(!LANG:תכונות פיזיקליות של חלבונים. התכונות הכימיות החשובות ביותר של חלבונים. התכונות הכימיות והפיזיקליות החשובות ביותר של חלבונים

תכונות פיזיקליות של חלבונים

1. באורגניזמים חיים, חלבונים נמצאים במצב מוצק ומומס. חלבונים רבים הם גבישים, עם זאת, הם לא נותנים פתרונות אמיתיים, כי. המולקולה שלהם גדולה מאוד. תמיסות מימיות של חלבונים הן קולואידים הידרופיליים הממוקמים בפרוטופלזמה של תאים, ואלו חלבונים פעילים. חלבונים מוצקים גבישיים הם תרכובות אחסון. חלבונים דנטורטיביים (קרטין שיער, מיוזין שריר) הם חלבונים תומכים.

2. לכל החלבונים יש, ככלל, משקל מולקולרי גדול. זה תלוי בתנאי הסביבה (t°, pH) ובשיטות בידוד ונע בין עשרות אלפים למיליונים.

3. מאפיינים אופטיים. תמיסות חלבון שוברות את שטף האור, וככל שריכוז החלבון גדול יותר, השבירה חזקה יותר. באמצעות תכונה זו, אתה יכול לקבוע את תכולת החלבון בתמיסה. בצורה של סרטים יבשים, חלבונים סופגים קרני אינפרא אדום. הם נספגים על ידי קבוצות פפטידים. דנטורציה של חלבון היא סידור מחדש תוך מולקולרי של המולקולה שלו, הפרה של הקונפורמציה המקומית, שאינה מלווה בביקוע של הקשר הפפטידי. רצף חומצות האמינו של החלבון אינו משתנה. כתוצאה מהדנטורציה מופרים המבנים המשניים, השלישוניים והרבעוניים של החלבון הנוצרים על ידי קשרים לא קוולנטיים, והפעילות הביולוגית של החלבון אובדת באופן מלא או חלקי, הפיך או בלתי הפיך, תלוי בגורמים המדנטורים, עוצמת ומשך פעולתם. נקודה איזואלקטרית חלבונים, כמו חומצות אמינו, הם אלקטרוליטים אמפוטריים הנודדים בשדה חשמלי בקצב התלוי במטען הכולל שלהם וב-pH של המדיום. בערך pH מסוים עבור כל חלבון, המולקולות שלו ניטרליות מבחינה חשמלית. ערך pH זה נקרא הנקודה האיזואלקטרית של החלבון. הנקודה האיזואלקטרית של חלבון תלויה במספר ובאופי הקבוצות הטעונות במולקולה. מולקולת חלבון טעונה חיובית אם ה-pH של המדיום מתחת לנקודה האיזואלקטרית שלו, ושלילי אם ה-pH של המדיום גבוה מהנקודה האיזואלקטרית של החלבון הנתון. בנקודה האיזואלקטרית, לחלבון המסיסות הנמוכה ביותר והצמיגות הגבוהה ביותר, וכתוצאה מכך המשקעים הקלים ביותר של החלבון מהתמיסה - קרישת חלבון. הנקודה האיזואלקטרית היא אחד הקבועים האופייניים לחלבונים. עם זאת, אם תמיסת החלבון מובאת לנקודה האיזואלקטרית, אז החלבון עצמו עדיין לא משקע. זה נובע מהידרופיליות של מולקולת החלבון.

• 
  גוּפָנִי נכסים חלבונים. 1. באורגניזמים חיים סנאיםנמצאים במצב מוצק ומומס. רב סנאיםהם קריסטלים, לעומת זאת...


• 
  גוּפָנִי-כִּימִי נכסים חלבוניםנקבע על ידי האופי המולקולרי הגבוה שלהם, הקומפקטיות של שרשראות הפוליפפטידים והסידור ההדדי של שאריות חומצות אמינו.


• 
  גוּפָנִי נכסים חלבונים 1. באורגניזמים חיים סנאיםנמצאים במוצק ובדיס. מִיוּן חלבונים. הכל טבעי סנאים(חלבונים) מחולקים לשתי מחלקות גדולות ...


• 
  חומרים שמחוברים אליהם חלבונים (סנאים, פחמימות, שומנים, חומצות גרעין), - ליגנדים. פיזיקו-כִּימִי נכסים חלבונים


• 
  המבנה הראשוני נשמר, אבל הילידים משתנים נכסים סנאיוהפונקציה שבורה. גורמים המובילים לדנטורציה חלבונים


• 
  גוּפָנִי נכסים חלבונים 1. באורגניזמים חיים סנאיםנמצאים במצב מוצק ומומס... עוד ».


• 
  גוּפָנִי-כִּימִי נכסים חלבוניםנקבע על ידי האופי המולקולרי הגבוה שלהם, הקומפקטיות.

צורת מולקולת החלבון. מחקרים על הקונפורמציה המקומית של מולקולות חלבון הראו שלחלקיקים אלו ברוב המקרים יש צורה פחות או יותר אסימטרית. בהתאם למידת האסימטריה, כלומר, היחס בין הציר הארוך (b) והציר (a) הקצר של מולקולת החלבון, חלבונים כדוריים (כדוריים) ופיברילריים (חוטים).

כדוריות הן מולקולות חלבון שבהן קיפול שרשראות פוליפפטידים הוביל להיווצרות מבנה כדורי. ביניהם יש כדורי למהדרין, אליפטי וצורת מוט. הם שונים במידת האסימטריה. לדוגמה, לאלבומין של ביצה יש b/a = 3, לגליאדין חיטה יש 11, ולזאין תירס יש 20. חלבונים רבים בטבע הם כדוריים.

חלבונים פיברילרים יוצרים חוטים ארוכים ואסימטריים מאוד. לרבים מהם יש פונקציה מבנית או מכנית. אלה הם קולגן (b/a - 200), קרטינים, פיברואין.

לחלבונים של כל קבוצה יש תכונות אופייניות משלהם. חלבונים כדוריים רבים מסיסים במים ומדללים תמיסות מלח. חלבונים פיברילרים מסיסים מאופיינים בתמיסות צמיגות מאוד. לחלבונים כדוריים, ככלל, יש ערך ביולוגי טוב - הם נספגים במהלך העיכול, בעוד שחלבונים פיברילרים רבים אינם.

אין גבול ברור בין חלבונים כדוריים ופיברילריים. מספר חלבונים תופסים עמדת ביניים ומשלבים תכונות של כדוריות ופיברילריות כאחד. חלבונים כאלה כוללים, למשל, מיוזין שריר (b/a = 75) ופיברינוגן בדם (b/a = 18). למיוזין יש צורה דמויית מוט, בדומה לצורת חלבונים פיברילרים, אולם, כמו חלבונים כדוריים, הוא מסיס בתמיסות מלח. תמיסות של מיוזין ופיברינוגן הן צמיגות. חלבונים אלו נספגים במהלך העיכול. יחד עם זאת, אקטין, חלבון שריר כדורי, אינו נספג.

דנטורציה של חלבון. הקונפורמציה המקומית של מולקולות חלבון אינה נוקשה, היא די לאבילית (lat. "labilis" - החלקה) ועלולה להיות מופרעת ברצינות תחת מספר השפעות. הפרה של הקונפורמציה הטבעית של חלבון, המלווה בשינוי בתכונותיו הטבעיות מבלי לשבור קשרים פפטידים, נקראת דנטורציה (בלטינית "denaturare" - לשלול את התכונות הטבעיות) של החלבון.

דנטורציה של חלבונים יכולה להיגרם מסיבות שונות המובילות לשיבוש של אינטראקציות חלשות, כמו גם לשבירה של קשרים דיסולפידים המייצבים את המבנה המקומי שלהם.

חימום רוב החלבונים לטמפרטורות מעל 50 מעלות צלזיוס, כמו גם קרינה אולטרה סגולה וסוגים אחרים של קרינה באנרגיה גבוהה, מגבירים את התנודות של האטומים של שרשרת הפוליפפטידים, מה שמוביל לשיבוש של קשרים שונים בהם. אפילו ניעור מכני עלול לגרום לדנטורציה של חלבון.

דנטורציה של חלבון מתרחשת גם עקב התקפה כימית. חומצות חזקות או אלקליות משפיעות על יינון של קבוצות חומציות ובסיסיות, וגורמות לשיבוש של קשרי יוניים וקשרי מימן במולקולות חלבון. אוריאה (H 2 N-CO-NH 2) וממיסים אורגניים - אלכוהולים, פנולים וכו' - שוברים את מערכת קשרי המימן ומחלישים אינטראקציות הידרופוביות במולקולות חלבון (אוריאה - עקב הפרה של מבנה המים, ממיסים אורגניים - עקב יצירת קשרים עם רדיקלים של חומצות אמינו לא קוטביות). מרקפטואתנול הורס קשרי דיסולפיד בחלבונים. יוני מתכת כבדים משבשים אינטראקציות חלשות.

במהלך הדנטורציה מתרחש שינוי בתכונות החלבון וקודם כל ירידה במסיסותו. לדוגמה, כאשר רותחים, חלבונים מקרישים ומשקעים מתמיסות בצורת קרישים (כמו בעת רתיחה ביצה של תרנגולת). משקעים של חלבונים מתמיסות מתרחשים גם בהשפעת משקעי חלבון, המשמשים כחומצה טריכלורואצטית, ריאגנט של ברנשטיין (תערובת של נתרן הידרוקסיד עם גופרת נחושת), תמיסת טאנין וכו'.

במהלך הדנטורציה יורדת יכולת ספיגת המים של החלבון, כלומר יכולתו להתנפח; קבוצות כימיות חדשות עשויות להופיע, למשל: בחשיפה למדדים של קפטואתנול - קבוצות SH. כתוצאה מדנטורציה, החלבון מאבד את פעילותו הביולוגית.

למרות שהמבנה הראשוני של חלבון אינו מושפע מדנטורציה, השינויים הם בלתי הפיכים. אולם, למשל, עם הסרה הדרגתית של אוריאה בדיאליזה מתמיסה של חלבון דנטורציה, מתרחשת חידושו: המבנה הטבעי של החלבון משוחזר, ויחד איתו, במידה זו או אחרת, תכונותיו הטבעיות. דנטורציה כזו נקראת הפיכה.

דנטורציה בלתי הפיכה של חלבונים מתרחשת במהלך ההזדקנות של אורגניזמים. לכן, למשל, לשתול זרעים, גם כאשר תנאים אופטימלייםאחסון, מאבדים בהדרגה את הנביטה שלהם.

דנטורציה של חלבונים מתרחשת בעת אפיית לחם, ייבוש פסטה, ירקות, בזמן בישול וכדומה. כתוצאה מכך, הערך הביולוגי של חלבונים אלו עולה, מאחר שחלבונים דנטורטיים (נהרסים חלקית) נספגים ביתר קלות במהלך העיכול.

נקודה איזואלקטרית של חלבון. חלבונים מכילים קבוצות בסיסיות וחומציות שונות בעלות יכולת יינון. במדיום חומצי חזק, הקבוצות העיקריות (קבוצות אמינו וכו') פרוטונריות באופן פעיל, מולקולות חלבון רוכשות מטען חיובי כולל, ובתווך אלקליין חזק, קבוצות קרבוקסיל מתפרקות בקלות, ומולקולות חלבון רוכשות מטען שלילי כולל.

המקורות למטען חיובי בחלבונים הם הרדיקלים הצדדיים של שאריות ליזין, ארגינין והיסטידין, וקבוצת ה-a-אמינו של שארית חומצת אמינו N-טרמינלית. מקורות המטען השלילי הם הרדיקלים הצדדיים של שאריות חומצה אספרטית וגלוטמית, וקבוצת ה-α-carboxyl של שארית חומצת האמינו המסוף C.

בערך pH מסוים של המדיום, יש שוויון של מטענים חיוביים ושליליים על פני מולקולת החלבון, כלומר, מתברר שהמטען החשמלי הכולל שלה הוא אפס. ערך ה-pH הזה של התמיסה, שבו מולקולת החלבון ניטרלית מבחינה חשמלית, נקרא הנקודה האיזואלקטרית של החלבון (pi).

נקודות איזואלקטריות הן קבועים אופייניים של חלבונים. הם נקבעים על פי הרכב חומצות האמינו והמבנה שלהם: מספר וסידור של שאריות חומצות אמינו חומציות ובסיסיות בשרשרות הפוליפפטידיות. הנקודות האיזואלקטריות של חלבונים, שבהן שולטים שאריות חומצות אמינו חומציות, ממוקמות באזור ה-pH.<7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот - в области рН>7. הנקודות האיזואלקטריות של רוב החלבונים נמצאות בסביבה מעט חומצית.

