O proprietate importantă a proteinelor este capacitatea lor de a se denatura. Acest concept se referă la fenomene asociate cu o modificare ireversibilă a structurilor secundare, terțiare și cuaternare ale unei proteine ​​sub influența căldurii, acizilor, alcalinelor, razelor UV, radiațiilor ionizante, ultrasunetelor etc. Cu alte cuvinte, denaturarea este o încălcare ireversibilă. a configurației spațiale native a unei molecule de proteine, însoțită de modificări semnificative ale proprietăților biologice și fizico-chimice ale proteinelor.

Deoarece legăturile relativ slabe sunt parțial implicate în formarea structurilor secundare și terțiare, starea fizică a proteinei depinde în mare măsură de temperatură, pH, prezența sărurilor și alți factori. Încălzirea, de exemplu, face ca lanțul polipeptidic al unei molecule de proteine ​​să se îndrepte; unele substanțe chimice rup legăturile de hidrogen. O modificare a pH-ului determină și ruperea legăturilor, iar instabilitatea electrostatică se manifestă în acest caz.

Proteinele sub influența diverșilor factori fizici și chimici își pierd proprietățile originale (native). În exterior, acest lucru se exprimă în coagularea și precipitarea lor. Un exemplu de astfel de fenomen este coagularea albuminei de lapte în timpul fierberii. Încălcarea ireversibilă non-hidrolitică a structurii native a proteinei se numește denaturare. În acest caz, în principal legăturile de hidrogen sunt rupte, structura spațială a proteinei se modifică, dar ruperea legăturilor covalente din molecula proteică nu are loc.

Denaturarea duce la desfășurarea moleculei proteice și trece într-o stare mai mult sau mai puțin dezordonată (nu mai are elice, nu mai are straturi sau orice alte tipuri de împachetare obișnuită a lanțului). În starea denaturată, grupările amidice ale lanțului peptidic formează legături de hidrogen cu moleculele de apă din jur; există mult mai multe astfel de legături de hidrogen decât cele intramoleculare.

Batand albusul de ou, smantana le transforma intr-o spuma formata din bule de aer inconjurate de filme subtiri de proteine, a caror formare este insotita de desfasurarea lantului polipeptidic ca urmare a ruperii legaturilor in timpul actiunii mecanice. Astfel, în timpul formării peliculelor, are loc denaturarea parțială sau completă a proteinei. Acest tip de denaturare se numește denaturare a proteinelor de suprafață.

Pentru procesele culinare, denaturarea termică a proteinelor este de o importanță deosebită. Mecanismul denaturarii termice a proteinelor poate fi luat in considerare folosind exemplul proteinelor globulare.

Molecula de proteină globulară principală este formată din unul sau mai multe lanțuri polipeptidice, pliate și formând bobine. O astfel de structură este stabilizată prin legături slabe, printre care legăturile de hidrogen joacă un rol important, formând punți transversale între lanțurile peptidice paralele sau pliurile acestora.

Când proteinele sunt încălzite, începe o mișcare crescută a lanțurilor sau pliurilor polipeptidice, ceea ce duce la ruperea legăturilor fragile dintre ele. Proteina se desfășoară și capătă o formă neobișnuită, nenaturală, hidrogenul și alte legături sunt stabilite în locuri neobișnuite pentru această moleculă, iar configurația moleculei se modifică. Ca urmare, pliurile se desfac și se rearanjează, însoțite de o redistribuire a grupărilor polare și nepolare, iar radicalii nepolari sunt concentrați pe suprafața globulelor, reducându-le hidrofilitatea. În timpul denaturarii, proteinele devin insolubile și, într-o măsură mai mare sau mai mică, își pierd capacitatea de a se umfla.

În timpul denaturarii termice a proteinelor, un rol activ îi revine apei, care este implicată în formarea unei noi structuri conformaționale a proteinei denaturate. Proteinele complet deshidratate nu se denaturează nici măcar atunci când sunt încălzite mult timp. Efectul denaturant al influențelor externe este cu atât mai puternic, cu atât este mai mare hidratarea proteinelor și cu atât concentrația lor în soluție este mai mică.

La valori ale pH-ului apropiate de IEP ale proteinei, are loc deshidratarea maximă a proteinei. Cea mai completă denaturare se realizează în IEP-ul proteinei. Schimbarea pH-ului într-o direcție sau alta de la IEP a proteinei contribuie la creșterea stabilității sale termice și la slăbirea proceselor de denaturare.

Temperatura denaturarii proteinelor creste in prezenta altor proteine ​​termostabile si a anumitor substante de natura neproteica, precum zaharoza. Această proprietate a proteinelor este utilizată atunci când, în timpul tratamentului termic, este necesară creșterea temperaturii amestecului (de exemplu, la pasteurizarea înghețatei, la realizarea cremelor de ou-unt), prevenind separarea sau formarea structurii în sistemul coloidal proteic.

Apariția la suprafața unei molecule proteice după denaturarea radicalilor sau grupărilor funcționale ascunse anterior modifică proprietățile fizico-chimice și biologice ale proteinelor. Ca urmare a denaturării, proprietățile proteinelor se modifică ireversibil.

Este imposibil să se facă aluat din făină încălzită și cotlet din carne fiartă, deoarece proteinele denaturate nu au capacitatea de a se hidrata și de a forma mase elastic-plastice vâscoase potrivite pentru turnarea semifabricatelor.

Pierderea capacității de hidratare se explică prin pierderea proprietăților native ale proteinelor, dintre care cea mai importantă este hidrofilitatea pronunțată (afinitate mare pentru apă) și este asociată cu o modificare a conformației lanțurilor polipeptidice din molecula proteică, ca rezultat al denaturarii.

Umflarea și solubilitatea proteinelor în apă se datorează prezenței pe suprafața moleculelor proteice a unui număr mare de grupări hidrofile (COOH, OH, NH 2) capabile să lege o cantitate semnificativă de apă.

