Лекция 12 Белки и аминокислоты

Лекция 12 Белки и аминокислоты
План лекции:
1.Предмет,задачи и история биохимии растений
2.Значение белков в жизни растений
3.Элементарный состав белков
4.Циклические и ациклические аминокислоты
5.Строение,форма и свойства белков; первичная,
Вторичная, третичная структура белков
простые
и сложные белки.
• ЛИТЕРАТУРА
• 1.Метлицкий Л.В. Основы биохимии плодов и овощей. М.,»Экономика»,1976,349 стр.
• 2.Кретович В.Л. Биохимия растений М. ,Высшая школа,1971,464 стр.
• 3.Гребинский С.О.Биохимия растений .Изд.Львовского
• Университета,г.Львов,1967,271 стр.
• 4.БелозерскийА.Н. Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты растений и их биологическое значение. Изд.
• АНСССР М.,1959
• 5.Дэвидсон Д.Биохимия нуклеиновых кислот. Изд‐во
• «Мир»,М.,1968
• 6.Алимова Р.А.,Сагдиев М.Т. Усимликлар
физиологияси ва
биохимиёси.Ташкент,2013,320 б.
• 7.Алимова Р.А.Кишлок хужалик
усимликлари биокимёси фанидан
лаборатория машгулотлари.
• Ташкент,ТашДАУ,2000,95б.
• 8.Davies D, I.Giovanell, T.Rees Plant Biochemistry. Oxford,1964
•
• 1.Биологическая химия или биохимия, называемая также физиологической химией изучает химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности человека,
животных,растений и микроорганизмов.
Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, лежащий в основе той формы движения материи,которую мы называем жизнью.
Изучение веществ, входящих в состав организмов является задачей статической биохимии, которая теснейшим образом связана с биоорганической химией.
• Изучение химических превращений, происходящих в процессе жизнедеятельности организмов, изучение Химической стороны обмена веществ является задачей динамической
биохимии.
• Подчеркнём, что статическая и динамическая биохимия ,непрерывно связана между собой – Изучение биохимических процессов не мыслимо без изучения веществ ,участвующих в этих процессах.
• Человек с глубокой древности был знаком с многими, биохимическими процессами, лежащими в основе хлебопечения, сыроварения ,виноделия, выделки кож. В древности и средние века сведения о химическом составе и происходящих в них процессах были ограничены.В средние века начинается применение химических методов к изучении растений, животных и человека .
• В этом направлении много было сделано в 8‐10вв, в частности арабами, развившими алхимию, которая являлась первоначальной формой химии. Особо большое значение имели труды великого • Философа, естествоиспытателя и врача Абу Али ибн Сино (лат .Авиценна ) Более глубокое научное исследование природы началось со второй половины 15 в с Эпохи Возрождения.
В эту эпоху, на основе развития экспериментальной Химии начинается изучение химического состава организмов и происходящих в них превращений веществ.
Открытие закона сохранения веществ и движения М.В.Ломоносовым в 1748 г «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело движущее своей силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
На основе Закона сохранения веществ и накопившихся значительного экспериментального материала Лавуазье количественно исследовал и объяснил процессы горения и дыхания. Применение количественных химических методов позволило установить основные закономерности питания растений, в частности, такого важнейшего процесса ,каким является фотосинтез.
Дальнейшее внедрение химии в биологию привело
в конце 19 в к обособлению и развитию биологической химии как самостоятельной научной дисциплины. Она развилась на основе успехов органической химии, на основе расширения круга изученных ею природных веществ и усовершенствования методов синтеза органических соединений. Само название‐ биологическая или физиологическая химия – отражает специфику этой науки.
Биохимия как самостоятельная наука зародилась в 19в.
Однако особенно бурное развитие биохимии началось в 20 веке.
В настоящее время биохимия представляет собой весьма разветвлённую область знаний, охватывающую целый ряд разделов, выросших в самостоятельные дисциплины.
В зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на биохимию растений, биохимию микробов ,биохимию животных и медицинскую биохимию.
