II. Биологическая классификация. Современные представления о структуре белков

ЛЕКЦИЯ № 5, 6, 7, 8.

Тема: Изменение свойств белков при технологической обработке

Объект рассмотрения: белки пищевых продуктов

Предмет изучения: строение и свойства белков пищевых продуктов

Цель лекции: систематизация имеющихся и получение новых

знаний о строении и свойствах белков пищевых

продуктов и их изменении при технологической

обработке

Литература

1. Аминокислоты белков, пептиды. Методические указания по самостоятельной работе по органической химии для студентов. -ХИОП, Харьков, 1988. - 48 с.

2. Общая технология пищевых производств /под ред Ковальской Л.П. -М.: Колос, 1993.- 384 с.

3. Соркина Д.А., Залевская И.Н. Структурно-функциональные свойства белков: Учеб пособие. - К.: Выща школа, 1989. - С.6-40.

4. Нечаєв, А. П. Пищевая химия [Текст] : 2-е изд. перераб. и испр. / А. П. Нечаєв [и др.] – Санкт-Петербург: ГИОРД, 2003. – 632 с.

5. Пивоваров, П. П. Теоретична технологія продукції громадського харчування. Ч. І. Білки в технології продукції громадського харчування [Текст] : Навч. посібник / П. П. Пивоваров. – Харків: ХДАТОХ, 2000. – 116 с.

План лекции

1. Состав пищевых продуктов. Вводная часть.

2. Классификация белков.

3. Современные представления о структуре белков.

4. Свойства белков.

4.1 . физико-химические свойства.

4.2 . функционально-технологические свойства.

5. Особенности состава и функционально-технологических свойств белков животного и растительного происхождения.

Состав пищевых продуктов. Вводная часть.

В группу главных пищевых веществ (по международной классификации) входят макронутриенты (белки, жиры, углеводы, витамины и вода), макроэлементы и микроэлементы.

Суточная потребность в макронутриентах различна. Белков необходимо 91 г, в т. ч. животных - 50 г; жиров - 25 г в т. ч. не насыщенных жирных кислот 5-10 г; углеводов - 378 г в т. ч. сахара 50-100 г; воды - 1750-2200 г.

Наиболее распространенной является классификация пищевых веществ по А.А. Покровскому:

Неалиментарные вещества - вещества, которые не входят в структуру организма, но попадают с пищей в организм, могут быть как желательными, так и отрицательно влияющими на организм. К ним относятся пищевые волокна, ядовитые вещества (нитраты, пестициды и т.п.), предшественники синтеза биологически активных веществ.

Классификация белков

В настоящее времястрогая научная классификация белков отсутствует. В качестве классификационных признаков используют:

· физико-химические свойства;

· функциональные свойства (растворимость в отдельных растворителях, выполняемые функции и др.);

· структурные признаки (степень сложности молекулы и форма молекулы).

Так, белки по первому признаку классифицируются следующим образом.

По электрохимическим свойствам они делятся на:

- кислые ;

- основные ;

- нейтральные .

По полярным признакам белки подразделяются на:

- полярные (гидрофильные) ;

- неполярные(гидрофобные) ;

- амфипалитические (с двойственными признаками, проявляющими свойства в зависимости от условий среды)

По функциональным свойствам классификация наиболее полно разработана для ферментных белков.

По структурным признакам белки классифицируют:

Протеиды - белки, состоящие из белковой части и небелковой простетической группы (липидов, углеводов, нуклеиновых кислот, фосфорной кислоты или металла).

Современные представления о структуре белков.

Белки - сложные биополимеры, состоящие из аминокислот.

Все белки представляют собой полимеры, цепи которых собраны из фрагментов аминокислот. Аминокислоты – это органические соединения, содержащие в своем составе (в соответствии с названием) аминогруппу NH 2 и органическую кислотную, т.е. карбоксильную, группу СООН. Из всего многообразия существующих аминокислот (теоретически количество возможных аминокислот неограниченно) в образовании белков участвуют только такие, у которых между аминогруппой и карбоксильной группой – всего один углеродный атом. В общем виде аминокислоты, участвующие в образовании белков, могут быть представлены формулой: H 2 N–CH(R)–COOH.

