содержащие от нескольких аминокислотных остатков до нескольких десятков, существуют в организме в свободной форме и обладают высокой биологической активностью. К ним относят ряд гормонов (окситоцин, адренокортикотропный гормон), некоторые очень токсичные ядовитые вещества (например, аманитин грибов), а также многие антибиотики, производимые микроорганизмами.
Белки представляют собой высокомолекулярные полипептиды, в состав которых входят от ста до нескольких тысяч аминокислот.

II. Классификация белков

Белки подразделяются на протеины (простые белки), состоящие только из остатков аминокислот, и протеиды (сложные белки), которые при гидролизе дают аминокислоты и вещества небелковой природы (фосфорную кислоту, углеводы, гетероциклические соединения, нуклеиновые кислоты). Протеины и протеиды разделяются на ряд подгрупп.
Протеины
Альбумины - белки, имеющие сравнительно небольшую молекулярную массу, хорошо растворяются в воде. Из водных растворов высаливаются насыщенным раствором сульфата аммония, при нагревании свертываются (денатурируют). Белок яйца - типичный представитель альбуминов. Многие из них получены в кристаллическом состоянии.
Глобулины - белки, нерастворимые в чистой воде, но растворимые в теплом 10 %-ном растворе Nacl. Чистый глобулин извлекают, разбавляя солевой раствор большим количеством воды. Глобулин - самые распространенные белки, входят в состав мышечных волокон, крови, молока, яйца, растительных семян.
Проламины незначительно растворимы в воде. Растворяются в 60-80 %-ном водном этиловом спирте. При гидролизе проламинов образуется в большом количестве аминокислота - пролин. Характерны для семян злаков. Примером их может служить глиадин - главный белок клейковины пшеницы.
Глютелины растворимы только в 0,2 %-ной щелочи. Найдены в семенах пшеницы, риса, кукурузы.
Протамины - обнаружены только в молоках рыб. На 80 % состоят из щелочных аминокислот, поэтому являются сильными основаниями. Совершенно не содержат серы.
Склеропротеины - нерастворимые белки, имеют нитевидную (фибриллярную) форму молекул. Содержат серу. К ним относятся коллаген (белки хрящей, некоторых костей), эластин (белки сухожилий, соединительных тканей), кератин (белки волос, рогов, копыт, верхнего слоя кожи), фиброин (белок нитей сырого шелка).
Протеиды. Сложные белки делятся на группы в зависимости от состава их небелковой части, которая называется простетической группой. Белковая часть сложных белков называется апобелком.
Липопротеиды - гидролизуются на простой белок и липиды. Липопротеиды содержатся в большом количестве в составе зерен хлорофилла и протоплазмы клеток, биологических мембран.
Гликопротеиды - гидролизуются на простые белки и высокомолекулярные углеводы. Не растворяются в воде, но растворяются в разбавленных щелочах. Содержатся в различных слизистых выделениях животных, в яичном белке,
Хромопротеиды - гидролизуются на простые белки и красящие вещества. Например, гемоглобин крови распадается на белок глобин и сложное азотистое основание, содержащее железо.
Нуклеопротеиды - гидролизуются на простые белки, обычно протамины, или гистоны, и нуклеиновые кислоты.
Фосфопротеины - содержат фосфорную кислоту. Играют большую роль в питании молодого организма. Примером их является казеин - белок молока.

III. Структурная организация белковых молекул

Поскольку белки состоят из нескольких десятков аминокислот, соединенных в полипептидную цепь, клетке энергетически невыгодно держать их в виде цепочки (так называемая развернутая форма). Поэтому белки подвергаются компактизации, укладке, в результате которой они приобретают определенную пространственную организацию - пространственную структуру.
Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.
Первичная структура - последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи и определяется последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. Первичная структура любого белка уникальна и определяет его форму, свойства и функции.
Вторичная структура большинства белков имеет вид спирали и возникает в результате образования водородных связей между - СО - и NH - группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи.
Третичная структура имеет вид клубка или глобулы, и образуется в результате сложной пространственной укладки молекулы белка. Для каждого вида белка характерна специфическая формула глобулы. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот (дисульфидными, ионными, гидрофобными).
Четвертичная структура представляет собой сложный комплекс, объединяющий несколько третичных структур (например, белок гемоглобин образован четырьмя глобулами), удерживающихся нековалентными связями: ионными, водородными и гидрофобными.
Изменение пространственной формы, а следовательно, свойств и биологической активности нативного белка называют денатурацией. Денатурация может быть обратимой и необратимой. В первом случае нарушается четвертичная, третичная или вторичная структура и возможен обратный процесс восстановления структуры белка - ренатурация, во втором - происходит разрыв пептидных связей в составе первичной структуры. Денатурация вызывается химическими воздействиями, высокой температурой (выше 45 град. С), облучением, высоким давлением и т. д.