במצב איזואלקטרי, לתמיסות חלבון יש צמיגות מינימלית. זה נובע משינוי בצורת מולקולת החלבון. בנקודה האיזואלקטרית, קבוצות טעונות הפוך נמשכות זו לזו, והחלבונים מתפתלים לכדורים. כאשר ה-pH עובר מהנקודה האיזואלקטרית, קבוצות טעונות דומות זו מזו, ומולקולות החלבון נפרשות. במצב לא מקופל, מולקולות חלבון נותנות לתמיסות צמיגות גבוהה יותר מאשר מגולגלת לכדורים.

בנקודה האיזואלקטרית, לחלבונים יש מסיסות מינימלית ויכולים לזרז בקלות.

עם זאת, משקעים של חלבונים בנקודה האיזואלקטרית עדיין לא מתרחשים. זה נמנע על ידי מולקולות מים מובנות ששומרות על חלק ניכר מרדיקלי חומצות אמינו הידרופוביות על פני השטח של כדוריות חלבון.

ניתן לזרז חלבונים באמצעות ממסים אורגניים (אלכוהול, אצטון), המשבשים את מערכת המגעים ההידרופוביים במולקולות החלבון, וכן ריכוזי מלחים גבוהים (המלחה), המפחיתים את ההידרציה של כדוריות חלבון. במקרה האחרון, חלק מהמים הולך להמסת המלח ומפסיק להשתתף בהמסה של החלבון. תמיסה כזו, עקב מחסור בממס, הופכת לעל-רוויה, מה שגורר משקעים של חלק ממנה במשקע. מולקולות חלבון מתחילות להיצמד זו לזו, ויוצרות חלקיקים גדולים יותר ויותר, משקעים בהדרגה מתוך התמיסה.

תכונות אופטיות של חלבון. לפתרונות של חלבונים יש פעילות אופטית, כלומר, היכולת לסובב את מישור הקיטוב של האור. תכונה זו של חלבונים נובעת מנוכחותם של יסודות א-סימטריים במולקולות שלהם - אטומי פחמן א-סימטריים ו-a-helix ימני.

כאשר חלבון עובר דנטורציה, התכונות האופטיות שלו משתנות, מה שקשור להרס של ה-a-helix. המאפיינים האופטיים של חלבונים דנטורטיים לחלוטין תלויים רק בנוכחותם של אטומי פחמן אסימטריים בהם.

לפי ההבדל בביטוי התכונות האופטיות של החלבון לפני ואחרי הדנטורציה, ניתן לקבוע את מידת הספירליזציה שלו.

תגובות איכותיות לחלבונים. חלבונים מאופיינים בתגובות צבע עקב נוכחותן של קבוצות כימיות מסוימות בהם. תגובות אלו משמשות לעתים קרובות לזיהוי חלבונים.

כאשר מוסיפים לתמיסת החלבון נחושת סולפט ואלקלי, מופיע צבע לילך, הקשור להיווצרות קומפלקסים של יוני נחושת עם קבוצות פפטידים של החלבון. מכיוון שהתגובה הזו נותנת ביורט (H 2 N-CO-NH-CO-NH 2), זה נקרא ביורט. הוא משמש לעתים קרובות לקביעה כמותית של חלבון, יחד עם שיטת I. Kjeldahl, שכן עוצמת הצבע המתקבל היא פרופורציונלית לריכוז החלבון בתמיסה.

כאשר מחממים תמיסות חלבון עם חומצה חנקתית מרוכזת, מופיע צבע צהוב עקב היווצרות נגזרות ניטרו של חומצות אמינו ארומטיות. תגובה זו נקראת xantoprotein("קסנתוס" ביוונית - צהוב).

תמיסות חלבון רבות, כאשר הן מחוממות, מגיבות עם תמיסת חנקתית של כספית, היוצרת תרכובות מורכבות ארגמן עם פנולים ונגזרותיהם. זהו מבחן מילון איכותי עבור טירוזין.

כתוצאה מחימום רוב תמיסות החלבון עם עופרת אצטט במדיום אלקליין, משקע שחור של עופרת גופרתי. תגובה זו משמשת לזיהוי חומצות אמינו המכילות גופרית והיא נקראת תגובת Fohl.

חלבונים-אלו הם פולימרים טבעיים בעלי מולקולרי גבוה (משקל מולקולרי נע בין 5-10 אלף למיליון או יותר), שהמולקולות שלהם בנויות משאריות חומצות אמינו המחוברות בקשר אמיד (פפטיד).

חלבונים נקראים גם חלבונים (מיוונית "פרוטוס" - הראשון, חשוב). מספר שיירי חומצות האמינו במולקולת חלבון משתנה מאוד ולעיתים מגיע לכמה אלפים. לכל חלבון יש רצף משלו של שאריות חומצות אמינו.

חלבונים מבצעים מגוון פונקציות ביולוגיות: קטליטי (אנזימים), רגולטורי (הורמונים), מבניים (קולגן, פיברואין), מוטורי (מיוזין), הובלה (המוגלובין, מיוגלובין), מגן (אימונוגלובולינים, אינטרפרון), חילוף (קזאין, אלבומין, גליאדין) ואחרים.

חלבונים הם הבסיס לביו-ממברנות, החלק החשוב ביותר בתא וברכיבים התאיים. הם ממלאים תפקיד מפתח בחיי התא, ויוצרים, כביכול, את הבסיס החומרי לפעילותו הכימית.

תכונה יוצאת דופן של חלבון - מבנה ארגון עצמי, כלומר, היכולת שלו ליצור באופן ספונטני מבנה מרחבי ספציפי שמיוחד רק לחלבון נתון. בעיקרו של דבר, כל הפעילויות של הגוף (התפתחות, תנועה, ביצוע תפקודים שונים ועוד הרבה יותר) קשורות לחומרי חלבון. אי אפשר לדמיין חיים בלי חלבונים.

חלבונים הם המרכיב החשוב ביותר במזון לבני אדם ולבעלי חיים, ספק של חומצות אמינו חיוניות.

מבנה החלבונים

במבנה המרחבי של חלבונים יש חשיבות רבה לאופי הרדיקלים (השאריות) R- במולקולות חומצות אמינו. רדיקלים לא קוטביים של חומצות אמינו ממוקמים בדרך כלל בתוך מקרומולקולת החלבון וגורמים לאינטראקציות הידרופוביות; רדיקלים קוטביים המכילים קבוצות יונוגניות (יוצרות יונים) ממוקמים בדרך כלל על פני השטח של מקרומולקולת חלבון ומאפיינים אינטראקציות אלקטרוסטטיות (יוניות). רדיקלים לא-יוניים קוטביים (לדוגמה, המכילים קבוצות OH של אלכוהול, קבוצות אמיד) יכולים להיות ממוקמים הן על פני השטח והן בתוך מולקולת החלבון. הם משתתפים ביצירת קשרי מימן.

במולקולות חלבון, חומצות אמינו α מקושרות ביניהן על ידי קשרי פפטיד (-CO-NH-):

שרשראות הפוליפפטיד הבנויות בצורה זו או מקטעים נפרדים בתוך שרשרת הפוליפפטיד יכולים במקרים מסוימים להיות מחוברים זה לזה בנוסף על ידי קשרי דיסולפיד (-S-S-) או, כפי שהם נקראים לעתים קרובות, גשרים דיסולפידים.

תפקיד חשוב ביצירת מבנה החלבונים ממלאים קשרי יוני (מלח) ומימן, כמו גם אינטראקציה הידרופוביה - סוג מיוחדמגע בין רכיבים הידרופוביים של מולקולות חלבון בתווך מימי. לכל הקשרים הללו חוזק שונה ומספקים היווצרות של מולקולת חלבון מורכבת וגדולה.

למרות ההבדל במבנה ובפונקציות של חומרי חלבון, הרכב היסודות שלהם משתנה מעט (באחוזים מהמסה היבשה): פחמן - 51-53; חמצן - 21.5-23.5; חנקן - 16.8-18.4; מימן - 6.5-7.3; גופרית - 0.3-2.5.

חלק מהחלבונים מכילים כמויות קטנות של זרחן, סלניום ואלמנטים אחרים.

הרצף של שיירי חומצות אמינו בשרשרת פוליפפטידים נקרא מבנה ראשוני של החלבון.

מולקולת חלבון עשויה להיות מורכבת משרשרת פוליפפטיד אחת או יותר, שכל אחת מהן מכילה מספר שונהשאריות חומצות אמינו. בהתחשב במספר השילובים האפשריים שלהם, ניתן לומר שמגוון החלבונים הוא כמעט בלתי מוגבל, אך לא כולם קיימים בטבע.

המספר הכולל של סוגים שונים של חלבונים בכל סוגי האורגניזמים החיים הוא 10 11 -10 12. לחלבונים, שמבנהם מורכב ביותר, בנוסף לראשוני, יש עוד רמות גבוהותארגון מבני: מבנים משניים, שלישוניים ולעיתים מבנים רבעוניים.

מבנה משנימחזיק ברוב החלבונים, עם זאת, לא תמיד בכל שרשרת הפוליפפטיד. שרשראות פוליפפטידיות בעלות מבנה משני מסוים יכולות להיות מסודרות בצורה שונה בחלל.

בגיבוש מבנה שלישוני, בנוסף לקשרי מימן, אינטראקציות יוניות והידרופוביות ממלאות תפקיד חשוב. לפי אופי ה"אריזה" של מולקולת החלבון, כַּדוּרִי, או כדורי, ו סִיבִיחלבונים, או חוטיים, (טבלה 12).

עבור חלבונים כדוריים, מבנה א-סלילי אופייני יותר, הסלילים מעוקלים, "מקופלים". למקרומולקולה יש צורה כדורית. הם מתמוססים במים ובתמיסות מלוחות ליצירת מערכות קולואידיות. רוב חלבוני החי, הצומח והמיקרואורגניזם הם חלבונים כדוריים.

עבור חלבונים פיברילרים, מבנה חוטי אופייני יותר. בדרך כלל הם אינם מתמוססים במים. חלבונים פיברילרים בדרך כלל מבצעים פונקציות של יצירת מבנה. תכונותיהם (חוזק, יכולת מתיחה) תלויות באופן ארוזות שרשראות הפוליפפטיד. דוגמה לחלבונים פיברילרים הם מיוזין, קרטין. במקרים מסוימים, תת-יחידות חלבון בודדות יוצרות אנסמבלים מורכבים בעזרת קשרי מימן, אינטראקציות אלקטרוסטטיות ואחרות. במקרה זה, זה נוצר מבנה רבעוניחלבונים.

המוגלובין בדם הוא דוגמה לחלבון בעל מבנה רבעוני. רק עם מבנה כזה הוא מבצע את תפקידיו - קושרת חמצן והובלתו לרקמות ולאיברים.

עם זאת, יש לציין כי המבנה הראשוני ממלא תפקיד יוצא דופן בארגון של מבני חלבון גבוהים יותר.

סיווג חלבון

ישנם מספר סיווגים של חלבונים:

1. לפי דרגת הקושי (פשוט ומורכב).
2. לפי צורת המולקולות (חלבונים כדוריים ופיברילריים).
3. לפי מסיסות בממיסים בודדים (מסיסי מים, מסיסים בתמיסות מלוחות מדוללות - אלבומינים, מסיסים באלכוהול - פרולמינים, מסיס באלקליות מדוללות וחומצות - גלוטלינים).
4. על פי התפקודים המבוצעים (למשל, חלבוני אחסון, שלד וכו').

תכונות חלבון

חלבונים הם אלקטרוליטים אמפוטריים. בערך pH מסוים של המדיום (היא נקראת נקודה איזואלקטרית), מספר המטענים החיוביים והשליליים במולקולת החלבון זהה. זוהי אחת התכונות העיקריות של חלבון. החלבונים בשלב זה הם ניטרליים מבחינה חשמלית, והמסיסות שלהם במים היא הנמוכה ביותר. היכולת של חלבונים להפחית את המסיסות כאשר המולקולות שלהם הופכות לנייטרליות חשמלית משמשת לבידוד מתמיסות, למשל, בטכנולוגיה של השגת מוצרי חלבון.

