Белки

1.

2.

Белками, или белковыми
веществами, называют
высокомолекулярные (молекулярная
масса варьирует от 5-10 тыс. до 1
млн и более) природные полимеры,
молекулы которых построены из
остатков аминокислот, соединённых
амидной (пептидной) связью.

3.

Антуан Франсуа де Фуркруа
• Белки были выведены в
отдельный класс
биологических молекул в
XVIII веке в результате
работ французского
химика Антуана Фуркруа
и др. ученых, в которых
было отмечено свойство
белков коагулировать
(денатурировать) под
воздействием нагревания
или кислот. В то время
были исследованы такие
белки как альбумин,
фибрин, глютен.

4.

Голландский химик Геррит Мульдер
провёл анализ состава белков и
выдвинул гипотезу, что практически все
белки имеют сходную эмпирическую
формулу.
Мульдер также определил продукты
разрушения белков — аминокислоты и
для одной из них (лейцина) с малой
долей
погрешности
определил
молекулярную массу — 131 дальтон. В
1836 Мульдер предложил первую
модель химического строения белков.
Основываясь на теории радикалов он
сформулировал понятие о минимальной
структурной единице состава белка,
C16H24N4O5, которая была названа
«протеин», а теория — «теорией
протеина»[5]. По мере накопления
новых данных о белках теория стала
неоднократно подвергаться критике, но
до конца 1850-х несмотря на критику
ещё считалась общепризнанной.

5.

Термин «протеин» для
обозначения подобных молекул
был предложен в 1838 году
шведским химиком Якобом
Берцелиусом

6.

Кристаллы различных белков, выращенные на
космической станции «Мир» и во время полётов
шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при
низкой температуре образуют кристаллы, которые
используют для получения модели данного белка
В XXI веке исследование белков
перешло на качественно новый уровень,
когда исследуются не только
индивидуальные очищенные белки, но и
одновременное изменение количества и
посттрансляционных модификаций
большого числа белков отдельных
клеток, тканей или организмов. Эта
область биохимии называется
протеомикой. С помощью методов
биоинформатики стало возможно не
только обработать данные рентгенноструктурного анализа, но и предсказать
структуру белка, основываясь на его
аминокислотной последовательности. В
настоящее время криоэлектронная
микроскопия больших белковых
комплексов и предсказание малых
белков и доменов больших белков с
помощью компьютерных программ по
точности приближаются к разрешению
структур на атомном уровне.

7.

Сравнительный размер белков. Слева направо: антитело (IgG), гемоглобин, инсулин (гормон), аденилаткиназа
(фермент) и глютаминсинтетаза (фермент)
Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами за счёт
электростатического взаимодействия с фосфатными остатками нуклеиновых
кислот, часто являются основными белками. Примером таких белков служат
гистоны и протамины.
Белки отличаются по степени растворимости в воде, но большинство
белков в ней растворяются. К нерастворимым относятся, например, кератин
(белок, из которого состоят волосы, шерсть млекопитающих, перья птиц и т. п.)
и фиброин, который входит в состав шёлка и паутины. Белки также делятся на
гидрофильные и гидрофобные. К гидрофильным относятся большинство
белков цитоплазмы, ядра и межклеточного вещества, в том числе
нерастворимые кератин и фиброин. К гидрофобным относятся большинство
белков, входящих в состав биологических мембран интегральных мембранных
белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны (у
этих белков обычно есть и небольшие гидрофильные участки).

8.

каталитические (ферменты);
регуляторные (гормоны);
структурные (коллаген, фиброин);
двигательные (миозин);
транспортные (гемоглобин, миоглобин);
защитные (иммуноглобулины, интерферон);
запасные (казеин, альбумин, глиадин).
Среди белков встречаются антибиотики и вещества,
оказывающие токсическое действие.

9.