Исключительно важная роль ферментов‐
веществ белковой природы, являющихся катализаторами почти всех химических процессов, происходящих в организме, привела к выделению и обособлению крупного раздела биохимии – ферментологии, изучающей свойства ферментов ,условия их действия и их роль в обмене веществ.
• Исключительно важная роль биохимических процессов во многих отраслях промышленности, занимающихся переработкой сырья растительного и животного происхождения. • Необходимость научного обоснования и усовершенствования технологии привели к созданию технической биохимии .включающей в себя биохимию зерна и хлебопечения ,биохимию виноделия, биохимию чайного производства и т.д.
• Биохимия растений, развиваясь на основе общих принципов и достижений биохимии, имеет свои существенные особенности. Эти особенности определяются двумя характерными свойствами растительного организма.
• Это, во‐ первых способность растений синтезировать различные органические соединения из углекислоты, воды и поступающих из почвы неорганических веществ.
• Во‐вторых, это колоссальное разнообразие синтезируемых в растениях животные органических соединений. Если, например, животные неспособны даже синтезировать все 22 аминокислоты ,входящие в состав белков, то в растениях найдено более 150 аминокислот ,которые могут образовываться только в растительном организме.
• Биохимия растений ,изучающая химический состав растительных организмов и протекающие в них биохимические процессы имеет большое значение для растениеводства и ряда отраслей пищевой промышленности.
• Её значение для растениеводства заключается в том, что изучение процессов обмена веществ у растений даёт нам возможность управлять развитием растительных организмов.
• Установление в растениях закономерностей синтеза углеводов ,белков, жиров ,витаминов, алкалоидов и др. соединений даст возможность создавать для соответствующих сельхоз культур условия, обеспечивающие получение наибольшего количества данного вещества.
• Направленное изменение биохимическими методами обмена веществ позволит создавать новые формы растительных организмов ,наиболее ценные в хозяйственном отношении. • Селекция новых сортов многих растений целиком основана на применении биохимических методов ,с помощью которых определяют в данном сорте того или иного вещества: белка, сахара ,масла, крахмала ,витаминов и др.
• Сложной и ответственной задачей, стоящей перед биохимией растений, является глубокое изучение обмена веществ у растений и отдельных органов : семян, клубней ,луковиц, плодов и т.д., а также влияние на него различных факторов внешней среды.
• Это имеет большое значение для понимания тех процессов обмена сырье веществ, которые протекают в хранящемся растительном сырье: зерне, плодах ,овощах, процессов от которых зависит стойкость данного сырья, во время хранения и величина потерь в хранилище.
• Академик А.И.Опарин указывает, что так называемые «нормальные потери материалов происходящие при хранении ,являются по существу результатом нашего невежества, нашего незнания внутренних биохимических процессов происходящих в клетках и тканях зерна, картофеля, свеклы, плодах, овощах и прочего живого сырья.»
• Лишь на основе глубокого изучения сущности биохимических процессов, происходящих в хранящемся сырье растительного происхождения и исследование влияния на эти процессы различных факторов возможна наиболее рациональная организация хранения больших масс того или иного растительного сырья и сведения потерь до минимума
•
• БЕЛКИ И АМИНОКИСЛОТЫ
• «Белок‐ самое неустойчивое из всех известных нам соединений углерода .Он распадается, лишь только он теряет способность выполнять свои ответственные ему функции ,которые мы называем жизнью, и в его природе заключается то,что эта неспособность ,раньше или позже наступает»
• Ф.Энгельс
• В растениях белковые вещества содержатся в меньшем количестве ,чем углеводы, но играют в них огромную роль ,поскольку белки составляют основную массу протоплазмы .Все ферменты являются белками .Белок имеет большое значение в питании человека и животных.
Белковые вещества по своему элементарному составу отличаются от углеводов: кроме углерода, водорода и кислорода ,они всегда содержат азот почти всегда серу; некоторые из них содержат также фосфор.