הִידרָצִיָה. תהליך ההידרציה פירושו קשירת מים על ידי חלבונים, בעוד שהם מציגים תכונות הידרופיליות: הם מתנפחים, מסתם ונפחם גדלים. הנפיחות של חלבונים בודדים תלויה אך ורק במבנה שלהם. קבוצות האמיד ההידרופיליות (-CO-NH-, קשר פפטיד), האמינים (-NH 2) והקרבוקסיל (-COOH) הקיימות בהרכב וממוקמות על פני מקרומולקולת החלבון מושכות מולקולות מים, ומכוונות אותן בקפדנות על פני השטח. של המולקולה. מעטפת ההידרציה (המים) המקיפה את כדוריות החלבון מונעת הצטברות ושקיעה, וכתוצאה מכך תורמת ליציבות תמיסות החלבון. בנקודה האיזואלקטרית, לחלבונים יש את היכולת הנמוכה ביותר לקשור מים, מעטפת ההידרציה מסביב למולקולות החלבון נהרסת, ולכן הם מתאחדים ויוצרים אגרגטים גדולים. אגרגציה של מולקולות חלבון מתרחשת גם במהלך התייבשותן בעזרת כמה ממסים אורגניים, למשל, אלכוהול אתילי. זה מוביל למשקעים של חלבונים. כאשר ה-pH של המדיום משתנה, מקרומולקולת החלבון נעשית טעונה, ויכולת ההידרציה שלה משתנה.

עם נפיחות מוגבלת, תמיסות חלבון מרוכזות יוצרות מערכות מורכבות הנקראות ג'לי.

הג'לי אינם נוזליים, אלסטיים, בעלי פלסטיות, חוזק מכני מסוים ומסוגלים לשמור על צורתם. חלבונים כדוריים יכולים להיות hydrated לחלוטין, להתמוסס במים (לדוגמה, חלבוני חלב), ליצור פתרונות בריכוז נמוך. לתכונות ההידרופיליות של חלבונים, כלומר ליכולתם להתנפח, ליצור ג'לי, לייצב תרחיפים, תחליבים וקצפים, יש חשיבות רבה בביולוגיה ובתעשיית המזון. ג'לי נייד מאוד, הבנוי בעיקר ממולקולות חלבון, הוא הציטופלזמה - גלוטן גולמי המבודד מבצק חיטה; הוא מכיל עד 65% מים. ההידרופיליות השונה של חלבוני הגלוטן היא אחד הסימנים המאפיינים את איכות גרגר החיטה והקמח המתקבל ממנו (מה שנקרא חיטה חזקה וחלשה). ההידרופיליות של חלבוני דגנים וקמח ממלאת תפקיד חשוב באחסון ועיבוד של דגנים, באפייה. הבצק, המתקבל בתעשיית האפייה, הוא חלבון נפוח במים, ג'לי מרוכז המכיל גרגרי עמילן.

דנטורציה של חלבון. במהלך הדנטורציה, בהשפעת גורמים חיצוניים (טמפרטורה, פעולה מכנית, פעולת חומרים כימיים ועוד מספר גורמים), מתרחש שינוי במבנים המשניים, השלישוניים והרבעוניים של מקרומולקולת החלבון, כלומר, המקור שלה. מבנה מרחבי. המבנה הראשוני, ולכן תרכובת כימיתחלבונים לא משתנים. תכונות פיזיקליות משתנות: המסיסות יורדת, יכולת לחות, פעילות ביולוגית אובדת. צורת מקרומולקולת החלבון משתנה, מתרחשת צבירה. במקביל, הפעילות של כמה קבוצות כימיות עולה, ההשפעה של אנזימים פרוטאוליטיים על חלבונים מוקלת, וכתוצאה מכך היא עוברת הידרוליזה בקלות רבה יותר.

בטכנולוגיית המזון, דנטורציה תרמית של חלבונים היא בעלת חשיבות מעשית במיוחד, שמידתו תלויה בטמפרטורה, משך החימום והלחות. יש לזכור זאת כאשר מפתחים שיטות טיפול בחום של חומרי גלם למזון, מוצרים מוגמרים למחצה ולעיתים מוצרים מוגמרים. לתהליכי הדנטורציה התרמית תפקיד מיוחד בהלבנת חומרי גלם צמחיים, ייבוש תבואה, אפיית לחם והשגת פסטה. דנטורציה של חלבון יכולה להיגרם גם על ידי פעולה מכנית (לחץ, שפשוף, ניעור, אולטרסאונד). לבסוף, פעולתם של ריאגנטים כימיים (חומצות, אלקליות, אלכוהול, אצטון) מובילה לדנטורציה של חלבונים. כל הטכניקות הללו נמצאות בשימוש נרחב בתחום המזון והביוטכנולוגיה.

הַקצָפָה. תהליך ההקצפה מובן כיכולת של חלבונים ליצור מערכות נוזל-גז מרוכזות במיוחד, הנקראות קצף. יציבות הקצף, שבו החלבון הוא חומר נופח, תלויה לא רק באופי ובריכוז שלו, אלא גם בטמפרטורה. חלבונים כסוכני קצף נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הממתקים (מרשמלו, מרשמלו, סופלה). במבנה הקצף יש לחם, וזה משפיע על טעמו.

מולקולות חלבון בהשפעת מספר גורמים יכולות להיהרס או לקיים אינטראקציה עם חומרים אחרים ליצירת מוצרים חדשים. עבור תעשיית המזון, ניתן להבחין בין שני תהליכים חשובים:

1) הידרוליזה של חלבונים תחת פעולת אנזימים;

2) אינטראקציה של קבוצות אמינו של חלבונים או חומצות אמינו עם קבוצות קרבוניל של סוכרים מפחיתים.

בהשפעת אנזימי פרוטאז המזרזים את הביקוע ההידרוליטי של חלבונים, האחרונים מתפרקים למוצרים פשוטים יותר (פולי ודיפפטידים) ובסופו של דבר לחומצות אמינו. קצב ההידרוליזה של החלבון תלוי בהרכבו, במבנה המולקולרי, בפעילות האנזים ובתנאים.

הידרוליזה של חלבון.תגובת ההידרוליזה עם היווצרות חומצות אמינו במונחים כלליים יכולה להיכתב באופן הבא:

שְׂרֵפָה. חלבונים נשרפים עם היווצרות של חנקן, פחמן דו חמצני ומים, כמו גם כמה חומרים אחרים. שריפה מלווה בריח האופייני של נוצות שרופות.

תגובות צבע לחלבונים. ל הגדרה איכותיתחלבונים משתמשים בתגובות הבאות:

1) xantoprotein,שבו מתרחשת האינטראקציה של מחזורים ארומטיים והטרואטומיים במולקולת החלבון עם חומצה חנקתית מרוכזת, מלווה בהופעת צבע צהוב.

2) ביורה, שבו תמיסות אלקליות חלשות של חלבונים מקיימות אינטראקציה עם תמיסה של נחושת גופרתית (II) עם היווצרות תרכובות מורכבות בין יוני Cu 2+ ופוליפפטידים. התגובה מלווה בהופעת צבע כחול-סגול.

5. פונקציה רגולטורית . חלבונים מבצעים את הפונקציות של חומרי איתות - חלק מההורמונים, ההיסטו הורמונים והנוירוטרנסמיטורים, הם קולטנים לאיתות חומרים מכל מבנה, מספקים העברת אותות נוספת בשרשרות האיתות הביוכימיות של התא. דוגמאות לכך הן הורמון הגדילה סומטוטרופין, הורמון האינסולין, קולטנים H-ו-M-כולינרגיים.

6. תפקוד מוטורי. בעזרת חלבונים מתבצעים תהליכי התכווצות ותנועה ביולוגית אחרת. דוגמאות הן טובולין, אקטין, מיוזין.

7. פונקציית חילוף. צמחים מכילים חלבוני אחסון, שהם חומרים מזינים יקרי ערך באורגניזמים של בעלי חיים. חלבוני שרירמשמשים כחומרי מזון רזרביים שמתגייסים בעת הצורך.

חלבונים מאופיינים בנוכחות של מספר רמות ארגון מבני.

מבנה ראשוניחלבון הוא רצף של שיירי חומצות אמינו בשרשרת פוליפפטידים. קשר פפטיד הוא קשר קרבוקסמיד בין קבוצת α-carboxyl של חומצת אמינו אחת לקבוצת α-amino של חומצת אמינו אחרת.

alanylphenylalanylcysteylproline

U n קשר אפטידיש כמה תכונות:

א) הוא מיוצב תהודה ולכן ממוקם כמעט באותו מישור - הוא מישורי; סיבוב סביב הקשר C-N דורש הרבה אנרגיה וקשה;

ב) לקשר -CO-NH- יש אופי מיוחד, הוא פחות מהרגיל, אבל יותר מכפול, כלומר יש טאוטומריזם קטואנול:

ג) תחליפים ביחס לקשר הפפטיד נמצאים ב טְרַנס-עמדה;

ד) עמוד השדרה של הפפטיד מוקף בשרשראות צד בעלות אופי שונה, באינטראקציה עם מולקולות הממס שמסביב, קבוצות קרבוקסיל ואמיניות חופשיות מיוננות, ויוצרות מרכזים קטיוניים ואניונים של מולקולת החלבון. בהתאם ליחס ביניהם, מולקולת החלבון מקבלת מטען חיובי או שלילי כולל, ומאופיינת גם בערך pH כזה או אחר של התווך כאשר מגיעים לנקודה האיזואלקטרית של החלבון. רדיקלים יוצרים גשרים של מלח, אתר, דיסולפיד בתוך מולקולת החלבון, וגם קובעים את טווח התגובות הטבועות בחלבונים.

כַּיוֹםהוסכם לשקול פולימרים המורכבים מ-100 שאריות חומצות אמינו או יותר כחלבונים, פולימרים המורכבים מ-50-100 שאריות חומצות אמינו כפוליפפטידים, ופולימרים המורכבים מפחות מ-50 שאריות חומצות אמינו כפפטידים במשקל מולקולרי נמוך.

כמה משקל מולקולרי נמוךפפטידים משחקים עצמאי תפקיד ביולוגי. דוגמאות לכמה מהפפטידים הללו:

גלוטתיון - γ-glu-cis-gli - אחדמבין הפפטידים התוך-תאיים הנפוצים ביותר, הוא לוקח חלק בתהליכי חיזור בתאים ובהעברת חומצות אמינו דרך ממברנות ביולוגיות.

קרנוזין - β-ala-gis - פפטיד,הכלול בשרירים של בעלי חיים, מבטל את תוצרי החמצן של שומנים, מאיץ את פירוק הפחמימות בשרירים ומעורב במטבוליזם האנרגיה בשרירים בצורה של פוספט.

Vasopressin הוא הורמון של בלוטת יותרת המוח האחורית המעורב בוויסות חילוף החומרים של המים בגוף:

פאלואידין- פוליפפטיד רעיל של אגרטל זבוב, בריכוזים זניחים גורם למוות של הגוף עקב שחרור אנזימים ויוני אשלגן מהתאים:

גראמיצידין - אַנטִיבִּיוֹטִי, הפועל על חיידקים גרם חיוביים רבים, משנה את החדירות של ממברנות ביולוגיות עבור תרכובות במשקל מולקולרי נמוך וגורם למוות של תאים:

נפגש-enkephalin - thyr-gli-gli-fen-met - פפטיד המסונתז בנוירונים ומקל על כאב.

מבנה משני של חלבון- זהו מבנה מרחבי הנובע מאינטראקציות בין הקבוצות הפונקציונליות של עמוד השדרה הפפטיד.

שרשרת הפפטידים מכילהקבוצות CO ו-NH רבות של קשרי פפטידים, שכל אחת מהן מסוגלת להשתתף ביצירת קשרי מימן. ישנם שני סוגים עיקריים של מבנים המאפשרים לזה לקרות: α-helix, שבו השרשרת מתפתלת כמו חוט טלפון, ומבנה β-קפלים, שבו מוערמים מקטעים מוארכים של שרשרת אחת או יותר זה לצד זה. שני המבנים הללו יציבים מאוד.

α-Helix מאופייןאריזה צפופה במיוחד של שרשרת הפוליפפטיד המעוותת, לכל סיבוב של הסליל הימני יש 3.6 שיירי חומצות אמינו, שהרדיקלים שלהן תמיד מכוונים החוצה ומעט אחורה, כלומר לתחילת שרשרת הפוליפפטיד.

