Белок как выглядит: Белки — химический состав, структура, общая формула

Белки — химический состав, структура, общая формула

Бесплатный вводный урок по химии

Записаться

Белки — основной строительный материал клеток, они составляют 15–20% общей массы человека. Так что разобраться в значении белков для организма человека важно не только ради экзамена по химии, но и для того, чтобы лучше понимать, как мы устроены, правильно питаться и быть здоровым.

Что такое белок. Химический состав и образование белков

Белки — это высокомолекулярные органические соединения, которые состоят из аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидной связью. Важно уточнить, что в состав белков входит только 20 альфа-аминокислот, тогда как всего ученым известно около 500 аминокислот. Общая формула белков выглядит следующим образом:

Греческая приставка «альфа-» в названиях альфа-аминокислот взялась из систематической номенклатуры. По ее правилам, следующий после карбоксильной группы углерод получает название первой буквы греческого алфавита — альфа, затем идет буква бета и так далее. В названии аминокислоты указывается греческая буква того углерода, у которого есть заместитель, в данном случае — аминогруппа.

Рассмотрим пример образования молекулы белка. Для этого познакомимся сначала с представителем альфа-аминокислот — альфа-аминопропановой кислотой.

Рассматривая строение молекулы, можно увидеть две конкурирующие по свойствам группы: карбоксильную, которая отвечает за кислотные свойства, и аминогруппу, которая отвечает за оснóвные свойства. Две молекулы аминокислот и более могут вступать в реакцию между собой, реагируя по разным функциональным группам. Именно таким образом получается пептид:

Соединение, которое образуется в результате взаимодействия двух аминокислот, называется дипептидом. Благодаря наличию двух свободных функциональных групп (карбоксильной и аминогруппы) дипептид может взаимодействовать с другими аминокислотами, увеличивая свое строение и превращаясь в полипептид.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Аминокислоты и их значение для человеческого организма

Говоря об аминокислотах, важно рассмотреть понятие незаменимости. Основной критерий определения биологической ценности аминокислоты — это способность поддерживать рост человека, что, в свою очередь, связано с синтезом белка в живом организме.

Незаменимые аминокислоты — это такие кислоты, которые либо не синтезируются в организме, либо синтезируются со скоростью, недостаточной для обмена веществ и образования новых клеток и тканей.

Если исключить из рациона хотя бы одну из незаменимых аминокислот, это повлечет за собой задержку роста и снижение массы тела растущего организма.

К незаменимым аминокислотам относятся валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

Заменимые аминокислоты — это те, которые организм может синтезировать самостоятельно или получить с продуктами питания. К ним относятся:

Давайте рассмотрим основные функции некоторых аминокислот в организме человека, чтобы лучше понять их значение:

• аспартат используется для процессов регенерации;

• гистидин необходим маленьким детям, у которых недостаточен эндогенный синтез;

• глютамин нужен для регенерационных процессов, важный энергетический субстрат в критических состояниях;

• таурин нужен новорожденным, у которых недостаточен эндогенный синтез, а также больным в критических состояниях. Дефицит таурина возникает при недостатке метионина и цистеина;

• тирозин необходим маленьким детям, у которых недостаточен эндогенный синтез. При нарушении функции почек снижено образование тирозина из фенилаланина;

• цистеин необходим маленьким детям, у которых недостаточен эндогенный синтез. Дефицит цистеина возникает при недостаточном содержании метионина в питании. Необходим при нарушениях функции печени, а также больным в критических состояниях.

Пептиды

Вернемся к продукту синтеза двух аминокислот — пептиду — и дадим ему определение.

Пептид — это продукт конденсации двух аминокислот или более, соединенных пептидной связью.

Пептид и белок — это одно и то же? Между ними действительно есть сходство, но есть и различия:

1. Основные различия — это структура и размер. Белки значительно больше пептидов. Пептиды состоят из 2–50 аминокислот, а белки — из более чем 50 аминокислот.

2. Пептиды менее строго определены в структуре, в то время как белки могут принимать сложные конформации.