V. Выделение белков

Белки экстрагируют из природного материала водой, растворами солей, щелочей, кислот, водно-спиртовыми растворами. Полученный таким образом продукт обычно содержит значительное количество примесей. Для дальнейшего выделения и очистки белка раствор обрабатывают солями (высаливание), насыщают спиртом или ацетоном, нейтрализуют. При этом выделяется соответствующая фракция белка. Выделить белок в неизменном состоянии очень трудно, для этого необходимо соблюдать целый ряд условий: низкие температуры, определенную реакцию среды и т. д.
Выделенные и очищенные белки в большинстве случаев представляют собой белый порошок или сохраняют природную форму (например, белки шерсти и шелка).
По форме молекул белки можно разделить на две группы: фибриллярные, или нитевидные, и глобулярные, или шаровидные. Фибриллярные белки, как правило, выполняют структурообразующие функции. Их свойства (прочность, растяжимость) зависят от способа упаковки полипептидных цепочек, поэтому после выделения белки обычно сохраняют природную форму. Примером фибриллярных белков могут служить фиброин шелка, кератины, коллагены.
Ко второй группе относится большинство белков, содержащихся в организме человека. Для глобулярных белков характерно наличие участков с высокой реакционной способностью (они могут быть каталитическими центрами ферментов) или образовывать комплексы с другими молекулами за счет приближенных друг к другу в пространстве функциональных групп.

VI. Цветные реакции белков

Для белков характерны некоторые цветные реакции, связанные с наличием в их молекуле определенных группировок и аминокислотных остатков.
Биуретовая реакция - появление фиолетового окрашивания при обработке белка концентрированным раствором щелочи и насыщенным раствором CuSO₄. Связана с наличием в молекуле пептидных связей.
Ксантопротеиновая реакция - появление желтой окраски в результате действия на белки концентрированной азотной кислоты. Реакция связана с наличием в белке ароматических колец.
Миллионова реакция - появление вишнево-красного окрашивания при действии на белок Миллонова реактива (раствор нитрата ртути в азотистой кислоте). Реакция объясняется присутствием в белке фенольных группировок.
Сульфгидрильная реакция - выпадение черного осадка сернистого свинца при нагревании белка с раствором плюсбита (связана с наличием в белке сульфгидрильных групп).
Реакция Адамкевича - появление фиолетового окрашивания при добавлении к белку глиоксалевой и концентрированной серной кислот. Связана с наличием индольных группировок.

VII. Расшифровка первичной структуры белка

Расшифрововать первичную структуру белка - это значит установить его формулу, т. е. определить, в какой последовательности аминокислотные остатки расположены в полипептидной цепи.
Знание первичной структуры белка хорошо иллюстрируют данные работы Ингрэма, исследовавшего причины одного распространенного в некоторых районах Африки и Средиземноморья наследственного заболевания крови, так называемой серповидной анемии. Больные серповидной анемией бледны, жалуются на слабость, одышку при малейшем напряжении. Они редко доживают до 12-17 лет. При анализе крови у ни обнаруживается необычная форма эритроцитов. Эритроцит у больных имеют вид серпов или полулуний, тогда как нормальные эритроциты имеют форму двояковогнутых дисков. При детальном исследовании выяснилось, что гемоглобин в здоровых эритроцитах распределен по всей клетке равномерно и беспорядочно, в эритроцитах же больных анемией гемоглобин образует правильные кристаллические структуры. Благодаря кристаллизации гемоглобина происходит деформация эритроцитов. В чем же причина столь существенного изменения гемоглобина? Ингрэм изолировал гемоглобин из крови больных серповидной анемией и произвел анализ его первичной структуры. При этом выяснилось, что отличие гемоглобина больных от гемоглобина здоровых состоит только в том, что в полипетпидный цепи гемоглобина больных на 6-м месте (от N-конца) находится остаток валина (вал), в то время, как на том же месте в гемоглобине здоровых находится глуталиновая кислота (глу). Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (четырех полипептидных цепей_ - двух альфа и двух бетта с общим числом аминокислотных остатков, равным: 141х2 + 146х2 + 574. Замена «глу» на «вал» имеет место в альфа-цепях, т. е. в двух цепях из четырех. Таким образом, в молекуле, состоящей из 574 аминокислотных остатков, достаточно заменить только два, а остальные 572 оставить без изменения, чтобы произошли глубокие изменения свойств гемоглобина. Если изменить его способность кристаллизоваться и связывать кислород, то произойдут роковые последствия для здоровья людей.
Сэнгер (Кембридж, Англия) еще в 40-х годах приступил к расшифровке первичной структуры белка инсулина. В ходе кропотливых и трудоемких исследований Сэнгер разработал ряд новых методов и приемов анализа. Эти работы проводились им в течение более 10 лет и увенчались полным успехом: формула инсулина была установлена, и за его выдающиеся достижения автор удостоен Нобелевской премии (1958). Значение работ Сэнгер состоит не только в расшифровке первичной структуры инсулина, но и в этом, что был приобретен опыт, разработаны новые методы, доказана реальность этих исследований. После работ Сенджера это было легче делать другим исследователям. Действительно, вслед за Сенджером во многих лабораториях были развернуты работы по расшифровке первичной структуры ряда белков, усовершенствованы методы анализа и разработаны новые методы.

