Материал: химия биополимеров часть 3

Изоэлектрическая точка белка (pI)

Молекула белка имеет электрический заряд. В сильно кислой среде белок заряжается положительно, в сильно щелочной – отрицательно. В нейтральной среде заряд белковой молекулы определяется соотношением количества свободных групп –COOH и –NH₂ и степенью их диссоциации. Чем больше карбоксильных групп (–COOH), тем выше отрицательный заряд, и белок будет проявлять свойства слабой кислоты. У кислых пептидов и белков pI ˂ 7. Преобладание аминогрупп (-NH₂) сообщает белку основные свойства и положительный заряд. У основных пептидов и белков pI ˃ 7.

Химические свойства пептидов и белков

I. Аминокислоты, пептиды и белки являются амфотерными соединениями, содержащими и кислотные группы (-COOH) и оснóвные группы (-NH₂).

II. По месту пептидных связей молекулы белков гидролизуется in vivo с участием ферментов-пептидаз.

Среди пептидаз выделяют:

- эндопептидазы, расщепляющие связи внутри макромолекулы;

- экзопептидазы, отщепляющие N- или C-концевую АК.

В организме белки расщепляются полностью, т.к. для жизнедеятельности необходимы только свободные α-аминокислоты.

Гидролиз in vitro происходит в сильнокислой или сильнощелочной среде и используется для расшифровки состава белков. В настоящее время расшифрован состав 1500 белков, в том числе ферментов и гормонов.

Уровни структурной организации белковой молекулы:

Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка или пептида:

NH₂-Tyr-Pro-Lys-Gly-Phe-Tyr-Lys-COOH.

Первичная структура определяет уровни структурной организации белка.

Вторичная структура – локальные высокоупорядоченные конформации белковой цепи – спирали и складчатые слои.

В 1950 г. Л. Полинг и Р. Кори показали, что наиболее выгодной конформацией полипептидной цепи является правозакрученная -спираль.

Основной вклад в закрепление этой конформации цепи вносят водородные связи, формирующиеся между параллельными участками пептидных групп.

Вторичная структура также стабилизуется дисульфидными мостиками по месту цистеиновых остатков.

Известна другая вторичная структура белка: -структура в виде складчатого листа -Структура образуется из нескольких полипептидых цепей связанных водородными связями.

Третичная структура – форма белковой молекулы; трёхмерная структура белка.

Укладка нерегулярных областей и α- и -структур в глобулу определяет третичную структуру белка. Третичная структура является более сложной пространственной организацией макромолекулы, которая стабилизируется водородной связью, дисульфидными мостиками, гидрофобными взаимодействиями и силами Ван-дер-Ваальса.

По третичной структуре белки делят на:

- глобулярные – для них характерна -спиральная структура, уложенная в пространстве в виде сферы – глобулы (например, яичный белок, фермент – глобин в составе гемоглобина);

- фибриллярные – для них характерна -структура. Как правило, эти белки имеют волокнистое строение и к ним относятся белки мышц, ткани – миоинозин, бетта-кератин волос.

Четвертичная структура известна для некоторых белков, выполняющих важные физиологические функции. Четвертичная структура – агрегат нескольких белковых молекул, образующих одну структуру.

Взаимодействия: ионные, водородные, гидрофобные, ковалентные (дисульфидные).

Протомер – отдельная полипептидная цепь.

Субъединица – функциональная единица.

Например, четвертичная структура глобина является пространственным образованием 4-х субъединиц. Доказано, что переносчиком кислорода гемоглобин может только при наличии четвертичной структуры глобина.

Контрольные вопросы

1. Классификация, биологическая роль пептидов и белков.

2. Пространственное строение пептидной группы. Схема образования трипептида.

3. Физико-химические свойства: изоэлектрическая точка трипептида.

4. Химические свойства пептидов и белков: кислотно-основные свойства, гидролиз.

5. Уровни структурной организации белковой молекулы.

