§ 8. Свойства и функции белков

Определения и обозначения

Белки — биополимеры из аминокислот, соединённых пептидными связями. В их состав входят главным образом углерод, водород, кислород, азот, а иногда сера и другие элементы. Белки образуют структуры клетки и выполняют в ней множество функций, поэтому их свойства зависят не только от состава, но и от порядка аминокислот.

Амфотерность белков — способность белковых молекул проявлять кислотные и основные свойства в зависимости от среды. Это связано с наличием в белке групп, способных присоединять или отдавать ионы водорода. Амфотерность влияет на заряд молекулы, её растворимость и взаимодействие с другими веществами.

Денатурация — нарушение пространственной структуры белка без разрушения его первичной структуры. Её вызывают нагревание, кислоты, щёлочи, соли тяжёлых металлов, радиация и другие воздействия. При денатурации белок обычно теряет растворимость и биологическую активность.

Ренатурация — восстановление пространственной структуры и свойств белка после устранения причины денатурации. Она возможна, если первичная структура и важные участки молекулы не повреждены. Это показывает, что информация о свёртывании белка содержится в последовательности его аминокислот.

Как это устроено

Аминокислотный состав и последовательность аминокислот задают, какие участки цепи будут притягиваться или отталкиваться. Между боковыми группами возникают водородные, ионные, дисульфидные и другие взаимодействия, из-за которых цепь сворачивается. Поэтому даже замена одной аминокислоты может изменить форму белка и его работу.

Растворимость белка определяется распределением заряженных и незаряженных участков на его поверхности. В воде гидрофильные части взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные участки стремятся сблизиться друг с другом; при изменении pH или состава раствора меняется заряд белка. Температура влияет на движение молекул и прочность слабых связей, поэтому чрезмерное нагревание может вызвать выпадение белка в осадок.

Денатурирующие факторы нарушают связи, поддерживающие вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура при обычной денатурации сохраняется, поскольку пептидные связи значительно прочнее. Если воздействие кратковременное и слабое, цепь может свернуться заново, а при длительном нагревании или химическом повреждении разрушаются участки молекулы и восстановление становится невозможным.

Пространственная форма белка определяет, с какими молекулами он может соединяться. Участки поверхности и углубления белка подходят к определённым веществам по форме, заряду и химическим свойствам. Поэтому изменение формы может лишить белок специфичности: например, фермент перестаёт связывать субстрат и ускорять реакцию.

Разные функции белков объясняются различиями в их строении. Глобулярные белки образуют компактные молекулы, удобные для переноса веществ, катализа и регуляции, а длинные волокнистые белки хорошо подходят для построения тканей. Способность обратимо связывать молекулы, изменять форму или образовывать прочные волокна обеспечивает соответственно транспортную, двигательную, защитную и структурную работу.

Свойства и функции белков

Таблица помогает сопоставить наблюдаемое свойство или функцию с особенностями строения белковой молекулы. При разборе примера сначала определите, что делает белок, затем найдите структурную причину этого действия. Один белок может сочетать несколько функций, но обычно одна из них является основной.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Определите, какие свойства белка изменятся при нагревании яичного белка, и объясните появление белого осадка. Нужно связать наблюдаемое изменение с молекулярными процессами. Отдельно установите, почему вещество перестаёт оставаться прозрачным раствором.

1. Нагревание воздействует на слабые связи, поддерживающие вторичную и третичную структуры белка.
2. Молекулы разворачиваются, их гидрофобные участки выходят наружу и начинают взаимодействовать друг с другом.
3. Крупные изменённые молекулы объединяются, поэтому их растворимость уменьшается и образуются частицы осадка.

Ответ: При нагревании яичный белок денатурирует, изменяются его пространственная структура, растворимость и способность сохранять прежние свойства. Белый осадок появляется из-за объединения денатурированных молекул в крупные частицы. Сильное нагревание делает это изменение необратимым.

Задача 2

Условие: Объясните, почему фермент действует только на определённый субстрат и почему изменение температуры или pH может остановить реакцию. Требуется установить связь между избирательностью фермента и его формой. Затем нужно объяснить влияние условий среды.

1. У фермента есть активный центр — участок, где связывается субстрат и происходит реакция.
2. Форма и химические группы активного центра соответствуют только определённому субстрату, поэтому случайные молекулы не подходят.
3. Температура и pH изменяют связи, заряд и форму белка; при неблагоприятных значениях активный центр деформируется, и реакция замедляется или прекращается.

Ответ: Избирательность фермента определяется соответствием формы и химических свойств его активного центра субстрату. Изменение температуры или pH может вызвать денатурацию либо изменить заряд активного центра. Поэтому фермент теряет способность связывать субстрат и ускорять реакцию.

Задача 3

Условие: Установите функции гемоглобина, коллагена, антител и миозина и обоснуйте ответ особенностями их строения. Название белка нужно сопоставить с выполняемой работой. Затем объясните, почему строение подходит для этой функции.

1. Гемоглобин обратимо связывает кислород и переносит его кровью, поэтому выполняет транспортную функцию.
2. Коллаген образует прочные волокна, из которых построены соединительные ткани, поэтому его функция структурная.
3. Антитела избирательно связывают чужеродные молекулы, а миозин изменяет положение в белковых волокнах с затратой энергии; их функции защитная и двигательная соответственно.

Ответ: Гемоглобин — транспортный белок, коллаген — структурный, антитела — защитные, миозин — двигательный. Такое соответствие объясняется способностью гемоглобина связывать газ, коллагена образовывать волокна, антител распознавать мишени, а миозина взаимодействовать с другими белками при сокращении.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Денатурацией называют разрушение первичной структуры, хотя обычно нарушаются более высокие уровни организации. Так ошибаются, потому что смешивают последовательность аминокислот с её свёртыванием. Проверьте себя: при денатурации сначала спрашивайте, сохранились ли пептидные связи.

Ошибка 2. Денатурацию отождествляют с полным разрушением белка. Такое представление не учитывает, что после мягкого воздействия возможна ренатурация. Если причина устранена и первичная структура сохранена, восстановление ещё может произойти.

Ошибка 3. Считают, что все белки одинаково растворимы в воде. Растворимость зависит от состава поверхности молекулы, её заряда, температуры и pH. Чтобы проверить ответ, укажите не только название белка, но и условия, в которых он находится.

Ошибка 4. Одну функцию приписывают всем белкам без учёта их строения. Белки различаются последовательностью аминокислот и пространственной формой, поэтому их работа неодинакова. Проверяйте себя через цепочку «строение — свойство — функция».

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе аминокислот, образовании пептидной связи и уровнях организации белковой молекулы. Без этого трудно объяснить, почему последовательность цепи определяет её пространственную форму и свойства.

Тема связана с ферментами и обменом веществ, генетикой, клеточными мембранами и иммунитетом. В генетике информация о белке записана в последовательности нуклеотидов, а в клетке белки обеспечивают реакции и взаимодействия с мембранами.

Функции белков помогают понять работу мышц, транспорт веществ и регуляцию процессов организма. Например, миозин обеспечивает сокращение, гемоглобин переносит кислород, а белковые гормоны изменяют активность клеток.

Что запомнить

• Белки — полимеры, состоящие из аминокислотных остатков.
• Свойства белка зависят от его аминокислотной последовательности и пространственной структуры.
• Белки проявляют амфотерные свойства.
• Денатурация нарушает пространственную структуру белка.
• После устранения причины денатурации иногда возможна ренатурация.
• Белки выполняют структурную, каталитическую, транспортную, двигательную, защитную и регуляторную функции.
• Форма белковой молекулы определяет её специфичность и функцию.