Белки – основа биомембран, важнейшей составной
части клетки и клеточных компонентов. Они играют
ключевую роль в жизни клетки, оставляя как бы
материальную основу её химической деятельности.
Исключительное свойство белка – самоорганизация
структуры, т.е. его способность самопроизвольно
создавать определённую, свойственную только данному
белку пространственную структуру. По существу, вся
деятельность
организма
(развитие,
движение,
выполнение им различных функций и многое другое)
связана с белковыми веществами. Без белков
невозможно представить себе жизнь.
Белки - важнейшая составная часть пищи человека и
животных, поставщик необходимых им аминокислот.

10.

ВОДА – 65%
ЖИРЫ – 10%
БЕЛКИ – 18%
УГЛЕВОДЫ – 5%
Другие неорганические
и органические вещества – 2%

11.

К концу XIX века было исследовано
большинство аминокислот, которые
входят в состав белков.
В 1894 году немецкий физиолог
Альбрехт Коссель выдвинул теорию,
согласно которой именно аминокислоты
являются основными структурными
элементами белков

12. Аминокислоты, их строение и свойства

В клетках и тканях
встречается свыше 170
различных аминокислот.
В
составе
белков
обнаруживаются лишь 26
из них; обычными же
компонентами
белка
можно считать лишь 20
аминокислот.
У
большей
части
аминокислот
имеются
одна кислотная группа
(карбоксильная) и одна
основная (аминогруппа).

13. Аминокислоты, их строение и свойства

Благодаря взаимодействию аминогруппы одной
аминокислоты с карбоксильной группой другой
образуется пептидная связь. Реакция, идущая с
выделением
воды,
называется
реакцией
поликонденсации, а возникающая ковалентная азотуглеродная связь – пептидной связью.

14.

Большую роль в создании структуры белков играют
ионные (солевые) и водородные связи, а также гидрофобное
взаимодействие
–
особый
вид
контактов
между
гидрофобными компонентами молекул белков в водной
среде. Все эти связи имеют различную прочность и
обеспечивают образование сложной, большой молекулы
белка.
Несмотря на различие в строении и функциях белковых
веществ, их элементный состав колеблется незначительно (в
% на сухую массу):
углерода-51-53; кислорода-21,5-23,5;
азота-16,8-18,4; водорода-6,5-7,3;
серы-0,3-2,5
Некоторые белки содержат в небольших количествах
фосфор, селен и другие элементы.

15.

В начале XX века немецкий химик
Эмиль Фишер экспериментально
доказал, что белки состоят из
аминокислотных остатков,
соединённых пептидными связями. Он
же осуществил первый анализ
аминокислотной последовательности
белка и объяснил явление протеолиза.

16.

Однако центральная роль белков в
организмах не была признана до 1926 года,
когда американский химик Джеймс Самнер
(впоследствии — лауреат Нобелевской
премии) показал, что фермент уреаза
является белком
Сложность выделения чистых белков
затрудняла их изучение. Поэтому первые
исследования проводились с
использованием тех полипептидов, которые
могли быть очищены в большом количестве,
то есть белков крови, куриных яиц,
различных токсинов, а также
пищеварительных/метаболических
ферментов, выделяемых после забоя скота.
В конце 1950-х годов компания Armour Hot
Dog Co. смогла очистить килограмм бычьей
панкреатической рибонуклеазы А, которая
стала экспериментальным объектом для
многих учёных.

17.

Идея о том, что вторичная структура
белков — результат образования
водородных связей между
аминокислотами, была высказана
Уильямом Астбери в 1933 году,
Лайнус Полинг считается первым
учёным, который смог успешно
предсказать вторичную структуру
белков.
Позднее Уолтер Каузман, опираясь на
работы Кая Линдерстрём-Ланга, внёс
весомый вклад в понимание законов
образования третичной структуры
белков и роли в этом процессе
гидрофобных взаимодействий.

18.

Последовательность
соединения
аминокислотных остатков в полипептидной
цепи
получила
название
первичной
структурой белка. Общее число различных
типов белков у всех видов живых организмов
составляет 1010-1012
Вторичной
структурой
обладает
большая часть белков,
правда, не всегда на
всём
протяжении
полипептидной цепи.

19.

