§ 4. Структура i ўласцівасці бялкоў
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Біялогія. 11 клас |
| Книга: | § 4. Структура i ўласцівасці бялкоў |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Суббота, 4 Май 2024, 11:05 |
Бялкі *(пратэіны)* — гэта поліпептыды, у састаў малекул якіх уваходзіць мноства астаткаў амінакіслот (да некалькіх тысяч). *Бялкі — нерэгулярныя біяпалімеры.* Бялкі адрозніваюцца колькасцю амінакіслотных звёнаў, іх саставам і паслядоўнасцю размяшчэння. Пры гэтым кожны бялок мае асаблівы, уласцівы толькі яму парадак чаргавання амінакіслот.
Узроўні структурнай арганізацыі бялковых малекул. Для таго каб бялок мог выконваць сваю біялагічную функцыю, яго малекула павінна мець пэўную прасторавую канфігурацыю. Адрозніваюць чатыры асноўныя ўзроўні арганізацыі бялковых малекул — першасную, другасную, трацічную і чацвярцічную структуры (мал. 4.1).
Першасная структура бялку — гэта строга вызначаная паслядоўнасць амінакіслотных астаткаў у лінейным поліпептыдным ланцугу. Кожны бялок валодае ўнікальнай першаснай структурай. Яе існаванне абумоўлена наяўнасцю трывалых пептыдных сувязей паміж астаткамі амінакіслот. Усе наступныя, больш складаныя структуры фарміруюцца на аснове першаснай. Таму змяненне першаснай структуры (напрыклад, замена адных амінакіслотных астаткаў на другія) прыводзіць да змянення формы малекулы, уласцівасцей і функцый бялку.
Другасная структура бялку фарміруецца за кошт утварэння шматлікіх вадародных сувязей паміж атамамі вадароду NH-груп і атамамі кіслароду CO-груп розных амінакіслотных астаткаў. Нягледзячы на тое што гэтыя сувязі слабейшыя за кавалентныя, іх колькасць забяспечвае стабільнасць другаснай структуры.
Часцей за ўсё вадародныя сувязі ўзнікаюць унутры аднаго поліпептыднага ланцуга паміж блізка размешчанымі астаткамі амінакіслот, што прыводзіць да закручвання гэтага ланцуга ў так званую α-спіраль.
Часам вадародныя сувязі ўзнікаюць паміж адносна аддаленымі адзін ад аднаго ўчасткамі поліпептыднага ланцуга (або некалькіх розных ланцугоў). *Дадзеныя ўчасткі могуць размяшчацца паралельна (калі поліпептыдныя ланцугі ідуць у адным напрамку, напрыклад, ад N-канца да C-канца) або антыпаралельна (калі ланцугі маюць процілеглы напрамак: адзін ідзе ад N-канца да С-канца, а суседні — наадварот).* Пры гэтым дадзеныя ўчасткі размяшчаюцца паралельна адзін аднаму і складаюцца накшталт гармоніка. Такі тып другаснай структуры атрымаў назву β-складкаваты слой (см. мал. 4.1).
Некаторыя бялкі маюць другасную структуру, прадстаўленую толькі α-спіраллю ці β-складкаватым слоем. Напрыклад, цалкам α-спіральную канфігурацыю мае керацін — асноўны бялок валасоў і пазногцяў чалавека, а другасная структура фібраіну (бялку натуральнага шоўку) прадстаўлена выключна β-складкаватым слоем. У структуры многіх бялкоў адны ўчасткі маюць выгляд α-спіралі, а другія — β-складкаватага слоя.
*α- спіральныя і β-структурныя ўчасткі бялковай малекулы могуць узаемадзейнічаць адзін з адным і паміж сабой, утвараючы ўпарадкаваныя структуры (ансамблі). Напрыклад, α-спіральныя фрагменты могуць аб’ядноўвацца ў двайныя ці трайныя спіралі. На аснове β-участкаў часта ўтвараюцца структуры, якія маюць выгляд шпілек, арак, зігзагаў і інш. Участкі, якія маюць α- і β- будову, могуць фарміраваць ансамблі саставу αβ, βαβ, βαβαβ і да т. п. Гэтыя прасторавыя канфігурацыі ўяўляюць сабой так званую звышдругасную структуру бялку.
