Uma propriedade importante das proteínas é a sua capacidade de desnaturar. Este conceito refere-se a fenômenos associados a uma mudança irreversível nas estruturas secundária, terciária e quaternária de uma proteína sob a influência de calor, ácidos, álcalis, raios UV, radiação ionizante, ultra-som, etc. Em outras palavras, a desnaturação é uma violação irreversível da configuração espacial nativa de uma molécula de proteína, acompanhada por mudanças significativas nas propriedades biológicas e físico-químicas das proteínas.

Uma vez que ligações relativamente fracas estão parcialmente envolvidas na formação de estruturas secundárias e terciárias, o estado físico da proteína depende em grande parte da temperatura, pH, presença de sais e outros fatores. O aquecimento, por exemplo, faz com que a cadeia polipeptídica de uma molécula de proteína se endireite; alguns produtos químicos quebram as ligações de hidrogênio. Uma mudança no pH também causa a quebra de ligações, e a instabilidade eletrostática se manifesta neste caso.

As proteínas sob a influência de vários fatores físicos e químicos perdem suas propriedades originais (nativas). Externamente, isso é expresso em sua coagulação e precipitação. Um exemplo de tal fenômeno é a coagulação da albumina do leite durante a fervura. A violação irreversível não hidrolítica da estrutura nativa da proteína é chamada de desnaturação. Nesse caso, principalmente as ligações de hidrogênio são rompidas, a estrutura espacial da proteína muda, mas não ocorre a ruptura das ligações covalentes na molécula da proteína.

A desnaturação leva ao desdobramento da molécula de proteína, e ela passa para um estado mais ou menos desordenado (não tem mais hélices, camadas ou qualquer outro tipo de empacotamento de cadeia regular). No estado desnaturado, os grupos amida da cadeia peptídica formam ligações de hidrogênio com as moléculas de água circundantes; existem muito mais ligações de hidrogênio do que ligações intramoleculares.

Batendo a clara de ovo, o creme os transforma em uma espuma composta por bolhas de ar cercadas por finas películas de proteína, cuja formação é acompanhada pela implantação de cadeias polipeptídicas como resultado da quebra de ligações durante a ação mecânica. Assim, durante a formação dos filmes, ocorre a desnaturação parcial ou completa da proteína. Este tipo de desnaturação é chamado de desnaturação de proteínas de superfície.

Para processos culinários, a desnaturação térmica de proteínas é de particular importância. O mecanismo de desnaturação térmica de proteínas pode ser considerado usando o exemplo de proteínas globulares.

A principal molécula de proteína globular consiste em uma ou mais cadeias polipeptídicas, dobradas e formando espirais. Tal estrutura é estabilizada por ligações fracas, entre as quais as ligações de hidrogênio desempenham um papel importante, formando pontes transversais entre cadeias peptídicas paralelas ou suas dobras.

Quando as proteínas são aquecidas, começa um movimento aumentado das cadeias ou dobras polipeptídicas, o que leva à quebra de ligações frágeis entre elas. A proteína se desdobra e adquire uma forma incomum, não natural, hidrogênio e outras ligações são estabelecidas em locais incomuns para esta molécula, e a configuração da molécula muda. Como resultado, as dobras se desdobram e se reorganizam, acompanhadas por uma redistribuição de grupos polares e apolares, e os radicais apolares ficam concentrados na superfície dos glóbulos, reduzindo sua hidrofilicidade. Durante a desnaturação, as proteínas tornam-se insolúveis e, em maior ou menor grau, perdem sua capacidade de inchar.

Durante a desnaturação térmica das proteínas, um papel ativo pertence à água, que está envolvida na formação de uma nova estrutura conformacional da proteína desnaturada. As proteínas completamente desidratadas não se desnaturam mesmo quando aquecidas por muito tempo. O efeito desnaturante das influências externas é tanto mais forte quanto maior a hidratação das proteínas e menor sua concentração em solução.

Em valores de pH próximos ao IEP da proteína, ocorre a desidratação máxima da proteína. A desnaturação mais completa é realizada no IEP da proteína. A mudança de pH em uma direção ou outra do IEP da proteína contribui para um aumento em sua estabilidade térmica e um enfraquecimento dos processos de desnaturação.

A temperatura de desnaturação da proteína aumenta na presença de outras proteínas termoestáveis ​​e algumas substâncias de natureza não proteica, como a sacarose. Esta propriedade das proteínas é utilizada quando, durante o tratamento térmico, é necessário aumentar a temperatura da mistura (por exemplo, ao pasteurizar sorvetes, fazer cremes de manteiga de ovo), evitando a separação ou formação de estrutura no sistema coloidal de proteínas.

O aparecimento na superfície de uma molécula de proteína após a desnaturação de radicais ou grupos funcionais anteriormente ocultos altera as propriedades físico-químicas e biológicas das proteínas. Como resultado da desnaturação, as propriedades das proteínas mudam irreversivelmente.

É impossível fazer massa com farinha aquecida e costeletas com carne cozida, pois as proteínas desnaturadas não têm a capacidade de hidratar e formar massas elástico-plásticas viscosas adequadas para moldar produtos semi-acabados.

A perda da capacidade de se hidratar é explicada pela perda das propriedades nativas das proteínas, sendo a mais importante a hidrofilicidade pronunciada (alta afinidade pela água), e está associada a uma mudança na conformação das cadeias polipeptídicas na molécula da proteína. resultado da desnaturação.

O inchaço e a solubilidade das proteínas em água são devidos à presença na superfície das moléculas de proteínas de um grande número de grupos hidrofílicos (COOH, OH, NH 2) capazes de se ligar a uma quantidade significativa de água.