Полипептидные цепочки с определённой вторичной
структурой могут быть по-разному расположены в
пространстве.
Это пространственное расположение получило название
третичной структуры.
В формировании третичной структуры, кроме водородных
связей, большую роль играет ионное и гидрофобное
взаимодействие. По характеры «упаковки» белковой
молекулы различают глобулярные, или шаровидные, и
фибриллярные, или нитевидные, белки.

20.

В ряде случаев отдельные субъединицы белка с
помощью водородных связей, электростатического и других
взаимодействий образуют сложные комплексы. В этом
случае образуется четвертичная структура белков.
С3022Н4816О872N780S8Fe4
Мr = 66552
Белок вируса желтухи
Однако следует ещё раз отметить, что в организации более высоких
структур белка исключительная роль принадлежит первичной структуре.

21.

В 1949 году Фред Сенгер определил
аминокислотную последовательность
инсулина, продемонстрировав таким
способом, что белки — это линейные
полимеры аминокислот, а не их
разветвлённые (как у некоторых
сахаров) цепи, коллоиды или циклолы.
Первые структуры белков, основанные
на дифракции рентгеновских лучей на
уровне отдельных атомов были
получены в 1960-х годах и с помощью
ЯМР в 1980-х годах. В 2006 году Банк
данных о белках (Protein Data Bank)
содержал около 40 000 структур белков.

22.

Структура белковой
молекулы
Характеристика
структуры
Первичная – линейная
Порядок чередования
аминокислот в
полипептидной цепи –
линейная структура
Тип связи,
определяющий
структуру
Графическое
изображение
Пептидная связь
NH CO
Вторичная –
спиралевидная
Закручивание
полипептидной
линейной цепи в
спираль –
спиралевидная
структура
Внутримолекулярные
ВОДОРОДНЫЕ ВСЯЗИ
Третичная –
глобулярная
Упаковка вторичной
спирали в клубок –
клубочковидная
структура
Дисульфидные и ионные
связи
CO...HNCO...HN

23.

Существует несколько классификаций белков. В их основе лежат
разные признаки:
Степень сложности (простые и сложные);
Форма молекул (глобулярные и фибриллярные белки);
Растворимость в отдельных растворителях (водорастворимые,
растворимые в разбавленных солевых растворах – альбумины,
спирторастворимые – проламины, растворимые в разбавленных щелочах и
кислотах – глутелины);
Выполняемая функция (например, запасные белки, скелетные и т.п.).

24.

Белки – амфотерные электролиты. При определённом
значении рН среды (она называется изоэлектрической
точкой) число положительных и отрицательных зарядов в
молекуле белка одинаково. Это одно из свойств белка. Белки
в этой точке электронейтральны, а их растворимость в воде
наименьшая. Способность белков снижать растворимость
при достижении электронейтральности их молекул
используется для выделения их из растворов, например в
технологии получения белковых продуктов.

25.

Процесс гидратации означает связывание белками воды, при этом они
проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объём
увеличиваются.
Набухание
белка
сопровождается
его
частичным
растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения.
Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой
макромолекулы гидрофильные амидные (СО-NH-, пептидная связь), аминные
(NH2) и карбоксильные (СООН) группы притягивают к себе молекулы воды,
строго ориентируя их на поверхности молекулы. Окружающая белковые
глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации и осаждению, а
следовательно способствует устойчивости раствора белка.
При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы
образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не текучи, упруги,
обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны
сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться,
растворяясь в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой
концентрацией.
Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и
переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном
производстве, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный
студень, содержащий зёрна крахмала.

26.

При денатурации под влиянием внешних факторов
(температуры, механического воздействия, действия
химических агентов и ряда других факторов) происходит
изменение вторичной, третичной и четвертичной
структур белковой макромолекулы, т. е. её нативной
пространственной структуры. Первичная структура, а
следовательно и химический состав белка не меняются.
Изменяются
физические
свойства:
снижается
растворимость, способность к гидратации, теряется
биологическая активность. Меняется форма белковой
макромолекулы, происходит агрегирование. В то же
время увеличивается активность некоторых химических Необратимая денатурация белка куриного яйца
групп,
облегчается
воздействие
на
белки под воздействием высокой температуры
протеолитических ферментов, а следовательно белки
легче гидролизуются.
В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая
денатурация
белков,
степень
которой
зависит
от
температуры,
продолжительности нагревания и влажности.
Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием
(давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). Наконец, к
денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислот, щелочей,
спирта, ацетона). Все эти приёмы широко используются в пищевой
промышленности и и биотехнологии.