המאפיינים העיקריים של α-helix:

1) הסליל α מיוצב על ידי קשרי מימן בין אטום המימן בחנקן של קבוצת הפפטידים לבין החמצן הקרבונילי של השארית, במרחק ארבעה מיקומים מהנתון לאורך השרשרת;

2) כל קבוצות הפפטידים משתתפות ביצירת קשר מימן, המבטיח יציבות מקסימלית של α-helix;

3) כל אטומי החנקן והחמצן של קבוצות הפפטידים מעורבים ביצירת קשרי מימן, מה שמפחית משמעותית את ההידרופיליות של אזורים α-סליליים ומגביר את ההידרופוביות שלהם;

4) α-helix נוצר באופן ספונטני והוא המבנה היציב ביותר של שרשרת הפוליפפטיד, המקביל למינימום של אנרגיה חופשית;

5) בשרשרת הפוליפפטידית של חומצות אמינו L, הסליל הימני, שנמצא בדרך כלל בחלבונים, יציב הרבה יותר מהסליל השמאלי.

אפשרות להיווצרות α-helixבשל המבנה הראשוני של החלבון. כמה חומצות אמינו מונעות מעמוד השדרה של הפפטיד להתפתל. לדוגמה, קבוצות קרבוקסיל סמוכות של גלוטמט ואספרטט דוחות זו את זו, מה שמונע היווצרות של קשרי מימן בסליל α. מאותה סיבה, סלילת השרשרת קשה במקומות של שאריות ליזין וארגינין בעלי מטען חיובי הממוקמים קרוב זה לזה. עם זאת, פרולין ממלא את התפקיד הגדול ביותר בשבירת הסליל α. ראשית, בפרולין, אטום החנקן הוא חלק מטבעת נוקשה, המונעת סיבוב מסביב חיבורי N-Cשנית, פרולין אינו יוצר קשר מימן עקב היעדר מימן באטום החנקן.

קיפול β הוא מבנה שכבותנוצר על ידי קשרי מימן בין שברי פפטידים מסודרים ליניארי. שתי השרשראות עשויות להיות עצמאיות או שייכות לאותה מולקולת פוליפפטיד. אם השרשראות מכוונות באותו כיוון, אז מבנה β כזה נקרא מקביל. במקרה של כיוון הפוך של השרשראות, כלומר כאשר קצה ה-N של שרשרת אחת חופף לקצה ה-C של השרשרת השנייה, מבנה ה-β נקרא אנטי מקביל. מבחינה אנרגטית, קיפול β אנטי מקביל עם גשרי מימן כמעט ליניאריים עדיף יותר.

קיפול β מקביל אנטי מקביל קיפול β

בניגוד ל-α-helixרווי בקשרי מימן, כל חלק בשרשרת מתקפלת β פתוח ליצירת קשרי מימן נוספים. רדיקלים הצדדיים של חומצות האמינו מכוונים כמעט בניצב למישור העלה, לסירוגין למעלה ולמטה.

איפה שרשרת הפפטידיםמתכופף בצורה תלולה למדי, לעתים קרובות נמצא לולאת β. זהו קטע קצר שבו 4 שיירי חומצות אמינו מכופפים ב-180 o ומיוצבים על ידי גשר מימן אחד בין השרידים הראשון והרביעי. רדיקלים גדולים של חומצות אמינו מפריעים להיווצרות לולאת β, ולכן היא כוללת לרוב את חומצת האמינו הקטנה ביותר, גליצין.

מבנה חלבון על משני- זהו סדר מסוים של החלפה של מבנים משניים. תחום מובן כחלק נפרד ממולקולת חלבון, שיש לה מידה מסוימת של אוטונומיה מבנית ותפקודית. כעת תחומים נחשבים למרכיבים בסיסיים במבנה של מולקולות חלבון, והיחס והאופי של הפריסה של α-helices ושכבות β מספקים יותר להבנת האבולוציה של מולקולות חלבון ויחסים פילוגנטיים מאשר השוואה של מבנים ראשוניים.

המשימה העיקריתהאבולוציה היאבניית חלבונים חדשים. יש סיכוי אינסופי לסנתז רצף חומצות אמינו כזה במקרה שיעמוד בתנאי האריזה ויבטיח את מילוי המשימות הפונקציונליות. לכן, לרוב ישנם חלבונים בעלי תפקידים שונים, אך דומים במבנה עד כדי כך שנראה שהיה להם אב קדמון משותף או התפתחו זה מזה. נראה שהאבולוציה, מול הצורך לפתור בעיה מסוימת, מעדיפה לא לתכנן לכך חלבונים תחילה, אלא להתאים לכך מבנים מבוססים כבר, ולהתאים אותם למטרות חדשות.

כמה דוגמאות למבנים על-משניים שחוזרים על עצמם לעיתים קרובות:

1) αα' - חלבונים המכילים רק סלילי α (מיוגלובין, המוגלובין);

2) ββ' - חלבונים המכילים רק מבני β (אימונוגלובולינים, סופראוקסיד דיסמוטאז);

3) βαβ' - מבנה ה-β-חבית, כל שכבת β ממוקמת בתוך הקנה ומזוהה עם α-helix הממוקם על פני המולקולה (טריוז פוספואיזומראז, lactate dehydrogenase);

4) "אצבע אבץ" - שבר חלבון המורכב מ-20 שיירי חומצות אמינו, אטום האבץ מקושר לשני שיירי ציסטאין ושני היסטידין, וכתוצאה מכך "אצבע" של כ-12 שיירי חומצות אמינו, יכול להיקשר לרגולטורית אזורים של מולקולת ה-DNA;

5) "רוכסן לאוצין" - לחלבונים המקיימים אינטראקציה יש אזור α-סלילי המכיל לפחות 4 שאריות לאוצין, הם ממוקמים 6 חומצות אמינו בנפרד זו מזו, כלומר, הם ממוקמים על פני השטח של כל סיבוב שני ויכולים ליצור הידרופוביות קשרים עם שאריות לאוצין חלבון אחר. בעזרת רוכסני לאוצין, למשל, ניתן לשלב מולקולות של חלבוני היסטון בסיסיים מאוד לקומפלקסים, תוך התגברות על מטען חיובי.

מבנה שלישוני של חלבון- זהו הסידור המרחבי של מולקולת החלבון, המיוצבת על ידי קשרים בין הרדיקלים הצדדיים של חומצות אמינו.

סוגי קשרים המייצבים את המבנה השלישוני של חלבון:

אלקטרוסטטי מימן הידרופובי דיסולפיד אינטראקציות קשרים אינטראקציות קשרים

תלוי בקיפולחלבונים במבנה שלישוני ניתן לסווג לשני סוגים עיקריים - פיברילרי וכדורי.

חלבונים פיברילרים- מולקולות חוטיות ארוכות שאינן מסיסות במים, ששרשרות הפוליפפטיד שלהן נמשכות לאורך ציר אחד. אלו הם בעיקר חלבונים מבניים ומתכווצים. כמה דוגמאות לחלבונים הפיברילריים הנפוצים ביותר הם:

1. α-קרטינים. מסונתז על ידי תאי אפידרמיס. הם מהווים כמעט את כל המשקל היבש של שיער, צמר, נוצות, קרניים, ציפורניים, טפרים, מחטים, קשקשים, פרסות ושריון צב, כמו גם חלק משמעותי ממשקל השכבה החיצונית של העור. זוהי משפחה שלמה של חלבונים, הם דומים בהרכב חומצות אמינו, מכילים שרידי ציסטאין רבים ויש להם אותו סידור מרחבי של שרשראות פוליפפטידים.

בתאי שיער, שרשראות פוליפפטידים של קרטיןמאורגן תחילה לסיבים, מהם נוצרים מבנים כמו חבל או כבל מעוות, שבסופו של דבר ממלא את כל חלל התא. במקביל, תאי השערה הופכים לשטחים ולבסוף מתים, ודפנות התא יוצרים מעטפת צינורית מסביב לכל שערה, הנקראת קוטיקולה. ב-α-keratin, שרשראות הפוליפפטיד הן בצורת סליל α, מעוותות אחת סביב השנייה לכבל תלת ליבות עם יצירת קשרי דיסולפיד צולבים.

ממוקמים שאריות N-טרמינליותבצד אחד (מקביל). קרטינים אינם מסיסים במים בשל הדומיננטיות של חומצות אמינו עם רדיקלי לוואי לא קוטביים בהרכבן, המופנים לכיוון הפאזה המימית. במהלך הסלסול מתרחשים התהליכים הבאים: תחילה נהרסים גשרים דיסולפידים על ידי הפחתה עם תיולים, ולאחר מכן, כאשר השיער מקבל את הצורה הדרושה, הוא מיובש בחימום, כאשר עקב חמצון עם חמצן אוויר נוצרים גשרים דיסולפידים חדשים השומרים על צורת התסרוקת.

2. β-קרטינים. אלה כוללים פיברואין משי וקורי עכביש. הן שכבות אנטי מקבילות β עם דומיננטיות של גליצין, אלנין וסרין בהרכב.

3. קולגן. החלבון הנפוץ ביותר בבעלי חיים גבוהים יותר והחלבון הפיברילרי העיקרי של רקמות החיבור. קולגן מסונתז בפיברובלסטים ובכונדרוציטים - תאים מיוחדים רקמת חיבור, שממנו הוא נפלט לאחר מכן. סיבי קולגן נמצאים בעור, בגידים, בסחוס ובעצמות. הם אינם נמתחים, עולים על חוט הפלדה בחוזקם, סיבים של קולגן מאופיינים בפסים רוחביים.

סיבי כאשר רותחים אותו במים, קולגן בלתי מסיס ובלתי ניתן לעיכול הופך לג'לטין כתוצאה מהידרוליזה של כמה קשרים קוולנטיים. קולגן מכיל 35% גליצין, 11% אלנין, 21% פרולין ו-4-הידרוקסיפרולין (חומצת אמינו שנמצאת רק בקולגן ובאלסטין). הרכב זה קובע את הערך התזונתי הנמוך יחסית של ג'לטין כחלבון מזון. סיבים של קולגן מורכבים מתת-יחידות פוליפפטידיות חוזרות הנקראות טרופקולגן. יחידות משנה אלו מסודרות לאורך הפיבריל בצורה של צרורות מקבילים בצורה של ראש אל זנב. הזזת הראשים מעניקה את הפסים הרוחביים האופייניים. חללים במבנה זה, במידת הצורך, יכולים לשמש כאתר לשקיעה של גבישים של hydroxyapatite Ca 5 (OH)(PO 4) 3, אשר ממלא תפקיד חשוב במינרליזציה של העצם.

תת-יחידות טרופיקולגן הןשל שלוש שרשראות פוליפפטידים, מעוותות בחוזקה בצורה של חבל תלת ליבות, שונה מ-α-ו-β-keratins. בחלק מהקולגנים, לכל שלוש השרשראות רצף חומצות אמינו זהה, בעוד שבאחרים רק שתי שרשראות זהות, והשלישית שונה מהן. שרשרת הפוליפפטיד הטרופוקולגן יוצרת סליל שמאלי, עם שלושה שיירי חומצות אמינו בלבד בכל סיבוב עקב כיפוף שרשרת שנגרם על ידי פרולין והידרוקסיפרולין. שלוש שרשראות מחוברות זו לזו, בנוסף לקשרי מימן, על ידי קשר מסוג קוולנטי הנוצר בין שני שיירי ליזין הממוקמים בשרשראות סמוכות:

ככל שאנו מתבגרים, מספר הולך וגדל של קישורים צולבים נוצרים בתוך ובין תת-יחידות טרופיקולגן, מה שהופך את ספירמי הקולגן לנוקשים יותר ושבירים, וזה משנה את התכונות המכניות של סחוס וגידים, הופך את העצמות לשבירות יותר ומפחית את השקיפות של הקרנית של העין.

4. אלסטין. כלול ברקמה האלסטית הצהובה של הרצועות ובשכבה האלסטית של רקמת החיבור בדפנות העורקים הגדולים. תת-היחידה העיקרית של סיבי האלסטין היא טרופואלסטין. האלסטין עשיר בגליצין ובאלנין, מכיל הרבה ליזין ומעט פרולין. החלקים הסליליים של האלסטין נמתחים כאשר הם נמתחים, אך חוזרים לאורכם המקורי כאשר העומס מוסר. שיירי הליזין של ארבע השרשראות השונות יוצרים קשרים קוולנטיים זה עם זה ומאפשרים לאלסטין להימתח בצורה הפיכה לכל הכיוונים.

חלבונים כדוריים- חלבונים, ששרשרת הפוליפפטיד שלהם מקופלת לכדור קומפקטי, מסוגלים לבצע מגוון רחב של פונקציות.