Como já observado, a capacidade de várias proteínas nativas de alimentos se dissolverem em qualquer solvente (água, soluções salinas neutras, soluções alcalinas fracas, álcool, etc.) As proteínas desnaturadas não apresentam tais diferenças, são todas igualmente insolúveis e não podem inchar em água. Uma exceção a essa regra geral é o colágeno fibrilar da carne e do peixe, que, após desnaturação térmica e destruição em glutina, é capaz de se dissolver em água quente.

Como resultado da desnaturação, as proteínas perdem sua atividade biológica. Nas matérias-primas vegetais e animais utilizadas em estabelecimentos de restauração pública, a atividade da maioria das substâncias proteicas é preservada. Assim, como resultado da atividade das enzimas, os frutos amadurecem durante o armazenamento (e às vezes maduros demais), as batatas e as raízes germinam. A atividade das enzimas é especialmente evidente nos tubérculos de batata quando armazenados à luz: a superfície dos tubérculos adquire uma cor verde e um sabor amargo, respectivamente, como resultado da síntese de clorofila e da formação do venenoso glicosídeo solanina.

Na carne crua, as enzimas teciduais também estão em estado ativo, participando da autólise da carne (maturação pós-abate). Esta propriedade é usada para fins práticos. A inativação completa da fosfatase ácida ocorre quando a temperatura no centro geométrico do produto cárneo atinge 80°C, que corresponde à temperatura de pasteurização (morte de formas vegetativas de bactérias).

Em uma proteína nativa, os grupos peptídicos são protegidos por uma camada externa de hidratação ou estão localizados dentro do glóbulo de proteína e, portanto, protegidos de influências externas. Durante a desnaturação, a proteína perde sua casca de hidratação, o que facilita o acesso das enzimas digestivas do trato gastrointestinal aos grupos funcionais. A proteína é digerida mais rapidamente.

Além disso, às vezes a função inibitória de uma proteína desaparece após a desnaturação. Assim, algumas proteínas do ovo afetam negativamente o processo de digestão: a avidina no intestino liga-se à biotina (vitamina H), que está envolvida na regulação do sistema nervoso e na atividade neuro-reflexa; Ovomucoid inibe a ação da tripsina (enzima pancreática). É por isso que as proteínas do ovo cru não são apenas mal digeridas, mas também parcialmente absorvidas de forma não digerida, o que pode causar alergias, reduzir a digestibilidade de outros componentes dos alimentos e prejudicar a absorção de compostos de cálcio. Após a desnaturação, essas proteínas perdem suas propriedades antienzimáticas.

Durante a desnaturação, a proteína perde sua casca de hidratação, como resultado, muitos grupos funcionais e ligações peptídicas da molécula de proteína aparecem na superfície e a proteína se torna mais reativa.

Como resultado da desnaturação térmica da proteína, ocorre a agregação de moléculas de proteína. Como a casca de hidratação ao redor da molécula de proteína está quebrada, as moléculas de proteína individuais se combinam para formar partículas maiores e não podem mais permanecer em solução. O processo de dobramento de proteínas começa, como resultado da formação de novas ligações moleculares.

A interação de moléculas de proteínas desnaturadas em soluções e géis ocorre de forma diferente. Em soluções de proteínas fracamente concentradas durante a desnaturação térmica, a agregação de moléculas de proteínas ocorre através da formação de ligações intermoleculares, tanto fortes, por exemplo, dissulfeto, quanto fracas (mas numerosas) ligações de hidrogênio. Como resultado, grandes partículas são formadas. A agregação adicional de partículas leva à estratificação do sistema coloidal, à formação de flocos de proteína que precipitam ou flutuam na superfície do líquido, muitas vezes com a formação de espuma (por exemplo, a precipitação de flocos de lactalbumina desnaturados durante a fervura do leite; a formação de flocos e espuma de proteínas desnaturantes na superfície de caldos de carne e peixe). A concentração de proteínas em tais soluções não excede 1%.

Em soluções proteicas mais concentradas, a desnaturação das proteínas forma um gel contínuo que retém toda a água contida no sistema coloidal. Como resultado da agregação de moléculas proteicas desnaturadas, forma-se um sistema proteico estruturado. A desnaturação de proteínas em soluções concentradas com a formação de um gel contínuo ocorre durante o tratamento térmico de carne, peixe (proteínas de sarcoplasma), ovos de galinha e várias misturas à base deles. As concentrações exatas de proteínas nas quais suas soluções formam um gel contínuo como resultado do aquecimento são desconhecidas. Dado que a capacidade de gelificação das proteínas depende da configuração (assimetria) das moléculas e da natureza das ligações intermoleculares formadas neste caso, deve-se supor que essas concentrações são diferentes para diferentes proteínas.

Por exemplo, para preparar omeletes, 38 ... 75% de leite são adicionados à mistura de ovos. Os limites inferiores referem-se a omeletes fritos, os limites superiores a omeletes cozidos no vapor. Para a preparação de omeletes de clara de ovo utilizadas na nutrição dietética, o leite é adicionado na quantidade de 40%, independentemente do método de tratamento térmico, pois a concentração de proteínas na clara de ovo é muito menor do que na gema.

Algumas proteínas, que são géis mais ou menos aguados, desnaturam-se durante a desnaturação, pelo que são desidratadas com a separação do líquido no ambiente. O gel proteico submetido ao aquecimento, via de regra, é caracterizado por menor volume, massa, plasticidade, maior resistência mecânica e maior elasticidade em relação ao gel original de proteínas nativas. Mudanças semelhantes nas proteínas são observadas durante o tratamento térmico de carnes, peixes (proteínas miofibrilas), cereais para cozinhar, legumes, massas e produtos de massa para assar.

Géis e geleias são sistemas sólidos não fluidos estruturados formados como resultado da ação de forças moleculares coesivas entre partículas coloidais ou macromoléculas poliméricas. As células das grades espaciais de géis e geleias geralmente são preenchidas com um solvente.

