7 семестр / Лекция-Белки

12

Белки: строение, свойства и функции

1.Белки и их основные признаки.

2.Биологические функции белков.

3.Классификация белков. Молекулярная масса, размер и форма белковых макромолекул. Простые и сложные белки. Апопротеины и простетические группы. Нуклео-, липо-, глико, хромо-, фосфо-, металлопротеиды.

4.Физико-химические свойства белков. Методы выделения, разделения и очистки белков.

5.Структурная организация белковых молекул.

6.Семейства белков и гомология первичной структуры. Протеом – белковый портрет клетки.

7.Методы определения первичной структуры белков. Определение концевых аминокислотных остатков пептидов. Метод Эдмана.

Белки и их основные признаки

Белки или протеины (что в переводе с греческого означает «первые» или «важнейшие»), количественно преобладают над всеми макромолекулами, присутствующими в живой клетке, и составляют более половины сухого веса большинства организмов. Представления о белках как о классе соединений сформировались в XVII-XIX вв. В этот период из разнообразных объектов живого мира (семена и соки растений, мышцы, кровь, молоко) были выделены вещества, обладающие сходными свойствами: они образовывали вязкие растворы, свертывались при нагревании, при горении ощущался запах паленой шерсти и выделялся аммиак. Поскольку все эти свойства ранее были известны для яичного белка, то новый класс соединений назвали белками. После появления в начале XIX вв. Более совершенных методов анализа веществ определили элементный состав белков. В них обнаружили С, Н, О, N, S. К концу XIX вв. Из белков было выделено свыше 10 аминокислот. Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков, немецкий химик Э.Фишер (1852-1919) предположил, что белки построены из аминокислот.

В результате работ Фишера стало ясно, что белки представляют собой линейные полимеры -аминокислот, соединенных друг с другом амидной (пептидной) связью, а все многообразие представителей этого класса соединений могло быть объяснено различиями аминокислотного состава и порядка чередования разных аминокислот в цепи полимера.

Первые исследования белков проводились со сложными белковыми смесями, например: с сывороткой крови, яичным белком, экстрактами растительных и животных тканей. Позже были разработаны методы выделения и очистки белков, такие как осаждение, диализ, хроматография на целлюлозных и других гидрофильных ионообменниках, гель-фильтрация, электрофорез. Более подробно рассмотрим эти методы на лабораторной работе и семинарском занятии.

13

На современном этапе основными направлениями изучения белков являются следующие:

изучение пространственной структуры индивидуальных белков;

изучение биологических функций разных белков;

изучение механизмов функционирования индивидуальных белков (на

уровне отдельных атомов, атомных групп молекулы белка).

Все эти этапы взаимосвязаны, ведь одна из основных задач биохимии как раз и состоит в том, чтобы понять, каким образом аминокислотные последовательности разных белков дают им возможность выполнять различные функции.

Биологические функции белков

Ферменты - это биологические катализаторы, самый многообразный, многочисленный класс белков. Почти все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в клетке органические биомолекулы, катализируются ферментами. Настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов.

Транспортные белки - Транспортные белки плазмы крови связывают и переносят специфические молекулы или ионы из одного органа в другой. Например, гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, при прохождении через легкие связывает кислород и доставляет его к периферическим тканям, где кислород освобождается. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени в другие органы. В клеточных мембранах присутствует еще один клеточный тип транспортных белков, способных связывать определенные молекулы (напр., глюкозу) и переносить их через мембрану внутрь клетки.

Пищевые и запасные белки. Наиболее известными примерами таких белков служат белки семян пшеницы, кукурузы, риса. К пищевым белкам относится яичный альбумин - основной компонент яичного белка, казеин - главный белок молока.

Сократительные и двигательные белки. Актин и миозин - белки,

функционирующие в сократительной системе скелетной мышцы, а также во многих немышечных тканях.

Структурные белки. Коллаген - главный компонент хрящей и сухожилий. Этот белок имеет очень высокую прочность на разрыв. Связки содержат эластин - структурный белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти состоят почти исключительно из прочного нерастворимого белка - кератина. Главным компонентом шелковых нитей и паутины служит белок фиброин.

