ХІМІЯ БІЛКА
Біохімія - це наука про хімічних і фізико-хімічних процесах, які протікають в живих організмах і лежать в основі всіх проявів життєдіяльності. Біохімія виникла на стику органічної хімії та фізіології в кінці минулого століття.
БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ
БІЛКИ або ПРОТЕЇНИ - це високомолекулярні азотовмісні органічні речовини, лінійні гетерополімери, структурним компонентом яких є амінокислоти, пов'язані пептидними зв'язками.
Крім поняття «білок», в хімії зустрічається терміни «ПЕПТИД» і «Поліпептид». Пептидом зазвичай називають олігомер, що складається не більш ніж з 10 амінокислот. Але зустрічаються і молекули, що містять від 10 до 100 амінокислот - вони відносяться до групи невеликих Поліпептиди, великі ж поліпептиди можуть містити і більше 100 амінокислот. Стільки ж амінокислот можуть містити і деякі невеликі білки. Тому кордон за кількістю амінокислотних залишків, а, отже, і за молекулярною масою, між білками і поліпептидами, дуже умовна.
У природі зустрічаються десятки тисяч різних білків. І всі вони відрізняються один від одного по п'яти основною ознакою.
Основні відмінності в будові білкових молекул
За кількістю амінокислот
За співвідношенням кількості різних амінокислот. Наприклад, у білку сполучної тканини коллагене 33% від загальної кількості амінокислот становить гліцин, а в молекулі білкового гормону інсуліну, що виробляється в підшлунковій залозі, вміст гліцину набагато менше - всього 8%.
Різна послідовність чергування амінокислот. Це означає, що навіть при однаковому співвідношенні різних амінокислот в якихось двох білках порядок їх розташування цих амінокислот різний, то це будуть різні білки.
Кількість поліпептидних ланцюгів в різних білках може варіювати від 1 до 12, але якщо більше одиниці, то зазвичай парне (2, 4, 6 і т.п.)
За наявністю небілкового компонента, який називається «простетичної груп». Якщо її немає, то це - простий білок, якщо є - складний білок
У природі зустрічається близько 150 амінокислот. Для побудови білків використовуються тільки 20 з них, хоча в метаболізмі організму людини бере участь більша кількість амінокислот. Ці 20 амінокислот мають кілька спільних ознак будови (загальні властивості амінокислот):
1. Всі вони є альфа-амінокислотами. Аміногрупа загальної частини всіх амінокислот приєднана до альфа-вуглецевого атома.
2. За стереохимической конфігурації альфауглеродного атома всі вони належать до L-ряду.
Отже, всі ці 20 амінокислот мають абсолютно однаковий фрагмент молекули. Розрізняються вони за будовою радикалів.
Молекула води має полярними властивостями.
Атом кисню сильніше притягує електрони, ніж атоми водню, тому електронне хмара зміщено в бік кисню. Ступінь полярності визначається величиною часткових зарядів і відстанню між центрами тяжіння цих зарядів. Таким чином, молекула води є диполем.
Молекули води структуровані і утворюють кластери.
У ці кластерні структури добре вбудовуються молекули, які самі є полярними, тому що полярні речовини добре розчиняються у воді. Полярними є всі ті молекули, які містять електронегативні атоми. У молекулах білків електронегативними атомами є O (кисень), N (азот) і S (сірка).
Висока полярність забезпечує інші загальні властивості амінокислот:
3. Хороша розчинність у воді завдяки наявності загального фрагмента молекули. Загальний фрагмент має полярними властивостями, бо містить карбоксильну групу-COOH (при фізіологічному значенні pH ця група заряджена негативно), і аміногрупи-NH 2 (при фізіологічному значенні pH заряджена позитивно).
4. Здатність до електролітичної дисоціації. Амінокислоти існують у водному розчині у вигляді Амфіон (біполярних іонів). В цілому така молекула при нейтральному значенні pH (при pH = 7) електронейтральна.
5. Наявність ізоелектричної точки (ВЕТ, pI). (ВЕТ) - це значення pH середовища, при якому молекула амфотерного речовини (наприклад, амінокислоти) знаходиться в електронейтральної стані.