3. Пептиды делятся на олигопептиды и полипептиды, а белок состоит из нескольких полипептидов.

Какие бывают белки

По строению

По строению белки делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды):

• составными частями простых белков являются в большинстве 20 различных остатков α–аминокислот;

• сложные белки могут содержать ионы металлов или образовывать комплексные соединения с углеводами, липидами и др.

По форме молекулы

По форме молекулы белки подразделяются на глобулярные и фибриллярные:

• форма молекулы глобулярных белков — глобула (сфера или эллипс). Например, альбумин (яичный белок), казеин (молочный белок). Такие белки растворимы в воде;

• форма молекулы фибриллярных белков — фибрилла (нити или волокна). Например, кератин (волосы, ногти, перья), коллаген (мускулы, сухожилия). Эти белки в воде не растворяются.

По аминокислотному составу

Как мы уже знаем, существуют незаменимые аминокислоты. Так вот, исходя из их наличия, белки бывают либо полноценные, либо неполноценные:

• к полноценным относятся белки животного происхождения, также полноценные белки содержат некоторые растения: картофель, бобовые и другие;

• к неполноценным относятся желатин и белки преимущественно растительного происхождения.

По растворимости

Растворимость белков зависит от их структуры, величины рН, солевого состава раствора, температуры и определяется природой тех групп, которые находятся на поверхности белковой молекулы.

Так, существуют белки (глобулины), которые растворяются только в растворах солей и не растворяются в чистой воде, а противоположные им альбумины хорошо растворимы в чистой воде.

К нерастворимым белкам относятся кератин (волосы, ногти, перья), коллаген (сухожилия), фиброин (шелк, паутина).

Чтобы запомнить классификацию белков было проще, показали ее на картинке:

Структура белков

После того как мы рассмотрели все производные белков, пора переходить к структуре белков.

Как видно из рисунка, белки имеют 4 структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Рассмотрим каждую чуть более подробно.

1. Первичная структура белка — это простейший вид белковой структуры. Представляет собой последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Последовательность аминокислот в белке определяется ДНК, а именно геном, кодирующим этот белок. Изменение всего лишь одной аминокислоты влечет за собой последствия: например, если вместо глутаминовой кислоты в молекуле гемоглобина находится валин, то у человека образуется серповидноклеточная анемия. При замене глутаминовой кислоты на валин клетки гемоглобина вытягиваются и принимают форму месяца или серпа.

2. Вторичная структура — пространственная структура, которая образуется в результате взаимодействия функциональных групп пептидного остова (полипептидная цепь без атомов R-групп). Самые распространенные формы вторичной структуры — это α-спираль и β-лист. Обе структуры удерживают форму благодаря водородным связям между кислородом карбонильной группы одной аминокислоты и водородом аминогруппы другой аминокислоты.

3. Третичная структура — это пространственное строение всей молекулы белка, состоящей из единственной цепи. Эта структура обусловлена взаимодействиями между R-группами аминокислот, которые входят в состав белка. Среди взаимодействий между R-группами, формирующими третичную структуру, встречаются водородные, ионные и диполь-дипольные связи, а также дисперсионные силы.

4. Четвертичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

Подробнее об основных функциях белков и их химических свойствах можно узнать из другой нашей статьи. А чтобы убедиться, что вы запомнили характеристику белков, их строение, структуру и функции, приходите на онлайн-курсы химии в школу Skysmart. Здесь вас ждут интересные факты из мира химии, интерактивные задания и опытные преподаватели, которые всегда помогут и поддержат.

Основные функции белков в организме, их свойства и роль

Что такое белки

Белки — это высокомолекулярные органические соединения, которые состоят из аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидной связью.

Этот класс органических веществ можно рассматривать с точки зрения двух наук: биологии и химии. Начнем с биологической роли белков.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Биологические функции белков

Строительная, или пластическая

Белки являются основой структурного материала всех клеточных мембран, так как образуют основу протоплазмы любой живой клетки. Наверняка вам известны такие белки, как коллаген, кератин и эластин. Именно они составляют основу соединительной ткани организма и обеспечивают ее прочность.

