Белками, или белковыми веществами, называют высокомолекулярные (молекулярная масса варьирует от 5-10 тыс. до 1 млн и более) природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединённых амидной (пептидной) связью. каталитические (ферменты); регуляторные (гормоны); структурные (коллаген, фиброин); двигательные (миозин); транспортные (гемоглобин, миоглобин); защитные (иммуноглобулины, интерферон); запасные (казеин, альбумин, глиадин). Среди белков встречаются антибиотики и вещества, оказывающие токсическое действие. Белки – основа биомембран, важнейшей составной части клетки и клеточных компонентов. Они играют ключевую роль в жизни клетки, оставляя как бы материальную основу её химической деятельности. Исключительное свойство белка – самоорганизация структуры, т.е. его способность самопроизвольно создавать определённую, свойственную только данному белку пространственную структуру. По существу, вся деятельность организма (развитие, движение, выполнение им различных функций и многое другое) связана с белковыми веществами. Без белков невозможно представить себе жизнь. Белки - важнейшая составная часть пищи человека и животных, поставщик необходимых им аминокислот. ВОДА – 65% ЖИРЫ – 10% БЕЛКИ – 18% УГЛЕВОДЫ – 5% Другие неорганические и органические вещества – 2% В молекулах белка α - аминокислоты связаны между собой пептидными (-СO-NH-) связями... N CH C N CH C N CH C N CH C ... H R О Н R1 О Н R2 O Н R3 O Построенные таким образом полипептидные цепи или отдельные участки внутри полипептидной цепи могут быть в отдельных случаях дополнительно связаны между собой дисульфидными (-S-S-) связями, или, как их часто называют, дисульфидными мостиками Большую роль в создании структуры белков играют ионные (солевые) и водородные связи, а также гидрофобное взаимодействие – особый вид контактов между гидрофобными компонентами молекул белков в водной среде. Все эти связи имеют различную прочность и обеспечивают образование сложной, большой молекулы белка. Несмотря на различие в строении и функциях белковых веществ, их элементный состав колеблется незначительно (в % на сухую массу): углерода-51-53; кислорода-21,5-23,5; азота-16,8-18,4; водорода-6,5-7,3; серы-0,3-2,5 Некоторые белки содержат в небольших количествах фосфор, селен и другие элементы. Последовательность соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи получила название первичной структурой белка. Общее число различных типов белков у всех видов живых организмов составляет 1010-1012 Вторичной структурой обладает большая часть белков, правда, не всегда на всём протяжении полипептидной цепи. Полипептидные цепочки с определённой вторичной структурой могут быть по-разному расположены в пространстве. Это пространственное расположение получило название третичной структуры. В формировании третичной структуры, кроме водородных связей, большую роль играет ионное и гидрофобное взаимодействие. По характеры «упаковки» белковой молекулы различают глобулярные, или шаровидные, и фибриллярные, или нитевидные, белки. В ряде случаев отдельные субъединицы белка с помощью водородных связей, электростатического и других взаимодействий образуют сложные ансамбли. В этом случае образуется четвертичная структура белков. Однако следует ещё раз отметить, что в организации более высоких структур белка исключительная роль принадлежит первичной структуре. Структура белковой молекулы Характеристика структуры Первичная – линейная Порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи – линейная структура Тип связи, определяющий структуру Графическое изображение Пептидная связь NH CO Вторичная – спиралевидная Закручивание полипептидной линейной цепи в спираль – спиралевидная структура Внутримолекулярные ВОДОРОДНЫЕ ВСЯЗИ Третичная – глобулярная Упаковка вторичной спирали в клубок – клубочковидная структура Дисульфидные и ионные связи CO ... HNCO ... HN Существует несколько классификаций белков. В их основе лежат разные признаки: Степень сложности (простые и сложные); Форма молекул (глобулярные и фибриллярные белки); Растворимость в отдельных растворителях (водорастворимые, растворимые в разбавленных солевых растворах – альбумины, спирторастворимые – проламины, растворимые в разбавленных щелочах и кислотах – глутелины); Выполняемая скелетные и т.п.). функция (например, запасные белки, Белки – амфотерные электролиты. При определённом значении рН среды (она называется изоэлектрической точкой) число положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка одинаково. Это одной из свойств белка. Белки в этой точке электронейтральны, а их растворимость в воде наименьшая. Способность белков снижать растворимость при достижении электронейтральности их молекул используется для выделения их из растворов, например в технологии получения белковых продуктов. Процесс гидратации означает связывание белками воды, при этом они проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объём увеличиваются. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные амидные (СО-NH-, пептидная связь), аминные (NH2) и карбоксильные (СООН) группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы. Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации и осаждению, а следовательно способствует устойчивости раствора белка. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не текучи, упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой концентрацией. Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном производстве, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зёрна крахмала. При денатурации под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и ряда других факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. её нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно. И химический состав белка не меняются. Изменяются физические свойства: снижается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходи агрегирование. В то же время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно и легче гидролизуется. В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков, степень которой зависит от температуры, продолжительности нагрева и влажности. Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием (давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). Наконец, к денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислот, щелочей, спирта, ацетона. Все эти приёмы широко используются в пищевой промышленности и и биотехнологии. Под процессом пенообразования понимают способность белков образовывать высококонцентрированные системы «жидкость – газ», называемые пенами. Устойчивость пены, в которой белок является пенообразователем, зависит не только от его природы и от концентрации, но и от температуры. Белки в качестве пенообразователей используются в кондитерской промышленности (пастила, зефир, суфле). Структуру пены имеет хлеб, а это влияет на его вкусовые свойства. Для пищевой промышленности можно выделить два очень два очень важных процесса: 1) Гидролиз белков под действием ферментов; 2) Взаимодействие аминогрупп белков или аминокислот с карбонильными группами восстанавливающих сахаров. Скорость гидролиза белка зависит от его состава, молекулярной структуры, активности фермента и условий. Реакцию гидролиза с образованием аминокислот в общем виде можно записать так: Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жжёных перьев. Используют следующие реакции: ксантопротеиновую, при которой происходит взаимодействие ароматических и гетероатомных циклов в молекуле белка с концентрированной азотной кислотой, сопровождающееся появлением жёлтой окраски; биуретовую, при которой происходит взаимодействие слабощелочных растворов белков с раствором сульфата меди(II) с образованием комплексных соединений между ионами Cu2+ и полипептидами. Реакция сопровождается появлением фиолетовосиней окраски.