Відмінності в будові АМІНОКИСЛОТ
Радикали амінокислот можуть значно відрізнятися один від одного за будовою.
Якщо є додаткові карбоксильні групи в радикалі, то заряд молекули в нейтральному середовищі негативний, а ВЕТ такої молекули знаходиться в кислому середовищі.
Амінокислота, в радикалі якої є додаткова аміногрупи (NH 2-група), в нейтральному середовищі заряджена позитивно. ВЕТ такий амінокислоти знаходиться в лужному середовищі (pI> 7). До таких амінокислот відносяться лізин, аргінін і гістидин.
Амінокислота, в радикалі якої є додаткова карбоксильная група (COOH-група), в нейтральному середовищі заряджена негативно. ВЕТ такий амінокислоти знаходиться в кислому середовищі (pI <7). До них відносяться аспарагінова кислота і глутамінова кислота.
За допомогою значення рН зовнішнього середовища характеризують співвідношення-СООН і-NH 2 груп. Це відноситься і до пептидів, і до білків.
Різні функціональні групи, що містяться в радикалів амінокислот, надають їм здатність до взаємодії з утворенням різних типів з'єднань. Наведемо приклади таких взаємодій.
У зв'язку з відмінностями в будові радикалів різні і фізико-хімічні властивості амінокислот.
КЛАСИФІКАЦІЯ АМІНОКИСЛОТ
Існують три типи класифікації:
ФІЗИКО-ХІМІЧНА - заснована на відмінностях у фізико-хімічні властивості амінокислот.
Гідрофобні амінокислоти (неполярні). Компоненти радикалів містять зазвичай вуглеводневі групи, де рівномірно розподілена електронна щільність і немає ніяких зарядів і полюсів. У їх складі можуть бути присутні і електронегативні елементи, але всі вони знаходяться в вуглеводневому оточенні. Наприклад, в радикалі метіоніну сірка оточена вуглеводневими угрупованнями, які не дозволяють цьому елементу виявляти своїх електронегативних властивостей: - (CH 2) 2-S-CH 3. Аналогічна ситуація спостерігається, наприклад, у питаннях азоту, що знаходиться в складі радикала триптофану.
Гідрофільні незаряджені (полярні) амінокислоти. Радикали таких амінокислот містять у своєму складі полярні угруповання:
Ці групи взаємодіють з дипольними молекулами води, які орієнтуються навколо них.
Негативно заряджені амінокислоти. Сюди відносяться аспарагінова і глутамінова кислоти. Мають додаткову СООН-групу в радикалі - в нейтральному середовищі набувають негативний заряд.
Всі вони гідрофільні.
Позитивно заряджені амінокислоти: аргінін, лізин та гістидин. Мають додаткову NH 2-групу (або імідазольного кільця, як гістидин) в радикалі - в нейтральному середовищі набувають позитивний заряд.
Всі вони також є гідрофільними.
Такі властивості характерні для вільних амінокислот. У білку ж йоногенних групи загальної частини амінокислот беруть участь в утворенні пептидного зв'язку, і всі властивості білка визначаються тільки властивостями радикалів амінокислот.
Не всі амінокислоти, які беруть участь у побудові білків людського тіла, здатні синтезуватися у нашому організмі. На цьому заснована ще одна класифікація амінокислот - біологічна.
II. Біологічна класифікація.
а) Незамінні амінокислоти, їх ще називають "есенціальні". Вони не можуть синтезуватися в організмі людини і повинні обов'язково надходити з їжею. Їх 8 і ще 2 амінокислоти відносяться до частково незамінним.
Незамінні: метіонін, треонін, лізин, лейцин, ізолейцин, валін, триптофан, фенілаланін.
Частково незамінні: аргінін, гістидин.
а) Замінні (можуть синтезуватися в організмі людини). Їх 10: глутамінова кислота, глутамін, пролін, аланін, аспарагінова кислота, аспарагін, тирозин, цистеїн, серин і гліцин.
III. Хімічна класифікація - відповідно з хімічною структурою радикала амінокислоти (аліфатичні, ароматичні).
Білки синтезуються на рибосомах, не з вільних амінокислот, а з їх сполук з транспортними РНК (т-РНК).
