В основе жизнедеятельности клетки лежат биохимические процессы, протекающие на молекулярном уровне и служащие предметом изучения биохимии. Соответственно и явления наследственности и изменчивости тоже связаны с молекулами органических веществ, и в первую очередь с нуклеиновыми кислотами и белками.

Состав белков

Белки представляют собой большие молекулы, состоящие из сотен и тысяч элементарных звеньев - аминокислот. Такие вещества, состоящие из повторяющихся элементарных звеньев - мономеров, называются полимерами. Соответственно белки можно назвать полимерами, мономерами которых служат аминокислоты.

Всего в живой клетке известно 20 видов аминокислот. Название аминокислоты получили из-за содержания в своем составе аминной группы NHy, обладающей основными свойствами, и карбоксильной группы СООН, имеющей кислотные свойства. Все аминокислоты имеют одинаковую группу NH2-СН-СООН и отличаются друг от друга химической группой, называемой радикалом - R. Соединение аминокислот в полимерную цепь происходит благодаря образованию пептидной связи (СО - NH) между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. При этом выделяется молекула воды. Если образовавшаяся полимерная цепь короткая, она называется олигопептидной, если длинная - полипептидной.

Строение белков

При рассмотрении строения белков выделяют первичную, вторичную, третичную структуры.

Первичная структура определяется порядком чередования аминокислот в цепи. Изменение в расположении даже одной аминокислоты ведет к образованию совершенно новой молекулы белка. Число белковых молекул, которое образуется при сочетании 20 разных аминокислот, достигает астрономической цифры.

Если бы большие молекулы (макромолекулы) белка располагались в клетке в вытянутом состоянии, они занимали бы в ней слишком много места, что затруднило бы жизнедеятельность клетки. В связи с этим молекулы белка скручиваются, изгибаются, свертываются в самые различные конфигурации. Так на основе первичной структуры возникает вторичная структура - белковая цепь укладывается в спираль, состоящую из равномерных витков. Соседние витки соединены между собой слабыми водородными связями, которые при многократном повторении придают устойчивость молекулам белков с этой структурой.

Спираль вторичной структуры укладывается в клубок, образуя третичную структуру. Форма клубка у каждого вида белков строго специфична и полностью зависит от первичной структуры, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи. Третичная структура удерживается благодаря множеству слабых электростатических связей: положительно и отрицательно заряженные группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и иные участки белковой молекулы, несущие, например, гидрофобные (водоотталкивающие) группы.

Некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой (рис. 2).

В структурах белковых молекул наблюдается следующая закономерность: чем выше структурный уровень, тем слабее поддерживающие их химические связи. Связи, образующие четвертичную, третичную, вторичную структуру, крайне чувствительны к физико-химическим условиям среды, температуре, радиации и т. д. Под их воздействием структуры молекул белков разрушаются до первичной - исходной структуры. Такое нарушение природной структуры белковых молекул называется денатурацией. При удалении денатурирующего агента многие белки способны самопроизвольно восстанавливать исходную структуру. Если же природный белок подвергается действию вьюокой температуры или интенсивному действию других факторов, то он необратимо денатурируется. Именно фактом наличия необратимой денатурации белков клеток объясняется невозможность жизни в условиях очень высокой температуры.

Биологическая роль белков в клетке

Белки, называемые также протеинами (греч. протос - первый}, в клетках животных и растений выполняют многообразные и очень важные функции, к которым можно отнести следующие.

Каталитическая. Природные катализаторы - ферменты представляют собой полностью или почти полностью белки. Благодаря ферментам химические процессы в живых тканях ускоряются в сотни тысяч или в миллионы раз. Под их действием все процессы идут мгновенно в «мягких» условиях: при нормальной температуре тела, в нейтральной для живой ткани среде. Быстродействие, точность и избирательность ферментов несопоставимы ни с одним из искусственных катализаторов. Например, одна молекула фермента за одну минуту осуществляет реакцию распада 5 млн. молекул пероксида водорода (Н202). Ферментам характерна избирательность. Так, жиры расщепляются специальным ферментом, который не действует на белки и полисахариды (крахмал, гликоген). В свою очередь, фермент, расщепляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры.

Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет биохимический конвейер.

Считают, что каталитическая функция белков зависит от их третичной структуры, при ее разрушении каталитическая активность фермента исчезает.

Защитная. Некоторые виды белков защищают клетку и в целом организм от попадания в них болезнетворных микроорганизмов и чужеродных тел. Такие белки носят название антител. Антитела связываются с чужеродными для организма белками бактерий и вирусов, что подавляет их размножение. На каждый чужеродный белок организм вырабатывает специальные «антибелки» - антитела. Такой механизм сопротивления возбудителям заболеваний называется иммунитетом.

Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые возбудители (вакцины), которые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки организма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворные вирусы и бактерии попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител.

Гормональная. Многие гормоны также представляют собой белки. Наряду с нервной системой гормоны управляют работой разных органов (и всего организма) через систему химических реакций.

Отражательная. Белки клетки осуществляют прием сигналов, идущих извне. При этом различные факторы среды (температурный, химический, механический и др.) вызывают изменения в структуре белков - обратимую денатурацию, которая, в свою очередь, способствует возникновению химических реакций, обеспечивающих ответ клетки на внешнее раздражение. Эта способность белков лежит в основе работы нервной системы, мозга.

Двигательная. Все виды движений клетки и организма: мерцание ресничек у простейших, сокращение мышц у высших животных и другие двигательные процессы - производятся особым видом белков.

Энергетическая. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.

Транспортная. Белок гемоглобин крови способен связывать кислород воздуха и транспортировать его по всему телу. Эта важнейшая функция свойственна и некоторым другим белкам.

Пластическая. Белки - основной строительный материал клеток (их мембран) и организмов (их кровеносных сосудов, нервов, пищеварительного тракта и др.). При этом белки обладают индивидуальной специфичностью, т. е. в организмах отдельных людей содержатся некоторые, характерные лишь для него, белки-

Таким образом, белки - эти важнейший компонент клетки, без которого невозможно проявление свойств жизни. Однако воспроизведение живого, явление наследственности, как мы увидим позже, связано с молекулярными структурами нуклеиновых кислот. Это открытие - результат новейших достижений биологии. Теперь известно, что живая клетка обязательно обладает двумя видами полимеров-белками и нуклеиновыми кислотами. В их взаимодействии заключены самые глубокие стороны явления жизни.



Владельцы патента RU 2281656:

Изобретение относится к биотехнологии. Биомассу личинок насекомых измельчают. Экстракцию белка из биомассы проводят 0,01-0,5%-раствором щелочи, при соотношении 1:3-1:11, температуре 20-100°С и постоянном перемешивании в течение 10-60 мин. Экстракт отделяют от нерастворимых частиц суспензии. Белок выделяют, подкисляя экстракт кислотой. Осевший белок отделяют. Белковый препарат отличается большим содержанием высокоценного белка. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к биотехнологии, касается получения белка из биомассы насекомых мухи и может быть использовано в пищевой и комбикормовой промышленности.

Известен способ получения белковой пищевой добавки из животного сырья (измельченных замороженных органов и тканей млекопитающих), экстрагированием в щелочном растворе, удалением балластных веществ, подкислением экстракта, промывкой осадка и высушиванием (1).

Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает получения высокобелкового продукта, содержание протеина в сухом продукте не более 26%.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к достигаемому результату является способ получения белкового препарата из растительного сырья (2-прототип), включающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка путем подкисления и центрифугирования.

Недостатками этого способа являются:

Невысокое содержание белка в исходном сырье, в отрубях содержится 16,8-17,0% белка;

Присутствие в отрубях полиуглеводов требует их предварительного осаждения подкислением экстракта с последующим отделением осадка, что влечет потерю части белковых компонентов;

Лимитированность растительного белка рядом незаменимых аминокислот;

Продолжительность и низкая эффективность процесса получения белка;

Сезонность поступления растительного сырья.

Известно, что белковые препараты, полученные из растительного сырья, содержат ряд антипитательных соединений (тиогликозиды, сапонины, танины и др.).

Сущностью изобретения является способ получения белка, на основе нового типа высокобелкового сырья - личинок насекомых и совокупности приемов извлечения белка, увеличение качества, выхода и удешевление целевого продукта.