Транспортная

Эта функция заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ, то есть гормонов, и в перемещении их к различным тканям и органам тела. Например, гемоглобин является переносчиком кислорода в крови, а также принимает участие в транспорте углекислого газа. Перенос насыщенных жирных кислот в крови по организму происходит при участии альбумина. Трансферрин переносит ионы железа, а особые белки участвуют в переносе ионов натрия и калия через мембрану клетки.

Регуляторная

Белки играют роль в регуляции и согласовании обмена веществ в различных клетках организма. Например, инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, а также увеличивает образование жиров из углеводов.

Защитная

При попадании в организм чужеродного белка или микроорганизма образуются особые белки — антитела. Защитой организма от чрезмерной кровопотери является превращение белка фибриногена. Конечно, в этом процессе участвуют и другие белки, например тромбин, а также множество других факторов свертывания. Защиту нашего желудка от воздействия сильнокислой среды обеспечивает белок муцин, основу кожи составляет коллаген, а кератин является белком защитного волосяного покрова.

Двигательная

Двигательную функцию обеспечивают специальные сократительные белки, например актин и миозин, которые участвуют в сокращении скелетных мышц.

Сигнальная

В поверхность мембраны клетки встроены рецепторы (молекулы белков), которые в ответ на воздействие внешней среды способны изменять свою структуру, передавая команды в клетку.

Запасающая

Белки способны образовывать запасные отложения — правда, в организме животных белки, как правило, не запасаются. Но на каждое правило всегда найдется исключение — это альбумин, который содержится в яйцах, и казеин молока. Благодаря белкам в организме могут откладываться, например, ионы железа, которые впоследствии образуют комплекс с белком ферритином.

Энергетическая

Белки могут распадаться в клетке до составляющих, то есть до аминокислот. Часть этих аминокислот подвергается расщеплению, в ходе которого высвобождается энергия. При расщеплении 1 грамма белка выделяется 17,6 кДж, или 4,2 ккал, энергии. Но в этой роли белки используются крайне редко.

Каталитическая

Белки, которые называются ферментами, способны ускорять биохимические реакции, происходящие в клетке, — в этом заключается каталитическая функция белков.

Питательная, или резервная

Эту функцию выполняют резервные белки, которые являются источником питания для плода. Такими белками могут быть казеин — белок молока, овальбумины — белки яйца, проламины и глютелины — белки растений.

Функция антифриза

Антифризные белки способны понижать температуру замерзания раствора в клетках, чтобы предупредить замерзание в условиях низких температур.

Белки как класс органических соединений

А теперь рассмотрим белки с точки зрения химии. В состав белков живых организмов входит только 20 типов аминокислот. Все они являются альфа-аминокислотами, а состав белка и порядок соединения аминокислот друг с другом определяется индивидуальным генетическим кодом.

Перед нами пример альфа-аминокислоты, которая называется альфа-аминопропановой. В строении аминокислоты можно выделить две функциональные группы: карбоксильную (—СООН), которая отвечает за кислотные свойства, и аминогруппу (—NH₂), которая, в свою очередь, отвечает за основные свойства.

Отсюда можно сделать вывод, что все аминокислоты являются амфотерными соединениями и способны реагировать друг с другом по разным функциональным группам с образованием пептидной связи:

Химические свойства белков очень ограниченны. Давайте их рассмотрим.

Гидролиз

Все белки способны вступать в реакцию гидролиза. В общем виде данная реакция выглядит следующим образом:

Белок + nH₂O = смесь из α-аминокислот.

Денатурация

Денатурация — это разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур белка без разрушения его первичной структуры.

Напомним виды структур белка:

The image is a derivative of «Protein structure vector illustration» by VectorMine on Shutterstock.

Денатурация может быть обратимой, а может быть необратимой:

Как видно из условий, обратимость зависит от условий протекания реакций. Чем они жестче, тем меньше вероятность обратимости реакции.

Биуретовая реакция (качественная реакция на белок)

Раствор белка + NaOH_{(10%-й р-р)} + CuSO₄ = фиолетовое окрашивание.