Цей комплекс називається «аміноацил-т-РНК».
ТИПИ ЗВ'ЯЗКІВ МІЖ амінокислот в молекулах білків
2 групи:
1. Ковалентний зв'язок - звичайні міцні хімічні зв'язки.
а) пептидний зв'язок
б) дисульфідний зв'язок
2. Нековалентні (СЛАБКІ) ТИПИ ЗВ'ЯЗКІВ - фізико-хімічні взаємодії споріднених структур. У десятки разів слабкіше звичайного хімічного зв'язку. Дуже чутливі до фізико-хімічних умов середовища. Вони неспецифічні, тобто з'єднуються один з одним не строго певні хімічні угруповання, а самі різноманітні хімічні групи, але відповідають певним вимогам.
а) Водневий зв'язок
б) Іонна зв'язок
в) Гідрофобне взаємодія
Пептидного зв'язку.
Формується за рахунок COOH-групи однієї амінокислоти і NH 2-групи сусідній амінокислоти. У назві пептиду закінчення назв всіх амінокислот, крім останньої, що знаходиться на «С»-кінці молекули змінюються на «мул»
Тетрапептід: валив-аспарагіл-лізіл-серин
Пептидний зв'язок формується ТІЛЬКИ ЗА РАХУНОК АЛЬФА-аміногрупу і СУСІДНІЙ COOH-ГРУПИ ЗАГАЛЬНОГО ДЛЯ ВСІХ АМІНОКИСЛОТ фрагмент молекули! Якщо карбоксильні і аміногрупи входять до складу радикала, то вони ніколи (!) Не беруть участь у формуванні пептидного зв'язку в молекулі білка.
Будь білок - це довга нерозгалужене поліпептидний ланцюг, що містить десятки, сотні, а іноді більше тисячі амінокислотних залишків. Але якою б довжини не була поліпептидний ланцюг, завжди в основі її - стрижень молекули, абсолютно однаковий у всіх білків. Кожна поліпептидний ланцюг має N-кінець, на якому знаходиться вільна кінцева аміногрупа і С-кінець, утворений кінцевий вільної карбоксильної групою. На цьому стрижні сидять як бічні гілочки радикали амінокислот. Числом, співвідношенням і чергуванням цих радикалів один білок відрізняється від іншого. Сама пептидная зв'язок є частково подвійний чинності лакто-лактамної таутомерії. Тому навколо неї неможливо обертання, а сама вона по міцності в півтора рази перевершує звичайну ковалентний зв'язок. На малюнку видно, що з кожних трьох ковалентних зв'язків в стержні молекули пептиду або білка дві є простими і допускають обертання, тому стрижень (вся поліпептидний ланцюг) може згинатися в просторі.
Хоча пептидная зв'язок досить міцна, її порівняно легко можна зруйнувати хімічним шляхом - кип'ятінням білка в міцному розчині кислоти або лугу протягом 1-3 діб.
До ковалентним зв'язкам в молекулі білка крім пептидной, відноситься також дисульфідними зв'язками.
Цистеїн - амінокислота, яка в радикалі має SH-групу, за рахунок якої і утворюються дисульфідні зв'язки.
Дисульфідний зв'язок - це ковалентний зв'язок. Однак біологічно вона набагато менш стійка, ніж пептидний зв'язок. Це пояснюється тим, що в організмі інтенсивно протікають окисно-відновні процеси. Дисульфідний зв'язок може виникати між різними ділянками однієї і тієї ж поліпептидного ланцюга, тоді вона утримує цей ланцюг в вигнутому стані. Якщо дисульфідний зв'язок виникає між двома поліпептидами, то вона об'єднує їх в одну молекулу.
СЛАБКІ ТИПИ ЗВ'ЯЗКІВ
У десятки разів слабкіше ковалентних зв'язків. Це не певні типи зв'язків, а неспецифічне взаємодія, що виникає між різними хімічними угрупованнями, які мають високу спорідненість один до одного (спорідненість - це здатність до взаємодії). Наприклад: протилежно заряджені радикали.