Assim, os géis são sistemas coloidais ou soluções de compostos macromoleculares (HMCs) que perderam sua fluidez devido ao aparecimento de certas estruturas internas na forma de uma estrutura de malha espacial, cujas células são preenchidas com um meio de dispersão. Como o meio de dispersão contido nas células perde sua mobilidade, é chamado de imobilizado.

Os géis são muito difundidos na natureza: incluem muitos materiais de construção (concreto, cimento, suspensões de argila), solos, alguns minerais (ágata, opala), vários produtos alimentícios (farinha, massa, pão, geléia, marmelada, geléia), gelatina, borracha, tecidos de organismos vivos e muitos outros materiais de natureza animada e inanimada.

Dependendo da concentração do meio de dispersão, os géis são geralmente subdivididos em liogéis, coágeis e xerogéis (aerogéis).

Géis ricos em líquido contendo pouca matéria seca (até 1 ... 2%) são chamados de diogéis. Diogéis típicos incluem geléia, geléia (geléia), leite coalhado, soluções de sabão, etc.

Os precipitados gelatinosos obtidos durante a coagulação de alguns sóis hidrofóbicos, bem como os precipitados floculentos formados pela salga de soluções de HMS, são chamados de coágeis. O teor de matéria seca em coagéis chega a 80%. No entanto, flocos muito pobres em líquido e pós microcristalinos formados durante a coagulação de colóides hidrofóbicos típicos (hidrossóis de ouro, prata, platina, sulfetos) não pertencem aos coágeis.

Géis pobres em líquidos ou completamente secos são chamados de xero-gels. Exemplos de xerogels são folhas de gelatina seca, cola de madeira em telhas, amido, borracha. Xerogels complexos incluem muitos produtos alimentícios (farinha, bolachas, biscoitos). Os xerogéis altamente porosos também são chamados de aerogéis, pois o ar serve como meio de dispersão neles. Os aerogéis incluem muitos sorventes (gel de sílica), catalisadores sólidos para reações químicas.

Dependendo da natureza da fase dispersa e da capacidade de intumescimento, costuma-se distinguir entre géis frágeis e elásticos. Géis elásticos que chamaremos de geleias.

Na doença hereditária fenilcetonúria, o corpo é deficiente em fenilalanina hidroxilase (EC 1.14.3.1). Como resultado, o catabolismo da fenilalanina não vai para os produtos finais através da tirosina, mas entra em uma via lateral de desaminação com a formação do ácido fenilpirúvico. O acúmulo deste último, juntamente com a fenilalanina, leva a uma doença grave em crianças, acompanhada de demência. Com albinismo, há um defeito na difenol oxidase (EC 1.10.3.1.), com alcaptonúria - homogentisinato oxidase (EC 17.1.5.), com xantonuria - xantina oxidase (EC

1.2.3.2.), etc.

1.5. Desnaturação de proteínas

As propriedades inerentes das proteínas associadas às características da conformação de suas moléculas mudam significativamente se essa conformação for perturbada durante a desnaturação da proteína.

Por desnaturação entende-se a conversão de uma proteína biologicamente ativa, chamada proteína nativa3 em uma forma na qual suas propriedades naturais, tais como solubilidade, atividade eletroforética, atividade enzimática, etc. são preservadas. estão perdidos.

A desnaturação é uma característica das proteínas e não é observada em aminoácidos e peptídeos de baixo peso molecular. A desnaturação, como regra, está associada a uma violação da estrutura terciária e parcialmente secundária da molécula de proteína e não é acompanhada por nenhuma alteração na estrutura primária. Portanto, é natural que durante a desnaturação da proteína, principalmente as ligações de hidrogênio e pontes dissulfeto na molécula da proteína sejam destruídas.

Os agentes desnaturantes são divididos em físicos e químicos. Os fatores físicos incluem aquecimento (acima de 50-60 ° C), alta pressão, ultra-som, etc., fatores químicos - íons H + e OH - (geralmente em pH abaixo de 4 e acima de 10 - desnaturação), solventes orgânicos (acetona , álcool) , uréia, sais de metais pesados, etc. As proteínas também são desnaturadas sob a influência de detergentes (do latim Detergeo - esmagar, quebrar, limpar), que têm um efeito semelhante ao sabão, embora na maioria dos casos a proteína desnaturada permaneça em uma forma solúvel Formato. Desidratação, secagem de proteínas à temperatura ambiente geralmente envolve desnaturação completa. Tudo isso indica uma grande variedade de agentes desnaturantes e seu mecanismo de ação.

3 A conformação nativa de uma proteína é a estrutura tridimensional característica de uma proteína, na qual ela é estável e exibe atividade biológica sob certas condições físicas (temperatura, pH, etc.).

A estrutura terciária de uma proteína é a maneira pela qual uma cadeia polipeptídica é dobrada em três dimensões. Essa conformação surge devido à formação de ligações químicas entre radicais de aminoácidos distantes um do outro. Este processo é realizado com a participação dos mecanismos moleculares da célula e desempenha um papel importante na atividade funcional das proteínas.

Características da estrutura terciária

Os seguintes tipos de interações químicas são característicos da estrutura terciária das proteínas:

• iônico;
• hidrogênio;
• hidrofóbico;
• van der Waals;
• dissulfeto.

Todas essas ligações (exceto a ligação dissulfeto covalente) são muito fracas, mas devido à quantidade elas estabilizam a forma espacial da molécula.

De fato, o terceiro nível de empilhamento de cadeias polipeptídicas é uma combinação de vários elementos da estrutura secundária (α-hélices; camadas e alças dobradas em β), que são orientadas no espaço devido a interações químicas entre radicais de aminoácidos laterais. Para uma representação esquemática da estrutura terciária de uma proteína, as α-hélices são indicadas por cilindros ou linhas helicoidais, camadas dobradas por setas e alças por linhas simples.

A natureza da conformação terciária é determinada pela sequência de aminoácidos na cadeia, portanto, em condições iguais, duas moléculas com a mesma estrutura primária corresponderão ao mesmo arranjo espacial. Essa conformação garante a atividade funcional da proteína e é chamada de nativa.