După cum sa menționat deja, capacitatea diferitelor proteine ​​alimentare native de a se dizolva în orice solvent (apă, soluții de sare neutră, soluții slabe alcaline, alcool etc.) este utilizată pentru a separa sau izola o anumită fracție proteică (în scopuri de cercetare sau alimentară). Proteinele denaturate nu au astfel de diferențe, toate sunt la fel de insolubile și nu se pot umfla în apă. O excepție de la această regulă generală este colagenul fibrilar din carne și pește, care, după denaturarea termică și distrugerea în glutină, este capabil să se dizolve în apă fierbinte.

Ca urmare a denaturării, proteinele își pierd activitatea biologică. În materiile prime vegetale și animale utilizate în unitățile de alimentație publică se păstrează activitatea majorității substanțelor proteice. Deci, ca urmare a activității enzimelor, fructele se coc în timpul depozitării (și uneori supracoapte), cartofii și rădăcinile germinează. Activitatea enzimelor este evidentă în special la tuberculii de cartofi atunci când sunt depozitați la lumină: suprafața tuberculilor capătă o culoare verde și, respectiv, un gust amar, ca urmare a sintezei clorofilei și a formării glicozidei otrăvitoare solanină.

În carnea crudă, enzimele tisulare sunt, de asemenea, în stare activă, participând la autoliza cărnii (maturarea după sacrificare). Această proprietate este folosită în scopuri practice. Inactivarea completă a fosfatazei acide are loc atunci când temperatura din centrul geometric al produsului din carne atinge 80 °C, ceea ce corespunde temperaturii de pasteurizare (moartea formelor vegetative de bacterii).

Într-o proteină nativă, grupările de peptide sunt protejate de o înveliș exterioară de hidratare sau sunt situate în interiorul globului proteic și sunt astfel protejate de influențele externe. În timpul denaturarii, proteina își pierde învelișul de hidratare, ceea ce facilitează accesul enzimelor digestive ale tractului gastrointestinal la grupele funcționale. Proteinele sunt digerate mai repede.

În plus, uneori funcția inhibitorie a unei proteine ​​dispare după denaturare. Deci, unele proteine ​​din ou afectează negativ procesul de digestie: avidina din intestin leagă biotina (vitamina H), care este implicată în reglarea sistemului nervos și în activitatea neuro-reflexă; Ovomucoid inhibă acțiunea tripsinei (enzima pancreatică). De aceea, proteinele din ou crud nu sunt doar prost digerate, ci și parțial absorbite într-o formă nedigerată, ceea ce poate provoca alergii, poate reduce digestibilitatea altor componente ale alimentelor și poate afecta absorbția compușilor de calciu. La denaturare, aceste proteine ​​își pierd proprietățile antienzimatice.

În timpul denaturarii, proteina își pierde învelișul de hidratare, în urma căreia multe grupe funcționale și legături peptidice ale moleculei proteice apar la suprafață, iar proteina devine mai reactivă.

Ca urmare a denaturarii termice a proteinei, are loc agregarea moleculelor proteice. Deoarece învelișul de hidratare din jurul moleculei proteice este spart, moleculele proteice individuale se combină pentru a forma particule mai mari și nu mai pot rămâne în soluție. Începe procesul de pliere a proteinelor, în urma căruia se formează noi legături moleculare.

Interacțiunea moleculelor de proteine ​​​​denaturate în soluții și geluri decurge diferit. În soluțiile de proteine ​​slab concentrate în timpul denaturării termice, agregarea moleculelor proteice are loc prin formarea de legături intermoleculare, atât puternice, de exemplu, disulfură, cât și slabe (dar numeroase) de hidrogen. Ca rezultat, se formează particule mari. Agregarea ulterioară a particulelor duce la stratificarea sistemului coloidal, formarea de fulgi de proteine ​​care precipită sau plutesc la suprafața lichidului, adesea cu formarea de spumă (de exemplu, precipitarea fulgilor de lactalbumină denaturat în timpul fierberii laptelui; formarea de fulgi și spumă din proteinele denaturante de pe suprafața supelor de carne și pește). Concentrația de proteine ​​în astfel de soluții nu depășește 1%.

În soluțiile de proteine ​​mai concentrate, denaturarea proteinelor formează un gel continuu care reține toată apa conținută în sistemul coloidal. Ca rezultat al agregării moleculelor de proteine ​​denaturate, se formează un sistem proteic structurat. Denaturarea proteinelor în soluții concentrate cu formarea unui gel continuu are loc în timpul tratamentului termic al cărnii, peștelui (proteine ​​sarcoplasme), ouălor de găină și diferitelor amestecuri pe bază de acestea. Concentrațiile exacte de proteine ​​la care soluțiile lor formează un gel continuu ca urmare a încălzirii sunt necunoscute. Având în vedere că capacitatea proteinelor de a se gelifica depinde de configurația (asimetria) moleculelor și de natura legăturilor intermoleculare formate în acest caz, trebuie să presupunem că aceste concentrații sunt diferite pentru diferite proteine.

De exemplu, pentru a pregăti omlete, în amestecul de ouă se adaugă 38 ... 75% din lapte. Limitele inferioare se referă la omletele prăjite, limitele superioare la omletele aburite. Pentru prepararea omletelor de albușuri folosite în alimentația alimentară, se adaugă lapte în cantitate de 40%, indiferent de metoda de tratament termic, deoarece concentrația de proteine ​​în albușul de ou este mult mai mică decât în ​​gălbenuș.

Unele proteine, care sunt geluri mai mult sau mai puțin udate, se denaturează în timpul denaturării, rezultând deshidratarea lor odată cu separarea lichidului în mediu. Gelul proteic supus încălzirii, de regulă, se caracterizează printr-un volum mai mic, masă, plasticitate, rezistență mecanică crescută și elasticitate mai mare în comparație cu gelul original de proteine ​​native. Modificări similare ale proteinelor sunt observate în timpul tratamentului termic al cărnii, peștelui (proteine ​​miofibrile), cerealelor de gătit, leguminoaselor, pastelor și produselor din aluat de copt.

Gelurile și jeleurile sunt sisteme solide structurate, nefluide, formate ca urmare a acțiunii forțelor de coeziune moleculară între particulele coloidale sau macromoleculele polimerice. Celulele grilelor spațiale de geluri și jeleuri sunt de obicei umplute cu un solvent.

