Физико-химические свойства белков и их определение
Физические, биологические и химические свойства белков. Синтез и анализ белков. Определение первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белков. Денатурация, выделение и очистка белков. Использование белков в промышленности и медицине.
Рубрика Биология и естествознание Вид реферат Язык русский Дата добавления 10.06.2015 Размер файла 296,5 K Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную нижеСтуденты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВПО "Волгоградский государственный технический университет"
Кафедра "Органическая химия"
по биохимии на тему:
"Физико-химические свойства белков и их определение"
ст. группы ПП-352
Кутыга Ольга Николаевна
Содержание
Введение
Белки играют наиважнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Ни один из известных живых организмов не обходится без них. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов - катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Известно, что аминокислоты, соединяясь друг с другом посредством пептидных связей, образуют полипептиды. Белками являются полипептиды, способные образовывать и самостоятельно стабилизировать свою пространственную структуру. Как правило, белками называют полипептиды, которые содержат более 50 аминокислотных остатков.
Различают химические, физические и биологические свойства белков.
Химические свойства отличаются исключительным разнообразием. Некоторые из радикалов аминокислот содержат свободные минные (лизин, аргинин) и карбоксильные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) группы. Взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя (воды), ионогенные группы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка.
Целью данной семестровой работы является изучение химических и физических свойств белков. Поставленная цель решается посредством следующих задач:
рассмотрение основных физических свойств белков;
изучение характеристики их химических свойств.
Физические свойства
Одним из характерных физических свойств белков является их способность адсорбировать на своей поверхности (а иногда и захватывать внутрь молекулы) низкомолекулярные органические соединения и ионы. С этим свойством белков связана их транспортная функция в организме: некоторые белки являются хорошими переносчиками продуктов обмена и токсических веществ [1].
Биологические свойства
Другое важное биологическое свойство белков - их гормональная активность, т.е. способность воздействовать на целые группы химических реакций в организме. Некоторым белкам присущи также токсические свойства, патогенная активность, защитные функции в организме и т.п.
Важной является пластическая роль белков: в сочетании с другими макромолекулами они дают начало смешанным сополимерам - нуклеопротеинам, липопротеинам и гликопротеинам, которые в свою очередь обеспечивают возникновение субклеточных структур и надклеточных образований в организме.
Особым свойством белков является их способность к денатурации. Белки, обладающие всеми характерными природными свойствами, называют нативными. Часто под влиянием мягкой обработки (например, легкого встряхивания) или при резких физических или химических воздействиях (тепловой шок, стресс, отравление тяжелыми металлами) белки теряют нативность и переходят в денатурированное состояние.
Изменение уникальной структуры нативного белка, сопровождающееся обратимой или необратимой потерей характерных для него свойств (растворимости, биологической активности, электрофоретической подвижности и т.п.) называют денатурацией. При обратимой денатурации, как правило, нарушаются четвертичная, третичная и частично вторичная структура белковой молекулы, но не происходит каких - либо изменений первичной структуры. В случае обратимой денатурации (в отличие от необратимой) при определенных условиях денатурированный белок можно частично или полностью вернуть к нативному состоянию, такой белок называют ренатурированным, а процесс - ренатурацией.
При необратимой денатурации белка (при кипячении, под действием ионов тяжелых металлов и других агентов) происходит глубокое нарушение структуры белка, в результате чего ренатурация его невозможна [2].
Химические свойства белков
В зависимости от соотношения противоположно заряженных ионов белковая молекула получает суммарный положительный или отрицательный заряд. Для характеристики кислотно-основных свойств молекул белков и аминокислот используется такой показатель, как изоэлектрическая точка.
Изоэлектрическая точка белка (рI) - это значение рН среды, при котором молекула белка электронейтральна и не перемещается в электрическом поле.
Белки, как и аминокислоты, являясь амфотерными электролитами, могут диссоциировать как кислоты и как основания. Условно молекулу белка в растворе с равным числом ионизированных аминных и карбоксильных групп (вблизи изоэлектрической точки) можно представить следующим образом:
В кислой среде (рН < 7) происходит подавление диссоциации белка по карбоксильным группам, в этом случае молекула белка заряжается положительно:
В щелочной среде (рН > 7) подавляется диссоциация белка по аминогруппам, и молекула заряжается отрицательно:
Изоэлектрическая точка кислых белков (с повышенным содержанием дикарбоновых кислот) лежит в слабокислой области, изоэлектрическая точка основных белков (с повышенным содержанием диаминокислот) - в слабощелочной области.