Технический результат изобретения - предложено новое высокобелковое сырье, использование которого позволяет достичь сверх суммарного результата по содержанию белка и аминокислот в целевом препарате пищевого и кормового назначения. Достигнута рациональная переработка вторичного продукта утилизации отходов пищевых производств и сельского хозяйства - личинок насекомых, а также сточных вод молочного производства - молочной сыворотки.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, предусматривающем экстракцию растительного сырья, отделение экстракта и осаждение из него белка соляной кислотой, согласно изобретению в качестве исходного сырья используют биомассу личинок насекомых, экстракцию белка из гомогенизированной биомассы проводят 0,01-0,5% - раствором щелочи, при соотношении 1:3-1:11, температуре 20°С-100°С и постоянном перемешивании в течение 10-60 мин. Экстракт отделяют от нерастворимых частиц суспензии. Белок выделяют добавлением раствора кислоты или использованием в качестве осаждающего агента 8-10% молочной сыворотки с кислотностью 200-300°Т до достижения рН 4,0-6,0, осевший белок отделяют и высушивают.

Биомасса личинок насекомых отличается тем, что при экстракции белка на воздухе при комнатной температуре биомасса быстро темнеет, белок приобретает темный цвет. Отличительной особенностью нового способа являются условия экстракции белка из сырья, а именно проведение процесса извлечения белка при повышенной температуре до 100°С. Предлагаемый температурный режим повышает органолептические характеристики конечного продукта и степень экстракции белковых компонентов.

Оптимальная совокупность предлагаемых физических и химических методов получения белка из биомассы насекомых позволяет достичь максимального, по степени извлечения, содержанию и качеству белка результата.

В сухом белковом препарате, полученном по предлагаемому способу, содержится 78-96% протеина.

В таблице 1 приведены данные, характеризующие достижение поставленной цели по предлагаемому способу в сравнении с прототипом.

Предложенный способ за счет использования в качестве сырья для получения протеина личинок различных насекомых дает сверхсуммарный результат по содержанию незаменимых аминокислот в белковом концентрате и выходу протеина. Способ позволяет расширить сырьевую базу, рационально использовать дешевый вторичный продукт переработки производственных стоков и отходов - личинки насекомых, удешевить белок, рационально использовать стоки молочного производства, утилизировать молочную сыворотку.

Выход белка зависит от его общего содержания в сырье. Использование в качестве сырья личинок насекомых позволяет достичь более высоких значений параметров технологического процесса, так как их биомасса содержит более 58% белка. Из биомассы личинок извлекается до 62,0% протеина.

Повышение качества белкового концентрата достигается за счет использования высокобелкового сырья - личинок насекомых, увеличения содержания в концентрате протеина и незаменимых аминокислот (табл.2).

Результаты исследований свидетельствуют, что заявляемый способ позволяет получить белок улучшенного состава. Использование в качестве сырья для получения белка, дешевого вторичного продукта, высвобождающегося в процессе переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов и стоков, снижает стоимость целевого продукта, т.е. обеспечивает решение поставленной задачи.

Пример 1. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 3 л 0,01% раствора NaOH при t 20°C при постоянном перемешивании в течение 110 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,0, центрифугировали при 2000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 78%, сумма незаменимых аминокислот белка 49,5%.

Пример 2. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 60°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид серого, рассыпчатого порошка, содержит 86% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,0%.

Пример 3. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 11 л 0,5% раствора NaOH при температуре 100°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 89% протеина, сумма незаменимых аминокислот 50,2%.

Пример 4. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок термитов Cryptotermes domesticus экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 50 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением 10% молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,4%.

Пример 5. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок мучного червя Tenebrio molitor экстрагировали в 9 л 0,4% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Пример 6. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок саранчи Locusta migratoria экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Пример 7. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок зеленых мясных мух Lucilia sericata экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.

Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Пример 8. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок синей мясной мухи Calliphora vicina экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.

Литература

1. Патент РФ, №2075944, С1, А 23 J 1/2, БИ №9, 27.03.97.