המבנה השלישוני של חלבונים כדורייםבו הכי נוח לשקול את הדוגמה של מיוגלובין. מיוגלובין הוא חלבון קושר חמצן קטן יחסית המצוי בתאי שריר. הוא אוגר חמצן קשור ומקדם את העברתו למיטוכונדריה. מולקולת המיוגלובין מכילה שרשרת פוליפפטידית אחת והמוקבוצת (heme) אחת - קומפלקס של פרוטופורפירין עם ברזל.

מאפיינים בסיסיים מיוגלובין:

א) מולקולת המיוגלובין כל כך קומפקטית שרק 4 מולקולות מים יכולות להיכנס לתוכה;

ב) כל שיירי חומצות האמינו הקוטביות, למעט שניים, ממוקמים על פני השטח החיצוניים של המולקולה, וכולם במצב hydrated;

ג) רוב שאריות חומצות האמינו ההידרופוביות ממוקמות בתוך מולקולת המיוגלובין, ולכן, מוגנים ממגע עם מים;

ד) כל אחד מארבעת שיירי הפרולין במולקולת המיוגלובין ממוקם בעיקול שרשרת הפוליפפטיד, שיירי סרין, ת'רונין ואספרגין ממוקמים במקומות אחרים של העיקול, שכן חומצות אמינו כאלה מונעות היווצרות של α-helix אם הם זה עם זה;

ה) קבוצת המומו שטוחה שוכנת בחלל (כיס) סמוך לפני השטח של המולקולה, לאטום הברזל שני קשרי קואורדינציה המכוונים בניצב למישור ההמה, אחד מהם מחובר לשארית ההיסטידין 93, והשני משמש לקשירה מולקולת החמצן.

החל מהמבנה השלישוני של החלבוןהופך להיות מסוגל לבצע את תפקידיו הביולוגיים. תפקודם של חלבונים מבוסס על העובדה שכאשר המבנה השלישוני מונח על פני החלבון, נוצרים אתרים שיכולים לחבר מולקולות אחרות, הנקראות ליגנדים, לעצמן. הספציפיות הגבוהה של האינטראקציה של החלבון עם הליגנד מסופקת על ידי ההשלמה של מבנה המרכז הפעיל עם מבנה הליגנד. השלמה היא ההתאמה המרחבית והכימית של משטחים המקיימים אינטראקציה. עבור רוב החלבונים, המבנה השלישוני הוא רמת הקיפול המרבית.

מבנה חלבון רבעוני- מאפיין חלבונים המורכבים משתי שרשרות פוליפפטידיות או יותר המחוברות ביניהן באופן בלעדי על ידי קשרים לא קוולנטיים, בעיקר אלקטרוסטטי ומימן. לרוב חלבונים מכילים שתיים או ארבע יחידות משנה, יותר מארבע יחידות משנה מכילות בדרך כלל חלבונים מווסתים.

חלבונים בעלי מבנה רבעונימכונים לעתים קרובות אוליגומריים. הבחנה בין חלבונים הומומריים להטרומרים. חלבונים הומריים הם חלבונים שבהם לכל יחידות המשנה יש מבנה זהה, למשל, אנזים הקטלאז מורכב מארבע יחידות משנה זהות לחלוטין. לחלבונים הטרומריים יש תת-יחידות שונות, למשל, האנזים RNA פולימראז מורכב מחמש תת-יחידות בעלות מבנה שונה המבצעות פונקציות שונות.

אינטראקציה של תת-יחידה אחתעם ליגנד ספציפי גורם לשינויים קונפורמטיביים בכל החלבון האוליגומר ומשנה את הזיקה של תת-יחידות אחרות לליגנדים, תכונה זו עומדת בבסיס היכולת של חלבונים אוליגומריים לוויסות אלוסטרי.

ניתן לשקול את המבנה הרבעוני של חלבוןב על הדוגמה של המוגלובין. הוא מכיל ארבע שרשראות פוליפפטידים וארבע קבוצות תותבות Heme, שבהן אטומי הברזל הם בצורת ברזל Fe 2+. החלק החלבון של המולקולה - גלובין - מורכב משתי שרשראות α ושתי שרשראות β, המכילות עד 70% סלילי α. לכל אחת מארבע השרשראות יש מבנה שלישוני אופייני, ולכל שרשרת קשורה קבוצת המומיות אחת. השרשראות השונות מרוחקות יחסית זו מזו ויש להן זוויות נטייה שונות. מעט מגעים ישירים נוצרים בין שתי שרשראות α ושתי שרשראות β, בעוד שמגעים רבים מסוג α 1 β 1 ו-α 2 β 2 הנוצרים על ידי רדיקלים הידרופוביים נוצרים בין שרשראות α ו-β. ערוץ נשאר בין α 1 β 1 ל- α 2 β 2.

בניגוד למיוגלוביןהֵמוֹגלוֹבִּין מאופייןזיקה נמוכה משמעותית לחמצן, המאפשרת לו, בלחצים חלקיים נמוכים של חמצן הקיימים ברקמות, לתת להן חלק ניכר מהחמצן הקשור. חמצן נקשר ביתר קלות על ידי המוגלובין ברזל יותר ערכים גבוהים pH וריכוז נמוך של CO 2 האופייניים לאלואולי הריאות; שחרור חמצן מהמוגלובין מועדף על ידי ערכי pH נמוכים יותר וריכוז גבוה של CO 2 הטבוע ברקמות.

בנוסף לחמצן, המוגלובין נושא יוני מימן., הנקשרים לשאריות היסטידין בשרשרות. המוגלובין נושא גם פחמן דו חמצני, המתחבר לקבוצת האמינו הסופי של כל אחת מארבע שרשראות הפוליפפטיד, וכתוצאה מכך היווצרות קרבמינו-המוגלובין:

בְּאריתרוציטים בריכוז גבוה מספיקהחומר 2,3-diphosphoglycerate (DFG) קיים, תכולתו עולה עם העלייה לגובה רב ובמהלך היפוקסיה, מה שמקל על שחרור החמצן מההמוגלובין ברקמות. DFG ממוקם בערוץ בין α 1 β 1 ו- α 2 β 2 באינטראקציה עם קבוצות נגועות חיוביות של שרשראות β. כאשר חמצן נקשר בהמוגלובין, DPG נעקר מהחלל. אריתרוציטים של כמה ציפורים אינם מכילים DPG, אלא אינוזיטול הקספוספט, אשר מפחית עוד יותר את הזיקה של המוגלובין לחמצן.

2,3-דיפוספוגליצרט (DPG)

HbA - המוגלובין תקין למבוגרים, HbF - המוגלובין עוברי, יש זיקה גדולה יותר ל O 2 , HbS - המוגלובין באנמיה חרמשית. אנמיה חרמשית היא מחלה תורשתית חמורה הקשורה לאי תקינות גנטית של המוגלובין. בדם של אנשים חולים הוא נצפה בצורה יוצאת דופן מספר גדול שלאריתרוציטים דקים בצורת מגל, אשר, ראשית, נקרעים בקלות, ושנית, סותמים את נימי הדם.

ברמה המולקולרית, המוגלובין S שונהמהמוגלובין A, שארית חומצת אמינו אחת בעמדה 6 של שרשראות ה-β, שבה נמצא ולין במקום שארית חומצה גלוטמית. לפיכך, המוגלובין S מכיל שני מטענים שליליים פחות, הופעת ולין מובילה להופעת מגע הידרופובי "דביק" על פני המולקולה, כתוצאה מכך, במהלך דה חמצן, מולקולות ה-deoxyhemoglobin S נצמדות זו לזו ויוצרות חוטים בלתי מסיסים באורך חריג. אגרגטים, המובילים לעיוות של אריתרוציטים.

אין סיבה לחשוב שקיימת בקרה גנטית עצמאית על היווצרות רמות של ארגון מבני חלבון מעל הראשוני, שכן המבנה הראשוני קובע גם את המשני, השלישוני וגם הרבעוני (אם בכלל). המבנה המקורי של חלבון הוא המבנה היציב ביותר מבחינה תרמודינמית בתנאים הנתונים.

הרצאה 6

ישנן תכונות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות של חלבונים.

התכונות הפיזיקליות של חלבוניםהם נוכחות של משקל מולקולרי, שבירה דו-פעמית (שינוי במאפיינים האופטיים של תמיסת חלבון בתנועה בהשוואה לתמיסה במנוחה) עקב הצורה הלא כדורית של חלבונים, ניידות בשדה חשמלי עקב מטען מולקולות חלבון. בנוסף, חלבונים מאופיינים בתכונות אופטיות, המורכבות ביכולת לסובב את מישור הקיטוב של האור, לפזר קרני אור בשל גודלם הגדול של חלקיקי חלבון ולספוג קרניים אולטרה סגולות.

אחת התכונות הפיזיקליות האופייניותחלבונים הם היכולת לספוח על פני השטח, ולפעמים ללכוד בתוך מולקולות, תרכובות אורגניות במשקל מולקולרי נמוך ויונים.

התכונות הכימיות של חלבונים שונותמגוון יוצא דופן, שכן חלבונים מאופיינים בכל התגובות של רדיקלים חומצות אמינו והתגובה של הידרוליזה של קשרי פפטידים היא אופיינית.

בעל מספר לא מבוטל של קבוצות חומציות ובסיסיותחלבונים מפגינים תכונות אמפוטריות. בניגוד לחומצות אמינו חופשיות, תכונות החומצה-בסיס של חלבונים נקבעות לא על ידי קבוצות α-amino ו-α-carboxy המעורבות ביצירת קשרים פפטידים, אלא על ידי רדיקלים טעונים של שאריות חומצות אמינו. התכונות העיקריות של חלבונים נובעות משאריות של ארגינין, ליזין והיסטידין. התכונות החומציות נובעות משאריות של חומצה אספרטית וגלוטמית.

עקומות טיטרציה של חלבון מספיקותקשה לפרש, שכן בכל חלבון יש יותר מדי מספר גדולקבוצות ניתנות לטיטרציה, קיימות אינטראקציות אלקטרוסטטיות בין הקבוצות המיוננות של החלבון, ה-pK של כל קבוצה ניתנת לטיטרציה מושפע משאריות הידרופוביות קרובות וקשרי מימן. היישום המעשי הגדול ביותר הוא הנקודה האיזואלקטרית של החלבון - ערך ה-pH שבו המטען הכולל של החלבון הוא אפס. בנקודה האיזואלקטרית, החלבון אינרטי בצורה מקסימלית, אינו זז בשדה החשמלי, ובעל מעטפת ההידדרה הדקה ביותר.

חלבונים מציגים תכונות חציצה, אבל יכולת החיץ שלהם זניחה. היוצא מן הכלל הוא חלבונים המכילים מספר רב של שאריות היסטידין. לדוגמה, להמוגלובין הכלול באריתרוציטים, בשל תכולה גבוהה מאוד של שאריות היסטידין, יש יכולת חיץ משמעותית ב-pH של כ-7, דבר שחשוב מאוד לתפקיד שממלאים אריתרוציטים בהובלת חמצן ופחמן דו חמצני. הדם.

חלבונים מסיסים במים, ומנקודת מבט פיזיקלית הם יוצרים פתרונות מולקולריים אמיתיים. עם זאת, תמיסות חלבון מאופיינות בכמה תכונות קולואידיות: אפקט Tendal (תופעת פיזור אור), חוסר יכולת לעבור דרך ממברנות חדירה למחצה, צמיגות גבוהה, היווצרות ג'ל.

המסיסות של חלבון תלויה מאודעל ריכוז המלחים, כלומר על החוזק היוני של התמיסה. במים מזוקקים, חלבונים לרוב מסיסים בצורה גרועה, אך מסיסותם עולה ככל שעוצמת היוני עולה. במקרה זה, כמות הולכת וגדלה של יונים אי-אורגניים נקשרים לפני השטח של החלבון, ובכך יורדת מידת הצבירה שלו. בחוזק יוני גבוה, יוני מלח לוקחים את מעטפת ההידרציה ממולקולות חלבון, מה שמוביל לצבירה ומשקעים של חלבונים (תופעת ההמלחה). בעזרת ההבדל במסיסות אפשר להפריד תערובת חלבונים בעזרת מלחים נפוצים.

בין התכונות הביולוגיות של חלבוניםמיוחס בעיקר לפעילות הקטליטית שלהם. תכונה ביולוגית חשובה נוספת של חלבונים היא פעילותם ההורמונלית, כלומר היכולת להשפיע על קבוצות שלמות של תגובות בגוף. לחלק מהחלבונים יש תכונות רעילות, פעילות פתוגנית, תפקודי הגנה וקולטן, אחריות על תופעות היצמדות לתאים.

