Физико-химические свойства белков

Белки относятся к высокомолекулярным соединениям. Относительная молекулярная масса белков - от 5000 до миллионов а.е.м. Для определения молекулярной массы белков применяют седиментационный анализ, гель-электрофорез, гель-хроматографию. Молекулярную массу вычисляют по скорости седиментации; последнюю выражают через константу седиментации S (сведберг).

Характерные физико-химические свойства белков:

- оптическая активность;

- способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм (имеет важное значение для количественного определения белков);

- высокая вязкость растворов;

- способность к набуханию;

- низкое осмотическое и высокое онкотическое давление;

- подвижность в электрическом поле;

- незначительная диффузия;

- белки не проникают через полупроницаемые мембраны (как биомембраны, так и мембраны искусственного происхождения).

Белки – полиэлектролиты, т.к. имеют фунциональные группы, способные к электролитической диссоциации.

Иизоэлектрическая точка (рI) – рН раствора, при котором суммарный заряд молекулы белка, обладающего амфотерными свойствами, равен нулю. Молекула белка неподвижна в электрическом поле. В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей растворимостью и легко осаждаются. Для большинства белков тканей животных и человека рI = 5,5-7,0.

Изоионный раствор белка - раствор, который не содержит никаких других ионов, кроме ионизированных остатков аминокислот белковой молекулы и ионов, образующихся при диссоциации воды. Значение рН изоионного раствора белка называют его изоионной точкой. Изоионная и изоэлектрическая точка белка совпадают только в том случае, когда обе равны 7.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Согласно функциональному принципу различают 12 главных классов белков:

1) каталитически активные (ферменты);

2) гормоны;

3) регуляторы активности генома;

4) защитные (антитела, белки свертывающей и противосвертывающей систем крови);

5) ингибиторы ферментов;

6) транспортные;

7) мембранные;

8) сократительные;

9) рецепторные;

10) токсические;

11) белки вирусной оболочки;

12) белки с прочими функциями.

Различают a-, β-, a+β- и a/β-белки:

- a-белки содержат a-спирали (более 60%);

- β-белки имеют β-структуру (не менее двух антипараллельных цепей);

- a+β–белки включают те и другие структуры в одной полипептидной цепи;

- a/β-белки состоят из a- и β-структур, которые чередуются вдоль домена или полипептидной цепи.

По химическому составу белки делят на 2 группы.

Простые белки состоят только из остатков аминокислот. При гидролизе образуют только свободные аминокислоты.

Сложные белки двухкомпонентны: состоят из простого белка и небелковой части (простетической группы).

ПРОСТЫЕ БЕЛКИ

Альбумины и глобулины.

Альбумины – белки, широко представленные в составе тканей животных и растений. Содержатся в сыворотке крови, белке яиц, молоке, в семенах растений. Хорошо растворимы в воде, солевых растворах, кислотах и щелочах. На альбумины приходится около 75-80% осмотического давления белков сыворотки крови. Функцией альбуминов крови является также транспорт жирных кислот.

Глобулины - группа животных и растительных белков, широко распространённых в природе. Относятся к глобулярным белкам. Растворимы в слабых растворах нейтральных солей, разбавленных кислотах и щелочах. a-Фракция глобулинов содержится в крови в комплексе с билирубином и с липопротеинами высокой плотности. Представителем фракции β-глобулинов является протромбин -предшественник тромбина, участвующего в свертывании крови. Фракция g-глобулинов наиболее гетерогенная. Важнейшие g-глобулины - иммуноглобулины.

Содержание альбуминов и глобулинов в плазме крови человека около 7%. Белковй коэффициент - отношение альбумин/глобулин - имеет диагностическое значение. В норме он близко к 2, а при ряде заболеваний может изменяться, например, уменьшается при воспалительных заболеваниях.

Протамины и гистоны.

Протамины – низкомолекулярные белки, содержащие 60-85% аргинина и обладающие основными свойствами. Хорошо растворяются в воде, кислой и нейтральной среде и осаждаются в щелочных средах. Обнаружены в ядрах сперматозоидов у рыб и птиц. В ядрах клеток находятся в комплексе с ДНК.

Гистоны - белки основного характера с небольшой молекулярной масой. В их состав входят лизин и аргинин, содержание которых не превышает
20-30%. Существует пять различных типов гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны находятся в основном в ядрах клеток, являются оструктурным компонентом хроматина и необходимы для регуляции экспрессии генов.

Проламины и глютелины.