2. AC СССР, №1177966, А 23 J 1/12. Способ получения белка из отрубей. БИ №29, 07.08.86.

Таблица 2 Аминокислотный состав белка, полученного на основе личинок комнатной мухи
Аминокислота	Содержание, % к сумме аминокислот
	Предлагаемый способ	Известный способ (прототип)	Эталон ФАО
9	1
Аспарагиновая	7,93	8,82	5,7
Треонин	4,26	5,13	4,2	2,8
Серии	3,55	3,43	6,5
Глутаминовая	12,25	12,66	26,0
Пролин	9,03	11,43	6,3
Глицин	3,64	4,75	3,1
Аланин	4,28	4,43	3,4
Цистеин	x	x	0,57	2,0
Валин	6,43	6,41	3,17	4,2
Метионин	4,26	3,92	0,83	2,2
Изолейцин	4,64	4,79	3,0	4,2
Лейцин	5,79	5.69	8,18	4,8
Тирозин	9,99	7,47	1,9	2,8
Фенилаланин	8,94	8,15	5,7	2,8
Лизин	6,18	5,01	6,4	4,2
Гистидин	5,86	4,27	4,5
Аргинин	2,98	3,66	6,7
Триптофан	x	x	3,09	1,4
Сумма незаменимых аминокислот:
	50,49	46,57	37,04	31,4
Примечание: х - (цистеин и триптофан) не определяли Препараты получены: 1 - гидролизом биомассы опарышей, 9 - щелочной экстракцией из биомассы опарышей.

1. Способ получения белка, предусматривающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка, отличающийся тем, что в качестве источника сырья используют измельченную биомассу личинок насекомых, экстракцию белка проводят 0,01-0,5%-ным раствором щелочи при соотношении биомассы и экстрагента 1:3-1:11, температуре 20-100°С и постоянном перемешивании 10-60 мин, удаляют нерастворившиеся частицы, осаждают белок из экстракта добавлением осаждающего агента.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводородном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. В зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп различают a -, b -, g - и т.д. аминокислоты. Например ,

Чаще всего термин "аминокислота" применяют для обозначения карбоновых кислот, аминогруппа которых находится в a - положении, т.е. для a - аминокислот. Общую формулу a - аминокислот можно представить следующим образом :

H 2 N–

CH–COOH I R

В зависимости от природы радикала (R ) – аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.

В таблице представлены важнейшие - аминокислоты, входящие в состав белков.

Таблица. Важнейшие a - аминокислоты

Аминокислота	Сокращенное (трехбуквенное) название аминокислотного остатка в макромолекулах пептидов и белков.	Строение R
		Алифатические
Глицин		H –
Аланин		CH 3 –
Валин*		(CH 3) 2 CH–
Лейцин*		(CH 3) 2 CH–CH 2 –
Изолейцин*		CH 3 –CH 2 –CH– I CH 3
Серин		HO–CH 2 –
Треонин*		CH 3 –CH(OH)–
Аспарагиновая		HOOC – CH 2 –
Глутаминовая		HOOC – CH 2 – CH 2 –
Аспарагин		NH 2 CO – CH 2 –
Глутамин		NH 2 CO–CH 2 –CH 2 –
Лизин*		NH 2 –(CH 2) 3 –CH 2 –
Аргинин		NH 2 –C–NH–(CH 2) 2 –CH 2 – II NH
Цистеин		HS – CH 2 –
Метионин*		CH 3 –S–CH 2 –CH 2 –
		Ароматические
Фенилаланин*
Тирозин
		Гетероциклические
Триптофан*
Гистидин
		Иминокислота
Пролин

*Незаменимые a - аминокислоты

Изомерия

Наряду с изомерией, обусловленной строением углеродного скелета и положением функциональных групп, для a - аминокислот характерна оптическая (зеркальная) изомерия. Все a - аминокислоты, кроме глицина, оптически активны. Например , аланин имеет один асимметрический атом углерода (отмечен звездочкой),

H 2 N –

H I C*–COOH I CH 3

а значит, существует в виде оптически активных энантиомеров:

L - аланин

Все природные a - аминокислоты относятся к L – ряду.

