Курс лекцій з дисципліни біологічна хімія з біохімічними м етодами дослідження

Фізико-хімічні властивості білків

Білки мають високу молекулярну масу, розчинні у воді, здатні до набухання, характеризуються оптичною активністю, рухливістю в електричному полі.

Білки активно вступають у хімічні реакції. Ця властивість зв’язана з тим, що амінокислоти, що входять до складу білків мають в своєму складі різні функціональні групи, які здатні вступати в реакції з другими речовинами. Важливо, що такі взаємодії проходять і в середені білкової молекули, в результаті чого утворюється пептидний, водневий, дисульфідний зв’язок. До радикалів амінокислот можуть приєднуватись різноманітні сполуки і іони, що забезпечує транспорт їх по крові.

Білки мають високу молекулярну масу, вони – полімери, що складаються з багатьох сотень і тисяч мономерів – амінокислот.

Молекулярна маса знаходиться в межах від 10 тисяч до 1 млн. Так, в складі рибонуклеази міститься 124 амінокислотні залишки і його молекулярна маса складає 14 тис., гемоглобін має молекуляну масу 64 тис., γ-глобуліни складаються з 1250 амінокислот і мають молекуляну масу 150 тис., а молеку-ляну маса глутаматдегідрогенази перевищує 1 млн.

Важливою властивістю білків є їх здатність проявляти як кислі, так і основні властивості, тобто виступати в ролі амфотерних сполук.

Це забезпечується за рахунок різноманітних дисоціюючих групіровок, що входять в радикали амінокислот. Наприклад, кислотні властивості білку придають карбоксильні групи аспарагінової та глутамінової амінокислот, а лужні – радикали аргініну, лізину, гістидіну. Чим більше дикарбонових амінокислот входить до складу білку, тим сильніше проявляються його кислотні властивості і навпаки. Ці функціональні групи мають і електричні заряди, що формують загальний заряд білкової молекули. В білках, де переважають аспарагінова та глутамінова амінокислоти білки будуть заряджені негативно, надлишок основних амінокислот надає білкам позитивний заряд.

3+

⁄ кисле

R

\ середовище

СООН

+ Н

катіон

2

⁄ лужне

R

\ середовище

СООН

2

R

\

СОО-

+ ОН

аніон

Таким чином, фактором, що визначає поведінку білка, як катіона чи аніона, є реакція середовища,котра визначається концентрацією іонів водню і величиною рН. Але при деяких рН число позитивних і негативних зарядів зрівнюється і молекула стає електронейтральною, тобто вона не буде рухатись в електричному полі. Таке значення рН середовища називається ізоелектричною точкою білків. В цій рН білок знаходиться в найбільш не стійкому стані і при коливаннях рН в кислу або лужну сторону легко випадає в осад. Для більшості природних білків ізоелектрична точка знаходиться в слабо-кислому середовищі (рН 4,8-5,4), що свідчить про переважання в їх складі дикарбонових амінокислот.

Властивіть амфотерності полягає в основі буферних властивостей білків і їх участі в регуляції рН крові.

Амфотерність білків використовується для розділення їх на фракції, наприклад, методом електрофорезу з метою діагностики ряду захворювань і контролю стану хворого. При різних патологічних станах функціональний склад білків суттєво змінюється.

Важливою властивістю білків є їх здатність адсорбувати на своїй поверхні деякі речовини та іони (гормони, вітаміни, залізо, мідь і таке інше), котрі або погано розчинені у воді, або є токсичними (білірубін, вільні жирні кислоти). Білки транспортують їх по крові до місця подальших перетворень або знезараження. Водні розчини білків мають свої особливості. Білки добре розчинні у воді, тобто є гідрофільними. Це означає, що молекули білку як заряджені частинки, притягують до себе диполі води, котрі розташовуються навколо булкової молекули і утворюють водну або гідратну оболонку. Ця оболонка захищає молекули білку від склеювання і випадання в осад.