Таким чином, слабкі типи зв'язків - це фізико-хімічні взаємодії. Тому вони дуже чутливі до змін умов середовища (температури, pH середовища, іонної сили розчину і так далі).
Водневий зв'язок - це зв'язок, що виникає між двома електронегативними атомами за рахунок атома водню, який з'єднаний з одним із електронегативних атомів ковалентно (див. малюнок).
Водневий зв'язок приблизно в 10 разів слабкіше, ніж ковалентний. Якщо водневі зв'язку повторюються багато разів, то вони утримують поліпептидні ланцюжки з високою міцністю. Водневі зв'язки дуже чутливі до умов зовнішнього середовища і присутності в ній речовин, які самі здатні утворювати такі зв'язки (наприклад, сечовина).
Іонний зв'язок - виникає між позитивно і негативно зарядженими угрупованнями (додаткові карбоксильні і аміногрупи), які зустрічаються в радикалів лізину, аргініну, гістидину, аспарагінової і глутамінової кислот.
Гідрофобні взаємодії - неспецифічне тяжіння, що виникає в молекулі білка між радикалами гідрофобних амінокислот - викликається силами Ван-дер-Ваальса і доповнюється виштовхує силою води. Гідрофобна взаємодія слабшає або розривається у присутності різних органічних розчинників та деяких детергентів. Наприклад, деякі наслідки дії етилового спирту при проникненні його всередину організму обумовлені тим, що під його впливом послаблюються гідрофобні взаємодії в молекулах білків.
ПРОСТОРОВА організації білкових молекул
В основі кожного білка лежить поліпептидний ланцюг. Вона не просто витягнута в просторі, а організована в тривимірну структуру. Тому існує поняття про 4-х рівнях просторової організації білка, а саме - первинної, вторинної, третинної і четвертинної структурах білкових молекул.
ПЕРВИННА СТРУКТУРА
Первинна структура білка - послідовність амінокислотних фрагментів, міцно (і протягом всього періоду існування білка) з'єднаних пептидними зв'язками. Існує період напівжиття білкових молекул - для більшості білків близько 2-х тижнів. Якщо стався розрив хоча б однієї пептидного зв'язку, то утворюється вже інший білок.
ВТОРИННА СТРУКТУРА
Вторинна структура - це просторова організація стрижня поліпептидного ланцюга. Існують 3 найголовніших типу вторинної структури:
1) Альфа-спіраль - Має певні характеристики: ширину, відстань між двома витками спіралі. Для білків характерна правозакрученная спіраль. У цій спіралі на 10 витків припадає 36 амінокислотних залишків. У всіх пептидів, покладених в таку спіраль, ця спіраль абсолютно однакова. Фіксується альфа-спіраль за допомогою водневих зв'язків між NH-групами одного витка спіралі і С = О групами сусіднього витка. Ці водневі зв'язку розташовані паралельно осі спіралі і багаторазово повторюються, тому міцно утримують спіралеподібної структуру. Більше того, утримують в кілька напруженому стані (як стиснуту пружину).
Бета-складчаста структура - або структура складчастого листа. Фіксується також водневими зв'язками між С = О і NH-групами. Фіксує дві ділянки поліпептидного ланцюга. Ці кола можуть бути паралельні або антіпараллельни. Якщо такі зв'язки утворюються в межах одного пептиду, то вони завжди антіпараллельни, а якщо між різними поліпептидами, то паралельні.
3) Нерегулярна структура - тип вторинної структури, в якому розташування різних ділянок поліпептидного ланцюга відносно один одного не має регулярного (постійного) характеру, тому нерегулярні структури можуть мати різну конформацію.
Третинна структура
Це тривимірна архітектура поліпептидного ланцюга - особливе взаємне розташування в просторі спіралеподібних, складчастих і нерегулярних ділянок поліпептидного ланцюга. У різних білків третинної структури різна. У формуванні третинної структури беруть участь дисульфідні зв'язки і всі слабкі типи зв'язків.