Получение

1)Важнейший источник аминокислот – природные белки, при гидролизе которых образуются смеси a - аминокислот. Разделение этой смеси – довольно сложная задача, однако по обыкновению одна или две аминокислоты образуются в значительно больших количествах, чем все другие, и их удается выделить достаточно просто.

2)Синтез аминокислот из галогенозамещенных кислот действием аммиака

3)Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности продуцируют a - аминокислоты белков.

Физические свойства

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250° С) температурами плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и поэтому нехарактерны. Плавление сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

Химические свойства

1)Некоторые свойства аминокислот, в частности высокая температура плавления, объясняется своеобразным их строением. Кислотная (– COOH ) и основная (– NH 2 ) группы в молекуле аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя внутренние соли (биполярные ионы). Например , для глицина

2)Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера a - аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

3)В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

Этиловый эфир аланина

4)a - Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N - ацильные производные a - аминокислот (символ " N " означает, что ацил связан с атомом азота).

N – ацетил аланин

5)a - Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

Связь –

O II C – NH – называется пептидной связью.

Пептиды. Белки

Пептиды и белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков a - аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. 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. Как видно, функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником a - аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают a - аминокислоты. Многие a - аминокислоты синтезируются в организме, а некоторыенеобходимые для синтеза белков a - аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см.таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Пептиды и белки различают в зависимости от величины молекулярной массы. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе до 10000), а белки - свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов). При этом в пептидах различают олигопептиды, содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие до 100 аминокислотных остатков.

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся метиновых (CH ) и пептидных (CONH ) групп. Различия такой цепи заключаются в боковых радикалах, связанных с метиновой группой, и характеризующих ту или иную аминокислоту. Один конец цепи со свободной аминогруппой называется N – концом, другой, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называется C – концом. Пептидные и белковые цепи записываются с N – конца. Иногда пользуются специальными обозначениями: на N – конце пишется NH – группа или только атом водорода – H , а на C – конце - либо карбоксильная COOH – группа, либо только гидроксильная OH – группа.

Для полипептидов и белков характерны четыре уровня пространственной организации, которые принято называть первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Первичная структура белка - специфическая аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования a - аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и CO . Одна из моделей вторичной структуры – a - спираль.

Третичная структура белка - трехмерная конфигурация закрученной спирали в пространстве, образованная за счет дисульфидных мостиков – S – S – между цистеиновыми остатками и ионных взаимодействий.

Четвертичная структура белка - структура, образующаяся за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями. Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков, например гемоглобина.

Химические свойства

1)Денатурация. Утрата белком природной (нативной) конформации, сопровождающаяся обычно потерей его биологической функции, называется денатурацией . С точки зрения структуры белка – это разрушение вторичной и третичной структур белка, обусловленное воздействием кислот, щелочей, нагревания, радиации и т.д. Первичная структура белка при денатурации сохраняется. Денатурация может быть обратимой (так называемая, ренатурация) и необратимой. Пример необратимой денатурации при тепловом воздействии – свертывание яичного альбумина при варке яиц.

2)Гидролиз белков – разрушение первичной структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов, приводящее к образованию a - аминокислот, из которых он был составлен.

3)Качественные реакции на белки:

a)Биуретовая реакция – фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II ) в щелочном растворе. Такую реакцию дают все соединения, содержащие пептидную связь.

b)Ксантопротеиновая реакция – появление желтого окрашивания при действии концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина).

КОНЕЦ РАЗДЕЛА

БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ

Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, мак­ромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединен­ных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остат­ки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.

Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой - С-концом пептидной цепи. Между СО-груп­пой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.

Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во вза­имодействие друг с другом, с посторонними веществами и с сосед­ними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнооб­разные структуры.

В макромолекулу белка вхо­дит одна или несколько пептид­ных цепей, связанных друг с другом поперечными химически­ми связями, чаще всего через се­ру (дисульфидные мостики, обра­зуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято назы­вать первичной структу­рой белка или секвенцией.

Для построения простран­ственной структуры бел­ка пептидные цепи должны при­нять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, ко­торая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками от­дельных участков молекулярной цепи. По мере образования водо­родных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максималь­ного числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

Впервые та­кая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шер­сти-кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее наз­вали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Рас­стояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внут­римолекулярными водородными связями.

