Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

б

2

NC

Рис. 5.1. Фрагменты первичной (а) и вторичной (б) структуры белка (α-спираль (1), параллельная (2) и антипараллельная (3) β-структуры)

78

5.1. Структуры белков

Наличие гидрофобных радикалов в составе аминокислот обусловливает дальнейшее сворачивание полипептидной цепи в устойчивую глобулярную структуру, которая стабилизирована в основном за счет слабых гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, ионных и водородных связей, а также несколькими ковалентными дисульфидными (–S–S–) связями, — третичная структура белка (рис. 5.2, а). При этом на поверхность отдельных белковых глобул могут выходить гидрофобные радикалы

Рис. 5.2. Третичная (а) и четвертичная (б) структуры белков и стабилизирующие их связи (в) (1 — ионная, 2 — водородная, 3 — дисульфидные и 4 — гидрофобные связи)

79

Глава 5. Белки

аминокислотных остатков, которые способны сформировать из двух и более субъединиц (мономерных полипептидных цепей, имеющих третичную структуру) единое структурное образование, обладающее функциональной активностью и стабилизированное за счет слабых нековалентных связей, которое называется четвертичной структурой белка (рис. 5.2, б).

5.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белки способны набухать, поглощая воду; они обладают оптической активностью, могут проявлять движение под действием электрического поля, поглощают УФ излучение при 280 нм. Растворимость белков определяется природой тех групп, которые располагаются на поверхности белковой глобулы (рис. 5.3). Растворимость белков в воде возрастает при добавлении небольших концентраций солей Na2SO4, MgSO4, NaCl и др. Эти соли в малых концентрациях увеличивают степень диссоциации ионизированных групп белка, что создает условия для экранирования заряженных групп белковых молекул, уменьшая, таким образом, белокбелковые взаимодействия; высокие концентрации солей способствуют осаждению белков из водных растворов.

Рис. 5.3. Схема укладки полипептидной цепи в триозофосфатизомеразе: вид сбоку (а) и сверху (б) (по Овчинникову, 1987)

Растворимость белков зависит от рН растворителя, его состава и температуры среды. В присутствии органических растворителей (ацетон, хлороформ, этилацетат и др.) понижается растворимость белков, и они выпадают в осадок. Понижение температуры среды также способствует осаждению белков, причем чем ниже температура среды, тем больше белков будет в осадке.

80

5.2. Физические свойства белков

Имея на поверхности белковой молекулы заряженные аминокислотные остатки, белки могут приобретать положительный или отрицательный заряд, а также иметь нулевой заряд. Это наблюдается в случае равенства положительно и отрицательно заряженных групп, расположенных на поверхности белковой глобулы. Такое состояние определяется величиной рI и зависит от рН среды.

Так, например, если рI белка равна 4,5, то при рН > 4,5 белок будет иметь отрицательный заряд, а при рН < 4,5 — положительный. В случае, если рI белка равна 8,5, то при рН > 8,5 белок приобретает отрицательный заряд, а при рН < 8,5 — положительный:

Таким образом, суммарный заряд белковой молекулы при рН < рI положительный, а при рН >рI — отрицательный. В изоэлектрической точке суммарный заряд белков равен нулю. При этом они утрачивают способность к перемещению в электрическом поле. В изоэлектрической точке белки малоустойчивы в растворе и легко выпадают в осадок, что обычно обусловлено перераспределением зарядов на поверхности белка, приводящих к изменению его пространственной структуры.

Диссоциирующие на поверхности белковой глобулы функциональные группы способны связывать различные ионы металлов, что обусловливает избирательное их поведение в среде. Так, например, ионы кальция способствуют формированию ассоциированных ансамблей белков в молоке, образующих устойчивые белковые мицеллы, основу структуры которых составляют казеины, являющиеся белками молока.

5.2.1. Денатурация белков

Процесс денатурации представляет собой внутримолекулярное изменение пространственного расположения по отношению друг к другу отдельных пептидных фрагментов в белковой макромолекуле без разрыва ковалентных связей, в результате действия химических или физических факторов (ионы тяжелых металлов, органические растворители, кислоты, щелочи, температура, ионизирующее излучение и др.) приводящих

81

Глава 5. Белки

к изменению их физико-химических свойств и к утрате функциональной активности. Так, например, белки под действием высокой температуры (50…60 °С) и кислотности среды (4,0 > рН > 10,0) начинают изменять свою пространственную структуру, что приводит к нарушению их нативной (природной) конформации, обусловленной подвижностью фрагментов полипептидной цепи или изменением заряда аминокислотных остатков. При этом разворачивание глобулы белка делает доступными для воды гидрофобные остатки аминокислот, которые в нативном состоянии формировали преимущественно ядро белка; взаимодействие их радикалов может приводить к образованию крупных ассоциатов денатурированных белков, о чем свидетельствует степень помутнения раствора или образование осадков. При проведении центрифугирования или длительном отстаивании растворов денатурированных белков, в особенности при низких температурах (0…+4 °С), агрегированные полипептидные цепочки белков оседают на дно сосуда.

5.2.2. Формы белков

Различают несколько форм белков: нативная, денатурированная, модифицированная и рекомбинантная. Нативной, или природной, формой считается белок, синтезированный в клетке живого организма и обладающий функциональной активностью или способный ее приобрести в случае необходимости.

Денатурированной формой обладает белок, подвергшийся физическому воздействию (высокие и низкие температуры, УФ облучение и др.), в результате которого он частично или полностью утратил функциональную активность, вследствие изменения конформации нативной структуры или расположения аминокислотных остатков, входящих в состав активного центра фермента.

Модифицированная форма может образовываться вследствие химического воздействия на нативный белок, которое сопровождается изменением структуры и природы аминокислотных остатков полипептидной цепи, модификацией функциональных групп активного центра фермента. Модифицирующей способностью обладают свободные радикалы, а также альдегиды, реагирующие с NH2-группами аминокислотных остатков

собразованием основания Шиффа.

Вэндоплазматическом ретикулуме происходит посттрансляционная модификация белков. Процесс необходим белкам для приобретения функционально активной структуры. Белки подвергаются процессу фосфорилирования, ацетилирования, гликозилирования, сульфатирования, полимеризации. Кроме того, поверхностные SH-группы белков окисляются кислородом и другими окислителями с образованием дисульфидных

82