Величина гідратної оболонки залежить від структури білку, наприклад, альбуміни більш легко зв’язуються з молекулами води і мають відносну велику гідратну оболонку, тоді як глобулін, фібриноген приєднують воду значно гірше і гідратна оболонка їх менша. Таким чином, стійкість водного розчину білку визначається двома факторами: наявністю електричного заряду, білкової молекули і гідратною оболонкою. При видаленні цих факторів білок випадає в осад. Даний процес може бути зворотнім і незворотнім.

Зворотній осад білків (висолювання) – це випадвання білку в осад під дією речовин, після видалення яких він знову повертається в свій попередній (нативний) стан. Для висолювання білків використовується солі лужних і ліужно-земельних металів. Найбільш часто використовують сульфат натрію чи амонію.

Ці солі видаляють гідратну оболонку і знімають заряд. Між величиною водної оболонки білкових молекул і концентрацією солей існує пряма залежність: цим менша гідратна оболонка, тим мене потрібно солей. Так глобуліни мають великі і важкі молекули і невилику водну оболонку і випадають в осад при неповному насиченні солями, а альбуміни, як більш мілкі молекули з більшою водною оболонкою при повному насиченні.

Незворотний осад білків зв’язаний з глибокими внутришньомолеку-лярними змінами структури білку, що приводить до втрати природних властивостей (розчинності, біологічної активності). Такий білок називається денатурованим, а процес денатурацією.Денатурація білків полягає в основі лікуванні отруєнь важкими металами, коли хворому вводять молоко, або сирі яйця для того, щоб метали, депатуруючі білки молока та яєць, адсорбувалися на їх поверхні.

Розмір білкових молекул знаходиться в межах від 1 мкм до 1 нм, тому вони утворюють колоїдні розчини. Ці розчини характеризуються великою вязкістю, здатністю розсіювати промені світла, не проходять через напівпрониклі мембрани і мають деякі інші властивості.

6. Класифікація білків.

Прості білки та їх представники, склад, біологічна роль в організмі

Відома велика кількість білків рослинного і тваринного походження, що відрізняються за своїм складом та біологічною роллю в організмі. Для систематизації та вивчення їх запропановано декілька класифікацій:

  1. По формі молекул, тобто просторова будова.

  2. Фізико-хімічні властивості.

  3. Хімічний склад білків.

По формі молекул білки класифікують на глобулярні і фібрілярні.

Глобілярні білки. Більшисть з них розчинні у воді. Це альбуміни та глобуліни сироватки крові, білки молока, яєць, які мають форму кулі. Правильної форми глобули не бувають, найчастіше вони мають еліпсоїдну або овальну форму.

Фібрілярні білки – велика група білків, такі як білок волосся – керотин, білок шовку – фіброгін, білок м’язів – міозин, білок крові – фібрин, мають витягнуту або фібрилярну структуру. Довжина молекул в декілька разів перевищує діаметр.

Між двома крайними формами білків є велика кількість перехідних форм – від шароподібної до веретеноподібної і волокнистої. За фізико-хімічними властивостями білки класифікують на прості і складні. Прості білки складаються тільки з залишків амінокислот. Складні – мають білкову частину, що складається із залишків амінокислот, і небілкову, що може бути представлена іонами металів, ліпідами, вуглеводами, залишком фосфорної кислоти.

Прості білки – альбуміни широко поширені в тваринних та рослинних організмах. Є основною частиною цитоплазми більшості клітин, складовою частиною крові, м’язів, молока. В залежності від походження їх називають лактоальбумінами і сіроальбумінами.

В крові вищіх тварин і людей альбуміни складають більшу частину білків плазми. Добре розчинні у воді і розчинах солей, характеризуються великою гідрофільністю та дисперсністю. Мають відносно малу молекулярну масу 60 т.в.о. Приймають участь у підтримці онкотичного тиску крові, транспортують у крові різні речовини (вітаміни, іони металів, гормони), виконують анти-токсичну функцію.