No processo de dobramento da molécula de proteína, os componentes do centro ativo se aproximam, o que na estrutura primária pode ser significativamente removido um do outro.

Para proteínas de fita simples, a estrutura terciária é a forma funcional final. Proteínas complexas de múltiplas subunidades formam uma estrutura quaternária que caracteriza o arranjo de várias cadeias em relação umas às outras.

Caracterização de ligações químicas na estrutura terciária de uma proteína

Em grande medida, o dobramento da cadeia polipeptídica é devido à proporção de radicais hidrofílicos e hidrofóbicos. Os primeiros tendem a interagir com o hidrogênio (elemento constituinte da água) e, portanto, estão na superfície, enquanto as regiões hidrofóbicas, ao contrário, correm para o centro da molécula. Esta conformação é energeticamente a mais favorável. Como resultado, um glóbulo com um núcleo hidrofóbico é formado.

Os radicais hidrofílicos, que, no entanto, caem no centro da molécula, interagem entre si para formar ligações iônicas ou de hidrogênio. As ligações iônicas podem ocorrer entre radicais de aminoácidos de cargas opostas, que são:

• grupos catiônicos de arginina, lisina ou histidina (têm carga positiva);
• grupos carboxila de radicais de ácido glutâmico e aspártico (têm uma carga negativa).

As ligações de hidrogênio são formadas pela interação de grupos hidrofílicos não carregados (OH, SH, CONH 2) e carregados. As ligações covalentes (as mais fortes na conformação terciária) surgem entre os grupos SH dos resíduos de cisteína, formando as chamadas pontes dissulfeto. Normalmente, esses grupos são espaçados em uma cadeia linear e se aproximam apenas durante o processo de empilhamento. As ligações dissulfeto não são características da maioria das proteínas intracelulares.

labilidade conformacional

Como as ligações que formam a estrutura terciária de uma proteína são muito fracas, o movimento browniano de átomos em uma cadeia de aminoácidos pode fazer com que eles se quebrem e se formem em novos lugares. Isso leva a uma ligeira mudança na forma espacial de seções individuais da molécula, mas não viola a conformação nativa da proteína. Este fenômeno é chamado de labilidade conformacional. Este último desempenha um papel enorme na fisiologia dos processos celulares.

A conformação de uma proteína é afetada por suas interações com outras moléculas ou mudanças nos parâmetros físico-químicos do ambiente.

Como é formada a estrutura terciária de uma proteína?

O processo de dobrar uma proteína em sua forma nativa é chamado de dobramento. Este fenômeno é baseado no desejo de uma molécula de adotar uma conformação com um valor mínimo de energia livre.

Nenhuma proteína precisa de instrutores intermediários que determinarão a estrutura terciária. O esquema de empilhamento é inicialmente "gravado" na sequência de aminoácidos.

No entanto, em condições normais, para que uma grande molécula de proteína adote uma conformação nativa correspondente à estrutura primária, levaria mais de um trilhão de anos. No entanto, em uma célula viva, esse processo dura apenas algumas dezenas de minutos. Uma redução tão significativa no tempo é fornecida pela participação no dobramento de proteínas auxiliares especializadas - dobrases e chaperonas.

O dobramento de pequenas moléculas de proteínas (até 100 aminoácidos em uma cadeia) ocorre de forma bastante rápida e sem a participação de intermediários, o que foi demonstrado por experimentos in vitro.

Fatores de dobra

As proteínas acessórias envolvidas no dobramento são divididas em dois grupos:

• dobrases - têm atividade catalítica, são necessárias em quantidade significativamente inferior à concentração do substrato (como outras enzimas);
• as chaperonas são proteínas com vários mecanismos de ação; elas são necessárias em uma concentração comparável à quantidade do substrato dobrado.

Ambos os tipos de fatores estão envolvidos na dobra, mas não fazem parte do produto final.

O grupo de dobrases é representado por 2 enzimas:

• Proteína dissulfeto isomerase (PDI) - controla a formação correta de ligações dissulfeto em proteínas com um grande número de resíduos de cisteína. Essa função é muito importante, pois as interações covalentes são muito fortes e, no caso de conexões errôneas, a proteína não seria capaz de se rearranjar e adotar a conformação nativa.
• Peptidil-prolil-cis-trans-isomerase - proporciona uma mudança na configuração dos radicais localizados nas laterais da prolina, o que altera a natureza da curva da cadeia polipeptídica nesta área.

Assim, as dobrases desempenham um papel corretivo na formação da conformação terciária da molécula de proteína.

Acompanhantes

Chaperones são chamados de outra forma ou estresse. Isso se deve a um aumento significativo em sua secreção com efeitos negativos na célula (temperatura, radiação, metais pesados, etc.).

As chaperonas pertencem a três famílias de proteínas: hsp60, hsp70 e hsp90. Essas proteínas desempenham muitas funções, incluindo:

• proteção de proteínas da desnaturação;
• exclusão da interação de proteínas recém-sintetizadas entre si;
• prevenção da formação de ligações fracas incorretas entre radicais e sua labialização (correção).

Assim, as chaperonas contribuem para a rápida aquisição de uma conformação energeticamente correta, eliminando a enumeração aleatória de muitas variantes e protegendo moléculas de proteínas ainda imaturas de interações desnecessárias entre si. Além disso, os acompanhantes fornecem:

• alguns tipos de transporte de proteínas;
• controle de redobramento (restauração da estrutura terciária após sua perda);
• mantendo o estado de dobramento inacabado (para algumas proteínas).

Neste último caso, a molécula de chaperona permanece ligada à proteína após a conclusão do processo de dobramento.