Ксантопротеиновая реакция (качественная реакция на белок)

Растворы белка при кипячении с концентрированной азотной кислотой окрашиваются в желтый цвет:

Раствор белка + HNO_{3 (конц)} = желтое окрашивание.

Реакция Фоля (цистеиновая проба)

Эта реакция является качественной для аминокислот, содержащих серу:

Белок + (CH₃COO)₂Pb + NaOH = PbS + черное окрашивание.

Вопросы для самопроверки

1. Какая из структур белка является самой прочной?

   1. Первичная

   2. Вторичная

   3. Третичная

   4. Четвертичная

2. Какую из перечисленных функций способен выполнять белок?

   1. Результативную

   2. Регуляторную

   3. Регулятивную

   4. Растворную

3. За счет какой связи образуется первичная структура белка?

   1. Ионной

   2. Водородной

   3. Пептидной

   4. Ковалентной неполярной

4. При гидролизе белка получается (получаются). ..

   1. Аминокислоты, образующие этот белок

   2. Углекислый газ

   3. Аминокислота и вода

   4. Белок гидролизу не подвергается

5. Какая реакция с белком дает фиолетовое окрашивание?

   1. Ксантопротеиновая

   2. Цистеиновая

   3. Биуретовая

   4. Денатурация

Еще больше наглядных примеров функций белков в клетках живых организмов — на онлайн-курсах химии в Skysmart. Мы поможем полюбить предмет, разобраться в непонятных темах, улучшить оценки в школе и подготовиться к государственным экзаменам. Выберите подходящий курс и начните учиться с удовольствием!

Ответы на вопросы

1. a

2. b

3. c

4. a

5. c

иллюстраций и визуализаций белков | Спросите у биолога

показать/скрыть слова, чтобы узнать

Спираль: плавная спиральная кривая. Спирали (множественное число) могут быть правосторонними или левосторонними. Пружины являются примером спирали… подробнее

Белок: тип молекулы, присутствующей в клетках живых существ, состоящей из специальных строительных блоков, называемых аминокислотами.

Протеиновое искусство.

.. и как на самом деле выглядят белки

Отдельные белки настолько малы, что их невозможно разглядеть даже в большинство микроскопов. Поэтому, когда вы видите «изображение» белка, вы на самом деле смотрите на рисунок или компьютерную модель структуры белка.

Вы когда-нибудь видели модель нашей Солнечной системы? Может быть, вы сделали один для своего урока естествознания из шариков из пенопласта, или, может быть, вы видели действительно большую модель в музее. Эти модели помогают нам представить, где солнце и планеты соотносятся с землей, даже если модель очень проста. Более подробные модели могут помочь нам предсказать движение планет вокруг Солнца. Таким же образом можно использовать разные виды моделей белка для визуализации структуры белка по-разному.

Вонючая бомба? Вот молекула под названием 2-амино-2-сульфанилуксусная кислота. Вы не можете купить его нигде, что мы нашли. Если бы мы это сделали, у нас было бы одно очень вонючее соединение, которое, вероятно, было бы нестабильным. Никто не любит взрывающегося скунса, но он может так пахнуть. Его структура очень близка к двум разным настоящим аминокислотам — сможете ли вы найти две, наиболее похожие на нашего вонючего друга? Нажмите на изображение, чтобы увидеть таблицу аминокислот, которую вы можете использовать, чтобы определить, какие молекулы отличаются от этой молекулы всего на один или два атома.

Взлом кода

То, как нарисованы аминокислоты (и другие молекулы), похоже на секретный код. Вот как взломать код:

• Каждая буква «С» — это атом углерода
• Каждая буква «О» — это атом кислорода
• Каждая буква «N» — это атом азота
• Каждая буква «S» — это атом серы
• Каждый «H» — это атом водорода
• Каждый «Se» — это атом селена (можете ли вы найти одну из аминокислот, содержащих селен?)
• Атомы водорода, которые присоединены непосредственно к атомам углерода, иногда не показаны ( думайте о них как о невидимых ниндзя-водородах)

Иногда в целях экономии места и времени ученые опускают цветные шарики. Это в основном для «H» для водорода и всех «C» для углерода. Если вы видите такую ​​модель, вы все равно можете ее расшифровать. Атомы углерода находятся в точках каждого угла линии и в конце любой линии, которая не заканчивается другой буквой.