VIII. Функции белков

Каталитическая

Белки - ферменты вырабатываются живыми организмами; они обладают каталитическим действием, т. е. способностью увеличивать скорости определенных химических реакций. На ферментативном действии основаны процессы брожения, с доисторических времен применяемые при производстве вин, уксуса, пива и хлеба. В 1680 г. голландский натуралист Антони Левенгук использовал микроскоп собственной конструкции для наблюдения клеток дрожжей и бактерий; однако он не считал их живыми организмами. В 1857 г. Луи Пастер показал, что дрожжи представляют собой живой организм, а брожение - физиологический процесс. В 1897 г. Э. Бюхнеру удалось доказать, что брожение может происходить без участия целых дрожжевых клеток. Проэкстрагировав дрожжевые клетки, он получил раствор, не содержащий клеток, но обладающий ферментативной активностью (содержащий фермент, или энзим). Слово «энзим» происходит от греческого en 2yme - в закваске.
Вплоть до 1926 г. не было получено никаких данных, свидетельствующих о том, что ферменты - это белки. Только в 1926 г. Джеймсу Б. Самнеру (1887-1955), работавшему в Корнеллском университете, удалось выделить из соевых бобов в чистом виде и получить в кристаллической форме фермент уреазу Уреаза - белок, катализирующий гидролитическое расщепление мочевины

СО(NH₂)₂ + H₂O - CO₂ + 2NH₃

Молекулярная масса уреазы 480000; молекула состоит из шести субъединиц.
Известно около 2000 различных ферментов, часть их подробно изучена. По современной классификации все ферменты делятся на шесть классов.

1. Оксиредуктазы или окислительно-восстановительные ферменты. Это большая группа, состоящая из 180-190 ферментов. Оксиредуктазы ускоряют окисление или восстановление различных химических веществ. Так, относящийся к этому классу фермент алкогольдегидрогеназа катализирует окисление этилового спирта в уксусный альдегид и играет большую роль в процессе спиртового брожения.
Фермент липоксигеназа окисляет кислородом воздуха ненасыщеннные жирные кислоты. Действие этого фермента является одной из причин прогоркания муки и крупы.

2. Трансферазы. Представители этой группы ферментов катализируют перенос различных групп с одной молекулы на другую, например, фермент тирозинаминотрансфераза катализирует перенос аминогруппы. Ферменты этой группы играют большую роль в медицине.

3. Гидролазы. Ферменты этой группы катализируют реакции гидролиза. Представители этой группы ферментов имеют большое значение в процессах пищеварения, в пищевой и других отраслях промышленности. Так, фермент липаза катализирует гидролиз глицеридов с образованием свободных жирных кислот и глицерина. Гидролиз пектиновых веществ протекает с участием пектолитических ферментов, их применение дает возможность повысить выход и осветлить плодово-ягодные соки.
Представителем группы гидролаз являются амилазы, катализирующие гидролиз крахмала. Они нашли широкое применение в спиртовой, хлебопекарной, крахмало-паточной промышленностях.
К гидролазам относится большая группа протеолитических ферментов, катализирующих гидролиз белков и пептидов. Они применяются в легкой и пищевой промышленности. С их помощью провозят «мягчение» мяса, кожи, получение сыров.