Глобуліни – дуже поширені в природі білки. На відміну від альбумінів, майже не розчинні в воді, вони більш грубо дисперсні, мають більшу молекулярну масу 160–180 т. в.о. В організмі людини та тварин вони викону-ють роль антитіл. Білок глобулінового типу фібриноген формує згусток крові. При допомозі електрофорезу глобуліни можна розділити на А, α1, α2, β, γ фрак-ції.

Гістони і протаніни - представляють собою основні білки ядра клітини і складають основну масу білкової частини нуклеопротеїдів.

Гістони стабілізують молекулу ДНК, підтримують унікальну структуру ДНК в ядрі, що є умовою для біосинтезу білку.

Керотини складають основну масу рогової тканини епідермісу. В їх структуру входить багато сірковмісних сполук.

Колаген – є основною складовою частиною з’єднувальної тканини. Більшисть його знаходиться в сухожиллях, зв’язках, шкірі, кістках, хрящах.

Еластин – білок з’єднувальної тканини, який є хімічно більш активний.

7. Складні білки, їх представники,склад, біологічна роль в організмі

Складні білки складаються з простого білку та небілкової частини. Клісифікують за небілковою частиною.

Нуклеопротеїди. Небілкова частина представлена нуклеїновими кисло-тами РНК та ДНК. Нуклеїнові кислоти приймають участь у передачі спадкової інформації. Білкова частина представлена протамінами та гістонами. Гістони забезпечують компактну упаковку ДНК та зберігання спадкової інформації . ДНК не може в складі нуклеопротеїда виконувати своєї основної біологічної функції – передавати закодовану спадкову інформацію без стабілізації протамінами та гістонами.

Хромопротеїди – небілкова частина, зафарбована: гемоглобін, міоглобін (білок м’язів), деякі ферменти каталази, пероксидази, цитохроми, а також хлорофіл.

Фосфопротеїди – це білки, що в небілковій частині мають залишок фосфорної кислоти. Представниками є казеїн молока, вінелін (білок жовтка яєць), іхтулін (білок ікри риб). Мають надзвичайно велеке значення для розвитку організмів. У дорослих форм присутні в кістках та нервовій системі.

Ліпопротеїди – небілкова (простетична) група представлена ліпідами. Вони умовно поділяються на розчинні у воді ліпопротеїди і протеоліпіди – жиророзчинні компоненти кліткових мембран.

Глікопротеїди. Ця назва об’єднує велику кількість сполук, що є комплексами білків з вуглеводами та їх похідними (гексуронова кислота, глікогенні амінокислоти). Група сполук, в яких білкова частина відносно слаба слабо зв’язана з вуглеводною називається мукопротеїдами (хондроітинсуль-фати, гіалуронові кислоти).

Глікопротеїди входять до складу клітинних мембран, приймають участь у транспорті різних речовин, в процесах звертання крові, імунітету, являються складовими слизу і секретів шлунково-кишкового тракту. У арктичніих риб вони виконують роль антифрізів.

Металопротеїди – комплекси білків з важкими металами. Типічний металопротеїд феритин – кристалічний білок, розчинний у воді, містить до 20% Fе. Феритин є основною формою запасу заліза в організмі і синтезується в печінці, там він відкладається про запас. Плазма людини містить розчинний білок трансферин, що входить у фракцію глобулінів вміст Fе - 0,13%. Цей білок філіологічний переносчик Fе в організмі.

Церулоплазмін містить 0,34% міді. При проведенні електрофорезу білок виявляється в α-фракції. Це білок гострої фази, зафарбований в голубий колір.

8 Гемоглобін, його види і значення в організмі

Гемоглобін (Нb) – основна складова частина еритроцитів. Складається Нb з білку глобіну (96%) й простетичної частини – гема (4% молекули). Гем предстваляє собою координаційну сполуку атому заліза з циклічною сполукою протопорфирином. В склад гему входить Fе2+. В склад молекули гемоглобіну входить 4 гема, атом заліза координаційно зв’язаний з 4 атомами азоту пірольних кілець. Мr Нb=64458. Молекула має форму стероїда 6,4х5нм, на поверхні якого розташовані 4 гідрофобні заглиблення, що містять гем, який має форму диску. Гем для всіх гемоглобінів однаковий і структурні зміни цього хромопротеїду зумовлені структурою білкової частини – глобіну.