Общая химическая формула аминокислот (АК), являющихся структурным элементом белковой молекулы, может быть представлена следующим образом:

В треугольнике выделена одинаковая для всех -аминокислот часть, а R -радикал или боковая цепь, специфична для каждой аминокислоты.

Группа R, присоединенная к атому углерода (тому, который находится между амино- и карбоксильной группой), определяет различие между аминокислотами, образующими белки. Эта группа может состоять только из атомов углерода и водорода, но чаще содержит помимо С и Н различные функциональные (способные к дальнейшим превращениям) группы, например, HO-, H 2 N- и др. Существует также вариант, когда R = Н.

В организмах живых существ содержится более 100 различных аминокислот, однако, в строительстве белков используются не все, а только 20, так называемых «фундаментальных».

Студентам следует повторить номенклатуру и основные свойства аминокислот из курса “Органическая химия”.

Свойства аминокислот разнообразны и они во многом определяют свойства белков.

По теории Э. Фишера аминокислоты присоединены друг к другу ковалентной амидной связью, которая возникает при взаимодействии α-карбоксильной группы одной аминокислоты с α-аминогруппой другой амино

кислоты. При этом выделяется вода .

Продукты такой реакции называют пептидами, а сама связь между аминокислотами – пептидной.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи, она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры белка, но и на высшие формы организации его структуры.

У пептидов на одном конце – свободная аминогруппа, а на другом – карбоксильная. К этим группам могут присоединятся новые аминокислоты, благодаря чему происходит наращивание полипептидной цепи.

Свойства пептидной связи определяют во многом структуру и свойства самих белков. Знать свойства пептидной связи полезно для понимания причин многоуровневой организации белковой молекулы.

Свойства пептидной связи :

1. Пептидная связь копланарна - все атомы, входящие в состав пептидной единицы, находятся в одной плоскости.

2. Вращение вокруг связи C-N отсутствует.

3. C -атомы каждой пептидной связи находятся в транс-конформации.

4. Пептидные группировки обеспечивают максимально возможное число водородных связей (каждая группа -СО- NH- способна образовать две водородные связи с соседними пептидными группами).Исключение пролин и оксипролин, которые образуют 1 водородную связь), что сказывается на формировании вторичной структуры белка, пептидная цепь на этом участке легко изгибается и молекуле образуются петли (шпильки).

Структурная организация белковой молекулы имеет определенную иерархию структурных уровней, берущую начало от первичной структуры и заканчивающуюся четвертичной.

Первичная структура Каждый вид белка обладает строгой спецификой аминокислотного состава. уникальностью числа аминокислот и их последовательности в полипептидной цепи, что определяется понятием первичная структура белка. Первичная структура белка предопределена генетическим кодом клетки. Она определяет пространственную структуру - конформацию белковой молекулы.

Вторичная структура - это специфическая упорядоченная ориентация полипептидной цепи в пространстве, обусловленная свободным вращением вокруг ее связей, соединяющих -углеродные атомы. (упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи) Если торсионные углы равны 45-60 о, то вторичная структура белка представлена в виде -спирали, если углы равны 120-135 о, то образуется -структура.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ТОРСИОННЫХ УГЛОВ В ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ

А и В - плоскости двух связанных пептидных единиц; Р - плоскость, содержащая связи С - N и С - С’, вокруг которых происходит вращение Ф и соответственно

Отдельные витки спирали удерживаются многочисленными водородными связями с участием водорода аминогруппы и атома кислорода группы СО. При образовании спиралей радикалы, карбоксильные группы и аминогруппы остаются снаружи, что обуславливает возможность образования третичной структуры белка.

В пространстве аминокислотные остатки, составляющие белковую полипептидную цепь, плотно упакованы за счет примыкания друг к другу их боковых цепей за счет так называемого стэкинг-взаимодействия (англ. stack-стопка, кипа).

