Дальневосточный государственный  университет

Институт  психологии и социальных наук

Факультет человековедения

Кафедра социальной работы

                  

 
 

    Белки как структурно-функциональная основа живой материи. Строение белка. Функции  различных белков.

Выполнила:

Проверил:

Владивосток

 
 
 
 
 
 

                                               Введение

     Белки (протеины) – высоко молекулярные, азотосодержащие  природные органические вещества, молекулы которых построены из аминокислот. Они являются основной структурной и функциональной основой жизнедеятельности всех организмов, они обеспечивают рост, развитие и нормальное протекание всех обменных процессов в организме. Это мускулы, кровь, сердце, кожа, кости… в природе существует примерно 1010 – 1012 различных белков, обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степеней сложности: от вирусов до человека. Необходимость постоянного обновления белков лежит в основе обмена веществ. Белки также осуществляют энергетические превращения, неразрывно связанные с активными биологическими функциями. Они входят в состав важнейших клеточных структур – органелл. Хотя органеллы содержат и другие вещества, белки особенно важны, они – основные структурообразователи и играют важнейшую роль в выполнении физиологических функций. Например, благодаря организации различного рода белков биологические мембраны, покрывающие клетки, активно перенося в клетку или из нее молекулы и ионы. В частности транспорт катионов создает электрическую поляризацию, необходимую для процессов возбуждения. В двигательных аппаратах – мышечных волокнах – комплексы специфических белков осуществляют сокращение, превращая химическую энергию в механическую работу.

     Деятельность  белков во многом связана с разными  веществами, из которых наибольшее биологическое значение имеют нуклеиновые кислоты. Однако решающим фактором молекулярных механизмов всех активных проявлений жизнедеятельности являются белки. В этом смысле подтверждено и детализировано известное положение Ф. Энгельса о белках, как основе биологической формы движения материи.

     В структурном отношении молекулы белков бесконечно разнообразны –  жесткость и точность уникальной организации сочетаются в них  с гибкостью и пластичностью. Все это создает необозримые  функциональные потенции: поэтому белки  и явились тем исключительным материалом, который и послужил основой возникновения жизни на земле.

     Белок – один из основных продуктов питания, как человека, так и животных. Они служат источником восстановления и обновления цитоплазмы клеток, образования  ферментов и гормонов.  

                                        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            

        Строение белков: 

Выделяют  первичную, вторичную, третичную и  четвертичную структуру белков.

• Первичная структура: определяется порядком чередования аминокислот в полипептидной цепи. 20 разных аминокислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из которых составлены «слова» длиной в 300 – 500 букв. С помощью 20 букв можно написать бесконечное множество таких длинных слов. Известно, что замена даже одного аминокислотного звена другим в белковой молекуле изменяет ее свойства. В каждой клетке содержится несколько тысяч разных видов белковых молекул, и для каждого из них характерна  строго определенная последовательность аминокислот. Именно порядок чередования аминокислот в данной белковой молекуле определяет ее особые физико-химические и биологические свойства.
• Вторичная структура: в живой клетке многие молекулы белков или их отдельные участки представляют собой не вытянутую нить, а спираль с одинаковыми расстояниями между витками. Спираль обычно свернута в клубок. Этот клубок образован закономерным переплетением участков белковой цепи.

Положительные и отрицательно заряженные R-группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и другие участки белковой молекулы, несущие, например «водоотталкивающие» радикалы.

• Третичная структура: в результате взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок – третичную структуру. Для каждого вида белка характерна своя форма клубка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первичной, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи.
• Четвертичная структура: некоторые белки, например гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе они создают сложный белок, который обладает не только третичной, но и четвертичной структурой.

 

                                Классификация белков: 

     До  сих пор нет единого принципа классификации белков. При делении всех известных белков на группы учитывают их состав (строение), физико-химические свойства (растворимость, щелочность), происхождение и роль в организме.

Белки делят на:

1. простые – протеины, состоящие только из аминокислот. К ним относятся альбумины, глобулины, гистоны, глутелины, проламины, протамины и протеиноиды.
2. сложные – протеины в состав молекулы которых входят, кроме аминокислот, и другие соединения. К ним относят гликопротеиды (содержащие кроме аминокислот углеводы), липопротеиды (содержащие липиды, нуклеопротеиды (в их состав входят и нуклеиновые кислоты), фосфопротеиды (содержащие фосфорные кислоты) и хромопротеиды (имеющие пигментные металлосодержащие группы).

 

                      
 

                            Физико-химические свойства белков:

Молекулы  белка имеют массу от десятков тысяч до 1 миллиона и выше моль, так  фермент рибонуклеаза имеет молярную массу 12700 моль, дыхательный пигмент  улитки гемоцианин – 6600000  моль.

Элементарный  состав большинства белков: 50,6 – 54,5% углерод, 6,5 – 7,3% водород, 21,5 – 23,5% кислород, 15 – 17,6% азот,

0,3 –  2,5% сера. В состав ряда белков  входит и фосфор.

      Сведения  о молекулярной массе и ряде свойств  молекул белка можно получить, исследуя их осаждение в ультрацентрифуге, диффузию, вязкость, растворимость и светорассеяние. Все белки с очень большой молярной массой состоят из более мелких частиц – субъединиц.

      Растворимые белки это гидрофильные коллоиды, активно связывающие воду, их растворы обладают значительной вязкостью. Их растворимость варьирует не меньше, чем другие их свойства. Одни белки легко растворяются в воде, другие требуют для растворения небольших концентраций солей, третьи переходят в раствор только под воздействием сильных щелочей и т.д.

      Молекулы  белка не проходят через полупроницаемые мембраны, обладают слабой способностью к диффузии. Это амфотерные электролиты, так как они имеют свободные карбоксильные (кислотные) и аминные (основные) группы.