Защитные белки. Иммуноглобулины или антитела - это специализированные клетки, вырабатываемые в лимфоцитах. Они обладают способностью распознавать проникшие в организм бактерии вирусы или чужеродные молекулы, а затем запускать систему их нейтрализации. Фибриноген и тромбин - белки, участвующие в процессе свертывания крови,

14

они предохраняют организм от потери крови при повреждении сосудистой системы.

Регуляторные белки. Некоторые белки участвуют в регуляции клеточной активности. К ним относятся многие гормоны, такие как инсулин (регулирует обмен глюкозы).

Классификация белков

по растворимости

Альбумины. Растворимы в воде и солевых растворах.

Глобулины. Слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в солевых растворах.

Проламины. Растворимы в 70-80% этаноле, нерастворимы в воде и абсолютном спирте. Богаты аргинином.

Гистоны. Растворимы в солевых растворах.

Склеропротеины. Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание глицина, аланина, пролина.

по форме молекул

Если исходить из отношения осей (продольной и поперечной), можно выделить два больших класса белков. У глобулярных белков отношение составляет меньше 10 и в большинстве случаев не превышает 3-4. Они характеризуются компактной упаковкой полипептидных цепей. Примеры глобулярных белков: многие ферменты, инсулин, глобулин, белки плазмы крови, гемоглобин.

Фибриллярные белки, у которых отношение осей превышает 10, состоят из пучков полипептидных цепей, спирально навитых друг на друга и связанных между собой поперечными ковалентными или водородными

связями (кератин, миозин, коллаген, фибрин).

Физико-химические свойства белков

На физических свойствах белков, таких как

ионизация, гидратация, растворимость основаны различные методы выделения и очистки белков.

Так как белки содержат ионогенные, т.е. способные к ионизации аминокислотные остатки (аргинин, лизин, глутаминовая кислота и т.д.), следовательно, они представляют собой полиэлектролиты. При подкислении степень ионизации анионных групп снижается, а катионных - повышается, при подщелачивании наблюдается обратная закономерность. При определенном рН число отрицательно и положительно заряженных частиц становится одинаковым, такое состояние называется изоэлектрическим (суммарный заряд

15

молекулы равен нулю). Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. На различной ионизации белков при определенном значении рН основан один из методов их разделения - метод электрофореза.

Полярные группы белков (ионогенные и неионогенные) способны взаимодействовать с водой, гидратироваться. Количество воды, связанное с белком достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных групп больше на поверхности белка. Растворимость зависит от количества гидрофильных групп в белке, от размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда. Совокупность всех этих физических свойств белка позволяет использовать метод молекулярных сит или гель-фильтрацию для разделения белков. Метод диализа используется для очистки белков от низкомолекулярных примесей и основан на больших размерах молекул белка.

Растворимость белков зависит и от наличия других растворенных веществ, например, нейтральных солей. При высоких концентрациях нейтральных солей белки выпадают в осадок, причем для осаждения (высаливания) разных белков требуется разная концентрация соли. Это связано с тем, что заряженные молекулы белка адсорбируют ионы противоположного заряда. В результате частицы теряют свои заряды и электростатическое отталкивание, в результате происходит осаждение белка. Методом высаливания можно фракционировать белки.

Способы выделения и очистки белков

Элементный состав белков

Белки содержат (в %): углерода – 50-55, водорода – 6,5-7,3, азота – 1518, кислорода – 21-24, серы – 2,4 и золы – до 0,5. Особенно характерный показатель – процентное содержание азота. В большинстве случаев оно составляет 16%, поэтому по содержанию белкового азота часто вычисляют содержание белка в кормах и продуктах питания. Для этого величину, выражающую процентное содержание белкового азота в препарате, умножают на фактор пересчета, равный 6,25, который выводят путем деления: 100:16 = 6,25.

Выделение белков

Выделение белков проводят в мягких условиях: при низкой температуре (не выше +50С), избегая действия резких химических реагентов.

Для успешного выделения белка из биологических объектов необходимо тончайшее измельчение тканей вплоть до разрушения клеточных стенок. Для этого используют специальные мельницы или гомогенизаторы, либо материал в замороженном виде продавливается через фильтры специального пресса. Попеременное замораживание и оттаивание тканей также дает хорошие результаты. Применяют метод «азотной бомбы», который заключается в насыщении клеток азотом при высоком давлении,

16

которое резко сбрасывается. Классификация методов разрушения биологического материала приведена в таблице 3.