Desnaturação

A violação da estrutura terciária da proteína sob a influência de quaisquer fatores é chamada de desnaturação. A perda da conformação nativa ocorre quando um grande número de ligações fracas que estabilizam a molécula é quebrada. Nesse caso, a proteína perde sua função específica, mas mantém sua estrutura primária (as ligações peptídicas não são destruídas durante a desnaturação).

Durante a desnaturação, ocorre um aumento espacial da molécula de proteína e as regiões hidrofóbicas voltam à superfície. A cadeia polipeptídica adquire a conformação de uma bobina aleatória, cuja forma depende de quais ligações da estrutura terciária da proteína foram quebradas. Nesta forma, a molécula é mais suscetível aos efeitos das enzimas proteolíticas.

Fatores que violam a estrutura terciária

Há uma série de influências físicas e químicas que podem causar desnaturação. Esses incluem:

• temperatura acima de 50 graus;
• radiação;
• mudança no pH do meio;
• sais de metais pesados;
• alguns compostos orgânicos;
• detergentes.

Após o término do efeito desnaturante, a proteína pode restaurar a estrutura terciária. Este processo é chamado de renaturação ou redobramento. Sob condições in vitro, isso só é possível para pequenas proteínas. Em uma célula viva, o redobramento é fornecido por acompanhantes.

Esquilos- compostos orgânicos de alto peso molecular, constituídos por resíduos de α-aminoácidos.

NO composição de proteínas inclui carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, enxofre. Algumas proteínas formam complexos com outras moléculas contendo fósforo, ferro, zinco e cobre.

As proteínas têm um grande peso molecular: albumina do ovo - 36.000, hemoglobina - 152.000, miosina - 500.000. Para comparação: o peso molecular do álcool é 46, ácido acético - 60, benzeno - 78.

Composição de aminoácidos das proteínas

Esquilos- polímeros não periódicos, cujos monômeros são α-aminoácidos. Normalmente, 20 tipos de α-aminoácidos são chamados de monômeros de proteínas, embora mais de 170 deles tenham sido encontrados em células e tecidos.

Dependendo se os aminoácidos podem ser sintetizados no corpo de humanos e outros animais, existem: aminoácidos não essenciais- pode ser sintetizado; Aminoácidos essenciais- não pode ser sintetizado. Aminoácidos essenciais devem ser ingeridos com alimentos. As plantas sintetizam todos os tipos de aminoácidos.

Dependendo da composição de aminoácidos, proteínas são: completas- contém todo o conjunto de aminoácidos; defeituoso- alguns aminoácidos estão ausentes em sua composição. Se as proteínas são compostas apenas de aminoácidos, elas são chamadas de simples. Se as proteínas contêm, além dos aminoácidos, também um componente não aminoácido (um grupo prostético), elas são chamadas de complexo. O grupo prostético pode ser representado por metais (metaloproteínas), carboidratos (glicoproteínas), lipídios (lipoproteínas), ácidos nucléicos (nucleoproteínas).

Tudo aminoácidos contêm: 1) um grupo carboxila (-COOH), 2) um grupo amino (-NH 2), 3) um radical ou grupo R (o resto da molécula). A estrutura do radical em diferentes tipos de aminoácidos é diferente. Dependendo do número de grupos amino e grupos carboxila que compõem os aminoácidos, existem: aminoácidos neutros tendo um grupo carboxila e um grupo amino; aminoácidos básicos tendo mais de um grupo amino; aminoácidos ácidos com mais de um grupo carboxila.

Os aminoácidos são compostos anfotéricos, uma vez que em solução podem atuar tanto como ácidos quanto como bases. Em soluções aquosas, os aminoácidos existem em diferentes formas iônicas.

Ligação peptídica

Peptídeos- substâncias orgânicas constituídas por resíduos de aminoácidos ligados por uma ligação peptídica.

A formação de peptídeos ocorre como resultado da reação de condensação de aminoácidos. Quando o grupo amino de um aminoácido interage com o grupo carboxila de outro, surge uma ligação covalente nitrogênio-carbono entre eles, chamada de peptídeo. Dependendo do número de resíduos de aminoácidos que compõem o peptídeo, existem dipeptídeos, tripeptídeos, tetrapeptídeos etc. A formação de uma ligação peptídica pode ser repetida muitas vezes. Isso leva à formação polipeptídeos. Em uma extremidade do peptídeo há um grupo amino livre (chamado de terminal N) e na outra extremidade há um grupo carboxila livre (chamado de terminal C).

Organização espacial de moléculas de proteína

O desempenho de determinadas funções específicas pelas proteínas depende da configuração espacial de suas moléculas, além disso, é energeticamente desfavorável para a célula manter as proteínas na forma expandida, em forma de cadeia, portanto, as cadeias polipeptídicas sofrem dobras, adquirindo uma certa estrutura tridimensional, ou conformação. Aloque 4 níveis organização espacial das proteínas.

Estrutura primária de uma proteína- a sequência de resíduos de aminoácidos na cadeia polipeptídica que compõe a molécula de proteína. A ligação entre os aminoácidos é peptídica.

Se uma molécula de proteína consiste em apenas 10 resíduos de aminoácidos, então o número de variantes teoricamente possíveis de moléculas de proteína que diferem na ordem de alternância de aminoácidos é 10 20 . Com 20 aminoácidos, você pode fazer combinações ainda mais diversas deles. Cerca de dez mil proteínas diferentes foram encontradas no corpo humano, que diferem umas das outras e das proteínas de outros organismos.