עוד תכונה ביולוגית מוזרה של חלבונים- דנטורציה. חלבונים במצבם הטבעי נקראים חלבונים מקומיים. דנטורציה היא הרס של המבנה המרחבי של חלבונים תחת פעולתם של סוכני דנטורציה. המבנה הראשוני של חלבונים במהלך דנטורציה אינו מופרע, אך הפעילות הביולוגית שלהם אובדת, כמו גם מסיסות, ניידות אלקטרופורטית ועוד כמה תגובות. רדיקלי חומצות האמינו היוצרים את המרכז הפעיל של החלבון, במהלך הדנטורציה, מרוחקים זה מזה באופן מרחבי, כלומר המרכז הספציפי של קשירת החלבון לליגנד נהרס. רדיקלים הידרופוביים, הממוקמים בדרך כלל בליבה ההידרופוביה של חלבונים כדוריים, מופיעים על פני המולקולה במהלך הדנטורציה, ובכך יוצרים תנאים להצטברות של חלבונים המשקעים.

ריאגנטים ותנאים הגורמים לדנטורציה של חלבון:

טמפרטורה מעל 60 מעלות צלזיוס - הרס של קשרים חלשים בחלבון,

חומצות ואלקליות - שינוי ביינון של קבוצות יוניות, שבירה של קשרי יוניים ומימן,

אוריאה - הרס של קשרי מימן תוך מולקולריים כתוצאה מהיווצרות קשרי מימן עם אוריאה,

אלכוהול, פנול, כלורמין - הרס של קשרי הידרופוביים ומימן,

מלחי מתכות כבדות - היווצרות מלחי חלבון בלתי מסיסים עם יוני מתכות כבדות.

עם הסרת חומרי דנטורציה, חידוש טבעי אפשרי, מכיוון ששרשרת הפפטידים נוטה לקבל את המבנה עם האנרגיה החופשית הנמוכה ביותר בתמיסה.

בתנאים תאיים, חלבונים יכוליםדנטורציה ספונטנית, אם כי בקצב איטי יותר מאשר בטמפרטורה גבוהה. התחדשות ספונטנית של חלבונים בתא היא קשה, מכיוון שבגלל הריכוז הגבוה יש סבירות גבוהה להצטברות של מולקולות דנטוריות חלקית.

לתאים יש חלבונים- צ'פרונים מולקולריים בעלי יכולת להיקשר לחלבונים דנטורציה חלקית הנמצאים במצב לא יציב ונוטה לצבירה ולשחזר את הקונפורמציה המקורית שלהם. בתחילה, החלבונים הללו התגלו כחלבוני הלם חום, מכיוון שהסינתזה שלהם מוגברת תחת השפעות מלחיצות על התא, למשל, עם עלייה בטמפרטורה. צ'פרונים מסווגים לפי מסת יחידות המשנה: hsp-60, hsp-70 ו-hsp-90. כל מחלקה כוללת משפחה של חלבונים קשורים.

מלווים מולקולריים ( hsp-70)סוג שמור מאוד של חלבונים שנמצא בכל חלקי התא: ציטופלזמה, גרעין, רטיקולום אנדופלזמי, מיטוכונדריה. בקצה ה-C של שרשרת פוליפפטיד בודדת, ל-hsp-70 יש אזור שהוא חריץ שיכול לקיים אינטראקציה עם פפטידים באורך 7-9 שאריות חומצות אמינו, מועשר ברדיקלים הידרופוביים. אתרים כאלה בחלבונים כדוריים מתרחשים בערך כל 16 חומצות אמינו. Hsp-70 מסוגל להגן על חלבונים מפני השבתה תרמית ולשחזר את המבנה והפעילות של חלבונים דנטורטיים חלקית.

Chaperones-60 (hsp-60)להשתתף ביצירת המבנה השלישוני של חלבונים. Hsp-60 מתפקד כחלבונים אוליגומרים המורכבים מ-14 יחידות משנה. Hsp-60 יוצרים שתי טבעות, כל טבעת מורכבת מ-7 יחידות משנה המחוברות זו לזו.

כל תת-יחידה מורכבת משלושה תחומים:

לתחום האפיקלי יש מספר שאריות חומצות אמינו הידרופוביות הפונות אל תוך החלל שנוצר על ידי תת-היחידות;

לתחום המשווני יש פעילות ATPase והוא נדרש לשחרור חלבון מקומפלקס הצ'פרונין;

תחום הביניים מחבר בין התחום האפיקי והמשווני.

חלבון שיש לו שברים על פני השטח שלומועשר בחומצות אמינו הידרופוביות נכנס לחלל של קומפלקס הצ'פרונין. בסביבה הספציפית של חלל זה, בתנאים של בידוד ממולקולות אחרות של הציטוזול של התא, מתרחשת הבחירה בקונפורמציות חלבוניות אפשריות עד שנמצאת מבנה חיובי יותר מבחינה אנרגטית. היווצרות התלויה בצ'פרון של הקונפורמציה המקומית קשורה לצריכה של כמות משמעותית של אנרגיה, שמקורה הוא ATP.

חלבונים (חלבונים), מחלקה של תרכובות מורכבות המכילות חנקן, המרכיבים האופייניים והחשובים ביותר (יחד עם חומצות גרעין) של חומר חי. חלבונים מבצעים פונקציות רבות ומגוונות. רוב החלבונים הם אנזימים המזרזים תגובה כימית. הורמונים רבים המווסתים תהליכים פיזיולוגייםהם גם חלבונים. חלבונים מבניים כגון קולגן וקרטין הם המרכיבים העיקריים של רקמת העצם, השיער והציפורניים. לחלבונים המתכווצים של השרירים יש את היכולת לשנות את אורכם, תוך שימוש באנרגיה כימית לביצוע עבודה מכנית. חלבונים הם נוגדנים הקושרים ומנטרלים חומרים רעילים. חלק מהחלבונים שיכולים להגיב להשפעות חיצוניות (אור, ריח) משמשים כקולטנים באיברי החישה התופסים גירוי. חלבונים רבים הממוקמים בתוך התא ועל קרום התא מבצעים פונקציות ויסות.

במחצית הראשונה של המאה ה-19 כימאים רבים, וביניהם בעיקר ג'יי פון ליביג, הגיעו בהדרגה למסקנה שחלבונים הם סוג מיוחד של תרכובות חנקניות. השם "חלבונים" (מיוונית.

פרוטואים הראשון) הוצע בשנת 1840 על ידי הכימאי ההולנדי G. Mulder. תכונות גשמיות חלבונים במצב מוצק צבע לבן, והם חסרי צבע בתמיסה, אלא אם כן הם נושאים קבוצה כלשהי כרומופורית (צבעונית), כמו המוגלובין. המסיסות במים של חלבונים שונים משתנה מאוד. זה משתנה גם עם ה-pH ועם ריכוז המלחים בתמיסה, כך שניתן לבחור את התנאים שבהם חלבון אחד יזרז באופן סלקטיבי בנוכחות חלבונים אחרים. שיטת "המלחה" זו נמצאת בשימוש נרחב לבידוד וטיהור חלבונים. החלבון המטוהר נופל לעתים קרובות מתוך התמיסה כגבישים.

בהשוואה לתרכובות אחרות, המשקל המולקולרי של חלבונים גדול מאוד - מכמה אלפים למיליונים רבים של דלטון. לכן, במהלך ultracentrifugation, חלבונים הם משקעים, יתר על כן, עם מהירות שונה. בשל נוכחותן של קבוצות טעונות חיוביות ושליליות במולקולות חלבון, הן נעות במהירויות שונות בשדה חשמלי. זהו הבסיס לאלקטרופורזה, שיטה המשמשת לבידוד חלבונים בודדים מתערובות מורכבות. טיהור חלבונים מתבצע גם על ידי כרומטוגרפיה.

מאפיינים כימיים מִבְנֶה. חלבונים הם פולימרים, כלומר. מולקולות הבנויות כמו שרשראות מיחידות מונומריות חוזרות, או תת-יחידות, שתפקידן הן ממלאות א -חומצות אמינו. נוסחה כללית של חומצות אמינושבו ר אטום מימן או קבוצה אורגנית כלשהי.

מולקולת חלבון (שרשרת פוליפפטיד) עשויה להיות מורכבת ממספר קטן יחסית של חומצות אמינו או כמה אלפי יחידות מונומר. החיבור של חומצות אמינו בשרשרת אפשרי מכיוון שלכל אחת מהן שתי קבוצות כימיות שונות: קבוצת אמינו בעלת תכונות בסיסיות,

NH2 , וקבוצת קרבוקסיל חומצית, COOH. שתי הקבוצות הללו מזוהות עם א - אטום פחמן. קבוצת הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת יכולה ליצור קשר אמיד (פפטיד) עם קבוצת האמינו של חומצת אמינו אחרת:
לאחר ששתי חומצות אמינו חוברו בצורה זו, ניתן להאריך את השרשרת על ידי הוספת שליש לחומצת האמינו השנייה וכן הלאה. כפי שניתן לראות מהמשוואה לעיל, כאשר נוצר קשר פפטיד, משתחררת מולקולת מים. בנוכחות חומצות, אלקליות או אנזימים פרוטאוליטיים, התגובה ממשיכה בכיוון ההפוך: שרשרת הפוליפפטיד מתפצלת לחומצות אמינו בתוספת מים. תגובה זו נקראת הידרוליזה. ההידרוליזה מתרחשת באופן ספונטני, ונדרשת אנרגיה לשילוב חומצות אמינו לשרשרת פוליפפטידים.

קבוצת קרבוקסיל וקבוצת אמידים (או קבוצת אימיד דומה במקרה של חומצת האמינו פרולין) קיימות בכל חומצות האמינו, אך ההבדלים בין חומצות אמינו נקבעים על פי אופי אותה קבוצה, או "שרשרת צד", מה שמצוין למעלה באות

ר . את התפקיד של השרשרת הצדדית יכול למלא אטום מימן אחד, כמו בחומצת האמינו גליצין, או על ידי קבוצה מסורבלת כלשהי, כמו בהיסטידין ובטריפטופן. חלק מהשרשרות הצדדיות אינרטיות מבחינה כימית, בעוד שאחרות מגיבות מאוד.

ניתן לסנתז אלפים רבים של חומצות אמינו שונות, וחומצות אמינו רבות ושונות מתרחשות בטבע, אך רק 20 סוגים של חומצות אמינו משמשות לסינתזת חלבונים: אלנין, ארגינין, אספרגין, חומצה אספרטית, ולין, היסטידין, גליצין, גלוטמין, גלוטמין. חומצה, איזולאוצין, לאוצין, ליזין, מתיונין, פרולין, סרין, טירוזין, תריונין, טריפטופן, פנילאלנין וציסטאין (בחלבונים, ציסטאין עשוי להיות קיים כדימר

– ציסטין). נכון, בחלק מהחלבונים יש חומצות אמינו נוספות בנוסף לעשרים הנפוצות בקביעות, אבל הן נוצרות כתוצאה משינוי של כל אחד מעשרים המפורטים לאחר הכללתו בחלבון.פעילות אופטית. כל חומצות האמינו, למעט גליצין, א ארבעה פחמנים מחוברים קבוצות שונות. מבחינת גיאומטריה, ניתן לחבר ארבע קבוצות שונות בשתי דרכים, ובהתאם לכך ישנן שתי תצורות אפשריות, או שני איזומרים, הקשורים זה לזה, כאובייקט לה. תמונת מראה, כלומר אֵיך יד שמאללימין. תצורה אחת נקראת שמאל, או שמאלי (ל ), והימין השני, או סיבובי רגליים (ד ), שכן שני איזומרים כאלה נבדלים זה מזה בכיוון הסיבוב של מישור האור המקוטב. נמצא רק בחלבוניםל -חומצות אמינו (היוצא מן הכלל הוא גליצין; ניתן לייצג אותו רק בצורה אחת, שכן שתיים מארבע הקבוצות שלה זהות), ולכולן פעילות אופטית (מכיוון שיש רק איזומר אחד).ד -חומצות אמינו נדירות בטבען; הם נמצאים בכמה אנטיביוטיקה ובדופן התא של חיידקים.רצף חומצות האמינו. חומצות אמינו בשרשרת הפוליפפטיד אינן מסודרות באופן אקראי, אלא בסדר קבוע מסוים, וסדר זה הוא שקובע את תפקידיו ותכונותיו של החלבון. על ידי שינוי הסדר של 20 סוגי חומצות האמינו, אתה יכול לקבל מספר עצום של חלבונים שונים, בדיוק כמו שאתה יכול להרכיב טקסטים רבים ושונים מאותיות האלפבית.