Виділяють два загальних типу третинної структури:
1) У фібрилярних білках (наприклад, колаген, еластин) молекули яких мають витягнуту форму і зазвичай формують волокнисті структури тканин, третинна структура представлена або потрійний альфа-спіраллю (наприклад, в коллагене), або бета-складчастими структурами.
2) У глобулярних білках, молекули яких мають форму кулі або еліпса (латинська назва: GLOBULA - куля), зустрічається поєднання всіх трьох типів структур: завжди є нерегулярні ділянки, є бета-складчасті структури і альфа-спіралі.
Зазвичай в глобулярних білках гідрофобні ділянки молекули знаходяться в глибині молекули. З'єднуючись між собою, гідрофобні радикали утворюють гідрофобні кластери (центри). Формування гідрофобного кластера змушує молекулу відповідним чином згинатися в просторі. Зазвичай в молекулі глобулярного білка буває кілька гідрофобних кластерів в глибині молекули. Це є проявом подвійності властивостей білкової молекули: на поверхні молекули - гідрофільні угруповання, тому молекула в цілому - гідрофільна, а в глибині молекули - заховані гідрофобні радикали.
Четвертинні СТРУКТУРА
Зустрічається не у всіх білків, а тільки у тих, які складаються з двох або більше поліпептидних ланцюгів. Кожна така ланцюг називається Субодиниця даної молекули (або ПРОТОМЕРОМ). Тому білки, що володіють четвертинної структурою, називають олігомерних білками. До складу білкової молекули можуть входити однакові або різні субодиниці. Наприклад, молекула гемоглобіну «А» складається з двох субодиниць одного типу і двох субодиниць іншого типу, тобто є тетрамеров. Фіксуються четвертинні структури білків всіма типами слабких зв'язків, а іноді ще й дисульфідними зв'язками.
МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРВИННОЇ СТРУКТУРИ БІЛКА
1) Деградація по Едмону
До розчину білка додають реактив Едмона, що містить фенілізотіоціанат.
Фенілізотіоціанат взаємодіє з альфа-аминогруппой першої (N-кінцевий) амінокислоти, а потім відбувається її відщеплення від поліпептидного ланцюга шляхом гідролізу:
Після цього ідентифікують першої амінокислоти. Потім процес повторюється.
В даний час процес автоматизований.
2) Секвенування ДНК
Первинна структура будь білкової молекули безпосередньо залежить від структури ДНК-генома. Тому спочатку виділяють ген, у якому закодована структура білка. Далі визначають послідовність азотистих основ в ДНК. Кожна амінокислота у білкової молекули закодована поєднанням трьох азотистих основ - триплетом (кодоном) в молекулі ДНК. Наприклад, поєднання трьох підстав аденіну (ААА) кодує амінокислоту фенілаланін, а послідовність з трьох підстав цитозина - гліцин. Це дає можливість отримати інформацію про первинну структуру білкової молекули, а, значить, прогнозувати будова всієї молекули в цілому, оскільки саме первинна структура визначає будову всіх вищих рівнів організації - і вторинної, і третинної, а, іноді і четвертинної структур.
Для перевірки припущень про будову вищих структур використовується ще один метод:
3) Рентгеноструктурний аналіз
Схема, що пояснює принцип цього методу, представлена на малюнку:
У результаті опромінення на фотоплівці фіксується карта електронної щільності (схожа на географічну карту). Далі виробляється комп'ютерний аналіз отриманого зображення, в результаті чого будується просторова модель білкової молекули.
Електронна мікроскопія
Може бути використана для з'ясування структури білкових молекул з великою молекулярною масою - від 500.000 до 1.000.000 Так (дальтон). Дальтон (Так) і килодальтон (КДа) - одиниці вимірювання маси білків. 1кДа = 10 3 Так. 1 дальтон дорівнює 1 / 16 маси атома кисню (киснева одиниця маси).
КОНФІГУРАЦІЯ І Конформація БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
З усього сказаного можна зробити висновок, що просторова організація білків дуже складна. У хімії існує поняття - просторова КОНФІГУРАЦІЯ - жорстко закріплене ковалентними зв'язками просторове взаємне розташування частин молекули (наприклад: належність до L-ряду стереоізомерів або до D-ряду).