Третичная структура Полипептидная цепь складывается в пространстве в уникальную для каждого белка трехмерную конфигурацию, которая называется третичной структурой или конформацией белковой молекулы. Третичная структура определяет вид молекулы под микроскопом и поведение ее в различных средах.

Глобулярные белки по третичной структуре можно разделить на пять групп:

1. α-белки – белки с большим количеством спиральных структур

2. β-белки – белки, глобулы кот-х состоят из двух и более β-складчатых слоёв.

3. α / β-белки – представляют полипептидную цепь, состоящую из чередующихся α-спиралей и вытянутых β-участков цепи, сгруппированных в один β-слой.

4. (α + β) – белки, представляющие собой полипептидную цепь, разделенную на участки, целиком состоящие из спиралей, и на участки, имеющие форму β-складчатого слоя.

5. белки без α, β – это белки, в структуре которых практически нет спиральных и складчатых участков. Молекулярные глобулы состоят из ясно различимых долей – доменов.

Основные связи, стабилизирующие третичную структуру молекулы белка:

водородные связи между боковыми цепями аминокислотных остатков;

водородные связи между пептидными единицами;

ионные связи;

ван-дер-ваальсовы силы;

гидрофобные взаимодействия

Типы химических связей в белковой молекуле

В биомолекулах химические связи можно разделить на ковалентные и нековалентные. К ковалентным относятся пептидная и дисульфидная связи. Важную роль в поддержании пространственной структуры биологических молекул играют более слабые, чем ковалентные, химические связи (водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия ).

Водородные связи. Этот тип появляется при электростати­ческом взаимодействии атома водорода с частично положи­тельным зарядом и ковалентно связанного атома кислорода (азота) с отрицательным зарядом. Способность к образованию водородных связей ярко выражена у соединений, содержащих группы -СО, - NH, -ОН, -СОО-, -СОН .

В белковой молекуле водородная связь может образовы­ваться между группировками пептидных цепей и боковыми цепями аминокислот. Водородные связи бывают внутримоле­кулярными и межмолекулярными. Единичная водородная связь довольно слабая и непрочная, однако образование даже не­скольких таких связей, действующих кооперативно, представ­ляет собой стабилизирующий фактор. Важное биологическое значение водородных связей определяется их участием в стро­ении живой материи.

Гидрофобные взаимодействия. Соединения, несущие заря­ды, а также способные к образованию водородных связей, являются полярными, или гидрофильными. Вследствие того, что электроотрица­тельный заряд углерода близок к водороду, углерод не способен к образованию водородных связей. Связи С-Н непо-лярны, поэтому углеводородные цепи гидрофобны. Молекулы воды, стремясь образовать между собой водородные связи, выталкивают гид­рофобные группы и молекулы, заставляя их преобразовы­ваться в ассоциаты. Этот процесс идет самопроизвольно. Гид­рофобные ассоциаты имеют первостепенное значение для «архитектуры» биомембран, нуклеиновых кислот и белков. В белках гидрофобные взаимодействия возникают вследствие стремления неполярных гидрофобных боковых цепей ряда аминокислот (Вал, Ала, Лей, Иле, Фен, Тир, Три) избегать контакта с водой. Полипептидная цепь при этом сворачива­ется как бы в клубок, внутри которого сближаются гидро­фобные группировки, а на поверхности располагаются по­лярные группы, взаимодействующие с водой.

Ван-дер-ваальсовы силы. Силы межмолекулярного взаимо­действия названы по имени голландского физика Я. Д. Ван-дер-Ваальса, впервые в 1873 году высказавшего предположе­ние об их существовании. По своей природе эти связи напоминают водородные, так как возникают на основе кулоновских сил электростатического притяжения. Однако, если в образовании водородных связей участвуют постоянные ди­поли высокополярных ковалентных связей , то ван-дер-вааль-совы силы возникают при индуцированных, непостоянных диполях слабополярных ковалентных связей , например С-Н. Несмотря на то, что ван-дер-ваальсовы силы очень слабые, они фактически обусловливают ассоциацию многих неполяр­ных группировок в биомолекулах.