Проламины - белки растительного происхождения. Содержат 20-25% глутаминовой кислоты и 10-15% пролина. Растворимы в 60-80% водном растворе этанола (тогда как все прочие простые белки в этих условиях обычно осаждаются).

Глютелины - простые белки, содержатся в зеленых частях растений, в семенах злаков. Характеризуются высоким содержанием глутаминовой кислоты и наличием лизина. Растворимы в разбавленных растворах щелочей. Глютелины являются запасными белками.

 

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

1. Хромопротеины (от греч. chroma - краска) сложные белки, состоящие из простого белка и связанного с ним небелкового окрашенного компонента. Различают гемопротеины и флавопротеины. Хромопротеины участвуют в процессе дыхания, окислительно-восстановительных реакциях, транспорте кислорода и диоксида углерода, свето- и цветовосприятии и др.

К группе гемопротеинов относятся гемоглобин, цитохромы, миоглобин, каталаза, пероксидаза. Все гемопротеины содержат железопорфирины, но различаютсяе по составу и структуре белковой части, и выполняют различные биологические функции. Так, различия гемоглобина различных биологических видов обусловлены различиами в структуре глобина.

Рассмотрим строение гемоглобина – белка крови. Небелковым компонентом гемоглобина является гем - пигмент, придающий крови красный цвет. Основу его структуры составляет протопорфирин IX (рис. 6). В центре гема расположен ион железа в степени окисления +2, связанный с двумя атомами азота ковалентными связами и с двумя другими атомами азота - координационными связями. Вокруг гемма «обернута» полипептидная цепь. Железо в гемоглобине соединяется с атомом азота имидазольной группы гистидина молекулы белка пятой координационной связью. Шестая координационная связь железа используется для присоединения кислорода или других лигандов (рис. 7).

Рис. 6. Гем	Рис. 7. Координационные связи Fe^2+ в геме

 

Гемоглобин взрослого человека НbА (от англ. аdult - взрослый) имеет четыре полипептидные цепи, составляющие глобин (рис. 8) - белковую часть молекулы. Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, две β-цепи - по 146.

Рис. 8. Гемоглобин

В крови взрослого человека присутствуют также гемоглобин НbА₂ (2α-, 2δ-цепи, 2,5%) и НbA₃ (менее 1%, отличается строением b-цепи).

Фетальный гемоглобин (гемоглобин плода и новорожденных) HbF состоит из 2α- и 2γ-цепей. Гемоглобин F обладает повышенным сродством к кислороду и позволяет сравнительно малому объему крови плода выполнять функцию снабжения кислородом более эффективно. Кровь новорожденного содержит до 80% HbF, к концу 1-го года жизни фетальный гемоглобин почти полностью заменяется на НbА.

Гемоглобинозы – болезни гемоглобинов.

1. Гемоглобинопатии. В их основе лежит наследственное изменение структуры какой-либо цепи нормального гемоглобина. В крови человека открыто около 150 различных типов аномальных гемоглобинов. Ониразличаются по физико-химическим свойствам (растворимость, электрофоретическая подвижность, изоэлектрическая точка, способность связывать кислород).

Пример гемоглобинопатии - серповидно-клеточная анемия. Заболевание распространено в странах Южной Африки, Южной Америки и Юго-Восточной Азии. Химический дефект - замена глутаминовой кислоты в 6-м положении с N-конца на валин в β-цепях молекулы гемоглобина, что является результатом мутации в молекуле ДНК. У HbS снижены растворимость и сродство к кислороду. Эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода пимеют форму серпа. Отдавая кислорода в тканях, HbS превращается в плохо растворимую дезоксиформу и выпадает в осадок в виде тактоидов (веретенообразных кристаллов). Тактоиды деформируют клетку и приводят к гемолизу. Гетерозиготная форма заболевания протекает бессимптомно либо сопровождается легкой гемолитической анемией. У гомозиготных особей тяжелая форма серповидноклеточной анемии развивается с первых месяцев жизни. Болезнь протекает остро, и дети часто умирают в раннем возрасте.

Примерами аномальных гемоглобинов являются также гемоглобин С (в b-цепи на 6 месте вместо глутаминовой кислоты находится лизин) и гемоглобин D (в b-цепи на 28 месте вместо глутаминовой кислоты находится лейцин). Данные мутации обнаружены в основном в Африке.