É a estrutura primária da molécula de proteína que determina as propriedades das moléculas de proteína e sua configuração espacial. A substituição de apenas um aminoácido por outro na cadeia polipeptídica leva a uma mudança nas propriedades e funções da proteína. Por exemplo, a substituição do sexto aminoácido glutamina na subunidade β da hemoglobina por valina leva ao fato de que a molécula de hemoglobina como um todo não pode desempenhar sua função principal - transporte de oxigênio; nesses casos, uma pessoa desenvolve uma doença - anemia falciforme.

estrutura secundária- dobragem ordenada da cadeia polipeptídica em espiral (parece uma mola esticada). As espirais da hélice são reforçadas por ligações de hidrogênio entre grupos carboxila e grupos amino. Quase todos os grupos CO e NH participam da formação de ligações de hidrogênio. São mais fracos que os peptídicos, mas, repetindo-se muitas vezes, conferem estabilidade e rigidez a essa configuração. Ao nível da estrutura secundária, existem proteínas: fibroína (seda, teia), queratina (cabelos, unhas), colágeno (tendões).

Estrutura terciária- empacotamento de cadeias polipeptídicas em glóbulos, resultantes da ocorrência de ligações químicas (hidrogênio, iônicas, dissulfeto) e do estabelecimento de interações hidrofóbicas entre radicais de resíduos de aminoácidos. O papel principal na formação da estrutura terciária é desempenhado por interações hidrofílicas-hidrofóbicas. Em soluções aquosas, os radicais hidrofóbicos tendem a se esconder da água, agrupando-se no interior do glóbulo, enquanto os radicais hidrofílicos tendem a aparecer na superfície da molécula como resultado da hidratação (interação com dipolos de água). Em algumas proteínas, a estrutura terciária é estabilizada por ligações covalentes dissulfeto que se formam entre os átomos de enxofre dos dois resíduos de cisteína. No nível da estrutura terciária, existem enzimas, anticorpos, alguns hormônios.

Estrutura quaternária característica de proteínas complexas, cujas moléculas são formadas por dois ou mais glóbulos. As subunidades são mantidas na molécula por interações iônicas, hidrofóbicas e eletrostáticas. Às vezes, durante a formação de uma estrutura quaternária, ocorrem ligações dissulfeto entre as subunidades. A proteína mais estudada com estrutura quaternária é hemoglobina. É formado por duas subunidades α (141 resíduos de aminoácidos) e duas subunidades β (146 resíduos de aminoácidos). Cada subunidade está associada a uma molécula de heme contendo ferro.

Se por algum motivo a conformação espacial das proteínas se desviar do normal, a proteína não pode desempenhar suas funções. Por exemplo, a causa da "doença da vaca louca" (encefalopatia espongiforme) é uma conformação anormal de príons, as proteínas de superfície das células nervosas.

Propriedades da proteína

A composição de aminoácidos, a estrutura da molécula de proteína determinam sua propriedades. As proteínas combinam propriedades básicas e ácidas determinadas por radicais de aminoácidos: quanto mais aminoácidos ácidos em uma proteína, mais pronunciadas suas propriedades ácidas. A capacidade de dar e anexar H + determina propriedades tampão das proteínas; um dos tampões mais poderosos é a hemoglobina nos eritrócitos, que mantém o pH do sangue em um nível constante. Existem proteínas solúveis (fibrinogênio), existem proteínas insolúveis que desempenham funções mecânicas (fibroína, queratina, colágeno). Existem proteínas quimicamente ativas (enzimas), existem quimicamente inativas, resistentes a diversas condições ambientais e extremamente instáveis.

Fatores externos (calor, radiação ultravioleta, metais pesados ​​e seus sais, mudanças de pH, radiação, desidratação)

pode causar uma violação da organização estrutural da molécula de proteína. O processo de perda da conformação tridimensional inerente a uma determinada molécula de proteína é chamado de desnaturação. A causa da desnaturação é a quebra de ligações que estabilizam uma estrutura proteica particular. Inicialmente, os laços mais fracos são rompidos e, quando as condições se tornam mais difíceis, ainda mais fortes. Portanto, primeiro o quaternário, depois as estruturas terciárias e secundárias são perdidas. Uma mudança na configuração espacial leva a uma mudança nas propriedades da proteína e, como resultado, impossibilita que a proteína desempenhe suas funções biológicas. Se a desnaturação não for acompanhada pela destruição da estrutura primária, pode ser reversível, neste caso, ocorre a autocura da conformação característica da proteína. Tal desnaturação é submetida, por exemplo, a proteínas receptoras de membrana. O processo de restauração da estrutura de uma proteína após a desnaturação é chamado de renaturação. Se a restauração da configuração espacial da proteína é impossível, então a desnaturação é chamada irreversível.

Funções das proteínas

Função	Exemplos e explicações
Construção	As proteínas estão envolvidas na formação de estruturas celulares e extracelulares: fazem parte das membranas celulares (lipoproteínas, glicoproteínas), cabelos (queratina), tendões (colágeno), etc.
Transporte	A proteína do sangue, a hemoglobina, liga o oxigênio e o transporta dos pulmões para todos os tecidos e órgãos, e deles transfere o dióxido de carbono para os pulmões; A composição das membranas celulares inclui proteínas especiais que fornecem uma transferência ativa e estritamente seletiva de certas substâncias e íons da célula para o ambiente externo e vice-versa.
Regulatório	Os hormônios proteicos estão envolvidos na regulação dos processos metabólicos. Por exemplo, o hormônio insulina regula os níveis de glicose no sangue, promove a síntese de glicogênio e aumenta a formação de gorduras a partir de carboidratos.
Protetora	Em resposta à penetração de proteínas ou microorganismos estranhos (antígenos) no corpo, são formadas proteínas especiais - anticorpos que podem se ligar e neutralizá-los. A fibrina, formada a partir do fibrinogênio, ajuda a parar o sangramento.
Motor	As proteínas contráteis actina e miosina proporcionam contração muscular em animais multicelulares.
Sinal	Moléculas de proteínas estão inseridas na membrana superficial da célula, capazes de alterar sua estrutura terciária em resposta à ação de fatores ambientais, recebendo assim sinais do meio externo e transmitindo comandos para a célula.
reserva	No corpo dos animais, as proteínas, em regra, não são armazenadas, com exceção da albumina do ovo, caseína do leite. Mas, graças às proteínas do corpo, algumas substâncias podem ser armazenadas em reserva, por exemplo, durante a quebra da hemoglobina, o ferro não é excretado do corpo, mas é armazenado, formando um complexo com a proteína ferritina.
Energia	Com a quebra de 1 g de proteína nos produtos finais, 17,6 kJ são liberados. Primeiro, as proteínas se decompõem em aminoácidos e depois nos produtos finais - água, dióxido de carbono e amônia. No entanto, as proteínas são usadas como fonte de energia apenas quando outras fontes (carboidratos e gorduras) são usadas.
catalítico	Uma das funções mais importantes das proteínas. Fornecido com proteínas - enzimas que aceleram as reações bioquímicas que ocorrem nas células. Por exemplo, a ribulose bifosfato carboxilase catalisa a fixação de CO2 durante a fotossíntese.