Ансамблі звышдругаснай структуры з'яўляюцца асновай для фарміравання ў малекулах бялкоў даменаў. Гэта структурна і функцыянальна адмежаваныя вобласці, злучаныя адна з адной кароткімі фрагментамі поліпептыднага ланцуга — шарнірнымі ўчасткамі.
Напрыклад, малекулы мембранных бялкоў-рэцэптараў часцей за ўсё складаюцца з трох даменаў. Надмембранны дамен забяспечвае прыём знешніх сігналаў, унутрымембранны замацоўвае бялок у мембране, падмембранны ажыццяўляе перадачу сігналу ўнутр клеткі. Іншым прыкладам можа служыць сываратачны альбумін — бялок плазмы крыві, здольны звязвацца з вышэйшымі карбонавымі кіслотамі, білірубінам, некаторымі таксінамі і іншымі злучэннямі і дастаўляць іх у тыя ці іншыя органы. Малекула гэтага бялку змяшчае тры дамены, кожны з якіх адказвае за выбіральнае злучэнне з пэўнымі рэчывамі.*
Фарміраванне трацічнай структуры забяспечваюць вадародныя, іонныя і іншыя сувязі, якія ўзнікаюць паміж рознымі групамі атамаў бялковай малекулы. У водным асяроддзі малекула бялку асаблівым чынам укладваецца ў прасторы, набываючы кампактную форму. Пры гэтым гідрафобныя амінакіслотныя радыкалы апускаюцца ўнутр бялковай малекулы і прыцягваюцца адзін да аднаго — такое прыцягненне называецца гідрафобным узаемадзеяннем. Гідрафільныя ўчасткі поліпептыду, наадварот, размяшчаюцца на паверхні і ўзаемадзейнічаюць з малекуламі вады. У многіх бялкоў ва ўтварэнні трацічнай структуры ўдзельнічаюць кавалентныя дысульфідныя сувязі (S—S сувязі), якія ўзнікаюць паміж астаткамі амінакіслаты цыстэіну (мал. 4.2.). Трацічная структура кожнага бялку мае асаблівую, непаўторную прасторавую канфігурацыю.
Многія бялкі здольныя выконваць свае біялагічныя функцыі, валодаючы трацічнай структурай. Але некаторым бялкам для гэтага неабходна аб’яднанне ў адзіны комплекс дзвюх ці больш малекул, якія маюць трацічную структуру. Так узнікае чацвярцічная структура бялку. Малекулы, якія ўваходзяць у яе састаў, *(іх называюць субадзінкамі або пратамерамі)*, могуць быць аднолькавымі ці рознымі. Яны ўтрымліваюцца разам дзякуючы розным відам некавалентных сувязей — вадародным, іонным, гідрафобным узаемадзеянням і інш. У некаторых бялках, напрыклад імунаглабулінах, да мноства такіх сувязей дабаўляюцца некалькі кавалентных дысульфідных. Прыкладам бялку, які мае чацвярцічную структуру, можа служыць гемаглабін (мал. 4.3).
У састаў гемаглабіну чалавека ўваходзяць чатыры поліпептыдныя ланцугі двух розных тыпаў: два α-ланцугі (змяшчаюць па 141 амінакіслотным астатку) і два β-ланцугі (па 146 астаткаў). Кожны ланцуг фарміруе спецыяльную гідрафобную кішэнь, у якой размяшчаецца кампанент небялковай прыроды — гем. Цэнтральную частку гема займае іон Fe2+.