Таблица 3. Классификация дезинтегрирующих воздействий по их природе

Когда достигнуто тонкое измельчение материала, переходят к следующему этапу – извлечению белков. Белки извлекают чаще всего солевыми растворами, с концентрацией солей 8-10%. Подавляющая часть белков хорошо растворима в таких солевых растворах. Разные соли обладают разным растворяющим действием по отношению к белку. Ряд катионов и анионов, расположенных в порядке убывания их растворяющего действия, представлен ниже:

Li+ > K+ > Na+

P2O74- > B4O72- > PO43- > CNS- > HCO3- > I- > Cl-

Так как на растворение белков большое влияние оказывает рН среды, большинство солей применяют в виде буферных смесей (фосфатных, ацетатных, боратных, цитратных), широко применяют трис-буфер

((HOCH2)3CNH2 + (HOCH2)3CNH3+Cl-) и др.

Хорошие результаты дает извлечение белков спирто-солевыми смесями. Металлопротеины, образующиеся при этом, обладают разной растворимостью в спирте, что позволяет извлекать индивидуальные белки

17

при различной концентрации спирта. Широко применяют для экстракции белков глицерин, предохраняющий их от денатурации.

Извлечению белков из биологического материала способствует его обработка детергентами: додецилсульфатом натрия, тритоном Х-100 и т.д.

Детергенты ослабляют гидрофобные белково-липидные и белокбелковые взаимодействия.

Вышеперечисленные способы выделения белков относятся, в основном, к животным тканям. Растительные белки выделять сложнее, для их выделения используют обработку тканей вводно-эфирной смесью, экстракцию смесью фенола, уксусной кислоты и воды и др.

Разделение белков

1.Фракционирование белков солевыми растворами (см. классификацию белков по растворимости) - высаливание.

2.Фракционирование из органических растворителей (этиловый или метиловый спирты).

3.Осаждение ионами тяжелых металлов.

4. Метод электрофореза. Хроматографический метод. В качестве адсорбентов применяют производные целлюлозы и сефадекса, гель фосфата кальция, силикагель и др. В тех случаях, когда носители избирательно связывают строго определенные белки, фракционирование идет очень эффективно – аффинная хроматография.

18

5.Метод молекулярных сит (метод гельфильтрации). Белковые молекулы имеют различные скорости перемещения через колонку, заполненную сефадексом. Большие молекулы быстро выносятся из колонки с током элюента, мелкие удерживаются в порах сефадекса.

Очистка белков

Для очистки белков от низкомолекулярных примесей используют метод диализа. Суть метода состоит в длительном (несколько суток) пропускании воды через сосуд, в которй погружен диализный мешочек. Его готовят из материала – полупроницаемой мембраны (например, целлофан). В диализный мешочек помещают раствор белка.

Для полного удаления ионов, загрязняющих белок используют метод электродиализа, а также ультрафильтрацией, гельфильтрацией или перекристаллизацией.

Структурная организация полипептидов. Аминокислотный состав белков

Для определения аминокислотного состава белки подвергают гидролизу.

В состав белков входят 20 L- -аминокислот: глицин, аланин, валин, лейцин, серин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин, аргинин, пролин, аспарагиновая кислота, аспарагин, изолейцин, треонин, фенилаланин, тирозин, цистеин, метионин, гистидин, триптофан и некоторые производные этих аминокислот, образующиеся в белковой молекуле после матричного синтеза полипептидной цепи.

Частота, с какой аминокислоты встречаются в белках, неодинакова. Например, глицин обнаруживается в 10 раз чаще, чем триптофан. По частоте нахождения аминокислот в белках можно составить такой ряд: ала вал лей сер глу глн лиз арг про > асп асн изо тре фен > тир цис мет гис.

Большинство белков по аминокислотному составу отличаются не очень резко. Но некоторые белки с особыми свойствами отличаются и аминокислотным составом. Так, белок соединительной ткани коллаген на 1/3 построен из остатков глицина, около 1/5 на ост. пролина и оксипролина. Именно такой состав аминокислот позволяет готовой молекуле белка образовывать прочные олигомерные структуры - фибриллы. Фибриллы коллагена превосходят по прочности стальную проволоку равного поперечного сечения. При кипячении в воде нерастворимый коллаген

19

превращается в желатину - растворимую смесь полипептидов. Необычный аминокислотный состав коллагена определяет его низкую питательную ценность. В состав связок и соединительной ткани стенок сосуда входит белок - эластин. Эластин богат остатками лизина. Четыре боковые группы лизина сближаются друг с другом и ферментативным путем превращаются в десмозин.