      Белки имеют электрический заряд, изменяющийся в зависимости от структуры белка и реакции среды. В электрическом поле растворенные белки движутся (электрофорез), причем направление и скорость движения неодинаковы для различных белков. 

                          

                          

                           

                              Биологические функции белков: 

С белками  связано все многообразие функций  организма, однако наиболее важными  являются:

• транспортная: заключается в том что при участии белков происходит связывание и доставка различных веществ от одного органа к другому. Так белок эритроцитов крови – гемоглобин соединяется в легких с кислородом, превращаясь в оксигемоглобин. Достигая с током крови органов и тканей, оксигемоглобин расщепляется и отдает кислород необходимый для обеспечения жизненных процессов в тканях.
• Защитная: ее выполняют специфические белки (антитела), образующиеся в организме. Эти белки связываются с чужеродными для организма белками возбудителей заболеваний, чем подавляется их жизнедеятельность. Антитела обладают удивительным свойством: среди тысяч разнообразных белков они «узнают» только один белок – чужеродный и только с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбудителя заболевания называют иммунитетом. Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ослабленные или убитые бактерии либо вирусы (вакцины), которые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки организма производить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворная неослабленная бактерия попадает в организм, она встречает прочный защитный барьер из антител. Миллионы человеческих жизней спасены вакцинацией против оспы, бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки и других болезней. 
• Строительная: некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых строятся белки, используя для этого неорганические вещества: азот и углекислый газ воздуха, водород, полученный при расщеплении воды (за счет энергии света), неорганические вещества почвы. Животные в процессе эволюции утратили способность осуществлять синтез 10 особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пищей. Такие аминокислоты содержатся в белках молочных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах рыбе, мясе, а также в сое, бобах и некоторых других растениях. В пищеварительном тракте белки расщепляются до аминокислот, которые всасываются в кровь и попадают в клетки. В клетках из готовых аминокислот строятся собственные белки, характерные для данного организма. Белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур и в этом состоит их важная структурная роль.
• Сократительная: ее выполняют белки, в результате взаимодействия которых происходит передвижение в пространстве, сокращение и расслабление сердца, движение других внутренних органов.
• Регуляторная: выполняется белками-регуляторами обмена веществ. Они относятся к гормонам, которые образуются в железах внутренней секреции. Некоторых органах и тканях организма. Часть гормонов (но не все) животных и человека являются белками. Так белковый гормон поджелудочной железы – инсулин активизирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в избытке. Клетки без помощи инсулина не могут ее захватить – они голодают. Именно в этом причина развития диабета.
• Питательная: осуществляется белками, которые являются резервными, или питательными. Например белки яйца обеспечивают рост и развитие плода, белки молока служат источником питания для новорожденного. Коме того они могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.

Перечисленные функции белков являются наиболее важными, но ими не ограничивается значение белков для жизни.

Денатурация белков: под действием ионизирующей радиации, высокой температуры, сильного взбалтывания, экстремальных значений pH, а также ряда органических растворителей, таких как спирт или ацетон, белки изменяют свое естественное состояние. Это нарушение природной структуры белка и называют денатурацией. Подавляющее большинство белков утрачивают при этом биологическую активность, хотя первичная структура их после денатурации не меняется. Дело в том, что в процессе денатурации нарушается вторичная, третичная и четвертичная структуры, обусловленные слабыми взаимодействиями между кислотными остатками, а ковалентные пептидные связи не разрываются. Необратимую денатурацию можно наблюдать при нагревании жидкого и прозрачного белка куриного яйца: он становится плотным и непрозрачным. Денатурация может быть и обратимой. После устранения денатурирующего фактора многие белки способны вернуть естественную форму, т. е. ренатурировать.

Способность белков к обратимому изменению пространственной структуры в ответ на действие физических или химических факторов лежит в основе раздражимости – важнейшего свойства всех живых существ. 

     Синтез  белка 

     Биосинтез белка происходит в результате трансляции в субклеточных частицах – рибосомах, представляющих собой сложный рибонуклеиновый комплекс. Информация о первичной структуре белка «хранится» в соответствующих генах – участках ДНК – в виде последовательности нуклеотидов. В процесс транскрипции эта информация с помощью фермента – ДНК – зависимой РНК – полимеразы – передается на матричную рибонуклеиновую кислоту, которая, соединяясь с рибосомой, служит матрицей для синтеза белка. Выходящие из рибосомы синтезированные полипептидные цепи, самопроизвольно сворачиваясь, принимают присущую данному белку конформацию, а также подвергаются модификации благодаря реакциям различных функциональных групп аминокислотных остатков и расщеплению пептидных связей.

     Химический  синтез широко применяют для получения  пептидов, в т.ч. биологически активных гормонов и их разнообразных аналогов, используемых для изучения взаимосвязи структуры и биологической функции, а также пептидов, несущих антигенные детерминанты различных белков и применяемых для приготовления соответствующих вакцин. Первые химические синтезы белка в 60-е гг. (инсулина овцы и рибонуклеазы S), осуществленные в растворе с помощью тех же методов, которые используют при синтезе пептидов, были связаны с чрезвычайно большими сложностями. В каждом случае требовалось провести сотни химических реакций и окончательный выход белка был очень низок (менее 0,1%), в результате чего полученные препараты не удалось очистить. Позже были синтезированы некоторые химически чистые белки, в частности инсулин человека (П. Зибер и др.) и нейротоксин II из ядра среднеазиатской кобры (В.Т. Иванов). Однако до сих пор химический синтез белка представляет весьма сложную проблему и имеет скорее теоретическое, чем практическое значение. Более перспективны методы генетической инженерии, которые позволяют наладить промышленное получение практически важных белков и пептидов.