В. Что такое денатурация белка. Опишите механизм денатурации белка выбранными факторами.

А. 1,2,3,4,5

1) В ходе ферментативной реакции с повышением температуры возрастает частота столкновений молекул фермента и субстрата друг с другом. В результате увеличивается вероятность образования фермент-субстратного комплекса и, как следствие, продуктов реакции, что свидетельствует о росте каталитической активности фермента.

При определенной температуре, называемой оптимальной, активность фермента достигает своего максимума. Для большинства ферментов температурный оптимум находится в пределах 40—50 °С, причем для каждого фермента его величина не является константой. Она зависит, например, от длительности реакции. При продолжительных реакциях оптимальная температура сдвигается в сторону более низких значений, и наоборот, при краткосрочных реакциях температурный оптимум сдвигается в сторону более высоких температур.2) Основным свойством белка, обеспечивающим его функцию, является избирательное взаимодействие с определенным веществом - лигандом. Лигандами могут быть вещества разной природы, как низкомолекулярные соединения, так и макромолекулы, в том числе и белки. На белковых молекулах есть участки, к которым присоединяется лиганд - центры связывания или активные центры. Центры связывания формируются из аминокислотных остатков, сближенных в результате формирования вторичной и третичной структуры. Связи между белком и лигандом могут быть нековалентными и ковалентными. Высокая специфичность взаимодействия («узнавания») белка и лиганда обеспечивается комплементарностью структуры центра связывания пространственной структуре лиганда.Под комплементарностью понимают химическое и пространственное соответствие активного центра белка и лиганда. Взаимодействие между белком Р и лигандом L описывается уравнением:

белок + лиганд↔ белково-лигандный комплекс.

3) Большинство протеолитических ферментов, участвующих в переваривании белков и пептидов, синтезируются и выделяются в виде неактивных предшественников – проферментов (зимогенов). Поэтому не происходит переваривания белков клеток, вырабатывающих проферменты. Активация проферментов осуществляется в просвете желудочно-кишечного тракта путём частичного протеолиза – отщепления части пептидной цепи зимогена. Активирование зимогенов осуществляется в 12-перстной кишке, начиная с трипсиногена. Трипсиноген активизируется избирательным протеолизом. Энтеропетидаза гидролизует определенную пептидную связь в трипсиногене. Трипсин активирует другие панкреатические зимогены (избирательный протеолиз) в том числе и трипсиноген. Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильной группой аргинина и лизина.

4) В водном растворе макромолекула представляет аморфный ион +NH3-R-COO−. При этом ионогенные группы имеются не только на концах молекул, но и в боковых аминокислотных остатках R, распределенных по всей цепи. Поэтому для макромолекулы белка возможны различные состояния ионизации, определяемые зарядом макроиона, аминокислотным составом и рН. Макроион может быть заряжен положительно, отрицательно или иметь нулевой заряд в зависимости от pН среды. В кислой среде макроион имеет положительный заряд:

 +NН3-R-СОО- + H+

+NН3-R-СООH

в щелочной - отрицательный:

+NН3-R-СОО- + ОН-

NН2-R-СОО- + Н2O

В результате диссоциации ионогенных групп на макромолекуле белка возникает заряд. В нейтральной среде диссоциация кислотных и аминогрупп определяется константами диссоциации кислотных и аминогрупп. В белках кислотные группы диссоциируют больше, чем аминные, поэтому макромолекула содержит больше отрицательных зарядов

5) Реакция ацетилирования происходит в белках. И этот процесс известен как ацетилирование белков. Здесь N-концевое ацетилирование происходит путем замены атома водорода группы -NH2 белка на ацетильную группу. Это реакция является ферментативной, так как ее катализируют ферменты.

Метилирование ДНК и метилирование белка являются общими реакциями. Там метильная группа присоединяется к азотистому основанию ДНК, в то время как при метилировании белка аминокислоты в полипептидных цепях присоединяются с метильными группами.

Фосфорилирование - одна из наиболее популярных модификаций белков, которые происходят в животных клетках. Реакции фосфорилирования белков составляют часть механизмов регуляции биологической активности белка и являются обратимыми. Реакции фосфорилирования (АТФ + белок à фосфопротеин +АДФ) катализируются протеинкиназами, а реакции отщепления остатков фосфата (фосфопротеин à протеин + фосфат) протеинфосфатазами. Примером такого рода реакций могут быть реакции фосфорилирования гликоген синтазы и гликоген фосфорилазы в гепатоцитах в ответ на действие глюкагона – гормона поджелудочной железы.

Ацетилирование и метилирование являются реакциями, которые позволяют образовывать новые соединения из существующих молекул путем замены (или иногда путем добавления) функциональных групп, таких как ацетильная группа и алкильная группа.

Б. 1,6

1) При нагревании белков выше температур, присущих живым организмам, либо при их помещении в необычные кислотные или основные условия белки постепенно утрачивают характерную для них третичную или вторичную структуру. В этом случае белок теряет свою биологическую активность, и говорят, что он денатурируется.

6) Белки при взаимодействии с солями тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец и др.) денатурируют и образуют нерастворимые в воде комплексные соединения вследствие адсорбции тяжелого металла на поверхности белковой молекулы. На этой способности белков основано использование их в качестве противоядия при отравлении тяжелыми металлами.

В. Денатурация белка – то лишение белка его природных, нативных свойств, сопровождающееся разрушением четвертичной (если она была), третичной, а иногда и вторичной структуры белковой молекулы, которое возникает при разрушении дисульфидных и слабых типов связей, участвующих в образовании этих структур. Первичная структура при этом сохраняется, потому что она сформирована прочными ковалентными связями. Разрушение первичной структуры может произойти только в результате гидролиза белковой молекулы длительным кипячением в растворе кислоты или щелочи. При денатурации происходит разворачивание полипептидной цепи с выходом гидрофобных групп на поверхность белка, снижается его растворимость и теряется биологическая активность белка.

При действии небольших концентраций солей тяжелых металлов (Рb+2, Аg+1, Аs+3, Нg+2, Сd+2, Вi+3и т.д.) на растворы белка происходит денатурация белковых молекул. Осаждение денатурированного белка обусловлено адсорбцией иона тяжелого металла на поверхности белковой молекулы и образованием прочных ковалентных связей с функциональными группами белков (чаще всего с - SH), не растворимых в воде комплексных соединений. Кроме того, тяжелые металлы нейтрализуют электрический заряд, нарушают активность и изменяют четвертичную, третичную и вторичную структуры макромолекул белка, образуя связи между функциональными группами молекул. Существуют определенные границы концентраций солей тяжелых металлов, при которых комплекс белка с солью тяжелого металла переходит в осадок либо находится в растворимом состоянии.

Повышение температуры более 45-50⁰С приводит к увеличению теплового движения атомов в молекуле, что способствует разрыву слабых связей в молекуле белка. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

7

На рисунке представлены функциональные группы аминокислот, при участии которых образуются в белках определённые типы связей:

OH

1. - NH₃⁺; -COO^-. 2.—C Н ₃ ;       -- СН ₂ —. 3.— OH; O = C —

4. NH; О=С   5.— SH; О=С— 6.— SH; HS —.

                                                 NH ₂