Astfel, gelurile sunt sisteme coloidale sau soluții de compuși macromoleculari (HMC) care și-au pierdut fluiditatea datorită apariției în ele a anumitor structuri interne sub forma unui cadru de plasă spațială, ale căror celule sunt umplute cu un mediu de dispersie. Întrucât mediul de dispersie conținut în celule își pierde mobilitatea, acesta se numește imobilizat.

Gelurile sunt foarte răspândite în natură: includ multe materiale de construcție (beton, ciment, suspensii de argilă), soluri, unele minerale (agat, opal), diverse produse alimentare (făină, aluat, pâine, jeleu, marmeladă, jeleu), gelatină, cauciuc, țesuturi ale organismelor vii și multe alte materiale de natură animată și neînsuflețită.

În funcție de concentrația mediului de dispersie, gelurile sunt de obicei subdivizate în liogeluri, coageluri și xerogeluri (aerogeluri).

Gelurile bogate în lichide care conțin puțină substanță uscată (până la 1 ... 2%) sunt numite diogeluri. Diogelurile tipice includ jeleu, jeleu (jeleu), lapte coagulat, soluții de săpun etc.

Precipitatele gelatinoase obținute în timpul coagulării unor soluri hidrofobe, precum și precipitatele floculente formate prin sărarea soluțiilor HMS, se numesc coageluri. Conținutul de substanță uscată în coageluri ajunge la 80%. Cu toate acestea, fulgii foarte săraci în lichid și pulberile microcristaline formate în timpul coagulării coloizilor hidrofobi tipici (hidrosoli de aur, argint, platină, sulfuri) nu aparțin coagelurilor.

Gelurile sărace în lichid sau complet uscate se numesc xero-geluri. Exemple de xerogeluri sunt foile de gelatină uscată, lipiciul de lemn în plăci, amidonul, cauciucul. Xerogelurile complexe includ multe produse alimentare (făină, biscuiți, biscuiți). Xerogelurile foarte poroase sunt numite și aerogeluri, deoarece aerul servește ca mediu de dispersie în ele. Aerogelurile includ mulți absorbanți (silicagel), catalizatori solizi pentru reacții chimice.

În funcție de natura fazei dispersate și de capacitatea de a se umfla, se obișnuiește să se facă distincția între gelurile fragile și cele elastice. Geluri elastice pe care le vom numi jeleuri.

În boala ereditară fenilcetonurie, organismul are deficit de fenilalaninhidroxilază (EC 1.14.3.1). Ca urmare, catabolismul fenilalaninei nu ajunge la produsele finale prin tirozină, ci intră pe o cale laterală de dezaminare cu formarea acidului fenilpiruvic. Acumularea acestora din urmă, împreună cu fenilalanina, duce la o boală gravă la copii, însoțită de demență. Cu albinism, există un defect în difenol oxidază (EC 1.10.3.1.), cu alcaptonurie - omogentizinat oxidază (EC 17.1.5.), cu xantonurie - xantin oxidază (EC

1.2.3.2.), etc.

1.5. Denaturarea proteinelor

Proprietățile inerente ale proteinelor asociate cu caracteristicile conformației moleculelor lor se modifică semnificativ dacă această conformație este perturbată în timpul denaturarii proteinelor.

Prin denaturare se înțelege transformarea unei proteine ​​​​așa-numitei native3 activă biologic într-o formă în care se păstrează proprietățile sale naturale precum solubilitatea, activitatea electroforetică, activitatea enzimatică etc. sunt pierdute.

Denaturarea este o trăsătură caracteristică a proteinelor și nu este observată în aminoacizi și peptide cu greutate moleculară mică. Denaturarea, de regulă, este asociată cu o încălcare a structurii terțiare și parțial secundare a moleculei de proteine ​​și nu este însoțită de nicio modificare a structurii primare. Prin urmare, este firesc ca în timpul denaturarii proteinelor să fie distruse în principal legăturile de hidrogen și punțile disulfurice din molecula proteică.

Agenții de denaturare sunt împărțiți în fizici și chimici. Factorii fizici includ încălzirea (peste 50-60 ° C), presiune mare, ultrasunete etc., factori chimici - ioni H + și OH - (de obicei la pH sub 4 și peste 10 - denaturare), solvenți organici (acetonă, alcool) , uree, săruri ale metalelor grele etc. Proteinele sunt și ele denaturate sub influența detergenților (din latinescul Detergeo - zdrobiți, spargeți, curățați), care au un efect asemănător săpunului, deși în majoritatea cazurilor proteina denaturată rămâne într-un mod solubil. formă. Deshidratarea, uscarea proteinelor la temperatura camerei implică de obicei denaturarea completă. Toate acestea indică o mare varietate de agenți de denaturare și mecanismul lor de acțiune.

3 Conformația nativă a unei proteine ​​este structura tridimensională caracteristică a unei proteine, în care aceasta este stabilă și prezintă activitate biologică în anumite condiții fizice (temperatură, pH etc.).

Structura terțiară a unei proteine ​​este modul în care un lanț polipeptidic este pliat în trei dimensiuni. Această conformație apare din cauza formării de legături chimice între radicalii de aminoacizi îndepărtați unul de celălalt. Acest proces se desfășoară cu participarea mecanismelor moleculare ale celulei și joacă un rol imens în conferirea activității funcționale proteinelor.

Caracteristicile structurii terțiare

Următoarele tipuri de interacțiuni chimice sunt caracteristice structurii terțiare a proteinelor:

• ionic;
• hidrogen;
• hidrofob;
• van der Waals;
• disulfură.

Toate aceste legături (cu excepția legăturii covalente disulfură) sunt foarte slabe, dar datorită cantității stabilizează forma spațială a moleculei.

De fapt, al treilea nivel de pliere a lanțului polipeptidic este o combinație de diferite elemente ale structurii secundare (α-helices; straturi și bucle pliate β), care sunt orientate în spațiu datorită interacțiunilor chimice dintre radicalii laterali de aminoacizi. Pentru o reprezentare schematică a structurii terțiare a unei proteine, elice α sunt indicate prin cilindri sau linii elicoidale, straturi pliate prin săgeți și bucle prin linii simple.