4. Лиазы. Катализируют реакции расщепления между атомами углерода, угдерода и кислорода, углерода и азота, углерода и галогена. К ферментам этой группы относятся декарбоксилазы, отщепляющие молекулу диоксида углерода от органических кислот.

5. Изомеразы. Ферменты этой группы катализируют разнообразные перегруппировки внутри молекулы органического соединения.

6. Лигазы. катализируют образование связей С - О; С - S; С - N; С - С. Характерной особенностью ферментов является их высокая эффективность (они способны катализировать сложнейшие реакции в очень мягких условиях) и строгая направленность. Действие ферментов чрезвычайно сильно зависит от ряда факторов: температуры (оптимальная температура 30-50 град. С), кислотности среды, присутствия специфических веществ, носящих название активаторов и ингибиторов. Первые повышают активность ферментов, вторые снижают (угнетают ферменты). Сейчас налажено промышленное производство ряда ферментных препаратов. Применение их в различных отраслях промышленности дает большой экономический эффект.
Строительная функция - являются структурными компонентами биологических мембран и многих внутриклеточных органелл, главным компонентом опорных структур организма (коллаген хрящей и сухожилий; эластин соединительной ткани; кератин волос и ногтей).
Транспортная функция. Ряд белков крови способны присоединять и переносить различные вещества. Альбумин транспортирует жирные кислоты, альфа- и бета- глобулина переносит кислород. Транспортную функцию осуществляют белки - переносчики плазматических мембран.
Регуляторная функция. Многие гормоны являются веществами белковой природы, например: инсулин, глюкагон (антагонист инсулина), аденокортикотропный гормон (АКТГ) и некоторые другие.
Защитная функция. Ее выполняют иммуноглобулины крови, являющиеся антителами, фибрин и тромбин, участвующие в свертывании крови и останавливающие кровотечение. Сюда же можно отнести группу антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазу - СОД, каталазу), которые препятствуют развитию свободно-радикальных процессов, чрезвычайно вредных для организма.
Сократительная функция. Благодаря движению относительно друг друга нитей белков актина и миозина осуществляется сокращение мышц.
Рецепторная функция. Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, образуют рецепторы, которые «воспринимают информацию» от молекул гормонов.
Пищевые белки - питают зародыш на ранних стадиях развития и запасают биологически ценные вещества и ионы (казеин молока; ферритин, запасающий железо в селезенке).