Для білків також використовується поняття Конформація білкової молекули - певне, але не застигле, не незмінне взаємне розташування частин молекули. Так як конформація білкової молекули формується за участю слабких типів зв'язків, то вона є рухомого (здатної до змін), і білок може змінювати свою структуру. Залежно від умов зовнішнього середовища молекула може існувати в різних конформаційних станах, які легко переходять один в одного. Енергетично вигідними для реальних умов є тільки одне або декілька конформаційних станів, між якими існує рівновага. Переходи з одного конформаційного стану в інший забезпечують функціонування білкової молекули. Це оборотні конформаційні зміни (зустрічаються в організмі, наприклад, при проведенні нервового імпульсу, при переносі кисню гемоглобіном). При зміні конформації частина слабких зв'язків руйнується, і утворюються нові зв'язки слабкого типу.
Ліганди
Взаємодія білка з яких-небудь речовиною іноді призводить до зв'язування молекули цієї речовини молекулою білка. Цей явище відоме як «сорбція» (зв'язування). Зворотний же процес - звільнення іншої молекули від білкової називається «десорбція».
Якщо для якоїсь пари молекул процес сорбції переважає над десорбцією, то це вже специфічна сорбція, а речовина, яка сорбується, називається «ліганд».
Види лігандів:
1) Ліганд білка-ферменту - субстрат.
2) Ліганд траспортного білка - транспортується речовина.
3) Ліганд антитіла (імуноглобуліну) - антиген.
4) Ліганд рецептора гормону або нейромедіатора - гормон або нейромедіатор.
Білок може змінювати свою конформацію не тільки при взаємодії з лігандом, але і в результаті якого хімічного взаємодії. Прикладом такої взаємодії може служити приєднання залишку фосфорної кислоти.
У природних умовах білки мають кілька термодинамічно вигідних конформаційних станів. Це нативні стану (природні). Natura (лат.) - природа.
Нативні БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
Нативні - це унікальний комплекс фізичних, фізико-хімічних, хімічних і біологічних властивостей білкової молекули, що належить їй, коли молекула білка знаходиться в природному, природному (нативному) стані.
Наприклад: білок кришталика ока - крісталлін - володіє високою прозорістю тільки в нативному стані).
Денатурація білка
Для позначення процесу, при якому нативні властивості білка губляться, використовують термін денатурації.
Денатурація - це позбавлення білка його природних, нативних властивостей, що супроводжується руйнуванням четвертинної (якщо вона була), третинної, а іноді і вторинної структури білкової молекули, що виникає при руйнуванні дисульфідних і слабких типів зв'язків, що беруть участь в утворенні цих структур. Первинна структура при цьому зберігається, тому що вона сформована міцними ковалентними зв'язками. Руйнування первинної структури може відбутися тільки в результаті гідролізу білкової молекули тривалим кип'ятінням у розчині кислоти або лугу.
ФАКТОРИ, викликає денатурацію білків
Фактори, які викликають денатурацію білків, можна розділити на фізичні і хімічні.
Фізичні фактори
1. Високі температури. Для різних білків характерна різна чутливість до теплового впливу. Частина білків піддається денатурації вже при 40-50 0 С. Такі білки називають термолабільних. Інші білки денатурують при набагато більш високих температурах, вони є термостабільності.
2. Ультрафіолетове опромінення
3. Рентгенівське і радіоактивне опромінення
4. Ультразвук
5. Механічне вплив (наприклад, вібрація).
Хімічні фактори
1. Концентровані кислоти та луги. Наприклад, трихлороцтової кислота (органічна), азотна кислота (неорганічна).
2. Солі важких металів (наприклад, CuSO 4).
3. Органічні розчинники (етиловий спирт, ацетон)
4. Рослинні алкалоїди.
5. Сечовина у високих концентраціях
5. Інші речовини, здатні порушувати слабкі типи зв'язків в молекулах білків.
Вплив факторами денатурації застосовують для стерилізації обладнання та інструментів, а також як антисептики.