27.

Под процессом пенообразования понимают способность белков
образовывать высококонцентрированные системы «жидкость –газ»,
называемые пенами. Устойчивость пены, в которой белок является
пенообразователем, зависит не только от его природы и от
концентрации, но и от температуры. Белки в качестве
пенообразователей используются в кондитерской промышленности
(пастила, зефир, суфле). Структуру пены имеет хлеб, а это влияет на
его вкусовые свойства.
Для пищевой промышленности можно выделить два очень важных
процесса:
1) Гидролиз белков под действием ферментов;
2) Взаимодействие аминогрупп белков или аминокислот с
карбонильными группами восстанавливающих сахаров.
Скорость гидролиза белка зависит от его состава, молекулярной
структуры, активности фермента и условий.

28.

Реакцию гидролиза с образованием аминокислот в общем
виде можно записать так:

29.

Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых
других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жжёных перьев.
Используют следующие реакции:
ксантопротеиновую, при которой происходит взаимодействие
ароматических и гетероатомных циклов в молекуле белка с
концентрированной азотной кислотой, сопровождающееся появлением
жёлтой окраски;
биуретовую, при которой происходит взаимодействие слабощелочных
растворов белков с раствором сульфата меди(II) с образованием
комплексных соединений между ионами Cu2+ и полипептидами. Реакция
сопровождается появлением фиолетово-синей окраски.

30.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ БЕЛКОВ
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ
РЕАКЦИЙ
1. Приготовление неразбавленного белка
куриного яйца
Отделяют белок трех куриных яиц от желтков.
Считая, что средняя масса белка в одном яйце равна 33 г
(желтка — 19 г), получают примерно 100 мл
неразбавленного белка куриного яйца. Он содержит 88
% воды, 1 % углеводородов и 0,5 % минеральных веществ, остальное приходится на белок. Таким образом,
получен неразбавленный белок куриного яйца, который
представляет собой 10 %-ный раствор белка.
1. Биуретовая реакция на пептидную связь
Ход работы
Помещают в пробирку 5 капель разбавленного раствора белка, добавляют 3 капли 10
%-ного раствора NaOH и 1 каплю 1 %-ного
раствора CuS04. Все перемешивают.
Наблюдения
Появляется сине-фиолетовое окрашивание.
Уравнения:
Вывод: биуретовая реакция — качественная на
пептидную связь в белке. В ее основе лежит
2. Приготовление разбавленного раствора
способность пептидной связи образовывать с
яичного альбумина
в
щелочной
среде
окрашенные
Отделяют белок одного куриного яйца от желтка, CuS04
хорошо его взбивают и затем смешивают в колбе при комплексные соединения.
2. Нингидриновая реакция
встряхивании с 10-кратным объемом дистиллированной
воды. Раствор фильтруют через двойной слой марли, Ход работы
смоченной водой. Фильтрат содержит раствор яичного Добавляют к 5 каплям разбавленного раствора
альбумина, а яичный глобулин остается в осадке. яичного белка 5 капель 0,5%-ного водного
раствора нингидрина, нагревают до кипения.
Получают 0,5 %-ный раствор яичного альбумина.
Наблюдения
ЦВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ
При нагревании до кипения появляется синеЭти реакции применяют для установления белковой
природы вещества, идентификации белков и определения фиолетовое окрашивание.
Вывод: при гидролизе белков образуется Аих аминокислотного состава в различных биологических
аминокислота,
которая
взаимодействует
с
жидкостях.
нингидрином.

31.