Таким путем полипептидные цепи эластина могут объединяться в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях.

В хромосомах содержатся положительно заряженные белки гистоны, примерно на 1/3 построенные из остатков лизина и аргинина. Положительный заряд молекулы белка позволяет образовывать прочные комплексы с отрицательно заряженными молекулами нуклеиновых кислот.

Белки - очень крупные молекулы, молярная масса белков колеблется от 6ооо до 1 млн. грамм/моль (см. таблицу 2).

Таблица 2. Структурная организация некоторых белков

20

Некоторые белки в своем составе могут иметь химические группы небелковой природы. Такие белки называют сложными или холопротеинами. Неаминокислотную часть белков называют простетической группой, белковую часть - апоферментом. Сложные белки классифицируются по простетической группе. Например, липопротеины это белки, содержащие в своем составе группу - липид; металлопротеины содержат в своем составе ионы металла; в состав хромопротеинов входит хромофор, окрашенная группа небелковой природы. Частный случай, когда хромофором является гем. К таким белкам относятся гемоглобин и цитохромы. Простетические группы играют важную роль при функционировании сложного белка.

Простые белки можно классифицировать по форме молекул и по способности растворяться в воде на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют форму глобулы и, как правило, растворимы в воде. Фибриллярные белки имеют форму вытянутого волокна - фибриллы и нерастворимы в воде. Фибриллярные белки выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей; глобулярные белки более разнообразны по функциям.

Первичная структура белков

Первичной структурой белка называют состав и последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Аминокислоты в белке

21

связаны пептидными связями.

Все молекулы данного индивидуального белка идентичны по аминокислотному составу, последовательности аминокислотных остатков и длине полипептидной цепи. Установление последовательности аминокислотной последовательности белков - трудоемкая задача. Более подробно на эту тему мы поговорим на семинаре. Инсулин был первым белком, для которого установили аминокислотную последовательность. Бычий инсулин имеет молярную массу около 5700. Его молекула состоит из двух полипептидных цепей: А-цепи, содержащей 21 а.к., и В-цепи, содержащей 30 а.к., эти две цепи соединены двумя дисульфидными ( -S-S-) связями. Даже небольшие изменения первичной структуры могут значительно изменять свойства белка. Болезнь серповидноклеточная анемия является результатом изменения всего 1 аминокислоты в -цепи гемоглобина

(Glu Val).

Видовая специфичность первичной структуры

При изучении аминокислотных последовательностей гомологичных белков, выделенных из разных видов, было сделано несколько важных выводов. К гомологичным белкам относятся те белки, которые у разных видов выполняют одинаковые функции. Примером может служить гемоглобин: у всех позвоночных он осуществляет одну и ту же функцию, связанную с транспортом кислорода. Гомологичные белки разных видов обычно имеют полипептидные цепи одинаковой или почти одинаковой длины. В аминокислотных последовательностях гомологичных белков во многих положениях всегда находятся одни и те же аминокислоты - их называют инвариантными остатками. Вместе с тем в других положениях белков наблюдаются значительные различия: в этих положениях аминокислоты варьируются от вида к виду; такие аминокислотные остатки называются вариабельными. Всю совокупность сходных черт в аминокислотных последовательностях гомологичных белков объединяют в понятие гомология последовательностей. Наличие такой гомологии предполагает, что животные, из которых были выделены гомологичные белки, имеют общее эволюционное происхождение. Интересным примером является сложный белок - цитохром с - митохондриальный белок, учавствующий в качестве переносчика электронов в процессах биологического окисления. М 12500, содержит 100 а.к. Были установлены а.к. последовательности для 60 видов. 27 а.к. - одинаковы, это указывает на то, что все эти остатки играют важную роль в определении биологической активности цитохрома с. Второй важный вывод, сделанный на основе анализа аминокислотных последовательностей, состоит в том, что число остатков, по которым различаются цитохромы с любых двух видов, пропорционально филогенетическому различию между данными видами. Например, молекулы цитохрома с лошади и дрожжей различаются по 48 а.к., у утки и курицы - по 2 а.к., у курицы и индейки не различаются. Сведения с числе различий в аминокислотных последовательностях гомологичных