В водном растворе белков их молекулы заряжены и гидратированы, что обусловливает устойчивость белковых растворов. Однако при высокой концентрации солей, ионы которых тоже гидратированы, происходит разрушение водных оболочек белковых молекул и нейтрализация их заряда адсорбирующимися противоионами соли. Белковые частицы слипаются и выпадают в осадок. Таков механизм высаливания белков, который используют для выделения отдельных белков из смеси [3].
Химический синтез и анализ белков
Анализ. Методы анализа белковых макромолекул селективны и осуществляются в зависимости от того, какая структура является объектом исследования, и начинаются с определения аминокислотного состава. Для этого необходимо провести полный гидролиз пептидных связей и получить смесь, состоящую из отдельных аминокислот. Гидролиз проводят при помощи 6М соляной кислоты при кипячении в течение 24 ч. Так как для гидролиза пептидных связей изолейцина и валина этого может быть недостаточно, проводят контрольный 48 - и 72 - часовой гидролиз. Некоторые аминокислоты, например триптофан, при кислотном гидролизе разрушаются, поэтому для их идентификации используют гидролиз при помощи метансульфоновой кислоты в присутствии триптамина.
Для определения цистеина белок окисляют надмуравьиной кислотой, при этом цистеин превращается в цистеиновую кислоту, которую затем анализируют. Выделение и идентификацию аминокислот проводят при помощи аминокислотных анализаторов, принцип действия которых основан на хроматографическом разделении белкового гидролизата на сульфополистирольных катионитах.
В основе количественного определения той или иной аминокислоты лежит цветная реакция с нингидрином, однако более перспективным следует считать метод, при котором аминокислоты модифицируют в производные, поглощающие свет в видимом диапазоне. Разделение смеси аминокислот проводят при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии, а само определение - спектрофотометрически.
Следующим этапом является определение концевых аминных и карбоксильных группировок в белковой макромолекуле. Это необходимо для того, чтобы знать, какой белок подвергается анализу - протомер или олигомер. Олигомерные белки предварительно обрабатывают надмуравьиной кислотой для разделения на отдельные полипептидные цепи. N-Концевую аминокислоту определяют при помощи динитрофторбензола, который реагирует с б-аминогруппой белка, образуя окрашенное в желтый цвет производное. Что касается С-концевых аминокислот, то их определение связано с применением ферментативного метода. В качестве фермента чаще всего используют карбоксипептидазу А, которая последовательно отщепляет от карбоксильного конца отдельные аминокислоты. Суть метода заключается в количественном определении накопления свободных аминокислот во времени [4].
Определение первичной структуры белков
Цистин превращается в два остатка цистеина, которые затем блокируют избытком иодуксусной кислоты, чтобы предотвратить обратное образование связей - S-S-.
Расщепление полипептидной цепи на фрагменты проводят обычно при помощи протеолитических ферментов, таких, как трипсин, химотрипсин или пепсин. Эти ферменты действуют на различные участки полипептидной цепи, так как имеют повышенное сродство к различным аминокислотным остаткам. Необходимо учитывать также соседние аминокислотные остатки, т.е. пространственное окружение атакуемой пептидной связи. Оказалось, что трипсин гидролизует только те пептидные связи, в образовании которых участвует карбоксильная группа лизина или аргинина, а химотрипсин гидролизует связи по фенилаланину, триптофану и тирозину. Обычно протеолитические ферменты, гидролизующие полипептидные цепи, предварительно иммобилизуют на нерастворимых матрицах для более легкого отделения их от продуктов гидролиза. Далее определяют аминокислотные последовательности каждого полипептидного фрагмента. Для этого чаще всего используют метод Эдмана, заключающийся в анализе полипептида только с N-конца. Концевая аминокислота при взаимодействии с фенилизотиоцианатом в щелочной среде образует стойкое соединение, которое можно отщепить от полипептида без его деградации. Фенилтиогидантоиновое (ФТГ) производное аминокислоты идентифицируется хроматографическим методом.
После идентификации концевого N-аминокислотного остатка метка вводится в следующий аминокислотный остаток, который становится концевым. Метод Эдмана можно автоматизировать, пользуя секвенатор (от англ. sequetice - последовательность) с помощью которого ФТГ-производные отщепляются от полипептида и идентифицируются посредством высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Ф. Сэнгер впервые полностью расшифровал первичную структуру белкового гормона инсулина, используя метод Эдмана.