• Элементарный состав белков пшеничного зерна :
• Углерод………51,0 – 53,0 ; водород…….6,9 ;
• Азот…………….16,8‐ 18,4 ; кислород ….21,7 –
23,0 ;
• Сера ……………0,7 – 1,3 %%
• У растений, произрастающих на почвах богатых селеном, этот элемент может заменять в белках серу. Такие белки, содержащие вместо серы селен найдены в пшенице и в некоторых видах астрагала. Особенно большое количество белка содержится в некоторых семенах ,особенно бобовых и масличных культур. Например, горох ,фасоль, маш ,соя, подсолнечник. • Из этих семян сравнительно легко можно получить препараты белков для изучения их химического состава и строения.
• Получение препаратов белков основано на их свойствах: они легко растворяются в воде, солевых растворах, водоспиртовых
растворах или сдабощелочных растворах.
• В зависимости от того, с помощью какого растворителя был экстрагирован белок из данного растительного материала (например, муки),раствор подвергается дальнейшей обработке для выделения белка: кипятят ,насыщают солями ,диализируют, отгоняют спирт или же нейтрализуют кислотой.
• Белковые вещества представляют собой высокомолекулярные коллоиды .Их молекулярный вес может достигать несколько миллионов. Однако, несмотря на такой большой молекулярный вес многие белки получены в кристаллическом виде.
• Содержание белков в зерне различных культур
• Для белков специфичны некоторые реакции ,совокупность которых используется для их распознавания.
• Это прежде всего способность белков свёртываться при кипячении растворов и выпадать в виде сгустков ,как это происходит при кипячении водных растворов яичного белка.
• Чрезвычайно характерным свойством белков является осаждение их из растворов под влиянием различных так называемых «белковых осадителей»:
• Растворов танина ,уксусного свинца, вильфрамата натрия, гидрата окиси меди.
• Кроме этих реакций для белков характерны реакции окрашивания, которые обуславливаются наличием в белковой молекуле определённых химических группировок.
• Такими реакциями являются: ксантопротеиновая ,биуретовая, Миллонова Реакция, Адамкевича.
• Ксантопротеиновая реакция заключается в том, что при обработке белка крепкой азотной кислотой появляется жёлтое окрашивание, эта реакция зависит от наличия в молекуле белка группировок содержащих бензольные кольца.
• Миллонова реакция заключается в появлении вишнево‐красного окрашивания белка при действии Миллонова реактива разбавленного водой раствора металлической ртути в азотной кислоте . Миллонова реакция зависит от наличия в молекуле белка фенольных группировок.
Биуретовая реакция – появление фиолетового или красновато‐фиолетового окрашивания при добавлении капли раствора медного купороса к сделанному раствору белка .Биуретовая реакция характерна для веществ, содержащих группировку
‐С‐N‐
││
│
О Н
Реакция Адамкевича‐ появление фиолетового окрашивания при добавлении к раствору белка нескольких капель глиоксиевой кислоты и затем крепкой серной кислоты. Зависит от наличия в белковой молекуле индольных
группировок. (Для реакции обычно употребляется крепкая уксусная кислота, содержащая следы глиоксилевой
кислоты). • Отдельные белки различаются между собой по аминокислотному составу, то есть по количеству образующихся из них при гидролизе аминокислот.
• Гидролиз белков может быть произведен путем кипячения, крепкими кислотами, щелочами или же путем воздействия на белки протеолитических ферментов, подобных пепсину желудочного сока. • Для определения аминокислот в полученном таким образом гидролизате, применяются многочисленные методы, описанные в специальных руководствах. В последнее время, при качественном и количественном определении аминокислот особенно широко используется метод хроматографии.
• Аминокислоты представляют собой продукт замещения водородного атома органической кислотой и углерода в α –
положении аминогруппы NH2. Простейшая аминокислота глицин представляет собой аминопроизводные уксусной кислоты. • Другие распространенные кислоты –
аланин – аминопроизводные пропионовой кислоты. Остальные аминокислоты можно рассматривать как производные аланина, у которого атомы водорода в метильной группе замещены другими остатками.
α CH2NH2
↓
COOH
Глицин
CH3
│
α CHNH2
│
COOH
Аланин
• Аминокислоты – элементарные структурные единицы, мономеры из которых построены белки. При гидролизе белки распадаются на аминокислоты.
• Аминокислоты разделяют на алифатические, ароматические и гетероциклические.