Natura conformației terțiare este determinată de secvența de aminoacizi din lanț, prin urmare, în condiții egale, două molecule cu aceeași structură primară vor corespunde aceluiași aranjament spațial. Această conformație asigură activitatea funcțională a proteinei și se numește nativă.

În procesul de pliere a moleculei de proteine, componentele centrului activ se apropie unele de altele, care în structura primară pot fi îndepărtate semnificativ unele de altele.

Pentru proteinele monocatenar, structura terțiară este forma funcțională finală. Proteinele complexe cu mai multe subunități formează o structură cuaternară care caracterizează aranjarea mai multor lanțuri unul în raport cu celălalt.

Caracterizarea legăturilor chimice din structura terțiară a unei proteine

În mare măsură, plierea lanțului polipeptidic se datorează raportului dintre radicalii hidrofili și hidrofobi. Primele tind să interacționeze cu hidrogenul (un element constitutiv al apei) și, prin urmare, se află la suprafață, în timp ce regiunile hidrofobe, dimpotrivă, se grăbesc spre centrul moleculei. Această conformație este energetic cea mai favorabilă. Ca rezultat, se formează un glob cu miez hidrofob.

Radicalii hidrofili, care totuși cad în centrul moleculei, interacționează între ei pentru a forma legături ionice sau de hidrogen. Legăturile ionice pot apărea între radicalii de aminoacizi cu încărcare opusă, care sunt:

• grupări cationice de arginină, lizină sau histidină (au o sarcină pozitivă);
• grupări carboxil ale radicalilor acidului glutamic și aspartic (au sarcină negativă).

Legăturile de hidrogen se formează prin interacțiunea grupărilor hidrofile neîncărcate (OH, SH, CONH 2) și încărcate. Legăturile covalente (cele mai puternice din conformația terțiară) apar între grupele SH ale reziduurilor de cisteină, formând așa-numitele punți disulfurice. De obicei, aceste grupuri sunt distanțate într-un lanț liniar și se apropie unele de altele numai în timpul procesului de stivuire. Legăturile disulfurice nu sunt caracteristice majorității proteinelor intracelulare.

labilitate conformaţională

Deoarece legăturile care formează structura terțiară a unei proteine ​​sunt foarte slabe, mișcarea browniană a atomilor dintr-un lanț de aminoacizi le poate determina să se rupă și să se formeze în locuri noi. Acest lucru duce la o ușoară modificare a formei spațiale a secțiunilor individuale ale moleculei, dar nu încalcă conformația nativă a proteinei. Acest fenomen se numește labilitate conformațională. Acesta din urmă joacă un rol imens în fiziologia proceselor celulare.

Conformația unei proteine ​​este afectată de interacțiunile acesteia cu alte molecule sau de modificări ale parametrilor fizico-chimici ai mediului.

Cum se formează structura terțiară a unei proteine?

Procesul de pliere a unei proteine ​​în forma sa nativă se numește pliere. Acest fenomen se bazează pe dorința unei molecule de a adopta o conformație cu o valoare minimă a energiei libere.

Nicio proteină nu are nevoie de instructori intermediari care să determine structura terțiară. Schema de stivuire este inițial „înregistrată” în secvența de aminoacizi.

Cu toate acestea, în condiții normale, pentru ca o moleculă de proteină mare să adopte o conformație nativă corespunzătoare structurii primare, ar dura mai mult de un trilion de ani. Cu toate acestea, într-o celulă vie, acest proces durează doar câteva zeci de minute. O astfel de reducere semnificativă a timpului este asigurată de participarea la plierea proteinelor auxiliare specializate - foldaze și chaperone.

Plierea moleculelor mici de proteine ​​(până la 100 de aminoacizi într-un lanț) are loc destul de repede și fără participarea intermediarilor, ceea ce a fost demonstrat de experimentele in vitro.

Factori de pliere

Proteinele accesorii implicate în pliere sunt împărțite în două grupe:

• foldaze - au activitate catalitică, sunt necesare într-o cantitate semnificativ inferioară concentrației substratului (ca și alte enzime);
• chaperonele sunt proteine ​​cu diferite mecanisme de acțiune; sunt necesare la o concentrație comparabilă cu cantitatea de substrat pliat.

Ambele tipuri de factori sunt implicate în pliere, dar nu fac parte din produsul final.

Grupul de foldaze este reprezentat de 2 enzime:

• Protein disulfură izomeraza (PDI) - controlează formarea corectă a legăturilor disulfură în proteinele cu un număr mare de reziduuri de cisteină. Această funcție este foarte importantă, deoarece interacțiunile covalente sunt foarte puternice, iar în cazul unor conexiuni eronate, proteina nu ar putea să se rearanjeze și să adopte conformația nativă.
• Peptidil-prolil-cis-trans-izomeraza - oferă o modificare a configurației radicalilor localizați pe părțile laterale ale prolinei, ceea ce modifică natura îndoirii lanțului polipeptidic în această zonă.

Astfel, foldazele joacă un rol corectiv în formarea conformației terțiare a moleculei proteice.

Însoțitori

Însoțitorii sunt altfel numiți sau stresați. Acest lucru se datorează unei creșteri semnificative a secreției lor cu efecte negative asupra celulei (temperatură, radiații, metale grele etc.).

Chaperonele aparțin a trei familii de proteine: hsp60, hsp70 și hsp90. Aceste proteine ​​îndeplinesc multe funcții, inclusiv:

• protecția proteinelor împotriva denaturarii;
• excluderea interacțiunii proteinelor nou sintetizate între ele;
• prevenirea formării de legături slabe incorecte între radicali și labializarea (corecția) a acestora.

Astfel, însoțitorii contribuie la dobândirea rapidă a unei conformații corecte din punct de vedere energetic, eliminând enumerarea aleatorie a multor variante și protejând moleculele proteice încă imature de interacțiunea inutilă între ele. În plus, însoțitorii oferă:

• unele tipuri de transport de proteine;
• controlul replierii (refacerea structurii terțiare după pierderea acesteia);
• menținerea stării de pliere neterminată (pentru unele proteine).

