Молекула білка є об'ємним, тривимірним освітою, які мають певну просторову форму. Для зручності розгляду просторової будови молекули білка умовно виділяють чотири рівні її структурної організації.
Перший рівень просторової організації білкової молекули називається первинною структурою і являє собою послідовність розташування амінокислот в поліпептидних ланцюгах. Фіксується ця структура міцними пептидними зв'язками. Іншими словами, первинна структура характеризує хімічну будову поліпептидів, що утворюють білкову молекулу. Кожен індивідуальний білок має унікальну первинну структуру.
Другий рівень просторової організації вторинна структура описує просторову форму поліпептидних ланцюгів. Наприклад, у багатьох білків поліпептидні ланцюги мають форму спіралі. Фіксується вторинна структура дисульфідними і різними нековалентними зв'язками.
Третій рівень просторової організації - третинна структура відображає просторову форму вторинної структури. Наприклад, вторинна структура у формі спіралі, в свою чергу, може укладатися в просторі у вигляді глобули, тобто має кулясту або яйцеподібну форму. Стабілізується третинна структура слабкими нековалентними зв'язками, а також дисульфідними зв'язками, і тому є найбільш нестійкою структурою.
Просторова форма всієї білкової молекули отримала назву конформація. Оскільки в молекулі білка поряд з міцними ковалентними зв'язками є ще менш міцні зв'язки (дисульфідні, Нековалентні). то його конформація характеризується нестабільністю і може легко змінюватися. Зміна просторової форми білка впливає на його біологічні функції. Конформація, перебуваючи в якій білок володіє біологічною активністю, називається нативной. Будь-які дії на білок, що призводять до порушення цієї конформації, супроводжуються частковою або повною втратою білком його біологічних властивостей. Зміна конформації в невеликих межах можна зупинити і є одним з механізмів регуляції біологічних функцій білків в організмі.
Четвертинної структурою мають тільки деякі білки. Четвертичная структура цей складний кризовий надмолекулярну утворення, що складається з декількох білків, що мають свою власну первинну, вторинну і третинну структури. Кожен білок, що входить до складу четвертинної структури, називається субодиницею. Наприклад, білок крові - гемоглобін складається з чотирьох субодиниць двох типів (a і b) і має будову a2 b2. Асоціація субодиниць в четвертинних структуру призводить до виникнення нового біологічного властивості, відсутнього у вільних субодиниць. Наприклад, формування четвертинної структури в ряді випадків супроводжується появою каталітичної активності, якої немає у окремих субодиниць.
Об'єднуються субодиниці в четвертинних структуру за рахунок слабких нековалентних зв'язків, і тому Четверичная структура нестійка і легко дисоціює на субодиниці. Освіта і дисоціація четвертичной структури є ще одним механізмом регуляції біологічних функцій білків.
З усіх структур білка кодується тільки первинна. За рахунок інформації, що містяться в молекулі ДНК, синтезуються поліпептидні ланцюги (первинна структура). Вищі структури (вторинна, третинна, четвертинна) виникають спонтанно в відповідності з будовою поліпептидів.
Відповідно до класифікації, заснованої на хімічному складі, білки діляться на прості (протеїни) і складні (протеїди). Прості білки складаються тільки з амінокислот, тобто з одного або декількох поліпептидів. До простих білків, які є в організмі людини, відносяться альбуміни, глобуліни. гістони. білки опорних тканин. У молекулі складного білка, крім амінокислот, ще є неамінокіслотная частина, яка називається простетичної групою. Залежно від будови простетичної групи виділяють такі складні білки, як фосфопротеіди (містять в якості простетичної групи фосфорну кислоту), нуклеопротеїни (містять нуклеїнових кислот), глікопротеїди (містять вуглевод), ліпопротеїди (містять липоидо), хромопротеїди (містять забарвлену простетичної групу) і ін.
Можлива й інша класифікація білків, що випливає з їх просторової форми. В цьому випадку білки поділяються на два великі класи: глобулярні і фібрилярні.
Молекули глобулярних білків мають кулясту або еліпсоїдну форму. Прикладом таких білків є альбуміни і глобуліни плазми крові.
Фібрилярні білки представляють собою витягнуті молекули, у яких довжина значно перевищує їх діаметр. До таких білків, перш за все, необхідно віднести колаген - найпоширеніший білок у людини і вищих тварин, на частку якого припадає 25-30% від загальної кількості білків організму. Колаген має високу міцність і еластичність. Цей білок широко поширений в організмі, він входить до складу сполучної тканини і тому його можна виявити в шкірі, в стінках судин, в м'язах, сухожиллях, хрящах, кістках, у внутрішніх органах.
3. Фізико-хімічні властивості білків
Білки, будучи високомолекулярними сполуками, характерізуют- ся великими величинами молекулярної маси. Оскільки в молекули білків можуть входити десятки, сотні і тисячі амінокислот, то їх молекулярна маса коливається у великому діапазоні: від 6000 Дальтон до мільйонів. Як приклад можна привести величини молекулярної маси наступних білків:
Інсулін (гормон підшлункової залози) - 6000 Так
Міоглобін (переносник кисню в м'язових клітинах) - 17000 Так
Гемоглобін (білок червоних клітин крові) - 68000 Так
Міозин (скоротливий білок м'язів) - 500000 Так
Глутаматдегідрогеназа (фермент печінки) - 1000000 Так
Амфотерность білків (наявність у молекул як кислотних, так і осн # 972; вних властивостей) обумовлена присутністю в їх молекулах вільних карбоксильних груп (кислотні групи) і аминогрупп (осн # 972; вние групи). Ці групи входять до складу радикалів амінокислот і, як було вище зазначено, не беруть участі в утворенні пептидних зв'язків. Прояв білками кислотних або осн # 972; вних властивостей залежить від кислотності середовища.