בעבר, קביעת רצף חומצות האמינו של חלבון נמשכה פעמים רבות מספר שנים. הגדרה ישירהועכשיו משימה קשה למדי, אם כי נוצרו מכשירים המאפשרים לבצע אותה באופן אוטומטי. בדרך כלל קל יותר לקבוע את רצף הנוקלאוטידים של הגן המתאים ולהפיק ממנו את רצף חומצות האמינו של החלבון. עד היום כבר נקבעו רצפי חומצות האמינו של מאות רבות של חלבונים. הפונקציות של חלבונים מפוענח ידועים בדרך כלל, וזה עוזר לדמיין פונקציות אפשריותחלבונים דומים שנוצרו, למשל, בניאופלזמות ממאירות.

חלבונים מורכבים. חלבונים המורכבים מחומצות אמינו בלבד נקראים פשוטים. עם זאת, לעתים קרובות, אטום מתכת או אלמנט אחר מחובר לשרשרת הפוליפפטיד. תרכובת כימית, שאינה חומצת אמינו. חלבונים כאלה נקראים מורכבים. דוגמה לכך היא המוגלובין: הוא מכיל פורפירין ברזל, המעניק לו את צבעו האדום ומאפשר לו לפעול כמוביל חמצן.

שמות רוב החלבונים המורכבים מכילים אינדיקציה לאופי הקבוצות המצורפות: סוכרים נמצאים בגליקופרוטאין, שומנים בליפופרוטאין. אם הפעילות הקטליטית של האנזים תלויה בקבוצה המחוברת, אזי זה נקרא קבוצה תותבת. לעתים קרובות, ויטמין מסוים ממלא את התפקיד של קבוצת תותבות או שהוא חלק ממנה. ויטמין A, למשל, המחובר לאחד מחלבוני הרשתית, קובע את רגישותו לאור.

מבנה שלישוני. מה שחשוב הוא לא כל כך רצף חומצות האמינו של החלבון (מבנה ראשוני), אלא האופן שבו הוא מונח בחלל. לכל אורכה של שרשרת הפוליפפטיד, יוני מימן יוצרים קשרי מימן רגילים, המקנים לו צורה של ספירלה או שכבה (מבנה משני). מהשילוב של סלילים ושכבות כאלה נוצרת צורה קומפקטית מהסדר הבא - המבנה השלישוני של החלבון. סביב הקשרים המחזיקים את החוליות המונומריות של השרשרת, יתכנו סיבובים בזוויות קטנות. לכן, מנקודת מבט גיאומטרית גרידא, מספר התצורות האפשריות עבור כל שרשרת פוליפפטידים הוא גדול לאין שיעור. במציאות, כל חלבון קיים בדרך כלל בתצורה אחת בלבד, שנקבעת על פי רצף חומצות האמינו שלו. המבנה הזה אינו נוקשה, הוא, כביכול, « נושם" משתנה סביב תצורה ממוצעת מסוימת. השרשרת מקופלת לתצורה שבה האנרגיה החופשית (היכולת לבצע עבודה) היא מינימלית, בדיוק כפי שקפיץ משוחרר נדחס רק למצב המקביל למינימום אנרגיה חופשית. לעתים קרובות, חלק אחד בשרשרת מקושר בצורה נוקשה לדיסולפיד אחר ( SS) קשרים בין שתי שאריות ציסטאין. זו גם הסיבה שציסטאין בין חומצות אמינו ממלא תפקיד חשוב במיוחד.

המורכבות של מבנה החלבונים כה גדולה, עד שלא ניתן עדיין לחשב את המבנה השלישוני של חלבון, גם אם רצף חומצות האמינו שלו ידוע. אבל אם אפשר להשיג גבישי חלבון, אז המבנה השלישוני שלו יכול להיקבע על ידי עקיפה של קרני רנטגן.

בחלבונים מבניים, מתכווצים וכמה אחרים, השרשראות מוארכות וכמה שרשראות מקופלות מעט השוכבות זו לצד זו יוצרות סיבים; סיבים, בתורם, מתקפלים לסיבים תצורות גדולות יותר. עם זאת, רוב החלבונים בתמיסה הם כדוריים: השרשראות מפותלות בכדור, כמו חוט בכדור. אנרגיה חופשית עם תצורה זו היא מינימלית, שכן חומצות אמינו הידרופוביות ("דוחות מים") מוסתרות בתוך הכדור, וחומצות אמינו הידרופיליות ("מושכות מים") נמצאות על פני השטח שלה.

חלבונים רבים הם קומפלקסים של מספר שרשראות פוליפפטידים. מבנה זה נקרא המבנה הרבעוני של החלבון. מולקולת ההמוגלובין, למשל, מורכבת מארבע יחידות משנה, שכל אחת מהן היא חלבון כדורי.

חלבונים מבניים בשל תצורתם הליניארית יוצרים סיבים בהם חוזק המתיחה גבוה מאוד, בעוד שהתצורה הכדורית מאפשרת לחלבונים להיכנס לאינטראקציות ספציפיות עם תרכובות אחרות. על פני הכדור, עם הנחת שרשראות נכונה, מופיעים חללים בעלי צורה מסוימת, שבהם ממוקמות קבוצות כימיות תגובתיות. אם חלבון נתון הוא אנזים, אז מולקולה אחרת, בדרך כלל קטנה יותר, של חומר כלשהו נכנסת לחלל כזה, בדיוק כמו שמפתח נכנס למנעול; במקרה זה, התצורה של ענן האלקטרונים של המולקולה משתנה בהשפעת קבוצות כימיות הממוקמות בחלל, וזה מאלץ אותה להגיב בצורה מסוימת. בדרך זו, האנזים מזרז את התגובה. למולקולות נוגדנים יש גם חללים שבהם חומרים זרים שונים נקשרים ובכך הופכים ללא מזיק. מודל "מפתח ומנעול", המסביר את האינטראקציה של חלבונים עם תרכובות אחרות, מאפשר להבין את הספציפיות של אנזימים ונוגדנים, כלומר. היכולת שלהם להגיב רק עם תרכובות מסוימות.

חלבונים בסוגים שונים של אורגניזמים. חלבונים שמבצעים את אותה פונקציה ב סוגים שוניםלצמחים ולבעלי חיים, ולכן הנושאים את אותו השם, יש תצורה דומה. עם זאת, הם שונים במקצת ברצף חומצות האמינו שלהם. כאשר מינים נפרדים מאב קדמון משותף, כמה חומצות אמינו בעמדות מסוימות מוחלפות במוטציות באחרות. מוטציות מזיקות הגורמות למחלות תורשתיות נפטרות ברירה טבעית, אבל שימושיים או לפחות ניטרליים יכולים להימשך. ככל ששני מינים ביולוגיים קרובים יותר זה לזה, כך מוצאים פחות הבדלים בחלבונים שלהם.

חלק מהחלבונים משתנים מהר יחסית, אחרים שמרניים למדי. האחרונים כוללים, למשל, ציטוכרום עםאנזים נשימתי המצוי ברוב האורגניזמים החיים. בבני אדם ושימפנזים, רצפי חומצות האמינו שלו זהים, ובציטוכרום עםחיטה, רק 38% מחומצות האמינו התבררו כשונות. אפילו בהשוואה בין בני אדם לחיידקים, הדמיון של ציטוכרומים עם(ההבדלים משפיעים על 65% מחומצות האמינו כאן) עדיין ניתן לראות, אם כי האב הקדמון המשותף של חיידקים ובני אדם חי על פני כדור הארץ לפני כשני מיליארד שנה. כיום, השוואה של רצפי חומצות אמינו משמשת לעתים קרובות לבניית עץ פילוגנטי (גנאלוגי) המשקף את היחסים האבולוציוניים בין אורגניזמים שונים.

דנטורציה. מולקולת החלבון המסונתז, מתקפלת, מקבלת תצורה משלה. עם זאת, ניתן להרוס תצורה זו על ידי חימום, על ידי שינוי ה-pH, על ידי פעולת ממיסים אורגניים, ואפילו על ידי ערבוב פשוט של התמיסה עד להופעת בועות על פני השטח שלה. חלבון שהשתנה בדרך זו נקרא דנטורציה; הוא מאבד את פעילותו הביולוגית ובדרך כלל הופך לבלתי מסיס. דוגמאות ידועות לחלבון דנטורטי הן ביצים מבושלות או קצפת. חלבונים קטנים, המכילים רק כמאה חומצות אמינו, מסוגלים ליצור מחדש, כלומר. להשיג מחדש את התצורה המקורית. אבל רוב החלבונים פשוט הופכים למסה של שרשראות פוליפפטידים סבוכים ואינם משחזרים את התצורה הקודמת שלהם.

אחד הקשיים העיקריים בבידוד חלבונים פעילים הוא הרגישות המופלגת שלהם לדנטורציה. תכונה זו של חלבונים מוצאת יישום שימושי בשימור מוצרי מזון: טמפרטורה גבוהה פוגעת באופן בלתי הפיך באנזימים של מיקרואורגניזמים, והמיקרואורגניזמים מתים.

סינתזת חלבונים לצורך סינתזת חלבון, אורגניזם חי חייב להיות בעל מערכת של אנזימים המסוגלת לחבר חומצת אמינו אחת לאחרת. יש צורך גם במקור מידע שיקבע אילו חומצות אמינו יש לחבר. מכיוון שישנם אלפי סוגי חלבונים בגוף, וכל אחד מהם מורכב מכמה מאות חומצות אמינו בממוצע, המידע הנדרש חייב להיות עצום באמת. הוא מאוחסן (בדומה לאופן שבו רשומה מאוחסנת בסרט מגנטי) במולקולות חומצת הגרעין המרכיבות את הגנים. ס"מ . גם HEREDITY; חומצות גרעין.הפעלת אנזים. שרשרת פוליפפטיד המסונתזת מחומצות אמינו אינה תמיד חלבון בצורתו הסופית. אנזימים רבים מסונתזים לראשונה כמבשרים לא פעילים והופכים פעילים רק לאחר שאנזים אחר מסיר כמה חומצות אמינו מקצה אחד של השרשרת. חלק מאנזימי העיכול, כגון טריפסין, מסונתזים בצורה לא פעילה זו; אנזימים אלו מופעלים במערכת העיכול כתוצאה מהסרה של החלק הסופי של השרשרת. הורמון האינסולין, שהמולקולה שלו בצורתה הפעילה מורכבת משתי שרשראות קצרות, מסונתז בצורה של שרשרת בודדת, מה שנקרא. פרואינסולין. ואז החלק האמצעי של שרשרת זו מוסר, והשברים הנותרים נקשרים זה לזה, ויוצרים את מולקולת ההורמון הפעילה. חלבונים מורכבים נוצרים רק לאחר ספציפי קבוצה כימית, והתקשרות זו דורשת לרוב גם אנזים.מחזור הדם המטבולי. לאחר האכלת בעל חיים בחומצות אמינו המסומנות באיזוטופים רדיואקטיביים של פחמן, חנקן או מימן, התווית משולבת במהירות בחלבונים שלה. אם חומצות אמינו מסומנות מפסיקות להיכנס לגוף, אז כמות התווית בחלבונים מתחילה לרדת. ניסויים אלו מראים שהחלבונים המתקבלים אינם מאוחסנים בגוף עד סוף החיים. כולם, למעט כמה יוצאי דופן, נמצאים במצב דינמי, מתפרקים כל הזמן לחומצות אמינו, ואז מסונתזים מחדש.

חלק מהחלבונים מתפרקים כאשר תאים מתים ונהרסים. זה קורה כל הזמן, למשל, כאשר תאי דם אדומים ותאי אפיתל מרפדים את פני השטח הפנימיים של המעי. בנוסף, פירוק וסינתזה מחדש של חלבונים מתרחשים גם בתאים חיים. באופן מוזר, פחות ידוע על פירוק חלבונים מאשר על הסינתזה שלהם. אולם מה שברור הוא שבפירוק מעורבים אנזימים פרוטאוליטיים, בדומה לאלו שמפרקים חלבונים לחומצות אמינו במערכת העיכול.