Рисование аминокислот таким образом помогает нам понять, какую форму принимают аминокислоты, и помогает нам предсказать, как они будут себя вести.

Алфавитный суп

Такая модель белка называется ленточной или мультипликационной диаграммой. Это помогает нам представить, где в белке встречаются вторичные структуры, такие как спирали (спирали) и листы. Нажмите на изображение, чтобы получить всю историю.

Чтобы не приходилось каждый раз писать полное название, у ученых есть аббревиатуры названий аминокислот. Есть два способа – трехбуквенная аббревиатура и однобуквенная аббревиатура. Например, аргинин может быть записан как «Arg» или просто как «R». Если бы вы были пиратом, держу пари, вашей любимой аминокислотой был бы аррррргинин. Должен быть стандартный код, чтобы никто не запутался, особенно потому, что названия некоторых аминокислот звучат одинаково. Например, E обозначает глутаминовую кислоту, а Q обозначает глутамин.

Давайте изучим структуру белков

У ученых есть много разных способов рисовать и рассматривать формы и структуру белков. В зависимости от того, на что им интересно смотреть, они будут выбирать разные способы рисования и отображения белка. Глядя на диаграмму справа, мы можем увидеть, как аминокислотная цепь скручивается и изгибается, образуя окончательную форму белка, но действительно ли этот выглядит так, как выглядит белок?

Ответ… не совсем.

Многоликость молекул

Ученые разработали множество способов показать, как выглядят молекулы, из чего они состоят и как они могут работать. Они называют эти рисунки «моделями». Вот восемь различных моделей одного и того же белка-токсина OSK1, которые мы только что рассмотрели. Это всего лишь один тип молекулы, найденной в яде скорпиона, но он может выглядеть по-разному в зависимости от того, что изучают ученые.

Один белок, одна истинная структура, восемь способов взглянуть на него. Нажмите на изображение, чтобы получить всю историю.

Модели с цветовой кодировкой

Все модели в верхнем ряду имеют цветовую кодировку, чтобы показать различные вторичные структуры. Розовый — для спирали (спирали), а желтый — для листа. Нижний ряд имеет цветовую кодировку различных аминокислот. Например, глутаминовая кислота (Е) показана белым цветом. Вы можете видеть его в левом нижнем углу белковой модели на всех изображениях в нижнем ряду. Теперь вернемся к первой модели токсина OSK1, которую мы видели. Сможете ли вы найти конец белковой цепи, которая начинается с аминокислоты глутаминовой кислоты (Е)?

Почему существует так много способов рисовать белки?

Существуют разные виды изображений для разных целей. Например, вот несколько художественных способов изображения людей и белков.

Bare Bones

Этот скелет больше похож на модель мяча и клюшки (справа) и 1a и 2a в нашей галерее изображений выше. Это правильно? Да, на нем показаны все правильные кости, а также то, как они соединяются друг с другом. Показывает ли он вам, как выглядит настоящий живой человек? Не совсем. Вот как работает шарообразная модель белка. Он показывает, где находятся важные атомы (шарики) и как они соединяются друг с другом (палочки), но не дает хорошего представления о том, где находятся спирали (спирали) и пластины, или о полной форме атома. белок.

Воплощение

На этом рисунке изображен человек в полном человеческом обличье. Это больше похоже на модель заполнения пространства (справа) и 1b и 2b в нашей галерее изображений выше. Это лучший способ представить, на что похожа реальная трехмерная форма белка. Хотя модель, заполняющая пространство, содержит большое количество деталей, изображение настолько плотное, что трудно сказать, какую структуру имеет белок (особенно внутри).

Искусство фигурки

Иногда даже скелет — это слишком много информации. Если вам просто нужен минимум структуры белка, вы можете просто показать основу (справа), как на 1c и 2c в нашей галерее изображений выше. Этот тип модели игнорирует структуру отдельных аминокислот и просто показывает основу белка (где аминокислоты соединены вместе).

