Какими свойствами обладают растворы белков

Растворимость белков в воде зависит от всех перечисленных выше свойств белков: формы, молекулярной массы, величины заряда, соотношения полярных и неполярных функциональных групп на поверхности белка. Кроме этого, растворимость белка определяется составом растворителя, т.е. наличием в растворе других растворённых веществ. Например, некоторые белки легче растворяются в слабом солевом растворе, чем в дистиллированной воде. С другой стороны, увеличение концентрации нейтральных солей может способствовать вьшадению определённых белков в осадок. Денатурирующие агенты, присутствующие в растворе, также снижают растворимость белков.

Физико-химические свойства белков
Физико-химические свойства белков определяются их аминокислотным составом и пространственной структурой (организацией). Белки обладают следующими основными свойствами:

– кислотно-основными;

– буферными;

– осмотическими;

– оптическими;

– растворимостью;

– осаждаемостью;

– денатурацией.
Кислотно-основные свойства белков (электрические)

Белки являются амфотерными полиэлектролитами. Амфотерность белкам придают кислотные и основные группы боковых радикалов аминокислот и концевые аминогруппа (NH3+) и карбоксильная группа (COO–) полипептидного остова, поскольку другие α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей.

Коллоидные и осмотические свойства белков
Водные растворы белков являются устойчивыми и равновесными, они со временем не коагулируют и не требуют присутствия стабилизаторов. Поскольку белковые растворы гомогенны, то напоминают истинные растворы, однако высокая молекулярная масса белков придает их растворам свойства коллоидных систем:
1. Оптические свойства белков
Растворы белков способны рассеивать лучи видимого света (эффект дифракции или явление Тиндаля). Луч света, проходя через раствор белка, преломляется и свет рассеивается. На данном физико-химическом свойстве белков основан метод количественного определения белка рефрактометрически (в чистых белковых растворах, например, в сыворотке крови).

2. Малая скорость диффузии – способствует равномерному распределению белков внутри клетки, между клеткой и кровью, а также препятствует скоплению белка в местах его биосинтеза.

3. Осмотические свойства белков

Белки в клетке, межклеточной жидкости, в крови повышают осмотическое давление и вызывают явление осмоса, т.е. перемещение ионов Nа+ и воды через мембраны в раствор белка.

Неспособность белков проникать через полупроницаемые мембраны вследствие высокой молекулярной массы используется в практике для очистки белков от низкомолекулярных примесей (солей, биогенных аминов, мочевины и др.) – процесс диализа.

4. Высокая вязкость белковых растворов

С увеличением концентрации белка вязкость раствора повышается, поскольку повышаются силы сцепления между поверхностями белковых молекул.

При повышении температуры вязкость белковых растворов понижается. Добавление некоторых солей кальция приводит к повышению вязкости, поскольку ионы Са2+ способствуют сцеплению молекул с помощью кальциевых мостиков. Иногда вязкость белкового раствора в присутствии Са2+ настолько увеличивается, что он теряет текучесть и превращается в гель.

5. Способность белков к образованию гелей

Коллоидные свойства белков.

Белковые растворы весьма устойчивы и их иногда относят к истинным растворам, но высокая молекулярная масса придаёт белковым растворам коллоидные свойства.

А. Оптические свойства:

ОПАЛЕСЦЕНЦИЯ – дифракция световых лучей при прохождении через раствор и, следовательно, наблюдение его некоторого потемнения при взгляде под прямым углом источнику света. Рассеивание света (конус ТИНДАЛЯ). Оптические свойства используются в световой микроскопии, нефелометрии, ТУРБОДИМЕТРИИ. При нефелометрии измеряется интенсивность отраженного света. При ТУРБОДИМЕТРИИ измеряется интенсивность проходящего света.

Б. Высокая вязкость растворов белка.

В. Малая скорость диффузии.

Г. Неспособность белков проникать через полупроницаемые мембраны. Давление, обусловленное белками, называется ОНКОТИЧЕСКИМ. Диализ – очистка белковых растворов от низкомолёкулярных веществ. В клинике используется ГЕМОДИАЛИЗ – очистка крови от азотистых компонентов.