În acest din urmă caz, molecula de însoțitor rămâne legată de proteină după ce procesul de pliere este complet.

Denaturarea

Încălcarea structurii terțiare a proteinei sub influența oricăror factori se numește denaturare. Pierderea conformației native are loc atunci când un număr mare de legături slabe care stabilizează molecula sunt rupte. În acest caz, proteina își pierde funcția specifică, dar își păstrează structura primară (legăturile peptidice nu sunt distruse în timpul denaturarii).

În timpul denaturarii, are loc o creștere spațială a moleculei de proteină, iar regiunile hidrofobe ies din nou la suprafață. Lanțul polipeptidic capătă conformația unei spirale aleatorii, a cărei formă depinde de ce legături ale structurii terțiare a proteinei au fost rupte. În această formă, molecula este mai susceptibilă la efectele enzimelor proteolitice.

Factori care încalcă structura terțiară

Există o serie de influențe fizice și chimice care pot provoca denaturarea. Acestea includ:

• temperatura peste 50 de grade;
• radiații;
• modificarea pH-ului mediului;
• săruri de metale grele;
• unii compuși organici;
• detergenti.

După încetarea efectului de denaturare, proteina poate restabili structura terțiară. Acest proces se numește renaturare sau repliere. În condiții in vitro, acest lucru este posibil numai pentru proteinele mici. Într-o celulă vie, replierea este asigurată de însoțitori.

Veverițe- compuși organici cu molecul mare, formați din reziduuri de α-aminoacizi.

LA compozitia proteinelor include carbon, hidrogen, azot, oxigen, sulf. Unele proteine ​​formează complexe cu alte molecule care conțin fosfor, fier, zinc și cupru.

Proteinele au o greutate moleculară mare: albumina de ou - 36 000, hemoglobina - 152 000, miozina - 500 000. Pentru comparație: greutatea moleculară a alcoolului este de 46, acid acetic - 60, benzen - 78.

Compoziția de aminoacizi a proteinelor

Veverițe- polimeri neperiodici, ai căror monomeri sunt α-aminoacizi. De obicei, 20 de tipuri de α-aminoacizi sunt numite monomeri proteici, deși mai mult de 170 dintre ei au fost găsite în celule și țesuturi.

În funcție de dacă aminoacizii pot fi sintetizați în corpul oamenilor și al altor animale, există: aminoacizi neesențiali- poate fi sintetizat aminoacizi esentiali- nu poate fi sintetizat. Aminoacizii esențiali trebuie ingerați cu alimente. Plantele sintetizează tot felul de aminoacizi.

În funcție de compoziția de aminoacizi, proteinele sunt: ​​complete- contine intregul set de aminoacizi; defect- unii aminoacizi sunt absenți din compoziția lor. Dacă proteinele sunt alcătuite numai din aminoacizi, ele sunt numite simplu. Dacă proteinele conțin, pe lângă aminoacizi, și o componentă non-aminoacid (un grup protetic), ele se numesc complex. Grupul protetic poate fi reprezentat de metale (metaloproteine), carbohidrați (glicoproteine), lipide (lipoproteine), acizi nucleici (nucleoproteine).

Toate aminoacizii conțin: 1) o grupare carboxil (-COOH), 2) o grupare amino (-NH 2), 3) un radical sau o grupare R (restul moleculei). Structura radicalului în diferite tipuri de aminoacizi este diferită. În funcție de numărul de grupări amino și de grupări carboxil care alcătuiesc aminoacizii, există: aminoacizi neutri având o grupare carboxil și o grupare amino; aminoacizi bazici având mai mult de o grupare amino; aminoacizi acizi având mai mult de o grupare carboxil.

Aminoacizii sunt compuși amfoteri, deoarece în soluție pot acționa atât ca acizi, cât și ca baze. În soluțiile apoase, aminoacizii există în diferite forme ionice.

Legătură peptidică

Peptide- substanțe organice formate din reziduuri de aminoacizi legate printr-o legătură peptidică.

Formarea peptidelor are loc ca urmare a reacției de condensare a aminoacizilor. Când gruparea amino a unui aminoacid interacționează cu gruparea carboxil a altuia, între ele ia naștere o legătură covalentă azot-carbon, care se numește peptidă. În funcție de numărul de reziduuri de aminoacizi care alcătuiesc peptida, există dipeptide, tripeptide, tetrapeptide etc. Formarea unei legături peptidice poate fi repetată de mai multe ori. Aceasta duce la formare polipeptide. La un capăt al peptidei se află o grupare amino liberă (numită N-terminal), iar la celălalt capăt este o grupare carboxil liberă (numită C-terminal).

Organizarea spațială a moleculelor de proteine

Efectuarea anumitor funcții specifice de către proteine ​​depinde de configurația spațială a moleculelor acestora, în plus, este nefavorabil din punct de vedere energetic pentru celulă să păstreze proteinele într-o formă expandată, sub formă de lanț, prin urmare, lanțurile polipeptidice suferă pliere, dobândind o anumită structură tridimensională sau conformație. Alocați 4 niveluri organizarea spațială a proteinelor.

Structura primară a unei proteine- secvența reziduurilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic care alcătuiește molecula proteică. Legătura dintre aminoacizi este peptidică.

Dacă o moleculă proteică este formată din doar 10 resturi de aminoacizi, atunci numărul de variante teoretic posibile ale moleculelor proteice care diferă în ordinea alternanței aminoacizilor este de 10 20 . Cu 20 de aminoacizi, puteți face combinații și mai diverse ale acestora. În corpul uman s-au găsit aproximativ zece mii de proteine ​​diferite, care diferă atât una de cealaltă, cât și de proteinele altor organisme.