При растяжении спираль мак­ромолекулы белка превращается в дру­гую структуру, напоминающую линей­ную.

Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкива­ния или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.

Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет хими­ческие и биологические свойства белков.

В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).

Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спи­рали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримоле­кулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структу­ры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это мио­зин-белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в со­став волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, за­твердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые по­липептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.

Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков-глобул. Молекулы глобу­лярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки крови-гемоглобин, альбумин, глобулин и др.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с проме­жуточной структурой.

Свойства белка могут сильно изменяться при за­мене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением кон­фигураций пептидных цепей и условий образования пространствен­ной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функ­ции в организме.

СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C 738 H 1166 O 208 S 2 Fe) 4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа - 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имею­щие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую сте­пень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый инди­видуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000- 70000.

Строением белков объясняются их весьма разнообразные свой­ства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие - в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть вы­делены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).

Белки играют важней­шую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наи­большая часть аминокислот расходуется на синтез белков различ­ных органов и тканей, часть-на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (фермен­ты), регуляторные (гормоны), транспорт­ные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции

Белки - важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков зани­мает ведущее место в обмене веществ орга­низмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот

Белки растений беднее белков животного происхождения по содержа­нию незаменимых аминокислот, особен­но лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному со­ставу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот при­ходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.

При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме амино­кислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.

Протеины.

Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в моло­ке, яичном белке и крови.

Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавлен­ных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

Глутелины растворяются только в разбавленных растворах ще­лочей. Встречаются в растениях.

Склеропротеины - нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей колла­ген, белок натурального шелка фиброин.

Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).

Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, свя­занные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокисло­ты серина. К ним относится вителлин-белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.

Белки - природные полипептиды с огромной молекулярной массой. Они входят в состав всех живых организмов и выполняют различные биологические функции.

Строение белка.

У белков существует 4 уровня строения:

• первичная структура белка - линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи, свернутых в пространстве:

• вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.к. скручивание в пространстве за счет водородных связей между NH и СО группами. Есть 2 способа укладки: α -спираль и β - структура.

• третичная структура белка - это трехмерное представление закрученной α -спираль или β -структуры в пространстве:

Эта структура образуется за счет дисульфидных мостиков -S-S- между цистеиновыми остатками. В образовании такой структуры участвуют противоположно заряженные ионы.

• четвертичная структура белка образуется за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями:

Синтез белка.

В основе синтеза лежит твердофазный метод, в котором первая аминокислота закрепляется на полимерном носителе, а к ней последовательно подшиваются новые аминокислоты. После полимер отделяют от полипептидной цепи.

Физические свойства белка.

Физические свойства белка определяются строением, поэтому белки делят на глобулярные (растворимые в воде) и фибриллярные (нерастворимые в воде).

Химические свойства белков.

1. Денатурация белка (разрушение вторичной и третичной структуры с сохранением первичной). Пример денатурации - свертывание яичных белков при варке яиц.

2. Гидролиз белков - необратимое разрушение первичной структуры в кислом или щелочном растворе с образованием аминокислот. Так можно установить количественный состав белков.

3. Качественные реакции:

Биуретовая реакция - взаимодействие пептидной связи и солей меди (II) в щелочном растворе. По окончанию реакции раствор окрашивается в фиолетовый цвет.

Ксантопротеиновая реакция - при реакции с азотной кислотой наблюдается желтое окрашивание.

Биологическое значение белка.

1. Белки - строительный материал, из него построены мышцы, кости, ткани.

2. Белки - рецепторы. Передают и воспринимают сигнал, поступающих от соседних клеток из окружающей среды.

3. Белки играют важную роль в иммунной системе организма.

4. Белки выполняют транспортные функции и переносят молекулы или ионы в место синтеза или накопления. (Гемоглобин переносит кислород к тканям.)

5. Белки - катализаторы - ферменты. Это очень мощные селективные катализаторы, которые ускоряют реакции в миллионы раз.

Есть ряд аминокислот, которые не могут синтезироваться в организме - незаменимые , их получают только с пищей: тизин, фенилаланин, метинин, валин, лейцин, триптофан, изолейцин, треонин.