3. Ксантопротеиновая реакция
Ход работы Добавляют к 5 каплям разбавленного раствора яичного белка 3 капли концентрированной HN03 и
осторожно
нагревают.
После
охлаждения
(не
взбалтывать!) добавляют 5-10 капель 10 %-ного
раствора NaOH до появления окрашивания.
Наблюдения
После нагревания окраска раствора становится
бледно-желтой, а после охлаждения и добавления
раствора NaOH — желто-оранжевой.
Уравнение:
Вывод: реакция Адамкевича — качественная на триптофан, так как
последний в кислой среде взаимодействует с
глиоксиловой кислотой, присутствующей в СН3СООН в виде примеси.
5. Реакция
с пикриновой кислотой
Вывод: ксантопротеиновая реакция позволяет
обнаруживать в белке аминокислоты, имеющие в
своем составе бензельное кольцо (триптофан, фенил ал
анин, тирозин).
4. Реакция Адамкевича
Ход работы Помещают в пробирку 5 капель неразбавленного белка и 2 мл ледяной СН3СООН. Слегка
нагревают до растворения образовавшегося осадка.
Охлаждают пробирку со смесью. Осторожно по стенке
пробирки приливают 1 мл концентрированной H2S04 так,
чтобы жидкости не смешались.
Наблюдения
При добавлении в пробирку уксусной кислоты
образуется осадок, который при нагревании растворяется.
При добавлении в пробирку концентрированной серной
кислоты на границе двух жидкостей появляется краснофиолетовое кольцо.
Уравнения:
Ход работы
Добавляют к 10 каплям разбавленного раствора белка несколько
кристаллов Na2C03 и 5 капель насыщенного водного раствора пикриновой
кислоты, перемешивают и нагревают в пламени спиртовки до изменения
желтой окраски раствора на красную.
Наблюдения
После добавления пикриновой кислоты раствор окрашивается в желтый
цвет, а после нагревания окраска изменяется на красную.
Уравнение:
Вывод: реакция с пикриновой кислотой позволяет обнаружить соединения,
обладающие восстановительной способностью (основана на восстановлении
пикриновой кислоты в пикраминовую за счет дикетопиперазиновых
группировок).
6. Реакция Фоля
Ход работы Добавляют к 10 каплям неразбавленного белка 20 капель 30 %ного раствора NaOH, несколько капель (СН3СОО)2РЬ и кипятят смесь
(осторожно: жидкость выбрасывается!). Выделяющийся аммиак обнаруживают
влажной лакмусовой бумажкой.
Наблюдения
Неразбавленный белок дает с NaOH оранжевое окрашивание, при
добавлении (СН3СОО)2РЬ и нагревании оно переходит в черное. Лакмус
синеет.

32. Функции белков в организме

Каталитическая
Структурная
Защитная
Регуляторная
Сигнальная
Транспортная
Запасная
Рецепторная
Моторная

33.

Ноначастицы из белковых оболочек вируса

34. Гидрофобы (гидрофобные вещества)

• Вещества, плохо или вовсе
нерастворимые в воде (от греч. phobos –
страх). К ним относятся жиры,
нуклеиновые кислоты, некоторые белки.

35. Макроэлементы

• Элементы, количество которых
составляет до 0,001% от массы тела
(кислород, углерод, азот, водород,
фосфор, калий, сера, железо, магний,
натрий, кальций)

36. Буферность

Способность поддерживать
относительно постоянную
концентрацию ионов водорода в
растворе.
Определяется ионами (фосфатная
буферная система, бикарбонатная
буферная система)

37. Полисахариды

• Углеводы, являющиеся полимерами
и состоящие из неопределенно
большого (до нескольких сотен или
тысяч) числа остатков молекул
моносахаридов, соединенных
ковалентными связями. К ним
относятся крахмал, гликоген,
целлюлоза, хитин и другие.

38. Липопротеиды

• Сложные соединения липидов с
белками. Выполняют строительную
функцию.

39. Проверь себя

1. Главным носителем жизни являются …
2. … - это сложные высокомолекулярные
соединения, построенные из … .
3. Элементный состав белков: … .
4. Молекулярная масса белков изменяется
от … до … .

40.