Оборотність денатурації
У пробірці (in vitro) найчастіше це - незворотний процес. Якщо ж денатурований білок помістити в умови, близькі до нативним, то він може ренатуріровать, але дуже повільно, і таке явище характерне не для всіх білків.
In vivo, в організмі, можлива швидка ренатурації. Це пов'язано з виробленням в живому організмі специфічних білків, які «дізнаються» структуру денатурованого білка, приєднуються до нього за допомогою слабких типів зв'язку і створюють оптимальні умови для ренатурації. Такі специфічні білки відомі як «білки теплового шоку» або «білки стресу».
Білки стресу
Існує кілька сімейств цих білків, вони відрізняються за молекулярною масою.
Наприклад, відомий білок hsp 70 - heatshock protein масою 70 kDa.
Такі білки є у всіх клітинах організму. Вони виконують також функцію траспорту поліпептидних ланцюгів через біологічні мембрани і беруть участь у формуванні третинної і четвертинної структур білкових молекул. Перераховані функції білків стресу називаються шаперони. При різних видах стресу відбувається індукція синтезу таких білків: при перегріві організму (40-44 0 С), при вірусних захворюваннях, отруєннях солями важких металів, етанолом та ін
В організмі південних народів встановлено підвищений вміст білків стресу, у порівнянні з північної расою.
Молекула білка теплового шоку складається з двох компактних глобул, сполучених вільної ланцюгом:
Різні білки теплового шоку мають загальний план побудови. Всі вони містять контактні домени.
Різні білки з різними функціями можуть містити однакові домени. Наприклад, різні кальцій-зв'язуючі білки мають однаковий для всіх них домен, що відповідає за зв'язування Ca +2.
Роль доменної структури полягає в тому, що вона надає білку великі можливості для виконання своєї функції завдяки переміщенням одного домену по відношенню до іншого. Ділянки з'єднання двох доменів - найслабше в структурному відношенні місце в молекулі таких білків. Саме тут найчастіше відбувається гідроліз зв'язків, і білок руйнується.
ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ. Розчинних білків У ВОДІ
Більшість білків гідрофільні. Однак білкові молекули мають дуже великі розміри, тому білки не можуть утворювати істинних розчинів, а тільки колоїдні. Зовнішній прояв цього - це ефект Тиндаля (або конус Тиндаля). Ефект Тиндаля викликається розсіюванням тонкого пучка світла при проходженні через білковий розчин. Незважаючи на більшу величину, багато білкові молекули не осідають у водних розчинах. Осадженню білкових молекул перешкоджають чинники стабілізації білкового розчину.
ФАКТОРИ СТАБІЛІЗАЦІЇ БІЛКА У розчині
Гідратної оболонки - це шар молекул води, певним чином орієнтованих на поверхні білкової молекули. Поверхня більшості білкових молекул заряджена негативно, і диполі молекул води притягуються до неї своїми позитивно зарядженими полюсами (дивіться малюнок).
Чим більше гідрофільних властивостей у білкової молекули, чим більше в її складі і на її поверхні амінокислот з полярними (гідрофільними) радикалами, тим сильніше виражена і міцніше утримується гидратная оболонка і тим більше в ній шарів. Вода гідратної оболонки має особливі властивості: вона не є вільною, а пов'язана з білковою молекулою. Це - "зв'язана" вода. Вона належить білку, і тому має особливі властивості.
Властивості води гідратної оболонки
а) Температура кипіння вище 100 0 С.
б) Температура замерзання нижче 0 Про С.
в) У воді гідратної оболонки не розчиняються різні солі та інші гідрофільні речовини.
г) Оточуючи кожну молекулу білка, гидратная оболонка не дає цим білковим молекулам зблизитися, з'єднатися і випасти в осад.
2) ЗАРЯД білкових молекул. Поверхня більшості білкових молекул заряджена тому, що в кожній молекулі білка є вільні заряджені СОО - і NH 3 + групи. Ізоелектрична точка (ВЕТ) більшості білків організму знаходиться в слабокислой середовищі. Це означає, що у таких білків кількість кислотних (СООН) груп більше кількості основних груп (NH 3). рН плазми крові близько 7,36 - це вище ВЕТ більшості білків, тому в плазмі крові білки мають негативний заряд.