Ионные связи. Данный тип основан на взаимном элект­ростатическом притяжении противоположно заряженных ионов. Примером такого взаимодействия служит связь меж­ду отрицательно заряженной карбоксильной группой - СОО – и положительно заряженной протонированной аминогруп­пой – NH 2 + .

Важнейшей особенностью слабых химических связей яв­ляется то, что их энергия незначительно превышает кинети­ческую энергию теплового движения (2,5 кДж/моль). Этого небольшого превышения оказывается достаточно, чтобы воз­никли слабые взаимодействия как внутри, так и между био­молекулами. Такие непрочные вторичные химические связи очень лабильны, что обусловливает их быстрое возникнове­ние и распад.

Термодинамически выгодным оказывается расслоение системы, образование двух фаз - водной и углеводородной, что достигается сворачиванием глобулы и установлением гидрофобных контактов между неполярными радикалами. Сближение неполярных групп влечет за собой формирование ван-дер-ваальсовых контактов между ними. Но вклад этих весьма слабых взаимодействий в энергетику процесса свертывания белка невелик, тогда как роль гидрофобных контактов (роль изменения энтропии растворителя) при свертывании белка очень высока.

Форма белковой молекулы во многом определена третьим уровнем структуры, и особенно степенью асимметрии (отношением длинной части молекулы к короткой).

У фибриллярных (нитевидных) белков степень асимметрии более 80. К ним относятся кератин, коллаген и др. белки соединительных тканей. При степени асимметрии молекулы менее 80 белки образуют глобулу. Для многих глобулярных белков степень асимметрии равна 3-5. Следует отметить, что для белков с большой степенью асимметрии характерна -структура, а для глобулярных белков более характерна -спираль.

Главными структурными принципами глобулярной молекулы белка являются:

· компактная форма (за счет стэкинг-взаимодействия боковых групп);

· наличие гидрофобного ядра или ядер (за счет объединения неполярных аминокислотных остатков);

· наличие полярной оболочки (за счет ионных или полярных радикалов аминокислотных остатков).

При взаимодействии нескольких субъединиц происходит построение полиглобулярного белка с так называемой четвертичной структурой . Эта структура присуща ферментам и гемоглобину. Четвертичная структура стабилизируется всеми типами слабих связей и иногда ещё дисульфидными связями.

Каждая из перечисленных структур определяет свойства белковой молекулы в целом. Суммарные свойства неизменного белка получили название «нативные свойства », а их носитель, то есть неизменный белок – «наивный белок» .

НАТИВНОСТЬ - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии.

Свойства белков

Сложная структура белков предопределяет многообразие их свойств.

а) Незаменимые аминокислоты, их еще называют "эссенциальные". Они не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей. Их 8 и еще 2 аминокислоты относятся к частично незаменимым.

Незаменимые: метионин, треонин, лизин, лейцин, изолейцин, валин, триптофан, фенилаланин.

Частично незаменимые: аргинин, гистидин.

а) Заменимые (могут синтезироваться в организме человека). Их 10: глутаминовая кислота, глутамин, пролин, аланин, аспарагиновая кислота, аспарагин, тирозин, цистеин, серин и глицин.

III . Химическая классификация - в соответствии с химической структурой радикала аминокислоты (алифатические, ароматические).

Белки синтезируются на рибосомах, не из свободных аминокислот, а из их соединений с транспортными РНК (т-РНК).

Этот комплекс называется «аминоацил-т-РНК».

Типы связей между аминокислотами в молекуле белка

1. КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ - обычные прочные химические связи.

а) пептидная связь

б) дисульфидная связь

2. НЕКОВАЛЕНТНЫЕ (СЛАБЫЕ) ТИПЫ СВЯЗЕЙ - физико-химические взаимодействия родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи. Очень чувствительны к физико-химическим условиям среды. Они неспецифичны, то есть соединяются друг с другом не строго определенные химические группировки, а самые разнообразные химические группы, но отвечающие определенным требованиям.