Д. Способность белковых растворов переходить из состояния золя в гель. Гель хорошо образует миозин и др. фибриллярные белки.

Гидратация белков – способность белков связывать воду. Она осуществляется за счёт полярных групп;

пептидных связей. 100 г белка связывает 30-35 г. воды. Способность связывать воду изменяется с возрастом. Вода может проникать в молекулы и связываться с внутренними структурами белка с образованием раствора воды в белке. Вода может связываться и с наружными структурами белка с образованием ГИДРАТНОЙ оболочки.

Растворимость белков в воде (устойчивость белков в водном растворе).
Многие белки хорошо растворимы в воде, что определяется количеством полярных групп. Растворимость глобулярных молекул лучше, чем фибриллярных белков. Факторы, определяющие стабильность белковых растворов:

• наличие зарядов в белковой молекуле. Одноименные заряды способствуют растворимости белка, т.к. препятствуют соединению молекул и выпадению в осадок.
• наличие ГИДРАТНОЙ оболочки, препятствующей объединению белковых молекул.

Для осаждения белка его необходимо лишить этих двух факторов устойчивости. Методом осаждения белка является вливание — осаждение белка с помощью нейтральных солей – (NН4)2S04. В полунасыщенном растворе (NH4)2S04 осаждаются глобулины, а в насыщенном – альбумины. После удаления осаждающего фактора, белки переходят в растворенное состояние.

Лабильность пространственной структуры белка. Под действием внешних факторов может происходить нарушение высших уровней организации белковой молекулы (вторичной, третичной, четвертичной структур) при сохранении первичной структуры. При этом белок теряет свои НАТИВНЫЕ физико-химические и биологические свойства. Это явление называется денатурацией. Денатурацию вызывают химические факторы (повышение температуры, давления, механическое воздействие, УЗ, ионизирующее излучение), химические факторы (кислоты, щелочи, органические растворители спирт, фенол; соли тяжёлых металлов).

В некоторых случаях возможна РЕНАТУРАЦИЯ, когда денатурирующий фактор действовал кратковременно и нанёс лёгкое разрушение молекуле. В последние годы установлено, что в организме есть белковые системы предупреждающие денатурацию. Они тожё белковой природы – ШАПЕРОНЫ – класс белков, защищающий в условиях клетки другие белки от денатурации. Они облегчают формирование пространственной конфигурации белков. К ним относятся белки теплового шока или белки стресса.

6. Принципы классификации белков. Простые и сложные белки. Характеристика простых белков: а гистоны, протамины,альбумины и глобулины. В настоящее время нет единой и стройной классификации белков, учитывающей различные параметры. В основе имеющихся классификаций лежит один признак. Так, белки можно классифицировать: по форме молекул (глобулярные/фибриллярные); по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.); по химическому строению (наличие/отсутствие небелковой части); по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные и др.); по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.); по локализации в организме (белки крови, сердца, печени и др.); по возможности адаптивно регулировать количество данных белков; по продолжительности жизни в клетке; по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям.

Простые белки содержат в своем составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. К ним относятся: гистоны, в их составе содержится много аминокислотных остатков лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд.

Сложные белки – в своем составе содержат, кроме полипептидных цепей, присоединенную к белку слабыми или ковалентными связями небелковую часть. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, к-л органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы. В состав белков часто входят фосфорные остатки, углеводные остатки, придающие белкам дополнительную специфичность и часто уменьшают скорость их ферментативного протеолиза – гликопротеины. Белки, функционирующие в комплексе с липидами – липопротеины, а в комплексе с металлами – металлопротеины.

Альбумины – это группа схожих белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, содержат много глутаминовой кислоты и поэтому имеют кислые свойства и высокий отрицательный заряд при физиологических рН. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются, белком-транспортером в крови для многих веществ, в первую очередь для билирубина и длинноцепочечных жирных кислот.