IX. Как синтезируют белок

Как ни странно, интезировать белок искусственно иногда бывает проще, чем установить его структуру. пусть структура белка известна. Как же получить его в колбе?
Зададимся целью синтезировать искусственно один из самых простых белков - инсулин. Как мы уже говорили, молекула инсулина состоит из двух частей А и В. Очевидно, нужно получить отдельно обе цепи, а затем соединить их. Итак, синтез цепи В молекулы инсулина. Будем проводить его с С - конца цепи. Первая аминокислота - аланин. В первую очередь возьмем основу, к которой будем постепенно, кислоту за кислотой, приращивать инсулиновую цепь. В качестве такой основы можно брать ионообменные смолы, полистирол. Прикрепим к основе через карбоксильную группу первую аминокислоту - аланин.
Итак, аланин карбоксильной группой зацепился з смолу, но аминогруппа у него свободна. Теперь к этой аминогруппе надо прикрепить через карбоксильную группу следующую аминокислоту - аланин.
Итак, аланин карбоксильно группой зацепился за смолу, но аминогруппа у него свободна. теперь к этой аминогруппе надо прикрепить через карбоксильную группу следующую аминокислоту - лизин. Как это сделать? Хороший способ получения амидной связи между карбоксилом и аминогруппой - ацилирование последней хлорангидридом кислоты. При этом выделяется хлористый водород. Так и поступим. Возьмем хлорангидрид лизина и подействуем им на... Стоп! Ничего хорошего не получится. Дело в том, что в самом лизине есть аминогруппа, и не понятно, почему хлорангидрид лизина должен взаимодействовать лишь с аминогруппой первой аминокислоты (аланина), а не даст полиамид лизина.
Как же быть? Чтобы выйти из положения, нужно защитить аминогруппу лизина от действия хлорангидридов. Для этого ее ацилируют ангидридом трифторуксусной кислоты. Почему именно трифторуксусной, а не просто уксусной, почему аминогруппу нельзя просто проацетилировать, т. е. защитить группой COCH₃? Оказывается, ацетильная группа «держится» за аминогруппу прочно, а наша цель - посадить ее «на время». Трифторацетил же потом легко будет «снять», не разрушая образовавшегося пептида.
Значит, следующая стадия заключается в ацилирование по аминогруппе «привязанного» к смоле аланина хлорангидридом трифторацетилированного (тоже по аминогруппе) лизина. В случае лизина дело осложняется, но ее можно защитить какой-то группой Х, которая не отцепляется с нее во время синтеза и удаляется только в самом конце.
В результате мы получаем дипептид с защищенной аминогруппой. Теперь аминогруппу надо освободить. Защиту снимаем, действуя слабым раствором щелочи, и получаем свободную аминогруппу, способную принять следующую аминокислоту - пролин.
Очередная стадия теперь уже понятна - действуем на пептид хлоронгидридом трифторацетилированного треонина и т. д., пока не построим всю цепь из 30-ти аминокислот. Присоединяем последнюю кислоту - фенилаланин, снимаем защитную группу и,, действуя кислотой, отсоединяем готовую цепь от смолы.
Таким же образом синтезируем вторую цепь, соединяем обе цепи, и искусственный инсулин готов! Не так просто и не так быстро, не правда ли? Да, работа требует терпения и времени.
Тем не менее, в 1968 г. Мэрифилду удалось синтезировать сравнительно сложный белок - фермент рибонуклеазу. Он состоит из 124 аминокислот. Этот синтез включал 11931 стадию (подобных тем, что мы только что разобрали), он был проведен всего за три недели.

Х. Заключение

Синтез белка в лаборатории - венец достижений биорганической химии ХХ в. - потребовал громадных затрат времени и средств. А в живой клетке синтез белка идет с ошеломляющей легкостью: сборка молекулы гемоглобина, состоящей из 574 аминокислотных остатков, заканчивается в 90 сек. Разработка и внедрение в производство биологических способов получения белоксодержащихся продуктов и белков - также часть программы «химической бионики». В Киришах (Ленинградская область) в конце 1974 г. вступил в строй и выдал первую продукцию завод «Биохим», на котором выращивают кормовые дрожжи на такой казалось бы, малопривлекательной среде, как нефтепродукты. В более отдаленной перспективе намечается разработка синтеза белка на основе достижений «генной инженерии». Белки будут производиться на генетических заводах, в одних цехах которых будут конструироваться гены, в других синтезироваться нужные белки.
Примеры, показывающие громадное и все увеличивающееся расширение сферы приложения молекулярной биологии, можно продолжить, но и так ясно, что революция в биологии превратила ее в мощную и многообещающую производительную силу, способную ставить и разрешать задачи, еще недавно показавшиеся совершенно фантастическими. В этом отношении весьма интересна, например, точка зрения академика В. А. Энгельгардта по поводу возможности в наше время создать искусственно живое образование, т. е. синтезировать жизнь: «Не давая себя увлекать слишком поспешными декларациями ...можно все же с полной определенностью утверждать, что цель, так недавно казавшаяся недосягаемой, - искусственное создание простейших форм живого - вполне достижима».

Литература:

1. Грин Н, Стаут, У. Тейлор Д. Биология в 3-х т. Т. 1: Пер. с англ. /Под ред. Р. Сопера. М.: Мир, 1990. 368 с., ил.
2. Браун А. Д. и Фадеева М. Д. Молекулярные основы жизни. Пособие для учителей. М., Просвещение, 1976.
3. Шульпин Г. Б. Эта увлекательная химия. М.: Химия, 1984.
4. Л. Полинг, П. Полинг. Химия. Изд. Мир. Москва. 1978.
5. Нечаев А. П. Органическая химия: учеб. для учащихся пищевых техникумов. М.: высш. иск., 1988. 319 с., ил.
6. Палов И. Ю., Вахненко Д. В., Москвичев Д. В. Биология. Пособие - репетитор для поступающих в вузы. Ростов-на-Дону. Изд. Феникс. 1999. 576 с.
7. Биология для поступающих в вузы. Под ред. В. Н. Ярыгина. М.: высш. шк., 1995. 487 с., ил.