• Зеленые растения могут синтезировать все аминокислоты. Некоторые же аминокислоты не могут синтезироваться в животном организме и в организме человека. Такие кислоты получили название «обязательных» или «незаменимых».
• В настоящее время установлено, что для человека незаменимыми являются 8 аминокислот: триптофан, фенилаланин, метионин, лизин, валин, треонин, изолейцин, и лейцин. Питание белком, не содержащим какой‐либо из «незаменимых» аминокислот, приводит к нарушениям обмена веществ и, в конце концов, к заболеванию.
• Таким образом, отдельные белки могут быть неполноценными по своему аминокислотному составу. • Химическое строение белков.
• При кипячении с крепкими кислотами, щелочами, а также воздействием ферментов, белковые вещества распадаются на более простые соединения образуя в конце концов смесь α – аминокислот. Подобное расщепление белка носит название «гидролиз».
• Большая часть α – аминокислот представляет собой производные жирных кислот, в которых у • α – углеродного атома один атом водорода замещен аминогруппой – NH2. Таким образом, общая формула α аминокислот следующая:
R● CH2●COOH (α) жирная кислота
R●CH●COOH
│
NH2 аминокислота
• Аминокислоты построенные подобным образом и принадлежащие к группе моноамино‐монокарбоновых кислот, содержат как кислотную карбоксильную группу, так и щелочную аминную.
В водных растворах карбоксильная группа отщепляет ионы водорода и аминокислота функционирует как кислота:
R ●CH● COO H
│
NH2
Одновременно в водном растворе основные группы аминокислот являются источником гидроксильных ионов:
R ‐ CH ●COOH → R ●CH● COOH
│
NH3 ● OH
• Таким образом, поскольку аминокислоты являются одновременно кислотами и основаниями, они относятся к группе амфотерных электролитов и играют важную роль в качестве буферных веществ поддерживающих в организме определенную концентрацию водородных ионов.
• Благодаря наличию аминной группы аминокислоты реагируют с азотистой кислотой образуя при этом соответственно оксикислоту и газообразный азот.
• Пептиды (питательный) – семейство веществ, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот соединенных в цепь пептидными связями (аридными) ‐ C (O) NH –
• Обычно подразумеваются пептиды, состоящие из α‐аминокислот, однако термин не исключает пептидов, полученных из любых других аминокарбоновых кислот.
• Первичная структура белка
• Пептиды, последовательность которых короче примерно 10 – 20 аминокислотных остатков могут также называться олигопептидами, при большей длине последовательности они называются полипептидами.
Белками обычно называют полипептиды, содержащие примерно 50 аминокислотных остатков.
NH2
OH
││
R● CH● COOH + HNO3↔ R● CH ●COOH + N2 + H2O
Эта реакция лежит на основе количественного метода определения аминокислот по Д.Ван – Сляйку.
В настоящее время доказано, что в состав белковой молекулы входят полипептидные цепи. Общепринятая теория строения белка, разработанная Эмилем Фишером, получила название полипептидной теории.
• В белках пептидные связи не являются единственными формами соединения между собой отдельных аминокислотных остатков. Установлено наличие в белковой молекуле также дисульфидных связей –S‐
S‐, соединяющие между собой отдельные пептидные цепи подобно тому, как они соединяют две полипептидные цепочки в молекуле окислению глютатиона.
• Дисульфидные связи могут соединять между собой также различные участки одной и той же полипептидной цепи.
• Если имеется длинная полипептидная цепочка, то в этой длинной цепи, между отдельными ее частями возникают водородные связи. В результате возникает спиралевидная структура белковой молекулы, которая носит название вторичной структуры или α‐структуры.
Вторичная структура белка
• Почти все белки, как легко растворимые, так и трудно растворимые и почти все ферменты обладают α‐структурой. • Полипептидную цепочку, которая в большей или меньшей степени имеет спиралевидную структуру, можно по разному упаковать в каком то определенном объеме.