2. Талассемии - группа заболеваний с наследственным нарушением синтеза одной из цепей глобина. Различают α-талассемии, когда не происходит синтез α-цепи, и β-талассемии (не синтезируются β-цепи). Гемоглобинопатия Н (один из вариантов a-талассемии) характеризуется гемолитической анемией, выпадением в осадок гемоглобина Н, спленомегалией, тяжелыми изменениями костей.

3. Железодефицитные анемии – заболевания, возникающие при нарушение синтеза гемоглобина вследствие дефицита железа. Основными причинами железодефицитных анемий являются кровопотери, а также недостаток богатой железом пищи - мяса и рыбы.

Производные гемоглобина

Оксигемоглобин HbO₂. Молекулярный кислород присоединяется к каждому гему Hb при помощи координационных связей железа. Присоединение каждой молекулы кислорода облегчает присоединение последующей. Эта аллостерическая зависимость получила название эффекта Бора. Оксигемоглобин, попадая в ткани, теряет кислород, превращаясь в дезоксигемоглобин.

Карбгемоглобин HbCO₂ - соединение гемоглобина с углекислым газом. Он нестоек и быстро диссоциирует в легочных капиллярах с отщеплением СО₂.

Карбоксигемоглобин HbCO - продукт присоединения оксида углерода CO (угарного газа) к гемоглобину. Гемоглобин имеет высокое сродство к СО и прочно с ним связывается, теряя способность к транспорту кислорода, что приводит к смерти от удушья.

Метгемоглобин MtHb -форма гемоглобина, в которой железо гема находится в трехвалентном состоянии.Не способен переносить кислород. Образуется из свободного гемоглобина под действием различных окислителей, а в организме - при отравлениях нитробензолом, оксидами азота.

Метгемоглобинемия - появление в крови метгемоглобина. Выделяют наследственные и приобретенные метгемоглобинемии. Наследственные развиваются в результате наличия нестабильных или аномальных гемоглобинов. Приобретенные метгемоглобинемии могут быть экзогенного токсического происхождения, возникающие при воздействии ряда химических веществ окружающей среды, и эндогенного происхождения, развивающиеся вследствие нарушения образования и всасывания нитратов при энтероколитах. При значительной метгемоглобинемии развивается кислородное голодание (гипоксия).

Качественное определение производных гемоглобина проводится путем исследования их спектров поглощения.

Миоглобин - глобулярный белок, функцией которого является запасание молекулярного кислорода в мышцах и передача его системам оксиления клеток. Состоит из одной полипептидной цепи. Активным центром, связывающим O₂, как и в гемоглобине, является гем. Миоглобин определяет цвет мышц.

К хромопротеинам относятся также ферменты каталаза и пероксидаза, входящие в антиоксидантную систему организма, и цитохромы, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях и служащие переносчиками электронов.

Флавопротеины – хромопротеины, простетические группы которых представлены производными витамина В₂ - флавинмононуклеотидом (ФМН) и флавинадениндинуклеотидом (ФАД). Флавопротеины являются кофакторами оксидоредуктаз.

2. Липопротеины состоят из белка и простетической группы, представленной липидом (фосфолипиды, нейтральные жиры, производные холестерина, жирные кислоты). В образовании липопротеинов участвуют нековалентные связи различной природы, например, гидрофобные или ионные (если в состав входит фосфолипид).

Липопротеины широко распространены и выполняют разнообразные биологические функции (белок ткани легких, липовителлин желтка куриного яйца и т.д.).

Липопротеины существуют в свободном состоянии в плазме крови. Липопротеины сыворотки крови содержат гидрофобное липидное ядро, окруженное полярными липидами и оболочкой из белков, получивших название апобелки. Их функция - транспорт липидов, нерастворимых в воде.

Липиды, ковалентно связанные с белком, выполняют функцию прикрепления белков к мембране клетки. Это структурированные липопротеины (липиды мембран клетки, миелиновой оболочки нервных волокон).

3. Фосфопротеины - сложные белки, в состав которых в качестве небелкового компонента входит фосфорная кислота, присоединенная к полипептидной цепи сложноэфирной связью через остатки серина или треонина. Возможен также ионный тип связи.

Представителями фосфопротеинов являются казеиноген молока, овальбумин белка куриного яйца, ряд ферментов (РНК-полимеразы). Фосфопротеины широко представлены в клетках ЦНС.

Фосфопротеины являются ценным источником энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза и постнатального роста и развития организма, участвуют в регуляции активности ядра клетки, в окислительных процессах в митохондриях, в транспорте ионов.