Глобіни можуть мати різний склад, розрізнятися складом аміноксилот та їх послідовністю в поліпептидному ланцюзі, а також співвідношенням поліпеп-тидних лінцюгів (α і β).

З загальної кількості заліза організму (4 гр) приблизно 50% припадає на гем.

Механіз переносу кисню гемоглобіном

Засновником вчення про дихальну функцію крові є російський фізіолог І.Н. Сеченов. Вивчаючи залежність між складом повітря в легенях і вмісту СО2 і О2 в крові, Сеченов вперше доказав, що СО2 переноситься не плазмою, а Нb.

Повітря, яке вдихає людина, містить 20,9% О2 і 0,03% СО2, тиск О2 перевищує тискСО2. Така різниця сприяє дифузії кисню і зворотньому сполу-ченню його з гемоглобіном. Кожна одиниця гемоглобіну може зв’язувати одну молекулу О2, утворюючи НbО2 – оксигемоглобін.

Оскільки приєднання молекулярного кисню не пов’язано зі зміною валентності гему і не є окисленням, процес називається оксигенацією.

В Нb декілька місць зв’язування молекулярного кисню і насищення його киснем відбувається не одночасно. Зі збільшенням місць, занятих киснем, спорідненість до нього вільних електронів зростає, що прискорює процес оксигенації, такий процес має кооперативний характер.

При дисоціації НbО2 його спорідненість до кожної слідуючої молекули О2 зменщується, що сприяє вивільненню О2 в тканинах.

Серед факторів, що впливають на спорідненість Нb до О2 має значення концентрація протонів водню, концентрації СО2, органічних фосфатів. Оксигенація супроводжується вівільненням протонів Н з оксигемоглобіну в середовище, а деоксигенація приєднання протонів до гемоглобіну, що дуже важливо в капілярах тканин, куди поступає велика кількість продуктів метаболізму.

В артеріальній крові, де О2 міститься 19-20%, тиск досягає 75-100мм.рт.ст., а в тканинній рідині 20-40 мм.рт.ст., що сприяє дисоціації оксигемоглобіну і засвоєння О2 тканинами. Кисень реагує в тканинах з дихальим залізовмістним пігментом цитохромоксидазою і через систему ферментів окислює водень субстратів з утворенням НbО2.

Утворення НbО2 залежить від парціального тиску кисню у повітрі. Коли тиск знижується, кількість НbО2 зменшується. Це явище називається гіпокксемією. При недостатку О2 в в крові може виникнути недостаток його в тканинах – гіпоксія. Розрахунками встановлено, що при наявності в повітрі 20,9% кисню приблизно 99% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при наявності 10% О2 – 90% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при 2,5% О2 –тільки 50% Нb зв’язується в оксигемоглобін. Це свідчить про те, що в організмі людини є величезні адаптаційні можливості. І.М.Сеченов доказав, що зменшення парціального тиску у альвеолах від 80 до 20 мм.рт.ст. може викликати таке зниження кількості гемоглобіну. що призводить до смерті.

Границею тиску, при якому може існувати людина є 30% від норми атмосферного тиску. Це приблизно 8 км над рівнем моря. Основна причина гірської хвороби – недостаток кисню, але свою роль відіграє СО2 і - гіпоксемія. В тяжких умовах гіпоксемія може перейти в аноксію, зупинитися дихання в тканинах і наступить смерть.

Метгемоглобін

Містить в своєму складі Fе3+. В молекулі О2 замінюється гідроксильною групою ОН-, і він не може транспортувати кисень. В крові дорослої людини невелика кількість його 0,3-3 г/л. Фізіологічно він грає захисну роль, зв’язує і знезаражує ціаніди, перетворюючи їх в нешкідливий комплекс, в крові може зв’язувати до 1/3 ціанідних ядів. Крім того знезаражує сірководень, масляну кислоту, тобто має виражену антиоксидантну дію, руйнує токсичні для організму перекисні сполуки. При цьому НbН відновлюється в нормальний гемоглобін. Здатність відновлювати НbН має аскорбінова кислота (вітамін С).