• Способ ее укладки в пространстве получил название третичной структуры белка. С помощью рентгеноструктурного анализа в настоящее время установлена третичная структура ряда белков. • Биологические свойства белков, в частности, их ферментативные свойства, зависят в первую очередь от первичной структуры, то есть аминокислотного состава и взаиморасположения аминокислотных остатков, а также от вторичной структуры белка, то есть от степени спирализации полипептидной цепочки. • Третичная структура белка также оказывает чрезвычайно большое влияние и действие фермента, на проявление его каталитической активности.
Четвертичная структура белка
• Денатурация белка заключается в развертывании строго определенным образом уложенной в пространстве полипептидной цепочки и образовании беспорядочного клубка. • Денатурация белка, в зависимости от ее степени сопровождается нарушением вторичной, третичной, четвертичной структуры белка и изменением его оптических свойств (спектральных и других характеристик),
• изменением реактивности отдельных химических группировок, от которых зависят каталитические свойства фермента и вследствие этого большей или меньшей потерей его биологической, например ферментативной способности, активности.
• Денатурация белка и потеря ферментативной активности могут происходить под влиянием различных факторов – повышенной температуры, органических растворителей, кислой или щелочной реакцией среды, ионов тяжелых металлов, денатурирующих веществ, подобных мочевине, или гуанидинхлориду, вызывающих разрыв водородных связей.
• Наиболее характерным изменением белка при денатурации является потеря белком
растворимости в воде, в солевых растворах или растворах спирта. Нужно подчеркнуть, что хотя белковая молекула и обладает строго определенной и достаточно жесткой структурой, глубокое нарушение которой приводит к денатурации белка и потере ферментативной активности.
• Эта ее «жесткость» относительна. Под влиянием различных воздействий (например, слабого нагревания, тех или иных метаболитов, ионов металлов) могут происходить обратимые изменения конформации молекулы белка, сопровождающиеся снижением или повышением его биологической, например, каталитической активности.
• Физико‐химические свойства белков. В настоящее время установлено, что отдельные белки различаются не только по аминокислотному составу, но также и по форме молекулы. Все белки по этому признаки разделяют на фибриллярные (нитевидные) и глобулярные (шаровидные).
• К первой группе принадлежат также белки, как например кератин, содержащийся в волосах, рогах, и копытах животных, фиброин шелка, миозин мускулов, фибриноген крови. Ко второй группе– глобулярных белков –
принадлежит подавляющее большинство белков, содержащихся в растениях, животных и микроорганизмах.
• Глобулярные белки отличаются от фибриллярных белков тем, что их молекулы (глобулы) по своей форме приближаются к шару, или эллипсоиду вращения. Однако, нужно подчеркнуть, что сами глобулярные белки различаются между собой по форме молекулы (глобулы). Одни из них имеют шарообразную форму, другие – форму сигары, третьи форму эллипсоида вращения. Классификация белков:
Все белки подразделяют на две большие группы:
• Протеины (простые белки), в состав которых входят только лишь остатки аминокислот, и протеиды – (сложные белки), которые являются соединением простого белка (протеина) с каким‐либо веществом небелковой природы. Протеины являются запасными и опорными (скелетными) белками. • Протеиды имеют особенное значение в протоплазме. Протеины и протеиды подразделяются на ряд групп. Рациональная химическая классификация белковых веществ пока отсутствует, поэтому приходится придерживаться условной классификации, основанной на характере растворимости белков.
• Протеины.
• Альбумины. Белки, растворяющиеся в воде из водных растворов. Альбумины хорошо высаливаются при насыщении солями (например, сернокислым аммонием). При кипячении водных растворов альбуминов они выпадают в виде сгустков денатурированного белка. • Типичным представителем группы альбуминов являются белок яйца –
овальбумин.
• Альбумин растительного происхождения –
лейкозин, содержащийся в зародыше пшеничного зерна, или легумелин – из семян гороха. • Глобулины. Нерастворимы в чистой воде, но растворимы в водных растворах различных солей. Чаще всего в качестве растворителя – теплый раствор 10% хлористого натрия. Глобулины наиболее распространены в растительном мире. • Они составляют большую часть белка многих семян, особенно у бобовых растений и масличных культур, горох –
легулин, фасоль – фазеолин конопля –
эдестин, соя – глицинин и т.д.