Глобулины. Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа,слабокислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в “осадочных” пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты. При электрофорезе глобулины сыворотки крови разделяются, как минимум, на 4 фракции –α1-глобулины, α2-глобулины, β-глобулины и γ-глобулины. Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, α1-антитрипсин, α1-антихимотрипсин, α2-макроглобулин. Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ:трансферрин (переносит ионы железа), церулоплазмин (содержит ионы меди),гаптоглобин (переносчик гемоглобина), гемопексин (транспорт гема). γ-Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Протамины – Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются заменителями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Протамины присутствуют в клетках, не способных к делению. Их функция как у гистонов –структурная.

Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются сдезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибонуклеопротеины. Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.Можно выделить две функции гистонов:

1. Регуляция активности генома, а именно – они препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.

Гистоны в комплексе с ДНК образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Между нуклеосомами располагается гистон H1, также связанный с молекулой ДНК. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза и переходит к гистону H1, после чего обвивает следующую нуклеосому. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается всуперспираль и суперсуперспираль. Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом. Например, благодаря гистонам в конечном итоге размеры ДНК уменьшаются в тысячи раз: длина ДНК достигает 6-9 см (10-1), а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10-6).

7. Современные представления о структуре и функциях нуклеиновых кислот. Первичная и вторичная структуры ДНК. Строение мономеров нуклеиновых кислот.Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды), биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетич. информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков.

Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной фосфатным остатком одного мононуклеотида и З’-гидроксиль-ной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3′,5′-фосфодиэфир-ная связь) Межнуклеотидная 3′,5′-фосфодиэфирная связь гидролитически расщепляется нуклеазами. Это большая группа ферментов, различающихся по специфичности. Есть нуклеазы, гидролизующие как РНК, так и ДНК, есть такие, которые расщепляют только РНК (РНКазы) или только ДНК (ДНКазы). Одни из них отщепляют только концевые нуклеотиды (экзонуклеазы), другие гидролизуют внутренние связи (эндонуклеазы). Используя определенный набор нуклеаз, можно гидролизо-вать нуклеиновые кислоты до нуклеозидмонофосфатов — мономеров нуклеиновых кислот. При этом в гидролизате РНК обнаруживается четыре типа рибонук-леозидмонофосфатов, а в гидролизате ДНК — четыре типа дезоксирибонуклео-зидмонофосфатов (см. табл. 3.1). Азотистые основания мономеров РНК и ДНК в трех случаях совпадают, а в одном — различны: УМФ (основание урацил) — в РНК, ТМФ (основание тимин) — в ДНК.

Таким образом, нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры нуклеозидмонофосфатов, полинуклеотиды. Концы полинуклеотида различаются по структуре: на одном конце имеется свободная 5′-фосфатная группа (5′-конец), на другом — свободная З’-ОН-группа (З’-конец).

Разные ДНК отличаются друг от друга числом мононуклеотидных остатков в молекуле, нуклеотидным составом и порядком чередования нуклеотидных остатков (фактически оснований, поскольку пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы). Так же отличаются друг от друга разные РНК. Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными символами нуклеозидов: А — аденозин, G — гуанозин, С — цитидин, U — уридин, Т — тимидин. Эти две записи, помимо символа «д», различаются еще тем, что в первой (РНК) не встречается символ Т, а во второй (ДНК) не встречается символ U.

При такой записи предполагается, что слева находится 5′-конец, справа — З’-конец. Иногда приходится писать полинуклеотиды противоположным образом; в этом случае во избежание путаницы вводят дополнительные приставки: (5′-3′) AUAAG… — здесь 5′-конец слева; или (3′-5′) GAAUA…, 5′-конец справа.

Из четырех разных нуклеотидов можно построить огромное количество нуклеиновых кислот, различающихся по первичной структуре. В этом отношении нуклеиновые кислоты сходны с белками.

8. Хромопротеины. Строение и функции гемоглобина. Типы гемоглобинов. Миоглобин.Хромопротеины содержат окрашенные простетические группы. К этим белкам относятгемопротеины (содержат гем), ретинальпротеины (содержат витамин А), флавопротеины(содержат витамин В2), кобамидпротеины(содержат витамин В12).