Разнастайнасць і ўласцівасці бялкоў. У залежнасці ад саставу адрозніваюць простыя і складаныя бялкі. Малекулы простых бялкоў пабудаваны толькі з амінакіслотных астаткаў *(керацін, калаген, фібрын, альбуміны крыві і інш.)*. У састаў складаных бялкоў, акрамя таго, уваходзіць які-небудзь кампанент неамінакіслотнай прыроды *— так званая прастэтычная група. Больш дэталёвая інфармацыя пра складаныя бялкі прыведзена ў табліцы 4.1.*
*Табліца 4.1. Асноўныя групы складаных бялкоў
|
Назва |
Прастэтычная група |
Прыклады |
|
Металапратэіны |
Іон металу |
ДНК-палімераза (змяшчае Mg2+), |
|
Фосфапратэіны |
Фосфарная кіслата |
Казеін малака, вітэлін яечнага жаўтка |
|
Глікапратэіны |
Вуглявод |
Антыцелы (імунаглабуліны), муцын сліны |
|
Ліпапратэіны |
Ліпід |
Храмацін |
|
Нуклеапратэіны |
Нуклеінавая кіслата |
Тромбапластын, ліпапратэіны клетачных мембран |
|
Хромапратэіны |
Афарбаваны небялковы кампанент (пігмент) |
Гемаглабін, міяглабін* |
Па форме малекул вылучаюць дзве групы бялкоў — фібрылярныя і глабулярныя. Фібрылярнымі называюць бялкі, малекулы якіх маюць выцягнутую, ніткападобную форму (мал. 4.4). Гэта, напрыклад, калаген, керацін, міязін. Малекулы глабулярных бялкоў маюць акруглую форму. Да гэтай групы належаць альбуміны і глабуліны крыві, гемаглабін і інш.
Многія бялкі добра раствараюцца ў вадзе, аднак сярод іх ёсць і нерастваральныя — керацін, фібрын і інш. Вядома, што глабулярныя бялкі ў асноўным з’яўляюцца водарастваральнымі, а фібрылярныя, як правіла, у вадзе не раствараюцца.
Бялкі адчувальныя да знешніх уздзеянняў: змяненне хімічнага саставу асяроддзя, тэмпературы і іншых фактараў выклікае змяненне іх структуры і ўласцівасцей. Дзеянне высокіх і нізкіх тэмператур, моцных кіслот і шчолачаў, іонаў цяжкіх металаў, ультрафіялетавага выпраменьвання, радыяцыі вядзе да разбурэння сувязей, якія стабілізуюць прасторавую канфігурацыю бялкоў. У выніку разрыву вадародных, іонных, дысульфідных і іншых сувязей бялок можа паслядоўна страціць сваю чацвярцічную, трацічную і нават другасную структуру. Працэс парушэння прыроднай структуры бялку пад уплывам знешніх фактараў без разбурэння яго першаснай структуры называецца дэнатурацыяй (мал. 4.5).
Прасторавая структура бялку вызначае яго фізіка-хімічныя ўласцівасці і біялагічныя функцыі. Таму дэнатурацыя прыводзіць не толькі да змянення памераў і формы малекул бялку, але і яго ўласцівасцей, напрыклад растваральнасці. Непалярныя гідрафобныя групы, якія размяшчаліся ўнутры малекулы, аказваюцца на яе паверхні, і бялок становіцца менш гідрафільным. Важна тое, што ў выніку дэнатурацыі бялкі губляюць здольнасць выконваць свае функцыі.
Ступень дэнатурацыі бялку залежыць ад сілы ўздзеяння на яго розных фактараў: чым больш інтэнсіўнае іх дзеянне, тым глыбей дэнатурацыя. У шэрагу выпадкаў яна становіцца незваротнай. Аднак калі фактар, які выклікаў дэнатурацыю, дзейнічаў недоўгачасова, то пасля спынення яго ўздзеяння бялок можа аднавіць сваю прыродную структуру, уласцівасці і функцыі. Такая з’ява называецца рэнатурацыяй. Разгорнуты поліпептыдны ланцуг здольны самаадвольна аднавіць другасную структуру, а затым укласціся ў трацічную. Гэта азначае, што прасторавая канфігурацыя бялку вызначаецца яго першаснай структурай, г. зн. паслядоўнасцю амінакіслотных астаткаў. Калі ж уздзеянне на бялок было занадта моцным і прывяло да разрыву пептыдных сувязей, вяртанне бялковай малекулы да зыходнай структуры становіцца немагчымым.
*Большасць бялкоў дэнатуруе пры награванні вышэй за 50—60 °С. Але, напрыклад, дэнатурацыя скарачальных бялкоў мышцаў пачынаецца ўжо пры 45—50 ° С, а яечны бялок дэнатуруе пры тэмпературы 60—70 ° С. Бялкі некаторых тэрмафільных бактэрый, што жывуць у гарачых крыніцах, могуць паўнавартасна функцыяніраваць пры тэмпературах вышэй за 90 ° С!