Антуан Франсуа де Фуркруа. Белки были выведены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана Фуркруа и др. ученых, в которых было отмечено свойство белков коагулировать (денатурировать) под воздействием нагревания или кислот. В то время были исследованы такие белки как альбумин, фибрин, глютен.

Белками белковыми веществами, Белками, или белковыми веществами, называют высокомолекулярные (молекулярная масса варьирует от 5-10 тыс. до 1 млн. и более) природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединённых пептидной связью.

Белки отличаются по степени растворимости в воде, но большинство белков в ней растворяются. К нерастворимым относятся, например, кератин (белок, из которого состоят волосы, шерсть млекопитающих, перья птиц и т. п.) и фиброин, который входит в состав шёлка и паутины. Белки также делятся на гидрофильные и гидрофобные. К гидрофильным относятся большинство белков цитоплазмы, ядра и межклеточного вещества, в том числе нерастворимые кератин и фиброин. К гидрофобным относятся большинство белков, входящих в состав биологических мембран интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны (у этих белков обычно есть и небольшие гидрофильные участки).

Геррит Мульдер Голландский химик Геррит Мульдер провёл анализ состава белков и выдвинул гипотезу, что практически все белки имеют сходную эмпирическую формулу. Мульдер также определил продукты разрушения белков аминокислоты и для одной из них (лейцина) с малой долей погрешности определил молекулярную массу 131 дальтон. В 1836 Мульдер предложил первую модель химического строения белков. Основываясь на теории радикалов он сформулировал понятие о минимальной структурной единице состава белка, C16H24N4O5, которая была названа «протеин», а теория «теорией протеина».

Эмиль Фишер 1)В начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки состоят из аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. Он же осуществил первый анализ аминокислотной последовательности белка и объяснил явление протеолиза.

Белки – основа биомембран, важнейшей составной части клетки и клеточных компонентов. Они играют ключевую роль в жизни клетки, оставляя как бы материальную основу её химической деятельности. 2) Важнейшая составная часть пищи человека и животных, поставщик необходимых им аминокислот 3) Самоорганизация структуры, т.е. его способность самопроизвольно создавать определённую, свойственную только данному белку пространственную структуру. По существу, вся деятельность организма (развитие, движение, выполнение им различных функций и многое другое) связана с белковыми веществами. Без белков невозможно представить себе жизнь.