Este structura primară a moleculei proteice care determină proprietățile moleculelor proteice și configurația sa spațială. Înlocuirea unui singur aminoacid cu altul în lanțul polipeptidic duce la o modificare a proprietăților și funcțiilor proteinei. De exemplu, înlocuirea celui de-al șaselea aminoacid glutamin din subunitatea β a hemoglobinei cu valină duce la faptul că molecula de hemoglobină în ansamblu nu își poate îndeplini funcția principală - transportul oxigenului; în astfel de cazuri, o persoană dezvoltă o boală - anemia cu celule falciforme.

structura secundara- plierea ordonată a lanțului polipeptidic într-o spirală (pare un arc întins). Bobinele helixului sunt întărite de legăturile de hidrogen dintre grupările carboxil și grupările amino. Aproape toate grupările CO și NH participă la formarea legăturilor de hidrogen. Sunt mai slabe decât cele peptidice, dar, repetându-se de multe ori, conferă stabilitate și rigiditate acestei configurații. La nivelul structurii secundare se află proteine: fibroină (mătase, pânză), cheratina (păr, unghii), colagen (tendoane).

Structura terțiară- împachetarea lanțurilor polipeptidice în globule, rezultată din apariția legăturilor chimice (hidrogen, ionice, disulfură) și stabilirea interacțiunilor hidrofobe între radicalii reziduurilor de aminoacizi. Rolul principal în formarea structurii terțiare îl joacă interacțiunile hidrofil-hidrofobe. În soluțiile apoase, radicalii hidrofobi tind să se ascundă de apă, grupându-se în interiorul globului, în timp ce radicalii hidrofili tind să apară la suprafața moleculei ca urmare a hidratării (interacțiunea cu dipolii de apă). În unele proteine, structura terțiară este stabilizată prin legături covalente disulfură care se formează între atomii de sulf ai celor două reziduuri de cisteină. La nivelul structurii terțiare se află enzime, anticorpi, unii hormoni.

Structura cuaternară caracteristic proteinelor complexe ale căror molecule sunt formate din două sau mai multe globule. Subunitățile sunt reținute în moleculă prin interacțiuni ionice, hidrofobe și electrostatice. Uneori, în timpul formării unei structuri cuaternare, între subunități apar legături disulfurice. Cea mai studiată proteină cu structură cuaternară este hemoglobină. Este format din două subunități α (141 de resturi de aminoacizi) și două subunități β (146 de resturi de aminoacizi). Fiecare subunitate este asociată cu o moleculă de hem care conține fier.

Dacă din anumite motive conformația spațială a proteinelor se abate de la normal, proteina nu își poate îndeplini funcțiile. De exemplu, cauza „boala vacii nebune” (encefalopatie spongiformă) este o conformație anormală a prionilor, proteinele de suprafață ale celulelor nervoase.

Proprietăți proteice

Compoziția de aminoacizi, structura moleculei proteice îi determină proprietăți. Proteinele combină proprietățile de bază și acide determinate de radicalii aminoacizi: cu cât aminoacizii sunt mai acizi într-o proteină, cu atât sunt mai pronunțate proprietățile sale acide. Capacitatea de a da și atașa H + determina proprietăți tampon ale proteinelor; unul dintre cele mai puternice soluții tampon este hemoglobina din eritrocite, care menține pH-ul sângelui la un nivel constant. Exista proteine ​​solubile (fibrinogen), sunt proteine ​​insolubile care indeplinesc functii mecanice (fibroina, keratina, colagen). Exista proteine ​​(enzime) active din punct de vedere chimic, sunt inactive chimic, rezistente la diverse conditii de mediu si extrem de instabile.

Factori externi (caldura, radiatii ultraviolete, metale grele si sarurile acestora, modificari ale pH-ului, radiatii, deshidratare)

poate provoca o încălcare a organizării structurale a moleculei proteice. Procesul de pierdere a conformației tridimensionale inerente unei molecule de proteină dată este numit denaturare. Cauza denaturării este ruperea legăturilor care stabilizează o anumită structură proteică. Inițial, cele mai slabe legături sunt rupte, iar când condițiile devin mai dure, chiar și mai puternice. Prin urmare, se pierd mai întâi structurile cuaternare, apoi cele terțiare și secundare. O modificare a configurației spațiale duce la o modificare a proprietăților proteinei și, ca urmare, face imposibilă ca proteina să își îndeplinească funcțiile biologice. Dacă denaturarea nu este însoțită de distrugerea structurii primare, atunci poate fi reversibil, în acest caz, are loc autovindecarea conformației caracteristice proteinei. O astfel de denaturare este supusă, de exemplu, proteinelor receptorului membranar. Procesul de refacere a structurii unei proteine ​​după denaturare se numește renaturare. Dacă restabilirea configurației spațiale a proteinei este imposibilă, atunci se numește denaturare ireversibil.

Funcțiile proteinelor

Funcţie	Exemple și explicații
Constructie	Proteinele sunt implicate în formarea structurilor celulare și extracelulare: fac parte din membranele celulare (lipoproteine, glicoproteine), păr (keratina), tendoane (colagen) etc.
Transport	Hemoglobina proteică din sânge atașează oxigenul și îl transportă de la plămâni la toate țesuturile și organele, iar din acestea dioxidul de carbon se transferă la plămâni; Compoziția membranelor celulare include proteine ​​speciale care asigură un transfer activ și strict selectiv al anumitor substanțe și ioni din celulă în mediul extern și înapoi.
de reglementare	Hormonii proteici sunt implicați în reglarea proceselor metabolice. De exemplu, hormonul insulina reglează nivelul de glucoză din sânge, promovează sinteza glicogenului și crește formarea grăsimilor din carbohidrați.
De protecţie	Ca răspuns la pătrunderea proteinelor străine sau a microorganismelor (antigene) în organism, se formează proteine ​​speciale - anticorpi care le pot lega și neutraliza. Fibrina, formată din fibrinogen, ajută la oprirea sângerării.
Motor	Proteinele contractile actina și miozina asigură contracția musculară la animalele multicelulare.
Semnal	Moleculele de proteine ​​sunt înglobate în membrana de suprafață a celulei, capabile să își modifice structura terțiară ca răspuns la acțiunea factorilor de mediu, primind astfel semnale din mediul extern și transmitând comenzi către celulă.
rezervă	În organismul animalelor, proteinele, de regulă, nu sunt stocate, cu excepția albuminei de ou, cazeinei din lapte. Dar datorită proteinelor din organism, unele substanțe pot fi stocate în rezervă, de exemplu, în timpul descompunerii hemoglobinei, fierul nu este excretat din organism, ci este stocat, formând un complex cu proteina feritină.
Energie	Odată cu descompunerea a 1 g de proteină în produsele finale, se eliberează 17,6 kJ. În primul rând, proteinele se descompun în aminoacizi, apoi până la produsele finale - apă, dioxid de carbon și amoniac. Cu toate acestea, proteinele sunt folosite ca sursă de energie doar atunci când alte surse (carbohidrați și grăsimi) sunt consumate.
catalitic	Una dintre cele mai importante funcții ale proteinelor. Prevăzut cu proteine ​​- enzime care accelerează reacțiile biochimice care apar în celule. De exemplu, ribuloza bifosfat carboxilaza catalizează fixarea CO2 în timpul fotosintezei.