זמן מחצית החיים של חלבונים שונים שונה ממספר שעות לחודשים רבים. היוצא מן הכלל היחיד הוא מולקולת הקולגן. לאחר היווצרותם, הם נשארים יציבים ואינם מתחדשים או מוחלפים. אולם עם הזמן משתנות חלק מתכונותיהם, בפרט גמישות, ומכיוון שאינם מתחדשים, שינויים מסוימים הקשורים לגיל הם תוצאה של כך, למשל, הופעת קמטים על העור.

חלבונים סינתטיים. כימאים למדו מזמן כיצד לפלמר חומצות אמינו, אך חומצות האמינו משתלבות באופן אקראי, כך שהתוצרים של פילמור כזה דומים מעט לאלו הטבעיים. נכון, אפשר לשלב חומצות אמינו בסדר נתון, מה שמאפשר לקבל כמה חלבונים פעילים ביולוגית, בעיקר אינסולין. התהליך די מסובך, ובדרך זו ניתן להשיג רק את אותם חלבונים שהמולקולות שלהם מכילות כמאה חומצות אמינו. עדיף במקום זאת לסנתז או לבודד את רצף הנוקלאוטידים של גן התואם לרצף חומצות האמינו הרצויות, ולאחר מכן להחדיר את הגן הזה לחיידק, שייצר על ידי שכפול מספר רב של המוצר הרצוי. עם זאת, לשיטה זו יש גם חסרונות. ס"מ . ראה גם הנדסה גנטית. חלבונים ותזונה כאשר חלבונים בגוף מתפרקים לחומצות אמינו, ניתן לעשות שימוש חוזר בחומצות אמינו אלו לסינתזת חלבון. יחד עם זאת, חומצות האמינו עצמן נתונות לדעיכה, כך שהן אינן מנוצלות במלואן. ברור גם שבמהלך גדילה, הריון וריפוי פצעים, סינתזת החלבון חייבת לעלות על פירוק. הגוף מאבד ללא הרף כמה חלבונים; אלו הם חלבוני השיער, הציפורניים ושכבת הפנים של העור. לכן, עבור סינתזה של חלבונים, כל אורגניזם חייב לקבל חומצות אמינו מהמזון. צמחים ירוקים מסונתזים מCO 2 , מים ואמוניה או חנקות הן כל 20 חומצות האמינו המצויות בחלבונים. חיידקים רבים מסוגלים גם לסנתז חומצות אמינו בנוכחות סוכר (או שווה ערך כלשהו) וחנקן קבוע, אך הסוכר מסופק בסופו של דבר על ידי צמחים ירוקים. בבעלי חיים, היכולת לסנתז חומצות אמינו מוגבלת; הם משיגים חומצות אמינו על ידי אכילת צמחים ירוקים או בעלי חיים אחרים. במערכת העיכול החלבונים הנספגים מתפרקים לחומצות אמינו, האחרונות נספגות ומהן נבנים החלבונים האופייניים לאורגניזם הנתון. אף אחד מהחלבון הנספג אינו משולב במבני הגוף ככזה. היוצא מן הכלל היחיד הוא שביונקים רבים, חלק מהנוגדנים האימהיים יכולים לעבור שלם דרך השליה אל מחזור הדם של העובר, ודרך חלב האם (במיוחד אצל מעלי גירה) לעבור ליילוד מיד לאחר הלידה.צורך בחלבונים. ברור שכדי לשמור על החיים, הגוף חייב לקבל כמות מסוימת של חלבון מהמזון. עם זאת, גודלו של צורך זה תלוי במספר גורמים. הגוף זקוק למזון הן כמקור אנרגיה (קלוריות) והן כחומר לבניית המבנים שלו. מלכתחילה הוא הצורך באנרגיה. זה אומר שכאשר יש מעט פחמימות ושומנים בתזונה, חלבוני מזוןמשמשים לא לסינתזה של החלבונים שלהם, אלא כמקור לקלוריות. בצום ממושך, אפילו את החלבונים שלך מוציאים כדי לענות על צורכי האנרגיה. אם יש מספיק פחמימות בתזונה, ניתן להפחית את צריכת החלבון.מאזן חנקן. בממוצע כ. 16% ממסת החלבון הכוללת היא חנקן. כאשר חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים מתפרקות, החנקן הכלול בהן מופרש מהגוף בשתן ו(במידה פחותה) בצואה בצורה של תרכובות חנקן שונות. לכן, זה נוח להערכת האיכות תזונת חלבוןהשתמש במדד כזה כמו מאזן חנקן, כלומר. ההבדל (בגרמים) בין כמות החנקן הנלקחת לגוף לבין כמות החנקן המופרשת ביום. עם תזונה רגילה אצל מבוגר, כמויות אלו שוות. באורגניזם גדל, כמות החנקן המופרש קטנה מכמות הנכנס, כלומר. המאזן חיובי. עם חוסר חלבון בתזונה, האיזון שלילי. אם יש מספיק קלוריות בתזונה, אך החלבונים נעדרים בה לחלוטין, הגוף חוסך חלבונים. במקביל, חילוף החומרים של החלבון מאט, והניצול החוזר של חומצות אמינו בסינתזת חלבון מתקדם בצורה יעילה ככל האפשר. עם זאת, הפסדים הם בלתי נמנעים, ותרכובות חנקן עדיין מופרשות בשתן ובחלקן בצואה. כמות החנקן המופרשת מהגוף ביום בזמן רעב חלבון יכולה לשמש מדד למחסור היומי בחלבון. טבעי להניח שבאמצעות הכנסת כמות חלבון שווה ערך למחסור זה, ניתן להחזיר את מאזן החנקן. עם זאת, זה לא. לאחר שקיבל את כמות החלבון הזו, הגוף מתחיל להשתמש בחומצות אמינו בצורה פחות יעילה, ולכן נדרש מעט חלבון נוסף כדי להחזיר את מאזן החנקן.

אם כמות החלבון בתזונה עולה על הדרוש לשמירה על מאזן החנקן, אז נראה שאין כל נזק מכך. עודף חומצות אמינו משמשות פשוט כמקור אנרגיה. דוגמה בולטת במיוחד היא האסקימואים, שצורכים מעט פחמימות וכפי עשרה יותר חלבון ממה שנדרש לשמירה על מאזן החנקן. עם זאת, ברוב המקרים, שימוש בחלבון כמקור אנרגיה אינו מועיל, שכן ניתן לקבל הרבה יותר קלוריות מכמות נתונה של פחמימות מאשר מאותה כמות חלבון. במדינות עניות, האוכלוסייה מקבלת את הקלוריות הדרושות מפחמימות וצורכת כמות מינימלית של חלבון.

אם הגוף מקבל את מספר הקלוריות הנדרש בצורה של מוצרים שאינם חלבונים, אזי כמות החלבון המינימלית השומרת על מאזן החנקן היא כ. 30 גרם ליום. בערך כמות חלבון כלול בארבע פרוסות לחם או 0.5 ליטר חלב. כמות מעט גדולה יותר נחשבת בדרך כלל לאופטימלית; מומלץ מ-50 עד 70 גרם.

חומצות אמינו חיוניות. עד כה, החלבון נחשב כמכלול. בינתיים, על מנת שתתקיים סינתזת חלבון, כל חומצות האמינו הדרושות חייבות להיות נוכחות בגוף. חלק מחומצות האמינו הגוף של בעל החיים עצמו מסוגל לסנתז. הם נקראים ניתנים להחלפה מכיוון שהם לא חייבים להיות נוכחים בתזונה, רק חשוב שבאופן כללי צריכת חלבון כמקור לחנקן תהיה מספקת; לאחר מכן, עם מחסור בחומצות אמינו לא חיוניות, הגוף יכול לסנתז אותן על חשבון אלו שנמצאות בעודף. לא ניתן לסנתז את שאר חומצות האמינו ה"חיוניות" ויש לבלוע אותן עם מזון. חיוניים לבני אדם הם ולין, לאוצין, איזולאוצין, תראונין, מתיונין, פנילאלנין, טריפטופן, היסטידין, ליזין וארגינין. (למרות שניתן לסנתז ארגינין בגוף, הוא נחשב לחומצת אמינו חיונית מכיוון שיילודים וילדים גדלים מייצרים כמויות לא מספקות ממנו. מצד שני, לאדם בגיל בוגר, צריכת חלק מחומצות אמינו אלו מהמזון. עשוי להפוך לאופציונלי.)

רשימה זו של חומצות אמינו חיוניות זהה בערך אצל בעלי חוליות אחרים ואפילו בחרקים. ערכם התזונתי של חלבונים נקבע בדרך כלל על ידי האכלתם לחולדות הגדלות ומעקב אחר העלייה במשקל של בעלי החיים.

הערך התזונתי של חלבונים. הערך התזונתי של חלבון נקבע על פי חומצת האמינו החיונית החסרה ביותר. בואו נמחיש זאת באמצעות דוגמה. החלבונים של הגוף שלנו מכילים בממוצע כ. 2% טריפטופן (במשקל). נניח שהתזונה כוללת 10 גרם חלבון המכיל 1% טריפטופן, ושיש בה מספיק חומצות אמינו חיוניות אחרות. במקרה שלנו, 10 גרם של חלבון פגום זה שווה ערך ל-5 גרם של חלבון שלם; 5 גרם הנותרים יכולים לשמש רק כמקור אנרגיה. שימו לב שמכיוון שחומצות אמינו כמעט שאינן מאוחסנות בגוף, וכדי שסינתזת חלבון תתבצע, כל חומצות האמינו חייבות להיות נוכחות בו זמנית, ניתן לזהות את ההשפעה של צריכת חומצות אמינו חיוניות רק אם כולן נכנסות לגוף. הגוף בו זמנית.. ההרכב הממוצע של רוב החלבונים מהחי קרוב להרכב הממוצע של חלבוני גוף האדם, ולכן לא סביר שנתמודד עם מחסור בחומצות אמינו אם התזונה שלנו עשירה במזונות כמו בשר, ביצים, חלב וגבינה. עם זאת, ישנם חלבונים, כמו ג'לטין (תוצר של דנטורציה של קולגן), המכילים מעט מאוד חומצות אמינו חיוניות. חלבונים צמחיים, למרות שהם טובים יותר מג'לטין במובן זה, הם גם דלים בחומצות אמינו חיוניות; במיוחד מעט בהם ליזין וטריפטופן. עם זאת, תזונה צמחונית גרידא אינה מזיקה כלל, אלא אם כן היא צורכת כמות מעט גדולה יותר של חלבונים צמחיים, המספיקה כדי לספק לגוף חומצות אמינו חיוניות. רוב החלבון נמצא בצמחים בזרעים, בעיקר בזרעי חיטה וקטניות שונות. גם נבטים צעירים, כמו אספרגוס, עשירים בחלבון.חלבונים סינתטיים בתזונה. באמצעות הוספת כמויות קטנות של חומצות אמינו חיוניות סינתטיות או חלבונים העשירים בהן לחלבונים לא שלמים, כמו חלבוני תירס, ניתן להעלות משמעותית את הערך התזונתי של האחרונים, כלומר. ובכך להגדיל את כמות החלבון הנצרכת. אפשרות נוספת היא לגדל חיידקים או שמרים על פחמימנים נפט עם תוספת של חנקות או אמוניה כמקור לחנקן. החלבון המיקרוביאלי המתקבל בדרך זו יכול לשמש כמזון לעופות או לבעלי חיים, או שניתן לצרוך אותו ישירות על ידי בני אדם. השיטה השלישית, בשימוש נרחב, משתמשת בפיזיולוגיה של מעלי גירה. אצל מעלי גירה, בקטע הראשוני של הקיבה, מה שנקרא. הרחם מאוכלס בצורות מיוחדות של חיידקים ופרוטוזואה הממירים חלבונים מהצומח הפגומים לחלבונים מיקרוביאליים שלמים יותר, ואלה, בתורם, לאחר העיכול והספיגה הופכים לחלבונים מן החי. ניתן להוסיף אוריאה, תרכובת זולה המכילה חנקן סינתטי, למזון לבעלי חיים. מיקרואורגניזמים החיים ברחם משתמשים בחנקן אוריאה כדי להמיר פחמימות (מהן יש הרבה יותר במזון) לחלבון. כשליש מכל החנקן במזון לבעלי חיים יכול להגיע בצורה של אוריאה, שמשמעותה במהותה, במידה מסוימת, סינתזת חלבון כימית. בארה"ב, שיטה זו ממלאת תפקיד חשוב כאחת הדרכים להשגת חלבון.סִפְרוּת Murray R, Grenner D, Meyes P, Rodwell W. ביוכימיה אנושית, tt. 12. מ', 1993
Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. ביולוגיה מולקולרית של התא, tt. 13. מ', 1994