З'ява дэнатурацыі шырока выкарыстоўваецца ў медыцыне, біяхімічных даследаваннях, харчовай прамысловасці і іншых сферах дзейнасці чалавека.
Ужыванне такіх антысептыкаў, як спірт, хлорамін, фармалін і да т. п., заснавана на тым, што яны выклікаюць дэнатурацыю бялкоў і, з прычыны гэтага, гібель мікраарганізмаў. Тое ж самае адбываецца пад дзеяннем высокіх тэмператур пры стэрылізацыі медыцынскіх інструментаў і матэрыялаў. Ультрафіялетавае выпраменьванне выкарыстоўваецца ў якасці агента, які дэнатуруе, для дэзынфекцыі памяшканняў, прамысловага абеззаражвання вады і г. д.
Дэнатурацыю бялкоў можа выклікаць і далучэнне да іх іонаў цяжкіх металаў. Пры гэтым яны трывала звязваюцца з дэнатураваным бялком, які выпадае ў асадак. Таму пры харчовым атручэнні злучэннямі ртуці, свінцу, медзі пацярпеўшаму як мага хутчэй даюць выпіць малако ці раствор яечнага бялку для таго, каб абмежаваць далейшае ўсмоктванне таксічных рэчываў.
*Асаджэнне бялкоў пры дэнатурацыі таксама ўжываецца ў лабараторнай практыцы. Яно дазваляе выдаляць бялкі з розных вадкасцей біялагічнага паходжання (напрыклад, плазмы крыві, ліквару), што палягчае працэсы вылучэння і аналізу іншых рэчываў, якія ўваходзяць у састаў такіх вадкасцей. Акрамя таго, асаджэнне бялкоў выкарыстоўваецца для вызначэння іх колькаснага ўтрымання ў біялагічным матэрыяле.
Дэнатурацыя знаходзіць прымяненне ў харчовай прамысловасці, напрыклад, для атрымання тварагу, жэлаціну і інш. Цеплавая апрацоўка прадуктаў харчавання выкарыстоўваецца не толькі для знішчэння змешчаных у іх мікраарганізмаў. Бялкі, якія ўваходзяць у састаў харчовых прадуктаў, дэнатуруюць, з прычыны чаго яны лягчэй расшчапляюцца стрававальнымі ферментамі і лепш засвойваюцца арганізмам.*
*Радыкалы шэрага амінакіслот, што ўваходзяць у састаў бялковай малекулы, змяшчаюць асноўныя і кіслотныя функцыянальныя групы. Таму бялкі, як і амінакіслоты, з'яўляюцца амфатэрнымі злучэннямі. Амфатэрнасць надае бялкам буферныя ўласцівасці.
Так, пры павышэнні кіслотнасці (г. зн. пры павелічэнні канцэнтрацыі іонаў вадароду) зніжаецца дысацыяцыя карбаксільных груп, якія змяшчаюцца ў радыкалах кіслых амінакіслот. У той жа час амінагрупы асноўных амінакіслот злучаюць лішак іонаў H+. За кошт гэтага пры пэўнай велічыні pH малекула бялку набывае дадатны зарад (мал. 4.6).
Зніжэнне кіслотнасці асяроддзя ўзмацняе дысацыяцыю груп –СООН. Пры гэтым вызваляюцца дадатковыя іоны вадароду і зарад бялковай малекулы робіцца адмоўным. Такім чынам, бялкі здольныя ў пэўнай ступені падтрымліваць узровень рН-асяроддзя. Напрыклад, альбуміны і глабуліны ўдзельнічаюць у падтрыманні слабашчолачнай рэакцыі плазмы крыві (разам з іншымі буфернымі сістэмамі).*
*Пры пэўным значэнні pH колькасць дадатна і адмоўна зараджаных груп у малекуле бялку робіцца аднолькавай, і яго сумарны электрычны зарад аказваецца роўным нулю. Такое значэнне pH называюць ізаэлектрычным пунктам бялку (гл. мал. 4.6). Кожны бялок мае пэўнае значэнне ізаэлектрычнага пункта, якое вызначаецца амінакіслотным саставам. Ізаэлектрычныя пункты бялкоў, у саставе якіх пераважаюць астаткі кіслых амінакіслот, змяшчаюцца ў вобласці pH<7, а бялкоў, у якіх пераважаюць асноўныя амінакіслоты, — у дыяпазоне pH>7.