Типовые задания

Задание 1. Фрагментом гормона окситоцина является трипептид цис-тир-иле. Напишите строение этого пептида, выделите пептидные связи и дайте полное название данного пептида.

Решение.

Задание 2. Напишите формулу трипептида гис-лиз-три. Дайте полное название этого трипептида, укажите пептидные связи, N- и С-концевые аминокислоты. Определите, в какой области рН находится изоэлектрическая точка данного пептида.

Решение.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в щелочной среде, так как в данном пептиде число основных групп преобладает над числом кислотных групп.

Задание 3. Определите область значений рН, в которой находится изоэлектрическая точка (pI) трипептида глициллизилтирозин (ГЛИ-ЛИЗ-ТИР). Укажите, какой заряд имеет трипептид в растворе с рН 4,5 и к какому электроду в этом случае он будет перемещаться при электрофорезе.

Решение.

В нейтральной среде положительный заряд на аминогруппе N-концевой аминокислоты нивелируется отрицательным зарядом на карбоксильной группе С-концевой аминокислоты. Поэтому в нейтральной среде заряд пептида равен сумме зарядов боковых цепей аминокислот.

Боковой радикал глицина не заряжен, лизина – имеет положительный заряд, тирозина – отрицательный заряд. Суммарный заряд пептида равен нулю. Это пептид нейтрального характера. Таким образом, pI находится в нейтральной среде (pI  6,8).

В кислой среде при рН 4,5 по принципу Ле Шателье диссоциация карбоксильной группы и фенольного гидроксила подавляется, а протонирование аминогрупп усиливается, поэтому данный трипептид заряжен положительно. При электрофорезе он будет перемещаться к отрицательно заряженному электроду – катоду.

Задание 4. Укажите направления движения (движутся к катоду или к аноду, не перемещаются в электрическом поле) в процессе электрофореза при рН 1,9; 3; 6,5 и 13 следующих пептидов:

а) лиз-гли-ала-гли;

б) лиз-гли-ала-глу.

Решение.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в щелочной среде, так как число аминогрупп превышает число карбоксильных групп.

В сильнокислой среде при рН 1,9 и при рН 3 за счет протонирования аминогрупп образуются катионы R  NH₃⁺ и пептид будет перемещаться к катоду. При рН 6,5 (среда почти нейтральная) пептид будет перемещаться к катоду, так как его изоэлектрическая точка находится в щелочной среде. В сильнощелочной среде при рН 13 образуется карбоксилат-ион и пептид будет перемещаться к аноду.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в среде близкой к нейтральной, так как число аминогрупп этого пептида равно числу карбоксильных групп. Поэтому в сильнокислой среде (при рН 1,9 и рН 3) диссоциация карбоксильных групп подавлена, а аминогруппы будут протонированы и пептид будет перемещаться к катоду. При рН 6,5 (среда близкая к нейтральной) пептид в электрическом поле перемещаться не будет, так как он находится в изоэлектрическом состоянии. В сильнощелочной среде (при рН 13) будут преобладать анионы (карбоксилат-ионы), и пептид начнет перемещаться к аноду.

Задание 5. Напишите формулу тетрапептид фен-цис-три-глу. С помощью каких цветных реакций можно доказать наличие в этом пептиде бензольного кольца, пептидной связи, серосодержащей аминокислоты и триптофана?

Решение.

Ароматическое кольцо в пептиде можно обнаружить реакцией с концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция).

Для качественного и количественного определения триптофана можно использовать реакцию Эрлиха  в среде серной кислоты появляется красно-фиолетовое окрашивание.

Наличие пептидной связи доказывается с помощью биуретовой реакции.

Для обнаружения цистеина используют реакцию с ацетатом свинца в щелочной среде.

Задание 6. Напишите тетрапептид со следующей последовательностью аминокислот: лизин-аланин-валин-глутаминовая кислота. Отметьте незаменимые аминокислоты, нейтральные и кислые. Выделите пептидную связь и объясните, почему она имеет плоское строение и вокруг каких связей возможно свободное вращение.