Гемоглобин входит в состав группы белков гемопротеины, которые сами являются подвидом хромопротеинов и подразделяются на неферментативные белки (гемоглобин, миоглобин) иферменты (цитохромы, каталаза, пероксидаза). Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Гемоглобин представляет собой белок, включающий 4 гемсодержащие белковые субъединицы. Между собой протомеры соединяются гидрофобными, ионными, водородными связями по принципу комплементарности. При этом они взаимодействуют не произвольно, а определенным участком – контактной поверхностью. Этот процесс высокоспецифичен, контакт происходит одновременно в десятках точек по принципу комплементарности. Взаимодействие осуществляют разноименно заряженные группы, гидрофобные участки, неровности на поверхности белка.

Белковые субъединицы в нормальном гемоглобине могут быть представлены различными типами полипептидных цепей: α, β, γ, δ, ε, ξ (соответственно, греч. – альфа, бета, гамма, дельта, эпсилон, кси). В состав молекулы гемоглобина входят по две цепи двух разных типов.

Гем соединяется с белковой субъединицей, во-первых, через остаток гистидинакоординационной связью железа, во-вторых, через гидрофобные связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот. Гем располагается как бы “в кармане” своей цепи и формируется гемсодержащий протомер.

Существует несколько нормальных вариантов гемоглобина:

HbР – примитивный гемоглобин, содержит 2ξ- и 2ε-цепи, встречается в эмбрионе между 7-12 неделями жизни,

HbF – фетальный гемоглобин, содержит 2α- и 2γ-цепи, появляется через 12 недель внутриутробного развития и является основным после 3 месяцев,

HbA – гемоглобин взрослых, доля составляет 98%, содержит 2α- и 2β-цепи, у плода появляется через 3 месяца жизни и к рождению составляет 80% всего гемоглобина,

HbA2 – гемоглобин взрослых, доля составляет 2%, содержит 2α- и 2δ-цепи,

HbO2 – оксигемоглобин, образуется при связывании кислорода в легких, в легочных венах его 94-98% от всего количества гемоглобина,

HbCO2 – карбогемоглобин, образуется при связывании углекислого газа в тканях, в венозной крови составляет 15-20% от всего количества гемоглобина.

Патологические формы гемоглобина

HbS – гемоглобин серповидно-клеточной анемии.

MetHb – метгемоглобин, форма гемоглобина, включающая трехвалентный ион железа вместо двухвалентного. Такая форма обычно образуется спонтанно, в этом случае ферментативных мощностей клетки хватает на его восстановление. При использовании сульфаниламидов, употреблении нитрита натрия и нитратов пищевых продуктов, при недостаточности аскорбиновой кислоты ускоряется переход Fe2+ в Fe3+. Образующийся metHb не способен связывать кислород и возникает гипоксия тканей. Для восстановления ионов железа в клинике используют аскорбиновую кислоту и метиленовую синь.

Hb-CO – карбоксигемоглобин, образуется при наличии СО (угарный газ) во вдыхаемом воздухе. Он постоянно присутствует в крови в малых концентрациях, но его доля может колебаться от условий и образа жизни.

Угарный газ является активным ингибитором гем-содержащих ферментов, в частности,цитохромоксидазы 4-го комплекса дыхательной цепи.

HbA1С – гликозилированный гемоглобин. Концентрация его нарастает при хронической гипергликемии и является хорошим скрининговым показателем уровня глюкозы крови за длительный период времени.

Миоглобин является одиночнойполипептидной цепью, состоит из 153 аминокислот с молекулярной массой 17 кДж и по структуре сходен с β-цепью гемоглобина. Белок локализован в мышечной ткани. Миоглобин обладаетболее высоким сродством к кислороду по сравнению с гемоглобином. Это свойство обуславливает функцию миоглобина – депонирование кислорода в мышечной клетке и использование его только при значительном уменьшении парциального давления О2 в мышце (до 1-2 мм рт.ст).