4. Гликопротеины -сложные белки, содержащие, помимо полипептидной цепи, линейные или разветвленные гетероолигосахаридные цепи из 2 - 15 остатков гексоз либо пентоз и конечный углевод
(N-ацетилгалактозамин или др.). Углеводный компонент соединяется с белком ковалентными связями - О-гликозидными или N-гликозидными:

Представителями гликопротеинов являются белки плазмы крови (кроме альбуминов), муцин слюны, некоторые ферменты, белки хрящевой и костной тканей. Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран. Они обеспечивают клеточную адгезию, молекулярное и клеточное узнавание. Углеводные компоненты не только выполняют информативную функцию. Они повышают стабильность молекул гликопротеинов к различным химическим и физическим воздействиям, а также защищают их от действия протеиназ.

Гликопротеины мембран эритроцитов определяют группу крови у человека. Типичными представителями гликопротеинов являются интерфероны, иммуноглобулины.

Интерфероны – белки-ингибиторы размножения многих типов вирусов. Они образуются в клетке в ответ на внедрение вирусной нуклеиновой кислоты. Интерфероны являются также защитными белками при опухолевых поражениях.

Иммуноглобулины, или антитела, выполняют защитную функцию, обезвреживая поступающие в организм чужеродные вещества – антигены - любой химической природы. Выделяют три основных класса иммуноглобулинов: IgG, IgA, IgM; минорные классы иммуноглобулинов плазмы человека обозначаются как IgD и IgE. Иммуноглобулины разных классов отличаются по молекулярной массе, по концентрации в крови, по биологическим свойствам. Структура иммуноглобулина G приведена на рис. 9. Он состоит из двух идентичных легких L-цепей (от англ. light) и двух идентичных тяжелых
Н-цепей (от англ. heavy). Каждая из этих цепей имеет вариабельные (V) и константные (С) участки.

Рис. 9. Структура иммуноглобулина

Ряд заболеваний (например, ревматоидные артриты) сопровождается синтезом аномальных антител с аномально короткими суглеводными цепями, что вызывает стимуляцию иммунной системы против самого организма.

Протеогликаны - комплексы белка и гликозаминогликанов. Углевод в этих соединениях составляет основную часть молекулы (до 95%). Типичными представителями гликозаминогликанов являются гиалуроновая кислота (ее основная функция - связывание воды в соединительной ткани) и гепарин, участвующий в регуляции свертывания крови.

5. Металлопротеины – белки, помимо полипептидной цепи содержащие ионы одного или нескольких металлов.

Белки, содержащие негемовое железо:

- ферритин (около 20% железа) сосредоточен главным образом в селезенке, печени, костном мозге. Выполняет роль депо железа в организме;

- трансферрин сыворотки крови (около 0,13% железа) транспортирует ионы железа в ретикулоциты, в которых осуществляется биосинтез гемоглобина.

Металлоферменты - белки, обладающие ферментативной активностью и содержащие катионы металлов.

Алкогольдегидрогеназа содержит ионы Zn, АТФ-аза - ионы Na, K, Са, Мg, цитохромоксидаза – Cu, протеиназы - Mg, K.

6. Нуклеопротеины (НП) – сложные белки, небелковым компонентом которых являются нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты (НК) - ДНК и РНК–полимеры нуклеотидов.

ДНК находится в основном в ядре клетки, а также в митохондриях.

РНК присутствует во всех частях клетки. Различают мРНК (определяет порядок аминокислот в молекуле белка), рРНК (входит в состав рибосом), тРНК (транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка), мяРНК (выполняет каталитические функции). НК обеспечивают хранение и передачу наследственной информации путем программирования синтеза клеточных белков.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания (ДНК - аденин, гуанин, цитозин, тимин, РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил), углеводы (дезоксирибоза и рибоза соответственно), остатки фосфорной кислоты.

Нуклеотиды (рис. 10) состоят из пиримидинового или пуринового основания, пентозы (рибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеотиды – нуклеозидфосфаты.

Рис. 10. Строение нуклеотида

 

ДНК, выделенная из различных тканей одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований. Закономерности состава и количественного содержания азотистых оснований были впервые установлены Э. Чаргаффом

Правила Чаргаффа:

1. Молярная доля пуриновых оснований равна молярной доле пиримидиновых оснований:

А + Г = Ц + Т.

2. Количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

А + Ц = Г + Т.

3. Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина:

А = Т, Г = Ц.

4. Коэффициент специфичности равен (Г + Ц)/(А + Т) (у животных
0,54-0,94, у микроорганизмов 0,45-2,57).