§ 4. Свойства и функции белков

Определения и обозначения

Белок — биополимер, то есть крупная молекула, построенная из повторяющихся звеньев, аминокислотных остатков. Эти остатки соединены пептидными связями в полипептидную цепь; обычно в составе белков есть углерод, водород, кислород и азот, а иногда сера. От последовательности аминокислот зависит сворачивание цепи и будущая функция белка.

Денатурация — нарушение природной пространственной структуры белка, обычно без разрушения его первичной структуры. Причинами могут быть высокая температура, резкое изменение кислотности или действие некоторых химических веществ. При этом меняется форма молекулы, поэтому белок часто теряет растворимость и биологическую активность.

Ренатурация — восстановление природной структуры и свойств белка после устранения причины денатурации. Она возможна, если аминокислотная последовательность и важные связи цепи сохранились. Это понятие показывает, что пространственная форма белка иногда может самопроизвольно восстановиться.

Гидролиз белка — расщепление пептидных связей при участии воды. В результате образуются более короткие пептиды, а при полном расщеплении — аминокислоты. Гидролиз отличается от денатурации тем, что при нём разрушается сама полипептидная цепь.

Как это устроено

Белковая цепь начинается с определённой последовательности аминокислот, которую называют первичной структурой. Разные боковые группы аминокислот притягиваются, отталкиваются или образуют связи друг с другом. Поэтому цепь изгибается и сворачивается в характерную для данного белка форму, а участки цепи оказываются рядом даже при большой удалённости в последовательности.

Пространственная структура создаёт активные и связывающие участки белка. Например, у фермента форма участка связывания подходит к определённому веществу, поэтому реакция ускоряется избирательно. Если форма изменяется, нужное вещество уже не удерживается правильно, и функция ослабевает или исчезает.

Нагревание усиливает движение частиц и может разрушать слабые взаимодействия, поддерживающие свёрнутую форму белка. Изменение кислотности меняет заряд отдельных групп, поэтому участки цепи начинают взаимодействовать иначе. Некоторые химические вещества также вступают в реакцию с группами белка или нарушают связи между ними, вызывая денатурацию и потерю свойств.

Денатурация и гидролиз действуют на белок по-разному. При денатурации преимущественно меняется вторичная, третичная или более сложная пространственная организация, а пептидный каркас обычно остаётся целым. При гидролизе разрываются пептидные связи, поэтому восстановить исходный белок простым устранением внешнего воздействия уже нельзя.

Растворимость белка определяется тем, какие участки его молекулы обращены к воде, а также температурой и кислотностью среды. Белковые молекулы могут поглощать воду и увеличиваться в объёме — это называют набуханием. Амфотерность означает способность белка проявлять и кислотные, и основные свойства, потому что в его составе есть разные группы, способные отдавать или присоединять ионы водорода.

Основные свойства белков и их проявления

В таблице сопоставлены свойства белков, условия их проявления и биологическое значение. При анализе конкретной ситуации сначала найдите воздействие на белок, затем определите, изменилась ли его форма или разорвались пептидные связи. Это помогает отличить обратимые изменения структуры от химического распада молекулы.

Разбор задач

Задача 1

При нагревании раствора белка появились хлопья. Нужно определить свойство белка и объяснить наблюдение. Хлопья показывают, что белок перестал равномерно находиться в растворе.

1. Нагревание сопоставляем с воздействием, способным нарушить слабые взаимодействия внутри белковой молекулы.
2. Определяем изменение: пространственная форма белка изменилась, а его растворимость уменьшилась.
3. Появление видимых хлопьев связываем с объединением изменённых молекул и их выпадением из раствора.

Ответ: проявилась денатурация белка. При нагревании его природная форма нарушилась, растворимость снизилась, и молекулы образовали хлопья.

Задача 2

Нужно сравнить действие высокой температуры и фермента протеазы на белок. В обоих случаях белок изменяется, но причины и результат различны. Поэтому следует проверить, затронута ли пространственная форма или разорваны пептидные связи.

1. Высокую температуру рассматриваем как причину денатурации: она нарушает взаимодействия, удерживающие форму белка.
2. Протеазу определяем как фермент, который ускоряет гидролиз пептидных связей.
3. Сравниваем результат: после нагревания цепь обычно сохраняется, а при действии протеазы распадается на более короткие пептиды или аминокислоты.

Ответ: температура преимущественно изменяет пространственную структуру белка. Протеаза разрушает пептидные связи, поэтому вызывает гидролиз и химический распад белковой цепи.

Задача 3

В клетке обнаружены белок-фермент, мембранный белок-переносчик и белок, обеспечивающий сокращение. Нужно назвать функции и связать их со строением молекул. Один общий признак — точная пространственная форма, но рабочие участки у белков различаются.

1. Ферменту соответствует каталитическая функция: его активный участок связывает определённые вещества и ускоряет реакцию.
2. Мембранный белок выполняет транспортную функцию: его участки взаимодействуют с веществом, а положение в мембране позволяет переносить его через барьер.
3. Сократительный белок выполняет двигательную функцию: взаимодействие его молекул вызывает изменение формы и перемещение частей клетки.

Ответ: белки выполняют соответственно каталитическую, транспортную и двигательную функции. Специфическая форма активных, связывающих и взаимодействующих участков делает каждую функцию возможной.

Типичные ошибки

Считать денатурацию и гидролиз одним процессом — ошибка, потому что в первом случае меняется пространственная форма, а во втором разрываются пептидные связи. Их путают из-за общего результата: белок может потерять активность. Проверка проста: спросите, сохранилась ли непрерывная аминокислотная цепь.

Нельзя утверждать, что при любой денатурации разрушается первичная структура. Обычно аминокислотная последовательность сохраняется, а нарушаются взаимодействия, поддерживающие свёртывание цепи. Проверяйте, говорится ли именно о разрыве пептидных связей: без этого речь чаще идёт о денатурации.

Ошибочно считать, что все белки одинаково растворимы в воде. Растворимость зависит от строения молекулы и условий среды, поэтому одни белки растворяются хорошо, а другие набухают или выпадают в осадок. Для самопроверки учитывайте температуру, кислотность и характер участков белка.

Сводить функции белков только к построению клеток тоже неправильно. Белки могут ускорять реакции, переносить вещества, защищать организм, регулировать процессы и обеспечивать движение. Если в ответе названа только структурная роль, проверьте, не подходит ли белок к другой группе функций.

Связь с другими темами

Для понимания свойств белков нужны знания о строении аминокислот, пептидной связи и уровнях организации белковой молекулы. Без этого трудно объяснить, почему последовательность цепи определяет её форму. Эти представления связывают химическое строение с биологической функцией.

Тема продолжает изучение ферментов, обмена веществ и пищеварения. Каталитическая функция объясняет действие ферментов, а гидролиз белков — их переваривание до аминокислот. Полученные аминокислоты затем используются в обмене веществ.

Связь структуры и функции пригодится при изучении клеточных мембран, иммунитета и регуляции процессов организма. Мембранные белки переносят вещества, защитные белки распознают чужеродные объекты, а регуляторные белки управляют реакциями клеток. Во всех случаях результат зависит от точной пространственной формы молекулы.

Что запомнить

• Белки состоят из аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями.
• Функции белка зависят от его пространственной структуры.
• Денатурация обычно нарушает пространственную структуру, но не первичную.
• Гидролиз белка сопровождается разрывом пептидных связей.
• Денатурация может быть обратимой, если первичная структура белка сохранилась.
• Белки выполняют множество функций: каталитическую, структурную, транспортную, защитную, двигательную и регуляторную.