Карбоксигемоглобін

Утворюється при отруєнні СО. Оскільки спорідненість СО до Нb в 300 разів вижче ніж у О2 , то навіть в невеликих кількостях він швидко з’єднується з Нb. Так, при концентрації СО у повітрі 0,07%, 50% Нb перетворюється в карбоксигемоглобін, а при наявності у повітрі 1% СО фактично весь Нb перетворюється у карбоксигемоглобін. У боротьбі з гіпоксемією використовується оксигенотерапія. Вона часто поєднується з добавкою до О2 СО2 (95% О2 + 5%СО2 ). Підвищення тиску О2 у крові сприяє відновленню гемоглобіну з метогемоглобіну і карбоксигемоглобіну, а СО2 подразнює дихальний центр, підсилює вентиляцію легень і надходження О2 в тканини.

Міоглобін – це хромопротеїд м’язів, він складається тільки з одного ланцюга анологічного субодиниці гемоглобіну. Це дихальний пігмент м’язів, він значно краще з’єднується з киснем, але трудніше його віддає. Міоглобін створює запаси кисню в м’язах, де його кількість може досягти 14% всього кисню організму. Це має велике значення для роботи серцевого м’яза. Високий вміст міоглобіну в організмах морських ссавців.

Контрольні запитання до теми

  1. Які сполуки називаються білками?

  2. Який елементарний склад мають білки?

  3. Вміст якого хімічного елементу постійний у білках?

  4. Які мікроелементи входять до складу білків?

  5. Що є мономерами білків? Які властивості мають амінокислоти?

  6. Як класифікують амінокислоти? Назвіть представників кожного класу.

  7. Які рівні організації мають білки?

  8. Яка структура білку найбільш стійка?

  9. Які хімічні властивості маєть білки?

  10. Які фактори стійкості білків у розчині?

  11. Що називають зворотним осадом білків?

  12. Що таке денатурація і чим вона відрізняється від зворотного осаду?

  13. За якими ознаками класифікують білки?

  14. Які білки відносять до простих білків. Дати їм характеристику.

  15. За якими ознаками класифікують складні білки?

  16. Дати характеристику кожному класу складних білків?

  17. До якого класу складних білків відносять гемоглобін? Яка його біологічна роль в організмі?

  18. Назвіть фракції гемоглобіну, їх біологічна роль в організмі.

Лекція № 3. ХІМІЯ ВУГЛЕВОДІВ

  1. European credit transfer system (4)

    Документ
    Вінницький національний технічний університет заснований у 1960 р. як загальнотехнічний факультет Київського технологічного інституту харчової промисловості, який у 1964 р.
  2. European credit transfer system (8)

    Документ
    Рішенням Вінницької обласної ради народних депутатів для розбудови у Вінниці вищого навчального закладу політехнічного профілю на околиці міста було виділено 25 гектарів землі, на яких уже в 1967 році було зведено два перших навчальних
  3. European credit transfer system (13)

    Документ
    Рішенням Вінницької обласної ради народних депутатів для розбудови у Вінниці вищого навчального закладу політехнічного профілю на околиці міста було виділено 25 гектарів землі, на яких уже в 1967 році було зведено два перших навчальних
  4. Чернігівський національний педагогічний університет імені Т. Г. Шевченка вісник чернігівського державного педагогічного університету (1)

    Документ
    Редакцiйна колегiя серiї "Педагогiчнi науки": Бобир С.Л., Боровик А.Г., Гетта В.Г., Гринь Т.В., Жила С.О., Завацька Л.М., Зайченко І.В., Іванишина В.
  5. 1. Предмет психології : структура, завдання, методи

    Документ
    Унікальність природи людини полягає в тому, що кожна людина чи мось відрізняється від іншої як за фізичними даними, так і за здібностями та інтересами .

Другие похожие документы..