Другим высокочувствительным методом является так называемый дансильный метод, связанный с присоединением к концевой аминокислоте дансилхлорида (1-диметиламино-нафталин-5-сульфохлорида) по следующей схеме:
Первичная структура белка может быть установлена косвенно следующим образом: сначала получают соответствующую кДНК., затем идентифицируют клон, относящийся к анализируемому белку, и по чередованию в нем нуклеотидов с использованием библиотеки аминокислотных последовательностей определяют первичную структуру белка.
Определение вторичной структуры белков
Определение третичной и четвертичной структур белков
Это впервые удалось сделать М. Перутцу в 1954 г., что явилось предпосылкой для построения приближенной модели молекулы белка, которая затем была уточнена при помощи ЭВМ. Однако первым белком, пространственная структура которого была полностью идентифицирована Дж. Кендрью, оказался миоглобин, состоящий из 153 аминокислотных остатков, образующих одну полипептидную цепь. В результате было экспериментально подтверждено предположение Л. Полинга и Р. Кори о наличии в молекуле миоглобина б-спиральных участков, а также М. Перутца и Л. Брэгга о том, что они имеют цилиндрическую форму. Несколько позднее М. Перутцем была расшифрована структура гемоглобина, состоящая из 574 аминокислотных остатков и содержащая около 10 000 атомов. В отличие от миоглобина гемоглобин имеет четвертичную структуру, включающую в себя четыре глобулы: две б-субъединицы и две в-субъединицы [1].
Денатурация белков
Денатурирующие агенты делятся на химические и физические. К последним относится прежде всего температурное воздействие, в частности замораживание или нагревание, а также давление, ультразвуковое воздействие, облучение и др. Химические агенты - это органические растворители (ацетон, хлороформ, спирт), концентрированные кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов. В лабораторной практике в качестве денатурирующих агентов чаще всего используют мочевину или гуанидинхлорид, легко разрывающие водородные и гидрофобные связи, при помощи которых формируется третичная структура белка. Максимальное денатурирующее действие оба реагента проявляют при высоких концентрациях (8-10 моль/л). Тепловая денатурация белков в растворах при 50-60°С также связана с разрывом связей, при помощи которых образуется третичная структура. Денатурация, осуществляемая в мягких условиях, часто оказывается обратимой, т.е. при удалении денатурирующего агента происходит восстановление нативной конформации белковой молекулы. Для ряда белков восстановление связей может быть 100% -м, причем это касается не только водородных или гидрофобных связей, но и дисульфидных мостиков. Денатурация изменяет как стабильность, так и функции белков, поэтому весьма важно определять ее характер в научных экспериментах, а также при применении белков в промышленности и медицине. Как правило, при денатурации изменяется форма белковой молекулы, поэтому для контроля ее нативности применяют такие методы, как коэффициент вращательной диффузии, рассеяние света, электронная микроскопия. Кроме того, при переходе молекулы белка в денатурированную форму меняется ее растворимость, спектры поглощения, иммунохимические свойства [5].
Выделение и очистка белков
Высаливание. Высокие концентрации сульфата аммония, а также солей щелочных металлов осаждают белки. Механизм осаждения связан со способностью солей разрушать гидратную оболочку растворенных белковых макромолекул, что приводит к их агрегации и последующему осаждению. Далее используют ряд методов концентрирования и тонкой очистки белков, причем наиболее эффективными являются различные хроматографические процедуры. К преимуществам хроматографических методов следует отнести:
1. технологическую гибкость - разделение веществ можно осуществлять при реализации различных типов межмолекулярных взаимодействий сорбент-сорбат;
2. динамичность, т.е. большое преимущество перед такими одноактными методами, как экстракция и осаждение. Концентрирование продукта в этом случае состоит в селективности взаимодействия хроматографического носителя с целевым веществом, содержащимся в многокомпонентной смеси;
3. вещества в процессе хроматографического разделения, как правило, не подвергаются химическим изменениям [2].
Белки в промышленности и медицине
Производство белковых продуктов методом микробиологического синтеза имеет многовековую историю. Следует отметить, что питательные свойства микробной биомассы во многом определяются белками, составляющими большую часть сухой массы клеток. Микробные белки привлекают внимание биотехнологов в качестве пищевых продуктов в связи с дешевизной и быстротой их получения по сравнению с животными и растительными белками. Промышленное получение белка из микробных клеток осуществляется методом глубинного, непрерывного культивирования. Существенным недостатком этой технологии является наличие в конечном продукте примесей микробных клеток, количество и токсичность которых должно строго учитываться. Наличие нежелательных примесей при производстве микробного белка привело к тому, что в основном он используется в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Белки и продукты их деградации применяются в медицине в качестве лекарственных веществ и лечебных пищевых добавок [3].