СПОСОБИ ОСАДЖЕННЯ БІЛКІВ
Діляться на дві групи:
1) Способи осадження нативного білка
2) Способи осадження денатурованого білка
Щоб осадити білок з розчину, треба позбавити його обох факторів стабілізації: і заряду, і гідратної оболонки.
ОСАДЖЕННЯ нативні білки
Щоб зберегти нативної білкової молекули, її заряд можна усунути тільки одним способом: наблизити рН середовища до ізоелектричної точці білка (ВЕТ), а для більшості білків нашого організму ВЕТ знаходиться в слабокислой середовищі. Інший фактор стабілізації - гідратну оболонку можна усунути різними способами.
Найбільш типовим прикладом осадження нативного білка є висолювання.
а) Висолювання - це осадження білків високими концентраціями нейтральних солей лужних і лужноземельних металів, оскільки такі солі дуже гідрофільних і володіють у високих концентраціях водоотнимающее властивостями. Частіше це NaCl, Na 2 SO 4, (NH 4) 2 SO 4, CaCl 2. У міру додавання таких солей до розчину білка вони спочатку розчиняють у вільній воді, а потім, при подальшому підвищенні концентрації солі, конкурують з білком за володіння водою, яка входить до складу гідратних оболонок. Білки менш гідрофільні, які погано утримують воду гідратної оболонки, втрачають її раніше. Більш гідрофільні білки вимагають більшої концентрації солі для висолювання. Тому за допомогою висолювання можна розділити білки з різним ступенем гідрофільності. Таким способом, наприклад, можна розділити альбуміни і глобуліни плазми крові.
При висолювання зберігається нативної білкових молекул. Якщо осадити білки за допомогою висолювання, а потім зменшити концентрацію солей, наприклад, методом діалізу, то білок знову розчиниться.
Осадження білків без втрати ними нативної можна досягти також за допомогою водоотнимающих засобів.
б) ЗАСТОСУВАННЯ водоотнимающих коштів. Такими засобами є розчинники, які змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Найчастіше це ацетон, етиловий спирт. Ці речовини забирають гідратної оболонки білків, і білки випадають в осад, якщо вони позбавлені заряду. Але, на відміну від висолювання, осад відразу (немедленно!) повинен бути відділений від розчинника. Якщо розчинник і білок будуть довго перебувати у контакті, то можуть статися безповоротні зміни структури білкової молекули (денатурація).
ОСАДЖЕННЯ денатуровані білки
а) ДІЯ СОЛЕЙ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ. Утворюють сполуки з SH-групами білків. Отруйні для людини і тварин. У медичній практиці застосовуються способи детоксикації при отруєннях важкими металами. У цих випадках для знешкодження цих металів дають всередину молоко або інші білкові розчини.
б) КИП'ЯТІННЯ (або просто нагрівання до високих температур) - посилюється тепловий рух молекул, послаблюються слабкі типи зв'язків, втрачається нативної, білкова молекула "розгортається", гідрофобні структури виходять назовні. Це призводить до втрати гідратної оболонки, молекули зближуються і взаємодіють один з одним. Це призводить до того, що білок випадає в осад. При охолодженні нативної не відновлюється.
При кип'ятінні білок не завжди випадає в осад. Якщо нагрівати білок в будь-якому середовищі (сильно кислому, сильно лужний або нейтральною середовищах), то денатурація білка відбувається обов'язково, білкові молекули втрачають гідратну оболонку. Але в сильно кислому або в сильно лужному середовищах молекули білка в осад не випадає, тому що у них залишається один з факторів стабілізації - заряд. Збереження заряду не дозволяє молекулам білка зблизитися один з одним - агрегація поліпептидних ланцюгів не відбувається. Навіть якщо розчин білка охолодити - осад все одно не випадає - це буде колоїдний розчин денатурованого білка. Якщо наблизити потім рН середовища до ізоелектричної точці білка (наприклад, додаванням кислоти або лугу), то білок випаде в осад, тому що буде позбавлений обох факторів стабільності в розчині - і заряду, і гідратної оболонки.