Enzimas

Enzimas, ou enzimas, é uma classe especial de proteínas que são catalisadores biológicos. Graças às enzimas, as reações bioquímicas ocorrem a uma velocidade tremenda. A velocidade das reações enzimáticas é dezenas de milhares de vezes (e às vezes milhões) maior do que a velocidade das reações envolvendo catalisadores inorgânicos. A substância sobre a qual uma enzima atua é chamada substrato.

As enzimas são proteínas globulares características estruturais As enzimas podem ser divididas em dois grupos: simples e complexas. enzimas simples são proteínas simples, ou seja, consistem apenas de aminoácidos. Enzimas complexas são proteínas complexas, ou seja, além da parte proteica, incluem um grupo de natureza não proteica - cofator. Para algumas enzimas, as vitaminas atuam como cofatores. Na molécula da enzima, uma parte especial é isolada, chamada de centro ativo. centro ativo- uma pequena seção da enzima (de três a doze resíduos de aminoácidos), onde a ligação do substrato ou substratos ocorre com a formação de um complexo enzima-substrato. Após a conclusão da reação, o complexo enzima-substrato se decompõe em uma enzima e um(s) produto(s) da reação. Algumas enzimas têm (além das ativas) centros alostéricos- locais aos quais os reguladores da taxa de trabalho da enzima estão ligados ( enzimas alostéricas).

As reações de catálise enzimática são caracterizadas por: 1) alta eficiência, 2) seletividade e direção de ação rigorosas, 3) especificidade do substrato, 4) regulação fina e precisa. A especificidade do substrato e da reação das reações de catálise enzimática é explicada pelas hipóteses de E. Fischer (1890) e D. Koshland (1959).

E. Fisher (hipótese da fechadura) sugeriram que as configurações espaciais do sítio ativo da enzima e do substrato deveriam corresponder exatamente uma à outra. O substrato é comparado à "chave", a enzima - à "fechadura".

D. Koshland (hipótese "mão-luva") sugeriram que a correspondência espacial entre a estrutura do substrato e o centro ativo da enzima é criada apenas no momento da interação entre eles. Essa hipótese também é chamada hipótese de ajuste induzido.

A velocidade das reações enzimáticas depende de: 1) temperatura, 2) concentração de enzima, 3) concentração de substrato, 4) pH. Deve-se enfatizar que, como as enzimas são proteínas, sua atividade é mais alta em condições fisiologicamente normais.

A maioria das enzimas só pode funcionar em temperaturas entre 0 e 40°C. Dentro desses limites, a taxa de reação aumenta cerca de 2 vezes para cada aumento de 10°C na temperatura. Em temperaturas acima de 40°C, a proteína sofre desnaturação e a atividade da enzima diminui. Em temperaturas próximas ao congelamento, as enzimas são inativadas.

Com um aumento na quantidade de substrato, a velocidade da reação enzimática aumenta até que o número de moléculas de substrato se torne igual ao número de moléculas de enzima. Com um aumento adicional na quantidade de substrato, a taxa não aumentará, uma vez que os sítios ativos da enzima estão saturados. Um aumento na concentração da enzima leva a um aumento na atividade catalítica, uma vez que um número maior de moléculas de substrato sofre transformações por unidade de tempo.

Para cada enzima, existe um valor de pH ótimo no qual ela apresenta atividade máxima (pepsina - 2,0, amilase salivar - 6,8, lipase pancreática - 9,0). Em valores de pH mais altos ou mais baixos, a atividade da enzima diminui. Com mudanças bruscas no pH, a enzima desnatura.

A velocidade das enzimas alostéricas é regulada por substâncias que se ligam aos centros alostéricos. Se essas substâncias aceleram a reação, elas são chamadas de ativadores se eles abrandarem - inibidores.

Classificação enzimática

De acordo com o tipo de transformações químicas catalisadas, as enzimas são divididas em 6 classes:

1. oxidorredutase(transferência de átomos de hidrogênio, oxigênio ou elétrons de uma substância para outra - desidrogenase),
2. transferase(transferência de um grupo metil, acil, fosfato ou amino de uma substância para outra - transaminase),
3. hidrolases(reações de hidrólise em que dois produtos são formados a partir do substrato - amilase, lipase),
4. liases(adição não hidrolítica ao substrato ou a eliminação de um grupo de átomos dele, enquanto as ligações C-C, C-N, C-O, C-S podem ser quebradas - descarboxilase),
5. isomerase(rearranjo intramolecular - isomerase),
6. ligases(a conexão de duas moléculas como resultado da formação de ligações C-C, C-N, C-O, C-S - sintetase).

As classes são, por sua vez, subdivididas em subclasses e subsubclasses. Na classificação internacional atual, cada enzima possui um código específico, composto por quatro números separados por pontos. O primeiro número é a classe, o segundo é a subclasse, o terceiro é a subclasse, o quarto é o número de série da enzima nesta subclasse, por exemplo, o código da arginase é 3.5.3.1.