Решение.

Незаменимые кислоты  лизин и валин. Кислая кислота  глутаминовая, нейтральные  валин и аланин.

Плоское строение пептидной связи обусловлено sp²-гибридизацией атома углерода карбонильной группы. Сопряжение неподеленной пары электронов атома азота с двойной связью карбонильной группы

( , р-π сопряжение) приводит к частичной двоесвязанности связи С  N, что и объясняет плоское строение пептидной группы.

С вободное вращение возможно вокруг одинарной связи азота с α-углеродным атомом и вокруг связи α-углеродного атома с

атомом углерода карбонильной группы:

Тестовые задания для самоконтроля

Выберите один правильный ответ

01. Трипептиду гли-цис-фен соответствует формула

02. Трипептиду ала-тре-вал соответствует формула

03. ПРИ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ рН ТРИПЕПТИД АСПАРТИЛВАЛИЛЦИСТЕИН ИМЕЕТ ЗАРЯД

1) положительный

2) отрицательный

3) нулевой

4) одновременно положительный и отрицательный

04. ПРИ рН 5,0 ТРИПЕПТИД АРГИНИЛГИСТИДИЛЛЕЙЦИН ИМЕЕТ ЗАРЯД

1) положительный

2) отрицательный

3) нулевой

4) одновременно положительный и отрицательный

05. ПРИ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ рН К КАКОМУ ЭЛЕКТРОДУ БУДЕТ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ТРИПЕПТИД ГЛУТАМИЛЦИСТЕИЛСЕРИН

1) к аноду

2) к катоду

3) не перемещается

4) сначала к катоду, затем к аноду

06. В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФОРМЫ МОЛЕКУЛ БЕЛКИ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ НА

1) альбумины и глобулины

2) неконъюгированные и конъюгированные

3) фибриллярные и глобулярные

4) гликопротеины и липопротеины

07. ВЕРНЫ ЛИ СЛЕДУЮЩИЕ СУЖДЕНИЯ

А: Первичная структура белка отражает порядок чередования аминокислот.

Б: Под третичной структурой белка понимают пространственную укладку полипептидной цепи содержащей α-спирали и β-структуры складчатого листа и участки нерегулярного строения.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба утверждения

4) оба утверждения неверны

08. ВЕРНЫ ЛИ СЛЕДУЮЩИЕ СУЖДЕНИЯ

А: Вторичная структура белка стабилизируется только водородными связями.

Б: Третичная структура белка стабилизируется водородными связями, дисульфидными связями, ионными и гидрофобными взаимодействиями.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба утверждения

4) оба утверждения неверны

09. ГИДРОЛИЗ БЕЛКОВ IN VIVO ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ С ПОМОЩЬЮ БЕЛКОВ ФЕРМЕНТОВ

1) оксидоредуктаз

2) лиаз

3) гидролаз

4) трансаминаз

10.  ВЕРНЫ ЛИ СЛЕДУЮЩИЕ СУЖДЕНИЯ

А: В сильнокислой среде заряд белковой молекулы всегда положительный, в сильнощелочной среде – всегда отрицательный.

Б: В нейтральной среде заряд белковой молекулы равен сумме зарядов боковых радикалов α-аминокислот.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба утверждения

4) оба утверждения неверны

Контрольные задания

1. Напишите реакцию образования трипептида фенилаланиллизилтирозина (ФЕН-ЛИЗ-ТИР). Укажите N- и С-концевые аминокислоты, отметьте пептидные связи и боковые радикалы α-аминокислот.

2. Напишите реакцию гидролиза тетрапептида глицилгистидилметионина (ГЛИ-ГИС-МЕТ).

3. Определите область значений рН, в котором находиться изоэлектрическая точка трипептида треониласпартилвалин. К какому электроду (аноду или катоду) будет перемещаться тетрапептид при рН 7?