• Проламины. Эта группа белков характерна исключительно для семян злаков и отличается наилучшей растворимостью в 60 – 80% водном этиловом спирте. Название этой группы происходит, что все белки этой группы при гидролизе
• гидролизе образуют значительное количество аминокислоты – пролина и аммиачного азота. Проламины
незначительно растворяются в воде, но их соли с кислотами, щелочами растворяются в нем довольно хорошо.
• Глиадин – в семенах пшеницы, ржи.
• Гордеин – в семенах ячменя, зеин – в семенах кукурузы, кафирин – в семенах сорго, авенин – в семенах овса.
• Глютелины – содержатся в семенах злаковых, а также в зеленых частях растений. Растворимы только в растворах щелочей (0,2 %). Глютелин – из семян пшеницы, оризенин – из семян риса, и глютенин, найденный в семенах кукурузы.
• Фосфопротеины. Небольшая группа простых белков, характерной особенностью которых является наличие в их составе фосфорной кислоты, связанной сложно‐эфирной связью с оксигруппой
серина. • Фосфопротеины играют важную роль в питании зародышей животных и молодого, растущего животного организма.
• Казеин – являющийся главным белком молока,
• Виталлин – яичного желтка,
• Ихтулин – содержится в икре рыб.
• Протамины. Встречаются только лишь в сперме (молоках) рыб. Характерная особенность – их незначительный молекулярный вес, не превышающий 10.000, а также что они приблизительно на 80% состоят из щелочных аминокислот: аргинина, гистидина и лизина, вследствие чего сами обладают ярко выраженным щелочным характером.
Протамины совершенно не содержат серы. Типичным представителем протаминов является клупеин – в сперме сельди. • Гистоны. Группа гистонов является промежуточной по своим свойствам между протаминами и настоящими белками. Они также являются щелочными белками, но у них щелочность выражено гораздо слабее, чем у протаминов, ионы содержат меньше щелочных аминокислот.
• Глобин – входит в состав гемоглобина крови. • Протеиноиды. Нерастворимые фибриллярные белки, входящие в состав шелка (фиброин), волос, рогов, копыт (кератин), и сухожилий. Характерной особенностью протеиноидов является высокое содержание в них серы.
• Протеиды – или сложные белки, представляют собой соединение белка с веществом небелковой природы, которое называют простетической группой. В зависимости от химической природы простетической группы различают следующие протеиды: липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды, нуклеопротеиды.
• В липопротеидах роль простетической
группы играют различные жироподобные вещества – липиды. Липопротеиды содержатся в большом количестве в составе пластид растительной клетки (например, хлорофилловых зернах), а также в протоплазме.
• Типичным представителем группы хромопротеидов является гемоглобин крови. В нем белок глобин связан с простетической группой, которая носит название «гем», и является сложным азотистым соединением, содержащим железо. • В крови некоторых беспозвоночных животных содержится гемоцианин, в котором белок связан с такой же простетической группой отличающейся от гемма тем, что вместо железа в ней содержится медь. • . В гликопротеидах роль простетической
группы играет какой‐либо высокомолекулярный углевод. Большое количество гликопротеидов содержится в различных слизистых выделениях животных организмов.
• Особенно важной группой сложных белков являются нуклеопротеиды, играющие первостепенную роль в жизнедеятельности организма, в частности в явлениях наследственности, и содержащиеся в особенно большом количестве в клеточных ядрах. В нуклеопротеидах белок связан нуклеиновой кислотой.
Контрольные вопросы.
Расскажите историю становления биохимии растений как науки?
Роль белка в жизни растений и человека?
Где используют знания по биохимии растений?
Назовите реакции по обнаружению растительных белков?
Какие типы аминокислот вы знаете?
1.Что такое ферменты, их роль в жизни организма, назовите ферменты и их применение в сельском хозяйстве и медицине?
2.На каких признаках основана классификация белков?
3.Приведите примеры протеинов.
4.Приведите примеры протеидов.
4.Назовите основные физико‐химические свойства белков.
5.Что такое денатурация белка и как ее вызывают?
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!