Не только для комиксов

В комиксе вам достаточно основных рук, ног и головы, чтобы визуализировать действия персонажа. Это упрощение позволяет вам сосредоточиться на наиболее важных частях, таких как движение персонажа или его эмоции. Для ленточной диаграммы (справа), а также 1d и 2d в нашей галерее изображений выше части структуры белков сведены к минимуму, так что в каждой из них вы можете сосредоточиться на расположении одной спирали (спирали) и том, как три части лист выстраивается в линию.

Добавление изображений из Викимедиа.

Иллюстрации белков, созданные с помощью инструмента визуализации Jmol Protein Data Bank (PDB).

Подробнее о: Веном!

Что такое белок? Биолог объясняет

Примечание редактора: Натан Альгрен — доцент биологии в Университете Кларка. В этом интервью он точно объясняет, что такое белки, как они образуются и какие разнообразные функции они выполняют в организме человека.

Натан Альгрен объясняет, что белки делают в нашем организме.

Что такое белок?

Белок — это основная структура, присутствующая во всех живых организмах. Это молекула. И главное в белке то, что он состоит из более мелких компонентов, называемых аминокислотами. Мне нравится думать о них как о нитке разноцветных бусин. Каждая бусина будет представлять собой аминокислоту, которая представляет собой более мелкие молекулы, содержащие атомы углерода, кислорода, водорода и иногда серы. Таким образом, белок, по сути, представляет собой цепочку, состоящую из этих маленьких отдельных аминокислот. Существует 22 различных аминокислоты, которые вы можете комбинировать любым способом.

Белок обычно не существует в виде нити, а на самом деле складывается в определенную форму, в зависимости от порядка и того, как эти различные аминокислоты взаимодействуют друг с другом. Эта форма влияет на то, что белок делает в нашем организме.

Откуда берутся аминокислоты?

Аминокислоты в нашем организме поступают из пищи, которую мы едим. Мы также делаем их в нашем теле. Например, другие животные производят белки, и мы их едим. Наше тело берет эту цепочку и расщепляет ее на отдельные аминокислоты. Затем он может переделать их в любой белок, который нам нужен.

Как только белки расщепляются на аминокислоты в пищеварительной системе, они попадают в наши клетки и как бы плавают внутри клетки, как те маленькие отдельные бусинки в нашей аналогии. А затем внутри клетки ваше тело в основном соединяет их вместе, чтобы производить белки, которые необходимы вашему телу.

Примерно половину необходимых нам аминокислот мы можем получить сами, но остальные должны получать из пищи.

Что делают белки в нашем организме?

Ученые не совсем уверены, но большинство согласны с тем, что в нашем организме около 20 000 различных белков. Некоторые исследования предполагают, что их может быть даже больше. Они выполняют множество функций: от некоторых метаболических преобразований до удержания ваших клеток вместе и обеспечения работы ваших мышц.

Их функции можно разделить на несколько широких категорий. Один структурный. Ваше тело состоит из множества различных структур — подумайте о структурах, похожих на струны, глобулы, якоря и т. д. Они образуют материал, который удерживает ваше тело вместе. Коллаген — это белок, который придает структуру вашей коже, костям и даже зубам. Интегрин — это белок, который создает гибкие связи между вашими клетками. Ваши волосы и ногти состоят из белка под названием кератин.

Еще одна важная роль, которую они берут на себя, — это биохимия — то, как ваше тело выполняет определенные реакции в вашей клетке, такие как расщепление жира или аминокислот. Помните, я сказал, что наш организм расщепляет белок из пищи, которую мы едим? Даже эту функцию выполняют такие белки, как пепсин. Другой пример — гемоглобин — белок, который переносит кислород в крови. Итак, они проводят эти особые химические реакции внутри вас.

Белки также могут обрабатывать сигналы и информацию, подобно белкам циркадных часов, которые отсчитывают время в наших клетках, но это лишь несколько основных категорий функций, которые белки выполняют в клетке.