белок химическое свойство денатурация
Заключение
Методы анализа белковых макромолекул селективны и осуществляются в зависимости от того, какая структура является объектом исследования, и начинаются с определения аминокислотного состава.
Под денатурацией понимают изменение пространственной структуры белков и, как следствие, уменьшение или полное подавление функциональной активности, растворимости и других биологических и физико-химических свойств.
В белках основной вклад в формирование кислотно-основных свойств вносят заряженные радикалы аминокислотных остатков, расположенные на поверхности белковой глобулы. Основные свойства белков связаны с такими аминокислотами, как аргинин, лизин или гистидин, а кислые - с аспарагиновой и глутаминовой аминокислотами. Белки, будучи амфотерными электролитами, проявляют буферные свойства, хотя их буферная емкость в большинстве случаев незначительна. Исключение составляют белки, содержащие большое число остатков гистидина. В растворах белки проявляют коллоидные свойства, такие, как явление светорассеяния (эффект Тиндаля), неспособность проходить через полупроницаемые мембраны, высокая вязкость, образование гелей и др. Вместе с тем белки не являются истинными коллоидами, так как они способны образовывать молекулярные растворы. Основное сходство между коллоидными частицами и белками заключается в том, что они имеют более или менее близкие размеры. Белки так же, как и истинные коллоиды, могут образовывать гели, представляющие собой сетчатые структуры, заполненные водой.
Список использованной литературы
1. Комов, В.П. Биохимия: учеб. для вузов / В.П. Комов, В.Н. Шведова. - 2-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2006. - 638 с.
2. Овчинников, Ю.А. Биоорганическая химия / Ю.А. Овчинников. - М.: Просвещение, 1987. - 815 с.
3. Петров А. А, Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов. - СПб.: "Иван Федоров", 2002. - 624 с.
4. Тюкавкина, Н.А. Биоорганическая химия / Н.А. Тюкавкина, Ю.И. Бауков. - М.: Медицина, 1991. - 528 с.
5. Филиппович Ю.Б., Ковалевская Н.И., Севастьянова Г.А. и др. Биологическая химия: Учеб. пособие для ступ. высш. учеб., др.: Под ред.Н.И. Ковалевской. - М.: "Академия", 2005. - 256 с
Размещено на Allbest.ru
Подобные документыБелки (протеины) – высоко молекулярные, азотосодержащие природные органические вещества, молекулы которых построены из аминокислот. Строение белков. Классификация белков. Физико-химические свойства белков. Биологические функции белков. Фермент.
реферат [4,0 M], добавлен 15.05.2007
Физические и химические свойства, цветные реакции белков. Состав и строение, функции белков в клетке. Уровни структуры белков. Гидролиз белков, их транспортная и защитная роль. Белок как строительный материал клетки, его энергетическая ценность.
реферат [271,2 K], добавлен 18.06.2010
Понятие и структура белков, аминокислоты как их мономеры. Классификация и разновидности аминокислот, характер пептидной связи. Уровни организации белковой молекулы. Химические и физические свойства белков, методы их анализа и выполняемые функции.
презентация [5,0 M], добавлен 14.04.2014
Физические методы исследования строения белков. Зависимость биологической активности белков от их первичной структуры. Уравнение реакции переаминирования гистидина и глиоксиловой кислоты. Биологически активные производные гормона адреналина, их биосинтез.
контрольная работа [172,9 K], добавлен 10.07.2011
Определение влияния гипотермии на содержание водорастворимых белков в тканях высших растений, бактерий и водорослей. Применение электрофореза для разделения растительных белков. Влияние развития морозоустойчивости на синтез белков, изменение экспрессии.
реферат [22,1 K], добавлен 11.08.2009
Проблемы сборки мембранных белков, методы исследования и условия переноса белков через мембраны. Сигнальная и мембранная (триггерная) гипотеза встраивания белков в мембрану. Процесс сборки мультисубъединичных комплексов и обновление мембранных белков.
курсовая работа [289,5 K], добавлен 13.04.2009
Роль белков в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле. Виды белков в живых клетках: ферменты, транспортные, пищевые, запасные, сократительные, двигательные, структурные, защитные и регуляторные. Доменная структура белков.