У кислому середовищі (рН <7) вследствие избытка ионов водорода (протонов) диссоциация карбоксильных групп подавлена. Свободные аминогруппы легко присоединяют к себе имеющиеся в избытке протоны и переходят в протонированную форму:
СООН СООН СООН СООН
Значення рН, при якому молекули білка нейтральні, називається ізоелектричної точкою білка і позначається Р I або рНіет. Для кожного білка ізоелектричної точка має строго певну величину. Значення РІ залежить від співвідношення в молекулі білка між амінокислотами, що містять в радикал карбоксильну групу (моноамінодікарбоновие кислоти). і амінокислотами, що містять в радикал аміногрупу (діаміномонокарбоновие кислоти). Якщо в білку переважають амінокислоти з додатковою карбоксильною групою, то значення ізоелектричної точки знаходиться в кислому середовищі (РІ <7). В случае преобладания аминокислот со свободными аминогруппами изоэлектрическая точка имеет величину больше 7, т.е. находится в щелочной среде.
За значенням РІ можна встановити заряд білка, що знаходиться в розчині з відомим рН. Якщо рН розчину більше величини ізоелектричної точки, молекули білка мають негативний заряд. У розчинах, у яких рН менше ізоелектричної точки розчиненого білка, білкові молекули заряджені позитивно і знаходяться в катионной формі. При цьому, чим більше відхилення рН від РІ, тим більше величина відповідно негативного або позитивного заряду.
Отже, при підвищенні або зниженні кислотності змінюється заряд білкових молекул, що позначається на властивостях білка і, в тому числі, на його функціональної активності.
Не дивлячись на великий розмір молекул (1-100 нм [2]), білки добре розчиняються у воді і їх розчини близькі за властивостями до колоїдних розчинів. Висока стабільність білкових розчинів забезпечується факторами стійкості.
Один з них - це наявність у білкових молекул заряду. Як вище зазначалося, тільки при одному строго визначеному значенні рН, що дорівнює ізоелектричної точці, білок нейтральний, при всіх інших значеннях рН білкові молекули мають якийсь заряд. Завдяки наявності заряду при зіткненнях молекули білка відштовхуються одна від одної, і їх об'єднання в більш великі частки не відбувається.
Другий фактор стійкості білкових розчинів полягає в наявність у білкових молекул гідратної (водної) оболонки. Освіта гідратної оболонки обумовлено тим, що різні неполярні (гідрофобні) угруповання зазвичай розташовуються всередині білкової молекули, а полярні (гідрофільні) групи (-СООН, -NН2. -OH, -SH, пептидні зв'язку СО-NH-) знаходяться на поверхні білкової молекули. До цих полярним групам приєднуються молекули вода, внаслідок чого молекула білка оточується шаром з орієнтованих молекул води. Тому при зіткненнях молекули білка відокремлені один від одного гідратної оболонки і їх з'єднання не відбувається.
Висолювання - це випадання білка в осад під дією водоотнимающих засобів, до яких, в першу чергу, відносяться солі (Na2 SO4. (NH4) 2 SO4 і ін.). Іони солей, подібно білкам, також добре пов'язують воду. При високих концентраціях внаслідок низької молекулярної маси солей кількість їх іонів величезне порівняно з макромолекулами білків. В результаті бóБільша частина води зв'язується з іонами солей, що призводить значного зменшення гідратних оболонок у білків, зниження їх розчинності і випаданням в осад.
Найбільш ефективно висолювання при рН, що дорівнює ізоелектричної точці осаждаемого білка. В цьому випадку білок не тільки втрачає гідрадну оболонку, а й позбавляється заряду, що призводить до його повного осадження.
Процес висолювання торкається структуру білкових молекул, і тому в осад випадає білок, який зберігає свою нативну, тобто свої біологічні властивості.
Висолювання - процес оборотний. При видаленні водовіднімаючих кошти або при додаванні води осад білка розчиняється і утворюється повноцінний розчин білка.
Під денатурацією розуміється втрата білком його нативної. Денатурація, як правило, супроводжується випаданням білка в осад.
Денатурація викликається фізичними і хімічними факторами.
Фізичними факторами є: нагрівання (вище 50-60 ° С). різні види випромінювання (ультрафіолетове і іонізуюче випромінювання), ультразвук, вібрація.
До хімічних факторів відносяться: сильні кислоти і луги, солі важких металів, деякі органічні кислоти (трихлоруксусная і сульфосаліцилова [3]).
Під впливом перерахованих факторів в молекулах білків розриваються різні непептідние зв'язку, що викликає руйнування вищих (крім первинної) структур і перехід білкових молекул в нову просторову форму. Така зміна конформації призводить до втрати білками гідратних оболонок, їх подальшого випадання в осад і втрати біологічної активності.
При короткочасній дії денатуруючих факторів конформаційні зміни незначні, і тому можливий перехід білка знову в нативну форму і відновлення його біологічних властивостей (ренатурації).
Тривале перебування під впливом факторів денатурації викликає необоротне глибока зміна тривимірної структури білкових молекул, що робить ренатурації неможливою.