У большасці бялкоў значэнне ізаэлектрычнага пункта знаходзіцца ў межах 5,5—7,0. Але, напрыклад, для пепсіну (ферменту страўнікавага соку) велічыня ізаэлектрычнага пункта роўна 1, а для сальміну (бялок, што змяшчаецца ў малацэ сёмгі) — амаль 12.
Чым больш значэнне рН асяроддзя адрозніваецца ад ізаэлектрычнага пункта, тым большы зарад мае бялок. З прычыны гэтага паміж бялковымі малекуламі існуе электрастатычнае адштурхванне, якое перашкаджае іх зліпанню (агрэгацыі). У ізаэлектрычным пункце сілы адштурхвання мінімальныя. Таму бялкі найменш устойлівыя ў растворы, іх малекулы лёгка зліпаюцца і выпадаюць у асадак.*
Бялкі — біяпалімеры, утвораныя астаткамі амінакіслот. Амінакіслоты, злучаючыся пептыднымі сувязямі, утвараюць поліпептыдны ланцуг — першасную структуру бялку. На яго аснове фарміруюцца больш складаныя прасторавыя структуры — другасная, трацічная, чацвярцічная. Паводле саставу адрозніваюць простыя і складаныя бялкі, у залежнасці ад формы малекул — фібрылярныя і глабулярныя. Пад уздзеяннем шэрага фактараў бялкі могуць дэнатураваць — губляць сваю прыродную структуру, што вядзе да страты біялагічнай актыўнасці. Бялкі валодаюць буфернымі ўласцівасцямі.
 |
1. Ахарактарызуйце ўзроўні структурнай арганізацыі бялкоў. Якія хімічныя сувязі абумоўліваюць існаванне і стабільнасць першаснай, другаснаснай, трацічнай і чацвярцічнай структур бялкоў? 2. Чым простыя бялкі адрозніваюцца ад складаных? Фібрылярныя ад глабулярных? Прывядзіце прыклады фібрылярных і глабулярных бялкоў. 3. Як называецца працэс парушэння прыроднай структуры бялку, пры якім захоўваецца яго першасная структура? Дзеянне якіх фактараў можа прыводзіць да парушэння структуры бялковых малекул? 4. За кошт чаго бялкі валодаюць буфернымі ўласцівасцямі? Якім чынам яны ўдзельнічаюць у падтрыманні пэўнай кіслотнасці асяроддзя? 5*. Дакажыце, што прасторавая структура бялку вызначае яго фізіка-хімічныя ўласцівасці і біялагічныя функцыі. 6*. Для раздзялення сумесі бялкоў на кампаненты выкарыстоўваецца метад электрафарэзу: у гелі пэўнай шчыльнасці пад дзеяннем электрычнага поля розныя бялковыя малекулы перамяшчаюцца з рознай хуткасцю. У выніку гэтага аднолькавыя малекулы канцэнтруюцца ў пэўным участку гелю. Як вы думаеце, чаму так адбываецца? |
Назіранне дэнатурацыі бялку
Успомніце, як цеплавая апрацоўка ўплывае на колер яечнага бялку і яго растваральнасць у вадзе. Відавочна, што ўласцівасці бялку змяняюцца з прычыны яго дэнатурацыі пад дзеяннем высокай тэмпературы.
Наліце ў шклянку крыху малака і дабаўце ў яго 1—2 мл воцату (лімоннага соку ці раствору лімоннай кіслаты).
● Што вы назіраеце?
● Як змянілася растваральнасць казеіну — асноўнага малочнага бялку?
● Як вы думаеце, што адбылося з малекуламі казеіну?
● Падобная з’ява адбываецца і пры звычайным скісанні малака. Успомніце, пад уплывам якіх мікраарганізмаў адбываецца гэты працэс. Якое рэчыва з’яўляецца агентам, што дэнатуруе?