Enzime

Enzime, sau enzime, este o clasă specială de proteine ​​care sunt catalizatori biologici. Datorită enzimelor, reacțiile biochimice au loc cu o viteză extraordinară. Viteza reacțiilor enzimatice este de zeci de mii de ori (și uneori de milioane) mai mare decât viteza reacțiilor care implică catalizatori anorganici. Substanța asupra căreia acționează o enzimă se numește substrat.

Enzimele sunt proteine ​​globulare caracteristici structurale Enzimele pot fi împărțite în două grupe: simple și complexe. enzime simple sunt proteine ​​simple, adică constau numai din aminoacizi. Enzime complexe sunt proteine ​​complexe, adică pe lângă partea proteică, acestea includ un grup de natură non-proteică - cofactor. Pentru unele enzime, vitaminele acționează ca cofactori. În molecula de enzimă, este izolată o parte specială, numită centru activ. centru activ- o secțiune mică a enzimei (de la trei până la douăsprezece reziduuri de aminoacizi), unde legarea substratului sau substraturilor are loc cu formarea unui complex enzimă-substrat. La terminarea reacției, complexul enzimă-substrat se descompune într-o enzimă și un produs(i) de reacție. Unele enzime au (altele decât active) centrii alosterici- locuri la care sunt atașați regulatorii ratei de lucru a enzimelor ( enzime alosterice).

Reacțiile de cataliză enzimatică se caracterizează prin: 1) eficiență ridicată, 2) selectivitate strictă și direcție de acțiune, 3) specificitate substratului, 4) reglare fină și precisă. Specificitatea de substrat și de reacție a reacțiilor de cataliză enzimatică este explicată prin ipotezele lui E. Fischer (1890) și D. Koshland (1959).

E. Fisher (ipoteza blocării tastelor) a sugerat că configurațiile spațiale ale situsului activ al enzimei și ale substratului ar trebui să corespundă exact una cu cealaltă. Substratul este comparat cu „cheia”, enzima - cu „lacătul”.

D. Koshland (ipoteză „mănușă de mână”) a sugerat că corespondența spațială dintre structura substratului și centrul activ al enzimei este creată numai în momentul interacțiunii lor unul cu celălalt. Această ipoteză se mai numește ipoteza potrivirii induse.

Viteza reacțiilor enzimatice depinde de: 1) temperatură, 2) concentrația enzimei, 3) concentrația substratului, 4) pH-ul. Trebuie subliniat faptul că, deoarece enzimele sunt proteine, activitatea lor este cea mai mare în condiții normale din punct de vedere fiziologic.

Majoritatea enzimelor pot funcționa doar la temperaturi cuprinse între 0 și 40°C. În aceste limite, viteza de reacție crește de aproximativ 2 ori pentru fiecare creștere de 10 °C a temperaturii. La temperaturi peste 40 °C, proteina este supusă denaturarii și activitatea enzimei scade. La temperaturi apropiate de îngheț, enzimele sunt inactivate.

Odată cu creșterea cantității de substrat, viteza reacției enzimatice crește până când numărul de molecule de substrat devine egal cu numărul de molecule de enzimă. Cu o creștere suplimentară a cantității de substrat, rata nu va crește, deoarece situsurile active ale enzimei sunt saturate. O creștere a concentrației de enzime duce la o creștere a activității catalitice, deoarece un număr mai mare de molecule de substrat suferă transformări pe unitatea de timp.

Pentru fiecare enzimă, există o valoare optimă a pH-ului la care prezintă activitate maximă (pepsină - 2,0, amilaza salivară - 6,8, lipaza pancreatică - 9,0). La valori mai mari sau mai mici ale pH-ului, activitatea enzimei scade. Cu schimbări bruște ale pH-ului, enzima se denaturează.

Viteza enzimelor alosterice este reglată de substanțe care se atașează de centrii alosterici. Dacă aceste substanțe accelerează reacția, se numesc activatori dacă încetinesc - inhibitori.

Clasificarea enzimelor

În funcție de tipul de transformări chimice catalizate, enzimele sunt împărțite în 6 clase:

1. oxidoreductaza(transferul atomilor de hidrogen, oxigen sau electroni de la o substanță la alta - dehidrogenază),
2. transferază(transferul unei grupări metil, acil, fosfat sau amino de la o substanță la alta - transaminaza),
3. hidrolaze(reacții de hidroliză în care din substrat se formează doi produși - amilază, lipază),
4. liazele(adăugarea nehidrolitică la substrat sau eliminarea unui grup de atomi din acesta, în timp ce legăturile C-C, C-N, C-O, C-S pot fi rupte - decarboxilază),
5. izomeraza(rearanjare intramoleculară - izomerază),
6. ligaze(conectarea a două molecule ca urmare a formării legăturilor C-C, C-N, C-O, C-S - sintetaza).

Clasele sunt la rândul lor subdivizate în subclase și subsubclase. În clasificarea internațională actuală, fiecare enzimă are un cod specific, format din patru numere separate prin puncte. Primul număr este clasa, al doilea este subclasa, al treilea este subclasa, al patrulea este numărul de serie al enzimei din această subclasă, de exemplu, codul arginazei este 3.5.3.1.

