Белки
Белки — природные высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков аминокислот. Их строение определяет свойства и функции: от катализа реакций и переноса веществ до движения, защиты и передачи наследственной информации.
Состав и строение белков
Белки относятся к азотсодержащим органическим соединениям и являются биополимерами. Их мономеры — аминокислоты. В составе белков обычно находятся углерод, водород, кислород, азот; многие белки содержат также серу, реже фосфор, металлы и другие элементы.
Белки, или протеины, — природные полипептиды, молекулы которых состоят из большого числа остатков аминокислот, соединённых пептидными связями.
Общая формула α-аминокислоты: \(\mathrm{H_2N-CH(R)-COOH}\). Группа \(R\) различна у разных аминокислот и определяет их свойства. Например, у глицина \(R=\mathrm{H}\).
При взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой выделяется вода и образуется фрагмент \(\mathrm{-CO-NH-}\). Такая связь называется пептидной. В молекуле белка сохраняются концевые аминогруппа и карбоксильная группа, если они не участвуют в дальнейшей реакции.
В линейной цепи из \(n\) остатков аминокислот содержится \(n-1\) пептидных связей. При её образовании выделяется \(n-1\) молекул воды.
Уровни организации белка
Уровни организации белка описывают, как из последовательности аминокислот возникает пространственная структура молекулы.
| Уровень | Что характеризует | Основные связи |
|---|---|---|
| Первичная структура | Последовательность остатков аминокислот в цепи | Пептидные связи |
| Вторичная структура | Участки спирали или складчатого слоя | Водородные связи |
| Третичная структура | Объёмная укладка одной полипептидной цепи | Дисульфидные, ионные, водородные связи; гидрофобные взаимодействия |
| Четвертичная структура | Объединение нескольких полипептидных цепей | Взаимодействия между субъединицами |
Первичная структура наиболее устойчива: её изменение связано с разрывом пептидных связей. Вторичная и третичная структуры поддерживаются более слабыми взаимодействиями, поэтому могут нарушаться под действием температуры, кислот, щелочей, солей тяжёлых металлов и органических растворителей.
Сколько пептидных связей образуется при соединении пяти аминокислот в линейную цепь?
Физические и химические свойства
Белки имеют большую молекулярную массу, поэтому обычно не образуют истинных растворов, а дают коллоидные растворы. Многие белки растворяются в воде, но растворимость зависит от температуры, кислотности среды и состава белка.
Важнейшие химические свойства белков — гидролиз и денатурация. При гидролизе белков пептидные связи разрываются: сначала могут образовываться пептиды, конечными продуктами являются аминокислоты.
Денатурация белка — нарушение естественной пространственной структуры без обязательного разрушения первичной структуры. Например, при нагревании белок куриного яйца сворачивается. Если воздействие умеренное и первичная структура не повреждена, иногда возможно обратное восстановление — ренатурация.
Для обнаружения белков используют цветные реакции белков. Биуретовая реакция даёт фиолетовое окрашивание в присутствии щёлочи и ионов меди(II), а ксантопротеиновая — жёлтое окрашивание при действии концентрированной азотной кислоты на белки с ароматическими аминокислотами.
Не следует считать денатурацию полным гидролизом: при денатурации обычно не разрываются пептидные связи. Также нельзя называть любую связь в белке пептидной: пептидной является именно связь между атомом углерода карбонильной группы и атомом азота фрагмента \(\mathrm{-CO-NH-}\).
Разобранный пример: состав пептида
Задача экзаменационного типа: при образовании тетрапептида из четырёх аминокислот определить число пептидных связей и число молекул воды, выделившихся в реакции. Найти также молярную массу тетрапептида, если сумма молярных масс исходных аминокислот равна \(600\ \mathrm{г/моль}\).
Тетрапептид содержит четыре остатка аминокислот в одной линейной цепи.
Ответ: три пептидные связи, три молекулы воды на одну молекулу тетрапептида, молярная масса \(546\ \mathrm{г/моль}\). Если цепь замкнута в цикл, число связей и число отщепившихся молекул воды рассчитывают иначе: в циклическом пептиде число пептидных связей равно числу аминокислотных остатков.
Биологические функции белков
Белки выполняют большинство основных функций живых организмов. Конкретная функция определяется пространственной структурой и химическими группами, расположенными в активных или связывающих участках молекулы.
| Функция | Пример | Значение |
|---|---|---|
| Каталитическая | Ферменты | Ускоряют химические реакции |
| Структурная | Коллаген, кератин | Образуют ткани и придают им прочность |
| Транспортная | Гемоглобин | Переносит кислород |
| Двигательная | Актин, миозин | Обеспечивают сокращение мышц |
| Защитная | Антитела, фибрин | Иммунная защита и свёртывание крови |
| Регуляторная | Некоторые гормоны белковой природы | Управляют процессами организма |
| Запасающая | Белки семян, яичный альбумин | Служат источником веществ и энергии |
Ферменты обладают высокой специфичностью: активный центр подходит к определённому субстрату. При изменении структуры белка активный центр может разрушиться, поэтому денатурация часто приводит к потере биологической активности.
В организме белки синтезируются на рибосомах по информации нуклеиновых кислот. Подробнее последовательность передачи информации и синтез белка рассматриваются на отдельной странице. Белки относят к азотсодержащим полимерам, а в общей системе органических веществ их изучают вместе с другими биологически важными органическими веществами.
Белки: биополимеры из аминокислот; мономеры соединены пептидными связями; при гидролизе образуются аминокислоты; денатурация нарушает пространственную структуру; основные функции — каталитическая, структурная, транспортная, двигательная, защитная, регуляторная и запасающая.
Быстрая проверка
Главное
- Белки — биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
- Пептидная связь образуется при конденсации аминогруппы и карбоксильной группы с выделением воды.
- Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белка.
- Гидролиз разрушает пептидные связи, а денатурация обычно нарушает пространственную структуру.
- Белки выполняют каталитическую, структурную, транспортную, двигательную, защитную, регуляторную и запасающую функции.