Vamos para palestras número 2"A estrutura e funções de carboidratos e lipídios"

Vamos para palestras №4"A estrutura e funções dos ácidos nucleicos ATP"

1. Qual é o nome do processo de violação da estrutura natural de uma proteína, no qual sua estrutura primária é preservada? A ação de quais fatores pode levar a uma violação da estrutura das moléculas de proteínas?

O processo de violação da estrutura natural das proteínas sob a influência de quaisquer fatores sem destruir a estrutura primária é chamado de desnaturação. A desnaturação ocorre devido à quebra de ligações de hidrogênio, iônicas, dissulfeto e outras. Nesse caso, sua estrutura quaternária, terciária e até secundária pode ser perdida.

2. Como as proteínas fibrilares diferem das globulares? Dê exemplos de proteínas fibrilares e globulares

Essas proteínas diferem na forma das moléculas. As moléculas de proteínas globulares têm uma forma arredondada, as proteínas fibrilares são caracterizadas por uma forma alongada e filamentosa das moléculas. Assim, as proteínas globulares são globulinas e albuminas do sangue, fibrinogênio, hemoglobina. Proteínas fibrilares - queratina, colágeno, miosina, elastina, etc.

3. Cite as principais funções biológicas das proteínas, dê exemplos relevantes.

função estrutural. As proteínas fazem parte de todas as células e tecidos dos organismos vivos. Os elementos do citoesqueleto, os elementos contráteis das fibras musculares são construídos a partir de proteínas. A cartilagem e os tendões são compostos predominantemente por proteínas. Eles contêm a proteína colágeno. O componente estrutural mais importante de penas, cabelos, unhas, garras, chifres, cascos em animais é a proteína queratina.

Função enzimática (catalítica). As enzimas são catalisadores biológicos, ou seja, substâncias que aceleram o fluxo de reações químicas em organismos vivos. As enzimas estão envolvidas nos processos de síntese e degradação de várias substâncias. Eles fornecem fixação de carbono durante a fotossíntese, quebra de nutrientes no trato digestivo, etc.

função de transporte. Muitas proteínas são capazes de anexar e transportar várias substâncias. A hemoglobina se liga e transporta oxigênio e dióxido de carbono.

Função contrátil (motora). As proteínas contráteis fornecem a capacidade de células, tecidos, órgãos e organismos inteiros mudarem de forma e se moverem. Assim, actina e miosina fornecem trabalho muscular e contrações intracelulares não musculares.

função reguladora. Alguns peptídeos e proteínas são hormônios. Eles influenciam vários processos fisiológicos. Por exemplo, a insulina e o glucagon regulam a glicose no sangue e a somatotropina (hormônio do crescimento) regula o crescimento e o desenvolvimento físico.

Função de sinal. Algumas proteínas da membrana celular são capazes de alterar sua estrutura em resposta a fatores externos. Com a ajuda dessas proteínas, os sinais do ambiente externo são recebidos e as informações são transmitidas para a célula.

função protetora. As proteínas protegem o corpo da invasão de organismos estranhos e de danos.

função tóxica. Muitos organismos vivos secretam proteínas-toxinas, que são venenos para outros organismos. As toxinas são sintetizadas no corpo de vários animais, fungos, plantas, microorganismos.

Função de energia. Depois de decompostas em aminoácidos, as proteínas podem servir como fonte de energia na célula. Com a oxidação completa de 1 g de proteína, 17,6 kJ de energia são liberados.

função de armazenamento. As proteínas de reserva são armazenadas nas sementes das plantas, que são utilizadas durante a germinação pelo embrião e depois pela plântula como fonte de nitrogênio.

4. O que são enzimas? Por que a maioria dos processos bioquímicos na célula seria impossível sem sua participação?

As enzimas são catalisadores biológicos, ou seja, substâncias que aceleram o fluxo de reações químicas em organismos vivos. Ao contrário dos catalisadores químicos convencionais, as enzimas são específicas, ou seja, cada enzima acelera apenas uma reação específica ou atua apenas em um tipo específico de ligação.

5. Qual é a especificidade das enzimas? Qual é a sua razão? Por que as enzimas funcionam ativamente apenas em uma certa faixa de temperatura, pH e outros fatores?

As enzimas aceleram as reações químicas devido à interação próxima com as moléculas do substrato - os reagentes iniciais. Nem toda a molécula da enzima interage com o substrato, mas apenas uma pequena parte dele - o centro ativo. Na maioria das vezes é formado por vários resíduos de aminoácidos. A forma e a estrutura química do centro ativo são tais que apenas certos substratos podem se ligar a ele devido à correspondência de suas estruturas espaciais. As enzimas são proteínas, portanto, trabalham ativamente apenas em uma certa faixa de pH, temperatura e outros fatores.

6. Por que as proteínas, via de regra, são usadas como fontes de energia apenas em casos extremos, quando os carboidratos e as gorduras se esgotam nas células?

As proteínas são usadas como último recurso, pois fazem parte de todas as células e tecidos dos organismos vivos. Os elementos do citoesqueleto, os elementos contráteis das fibras musculares são construídos a partir de proteínas.

7. Em muitas bactérias, o ácido para-aminobenzóico (PABA) está envolvido na síntese de substâncias necessárias para o crescimento e reprodução normais. Ao mesmo tempo, as sulfonamidas, substâncias semelhantes em estrutura ao PABA, são usadas na medicina para tratar várias infecções bacterianas. Em que você acha que se baseia o efeito terapêutico das sulfonamidas?

O PABA é necessário para a formação de fatores de crescimento na célula microbiana - ácido fólico e bases purinas envolvidas na construção de ácidos nucleicos, sem os quais o crescimento e a reprodução de micróbios são impossíveis. De acordo com a estrutura do PABA, assemelha-se às sulfonamidas, portanto, com excesso desta última, sua atividade é suprimida. Os micróbios privados de PABA param de se dividir e crescer, e então são alcançados pelas forças protetoras do macroorganismo.