Mergi la cursurile numarul 2„Structura și funcțiile carbohidraților și lipidelor”

Mergi la cursurile №4„Structura și funcțiile acizilor nucleici ATP”

1. Cum se numește procesul de încălcare a structurii naturale a unei proteine, în care se păstrează structura sa primară? Acțiunea ce factori poate duce la o încălcare a structurii moleculelor de proteine?

Procesul de încălcare a structurii naturale a proteinelor sub influența oricăror factori fără a distruge structura primară se numește denaturare. Denaturarea are loc din cauza ruperii legăturilor de hidrogen, ionice, disulfurice și alte legături. În acest caz, structura lor cuaternară, terțiară și chiar secundară se poate pierde.

2. Prin ce diferă proteinele fibrilare de cele globulare? Dați exemple de proteine ​​fibrilare și globulare

Aceste proteine ​​diferă prin forma moleculelor. Moleculele de proteine ​​globulare au o formă rotunjită, proteinele fibrilare se caracterizează printr-o formă alungită, filamentoasă a moleculelor. Deci, proteinele globulare sunt globuline și albumine din sânge, fibrinogen, hemoglobina. Proteine ​​fibrilare - keratina, colagen, miozina, elastina etc.

3. Numiți principalele funcții biologice ale proteinelor, dați exemple relevante.

functie structurala. Proteinele fac parte din toate celulele și țesuturile organismelor vii. Elementele citoscheletului, elementele contractile ale fibrelor musculare sunt construite din proteine. Cartilajul și tendoanele sunt formate în principal din proteine. Conțin colagenul proteic. Cea mai importantă componentă structurală a penelor, părului, unghiilor, ghearelor, coarnelor, copitelor la animale este proteina cheratina.

Funcția enzimatică (catalitică). Enzimele sunt catalizatori biologici, adică substanțe care accelerează fluxul reacțiilor chimice în organismele vii. Enzimele sunt implicate în sinteza și descompunerea diferitelor substanțe. Ele asigură fixarea carbonului în timpul fotosintezei, descompunerea nutrienților în tractul digestiv etc.

functia de transport. Multe proteine ​​sunt capabile să se atașeze și să transporte diferite substanțe. Hemoglobina leagă și transportă oxigenul și dioxidul de carbon.

Funcția contractilă (motorie). Proteinele contractile oferă celulelor, țesuturilor, organelor și organismelor întregi capacitatea de a schimba forma și de a se mișca. Deci, actina și miozina asigură munca musculară și contracții intracelulare non-musculare.

functie de reglementare. Unele peptide și proteine ​​sunt hormoni. Ele influențează diferite procese fiziologice. De exemplu, insulina și glucagonul reglează conținutul de glucoză din sânge, iar somatotropina (hormonul de creștere) - procesele de creștere și dezvoltare fizică.

Funcția semnal. Unele proteine ​​ale membranei celulare sunt capabile să-și schimbe structura ca răspuns la factori externi. Cu ajutorul acestor proteine ​​se primesc semnale din mediul extern și se transmite informații către celulă.

functie de protectie. Proteinele protejează organismul de invazia organismelor străine și de daune.

funcție toxică. Multe organisme vii secretă proteine-toxine, care sunt otrăvuri pentru alte organisme. Toxinele sunt sintetizate în organismul unui număr de animale, ciuperci, plante, microorganisme.

Funcția energetică. După ce au fost descompuse în aminoacizi, proteinele pot servi ca sursă de energie în celulă. Odată cu oxidarea completă a 1 g de proteină, se eliberează 17,6 kJ de energie.

functie de stocare. Proteinele de rezervă sunt stocate în semințele plantelor, care sunt folosite în timpul germinării de către embrion, iar apoi de răsad ca sursă de azot.

4. Ce sunt enzimele? De ce ar fi imposibile majoritatea proceselor biochimice din celulă fără participarea lor?

Enzimele sunt catalizatori biologici, adică substanțe care accelerează fluxul reacțiilor chimice în organismele vii. Spre deosebire de catalizatorii chimici convenționali, enzimele sunt specifice, adică fiecare enzimă accelerează doar o reacție specifică sau acționează doar asupra unui anumit tip de legătură.

5. Care este specificitatea enzimelor? Care este motivul ei? De ce enzimele funcționează activ doar într-un anumit interval de temperatură, pH și alți factori?

Enzimele accelerează reacțiile chimice datorită interacțiunii strânse cu moleculele substratului - reactanții inițiali. Nu întreaga moleculă de enzimă interacționează cu substratul, ci doar o mică parte din acesta - centrul activ. Cel mai adesea este format din mai multe reziduuri de aminoacizi. Forma și structura chimică a centrului activ sunt astfel încât numai anumite substraturi se pot lega de el datorită corespondenței structurilor lor spațiale. Enzimele sunt proteine, prin urmare, ele funcționează activ doar într-un anumit interval de pH, temperatură și alți factori.

6. De ce proteinele, de regulă, sunt folosite ca surse de energie doar în cazuri extreme, când carbohidrații și grăsimile sunt epuizate în celule?

Proteinele sunt folosite ca ultimă soluție, deoarece fac parte din toate celulele și țesuturile organismelor vii. Elementele citoscheletului, elementele contractile ale fibrelor musculare sunt construite din proteine.

7. La multe bacterii, acidul para-aminobenzoic (PABA) este implicat în procesele de sinteză a substanțelor necesare creșterii și reproducerii normale. În același timp, sulfonamidele, substanțe similare ca structură cu PABA, sunt folosite în medicină pentru a trata o serie de infecții bacteriene. Pe ce credeți că se bazează efectul terapeutic al sulfonamidelor?

PABA este necesar pentru formarea factorilor de creștere în celula microbiană - acid folic și baze purinice implicate în construcția acizilor nucleici, fără de care creșterea și reproducerea microbilor este imposibilă. Conform structurii PABA, seamănă cu sulfonamidele, prin urmare, cu un exces din acestea din urmă, activitatea sa este suprimată. Microbii lipsiți de PABA încetează să se divizeze și să crească și apoi sunt obținuți de forțele de protecție ale macroorganismului.