Джеймс Самнер 1)Однако центральная роль белков в организмах не была признана до 1926 года, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза является белком 2)Сложность выделения чистых белков затрудняла их изучение. Поэтому первые исследования проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, то есть белков крови, куриных яиц, различных токсинов, а также пищеварительных/метаболических ферментов, выделяемых после забоя скота..

Большую роль в создании структуры белков играют ионные (солевые) и водородные связи, а также гидрофобное взаимодействие – особый вид контактов между гидрофобными компонентами молекул белков в водной среде. Все эти связи имеют различную прочность и обеспечивают образование сложной, большой молекулы белка. Несмотря на различие в строении и функциях белковых веществ, их элементный состав колеблется незначительно (в % на сухую массу): углерода-51-53; кислорода-21,5-23,5; азота-16,8-18,4; водорода-6,5-7,3; серы-0,3-2,5

Лайнус Полинг Лайнус Полинг считается первым учёным, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Уильямом Астбери Идея о том, что вторичная структура белков результат образования водородных связей между аминокислотами, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, Уолтер Каузман, Кая Линдерстрём-Ланга Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерстрём-Ланга, внёс весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий.

Пептидная связь Структура белковой молекулы Характеристика структуры Тип связи, определяющий структуру Графическое изображение Первичная – линейнаяПорядок чередования аминокислот в полипептидной цепи – линейная структура Вторичная – спиралевидная Закручивание полипептидной линейной цепи в спираль – спиралевидная структура Внутримолекулярные ВОДОРОДНЫЕ ВСЯЗИ Третичная – глобулярная Упаковка вторичной спирали в клубок – клубочковидная структура Дисульфидные и ионные связи

Первичной структурой белка. Последовательность соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи получила название первичной структурой белка. Общее число различных типов белков у всех видов живых организмов составляет Вторичной структурой Вторичной структурой обладает большая часть белков, правда, не всегда на всём протяжении полипептидной цепи.

Полипептидные цепочки с определённой вторичной структурой могут быть по-разному расположены в пространстве. Это пространственное расположение получило название третичной структуры. В формировании третичной структуры, кроме водородных связей, большую роль играет ионное и гидрофобное взаимодействие. По характеры «упаковки» белковой молекулы различают глобулярные, или шаровидные, и фибриллярные, или нитевидные, белки.

Существует несколько классификаций белков. В их основе лежат разные признаки: Степень сложности (простые и сложные); Форма молекул (глобулярные и фибриллярные белки); Растворимость в отдельных растворителях (водорастворимые, растворимые в разбавленных солевых растворах – альбумины, спирторастворимые – проламины, растворимые в разбавленных щелочах и кислотах – глутелины); Выполняемая функция (например, запасные белки, скелетные и т.п.).

При денатурации под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и ряда других факторов) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. её нативной пространственной структуры. Первичная структура, а следовательно и химический состав белка не меняются. Изменяются физические свойства: снижается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. В то же время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно белки легче гидролизуются. В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков, степень которой зависит от температуры, продолжительности нагревания и влажности. Денатурация белков может вызываться и механическим воздействием (давлением, растиранием, встряхиванием, ультразвуком). Наконец, к денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислот, щелочей, спирта, ацетона). Все эти приёмы широко используются в пищевой промышленности и и биотехнологии.

Процесс гидратации означает связывание белками воды, при этом они проявляют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объём увеличиваются. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные амидные (СО-NH-, пептидная связь), аминные (NH 2) и карбоксильные (СООН) группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности молекулы. Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации и осаждению, а следовательно способствует устойчивости раствора белка. При ограниченном набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы, называемые студнями. Студни не текучи, упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой концентрацией. Гидрофильность белков зерна и муки играет большую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебопекарном производстве, представляет собой набухший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зёрна крахмала.

Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жжёных перьев. Используют следующие реакции: ксантопротеиновую, при которой происходит взаимодействие ароматических и гетероатомных циклов в молекуле белка с концентрированной азотной кислотой, сопровождающееся появлением жёлтой окраски; биуретовую, при которой происходит взаимодействие слабощелочных растворов белков с раствором сульфата меди(II) с образованием комплексных соединений между ионами Cu 2+ и полипептидами. Реакция сопровождается появлением фиолетово-синей окраски.