а) Водородная связь

б) Ионная связь

в) Гидрофобное взаимодействие

ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ.

Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты и NH 2 -группы соседней аминокислоты. В названии пептида окончания названий всех аминокислот, кроме последней, находящейся на «С»-конце молекулы меняются на «ил»

Тетрапептид: валил-аспарагил-лизил-серин

ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ формируется ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ АЛЬФА-АМИНОГРУППЫ И СОСЕДНЕЙ COOH-ГРУППЫ ОБЩЕГО ДЛЯ ВСЕХ АМИНОКИСЛОТ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛЫ!!! Если карбоксильные и аминогруппы входят в состав радикала, то они никогда(!) не участвуют в формировании пептидной связи в молекуле белка.

Любой белок - это длинная неразветвленная полипептидная цепь, содержащая десятки, сотни, а иногда более тысячи аминокислотных остатков. Но какой бы длины ни была полипептидная цепь, всегда в основе ее - стержень молекулы, абсолютно одинаковый у всех белков. Каждая полипептидная цепь имеет N-конец, на котором находится свободная концевая аминогруппа и С-конец, образованный концевой свободной карбоксильной группой. На этом стержне сидят как боковые веточки радикалы аминокислот. Числом, соотношением и чередованием этих радикалов один белок отличается от другого. Сама пептидная связь является частично двойной в силу лактим-лактамной таутомерии. Поэтому вокруг нее невозможно вращение, а сама она по прочности в полтора раза превосходит обычную ковалентную связь. На рисунке видно, что из каждых трех ковалентных связей в стержне молекулы пептида или белка две являются простыми и допускают вращение, поэтому стержень (вся полипептидная цепь) может изгибаться в пространстве.

Хотя пептидная связь довольно прочная, ее сравнительно легко можно разрушить химическим путем – кипячением белка в крепком растворе кислоты или щелочи в течении 1-3 суток.

К ковалентным связям в молекуле белка помимо пептидной, относится также ДИСУЛЬФИДНАЯ СВЯЗЬ.

Цистеин - аминокислота, которая в радикале имеет SH-группу, за счет которой и образуются дисульфидные связи.

В десятки раз слабее ковалентных связей. Это не определенные типы связей, а неспецифическое взаимодействие, которое возникает между разными химическими группировками, имеющими высокое сродство друг к другу (сродство – это способность к взаимодействию). Например: противоположно заряженные радикалы.

Таким образом, слабые типы связей - это физико-химические взаимодействия. Поэтому они очень чувствительны к изменениям условий среды (температуры, pH среды, ионной силы раствора и так далее).

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ - это связь, возникающая между двумя электроотрицательными атомами за счет атома водорода, который соединен с одним из электроотрицательных атомов ковалентно (см. рисунок).

Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная. Если водородные связи повторяются многократно, то они удерживают полипептидные цепочки с высокой прочностью. Водородные связи очень чувствительны к условиям внешней среды и присутствию в ней веществ, которые сами способны образовывать такие связи (например, мочевина).

ИОННАЯ СВЯЗЬ - возникает между положительно и отрицательно заряженными группировками (дополнительные карбоксильные и аминогруппы), которые встречаются в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Пространственная организация белковой молекулы

В основе каждого белка лежит полипептидная цепь. Она не просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует понятие о 4-х уровнях пространственной организации белка, а именно - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковых молекул.

Первичная структура

Первичная структура белка - последовательность аминокислотных фрагментов, прочно (и в течение всего периода существования белка) соединенных пептидными связями. Существует период полужизни белковых молекул - для большинства белков около 2-х недель. Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи, то образуется уже другой белок.

Вторичная структура

Вторичная структура - это пространственная организация стержня полипептидной цепи. Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:

1) Альфа-спираль - имеет определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль. В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова. Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру. Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину).

Б

ета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.

3) Нерегулярная структура - тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.