5. Многие белки растворимы в …, почти все
растворяются в … .
6. Нерастворимы белки, из которых построены
….
7. В структуре белка различают … структуры.
8. Функции белков в организме … .

41. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ:

«5» - все ответы правильные;
«4» - 1-2 неверных ответа;
«3» - 3 неверных ответа;
«2» - 4 и более неверных ответов.
Исправление приравнивается к
ошибке.

42. ОТВЕТЫ:

1. Белки.
2. Белки;
остатков α – аминокислот.
3. С, Н, О, N, S.
4. Десятки тысяч,
миллионов.
5. Воде, растворах солей, кислот; щелочах.

43.

6.Ткани живых организмов: кожа, сухожилия,
мышцы, ногти, волосы.
7.Первичную,
вторичную,
четвертичную.
третичную,
8.Строительная, каталитическая, двигательная,
транспортная, защитная, энергетическая.

44.

Денатурация
Необратимая денатурация белка куриного яйца под воздействием высокой температуры
Основная статья: Денатурация белков
Как правило, белки сохраняют структуру и, следовательно, физико-химические свойства, например,
растворимость в условиях, таких как температура и pH, к которым приспособлен данный организм[7]. Резкое
изменение этих условий, например, нагревание или обработка белка кислотой или щёлочью приводит к потере
четвертичной, третичной и вторичной структур белка, называемой денатурацией. Самый известный случай
денатурации белка в быту — это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры
растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным.
Денатурация в некоторых случаях обратима, как в случае осаждения (преципитации) водорастворимых белков с
помощью солей аммония, и используется как способ их очистки[11].
Необратимая денатурация белка куриного яйца
Простые и сложные белки
под воздействием высокой температуры
Основные статьи: Простые белки, Сложные белки
В состав многих белков помимо пептидных цепей входят и неаминокислотные фрагменты, по этому критерию
белки делят на две большие группы — простые и сложные белки (протеиды). Простые белки содержат только
аминокислотные цепи, сложные белки содержат также неаминокислотные фрагменты. Эти фрагменты небелковой
природы в составе сложных белков называются «простетическими группами». В зависимости от химической
природы простатических групп среди сложных белков выделяют следующие классы:
Гликопротеиды, содержащие в качестве простатической группы ковалентно связанные углеводные остатки и их
подкласс — протеогликаны, с мукополисахаридными простетическими группами. В образованию связи с
углеводными остатками обычно участвуют гидроксильные группы серина или треонина. Большая часть
внеклеточных белков, в частности, иммуноглобулины — гликопротеиды. В протеогликанах углеводная часть
составляет ~95 %, они являются основным компонентом межклеточного матрикса.
Липопротеиды, содержащие в качестве простатической части нековалентно связанные липиды. Липопротеиды,
образованные белками-аполипопротеинами связывающимися с ними липидами и выполняют функцию транспорта
липидов.
Металлопротеиды, содержащие негемовые координационно связанные ионы металлов. Среди металлопротеидов
есть белки, выполняющие депонирующие и транспортные функции (например, железосодержащие ферритин и
трансферрин) и ферменты (например, цинксодержащая карбоангидраза и различные супероксиддисмутазы,
содержащие в качестве активных центров ионы меди, марганца, железа и других металлов)
Нуклеопротеиды, содержащие нековалентно связанные ДНК или РНК, в частности, хроматин, из которого состоят
хромосомы, является нуклеопротеидом.
Фосфопротеиды, содержащие в качестве простетической группы ковалентно связанные остатки фосфорной
кислоты. В образованию сложноэфирной связи с фосфатом участвуют гидроксильные группы серина или
треонина, фосфопротеинами являются, в частности, казеин молока.
Хромопротеиды — собирательное название сложных белков с окрашенными простетическими группами
различной химической природы. К ним относятся множество белков с металлсодержащей порфириновой
простетической группой, выполняющие разнообразные функции — гемопротеины (белки содержащие в качестве
простетической группы гем — гемоглобин, цитохромы и др.), хлорофиллы; флавопротеиды с флавиновой группой,
и др.