2) Биуретовая реакция на пептидную связь Ход работы Помещают в пробирку 5 капель разбав­ ленного раствора белка, добавляют 3 капли 10 %-ного раствора NaOH и 1 каплю 1 %-ного раствора CuS0 4. Все перемешивают. Наблюдения Появляется сине-фиолетовое окрашива­ние. Уравнения: 1. Приготовление неразбавленного белка куриного яйца Отделяют белок трех куриных яиц от желтков. Считая, что средняя масса белка в одном яйце равна 33 г (желтка 19 г), по­лучают примерно 100 мл неразбавленного белка куриного яйца. Он содержит 88 % воды, 1 % углеводородов и 0,5 % минеральных ве­ ществ, остальное приходится на белок. Таким образом, получен неразбавленный белок куриного яйца, который представляет собой 10 %-ный раствор белка. 2. Приготовление разбавленного раствора яичного альбумина Отделяют белок одного куриного яйца от желтка, хорошо его взбивают и затем смешивают в колбе при встряхивании с 10-кратным объемом дистиллированной воды. Раствор фильтруют через двойной слой марли, смоченной водой. Фильтрат содержит раствор яичного альбумина, а яичный глобулин остается в осадке. Получают 0,5 %-ный раствор яичного альбумина. Вывод: биуретовая реакция качественная на пептидную связь в белке. В ее основе лежит способность пептидной связи образо­вывать с CuS0 4 в щелочной среде окрашенные комплексные соединения. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ БЕЛКОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ РЕАКЦИЙ.

3. Ксантопротеиновая реакция Ход работы Добавляют к 5 каплям разбавленного рас­ твора яичного белка 3 капли концентриро­ванной HN0 3 и осторожно нагревают. После охлаждения (не взбалтывать!) добавляют 5-10 капель 10 %-ного раствора NaOH до по­явления окрашивания. Наблюдения После нагревания окраска раствора ста­новится бледно-желтой, а после охлаждения и добавления раствора NaOH желто-оран­жевой. Уравнение: Вывод: ксантопротеиновая реакция по­зволяет обнаруживать в белке аминокисло­ты, имеющие в своем составе бензельное кольцо (триптофан, фенил ал анин, тирозин). 4. Реакция Адамкевича Ход работы Помещают в пробирку 5 капель неразбав­ ленного белка и 2 мл ледяной СН 3 СООН. Слегка нагревают до растворения образовавшегося осадка. Охлаждают пробирку со сме­сью. Осторожно по стенке пробирки прили­вают 1 мл концентрированной H 2 S0 4 так, чтобы жидкости не смешались. Наблюдения При добавлении в пробирку уксусной кислоты образуется осадок, который при нагревании растворяется. При добавлении в пробирку концентри­рованной серной кислоты на границе двух жидкостей появляется красно- фиолетовое кольцо. Уравнения: Вывод: реакция Адамкевича качествен­ная на триптофан, так как последний в ки­слой среде взаимодействует с глиоксиловой кислотой, присутствующей в СН 3 СООН в виде примеси. 5. Реакция с пикриновой кислотой Ход работы Добавляют к 10 каплям разбавленного раствора белка несколько кристаллов Na 2 C0 3 и 5 капель насыщенного водного раствора пикриновой кислоты, перемешивают и на­гревают в пламени спиртовки до изменения желтой окраски раствора на красную. Наблюдения После добавления пикриновой кислоты раствор окрашивается в желтый цвет, а по­сле нагревания окраска изменяется на красную. Уравнение: Вывод: реакция с пикриновой кислотой позволяет обнаружить соединения, обладаю­щие восстановительной способностью (ос­нована на восстановлении пикриновой ки­слоты в пикраминовую за счет дикетопиперазиновых группировок). 6. Реакция Фоля Ход работы Добавляют к 10 каплям неразбавленного белка 20 капель 30 %- ного раствора NaOH, несколько капель (СН 3 СОО) 2 РЬ и кипятят смесь (осторожно: жидкость выбрасывает­ся!). Выделяющийся аммиак обнаруживают влажной лакмусовой бумажкой. Наблюдения Неразбавленный белок дает с NaOH оран­жевое окрашивание, при добавлении (СН 3 СОО) 2 РЬ и нагревании оно переходит в черное. Лакмус синеет.