Свойства и биологическая роль белков. Белки как гидрофильные коллоиды. Реакции осаждения белков, использование реакций осаждения в медицинской практике. Методы очистки и разделения белков.

Биохимия — СПбГПМУ, Педиатрический факультет

Белки — высокомолекулярные органические соединения, построенные из аминокислот, которые играют ключевую роль в жизнедеятельности организмов. Они обладают рядом уникальных свойств и выполняют множество биологических функций. Как гидрофильные коллоиды, белки проявляют специфические физико-химические характеристики, а их осаждение используется в медицине и биохимии. Методы очистки и разделения белков основаны на их свойствах и позволяют получать высокоочищенные препараты для исследований и практического применения.

<h2>Свойства белков</h2>

Некоторые свойства белков:

<ul>

<li>Амфотерность. Белки содержат как кислые (карбоксильные группы), так и основные (аминогруппы) группы, что позволяет им взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями. </li>

<li>Гидрофильность. Большинство белков растворимы в воде благодаря наличию на их поверхности гидрофильных групп (гидроксильных, сульфгидрильных, амидных), которые способны связывать воду. </li>

<li>Коллоидные свойства. Белки имеют размеры коллоидных частиц (10⁻⁵–10⁻⁷ см), поэтому их растворы обладают свойствами коллоидных систем: высокая вязкость, незначительная диффузия, способность к сильному набуханию, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление и высокое онкотическое давление, способность поглощать ультрафиолетовые лучи при 280 нм. </li>

<li>Изоэлектрическая точка (ИЭТ, pI). Это значение pH, при котором суммарный заряд белка равен нулю. В изоэлектрической точке белок электронейтрален, имеет минимальную растворимость и максимальную склонность к выпадению в осадок. </li>

<li>Денатурация. Нарушение нативной (природной) структуры белка под действием физических или химических факторов, приводящее к потере его биологических функций. </li>

</ul>

Молекулярная масса белков варьируется от 6 000 до 1 000 000 Да и выше. Они могут иметь глобулярную (шарообразную) или фибриллярную (нитевидную) форму.

<h2>Биологическая роль белков</h2>

Белки выполняют множество функций в организме, среди которых:

<ul>

<li>Структурная. Белки являются строительным материалом клеток и тканей. Например, коллаген и эластин — компоненты соединительной ткани, кератин входит в состав волос и ногтей. </li>

<li>Каталитическая. Ферменты — белки, ускоряющие химические реакции в организме. </li>

<li>Транспортная. Гемоглобин переносит кислород, альбумины транспортируют жиры и жирные кислоты, трансферрин переносит железо и т. д.. </li>

<li>Защитная. Антитела (иммуноглобулины) участвуют в иммунном ответе, белки системы свёртывания крови (фибриноген, тромбин) защищают от потери крови. </li>

<li>Регуляторная. Некоторые белки являются гормонами, регулирующими обмен веществ. Белки также участвуют в поддержании кислотно-основного равновесия и осмотического давления. </li>

<li>Сократительная. Актин и миозин участвуют в сокращении и расслаблении мышц. </li>

<li>Энергетическая. При истощении или экстремальных состояниях белки могут использоваться как источник энергии (около 10% суточной потребности в обычных условиях). </li>

</ul>

<h2>Белки как гидрофильные коллоиды</h2>

Белки как коллоиды имеют размеры частиц, характерные для коллоидных растворов. Их гидрофильность обусловлена наличием полярных групп на поверхности молекулы, что способствует образованию гидратной оболочки — слоя воды, окружающего белковую молекулу. Эта оболочка повышает растворимость белка в воде.

Коллоидные свойства белков используются в лабораторной практике, например:

<ul>

<li>для нефелометрического определения количества белка на основе эффекта Тиндаля (рассеивания света коллоидными частицами);</li>

<li>в методе диализа для очистки белков от низкомолекулярных примесей. </li>

</ul>

<h2>Реакции осаждения белков</h2>

Осаждение белков — процесс выведения их из раствора в виде осадка. Реакции осаждения делятся на обратимые и необратимые.

Обратимое осаждение происходит под действием факторов, после прекращения действия которых белки могут вновь переходить в растворимое состояние и восстанавливать свои свойства (ренатурация). К таким методам относится высаливание — осаждение белков нейтральными солями (например, сульфатом аммония, хлоридом натрия). При высаливании происходит дегидратация макромолекул белка и устранение заряда. Метод используется для фракционирования белков, то есть их разделения на фракции.

Необратимое осаждение приводит к глубокой денатурации и агрегации белка, после чего он не способен восстановить свои первоначальные свойства. Необратимое осаждение вызывают:

<ul>

<li>высокая температура;</li>

<li>концентрированные минеральные и некоторые органические кислоты;</li>

<li>ионы тяжёлых металлов (свинец, медь, ртуть и др.);</li>

<li>алкалоидные соединения;</li>

<li>детергенты, красители. </li>

</ul>

При взаимодействии с солями тяжёлых металлов белки адсорбируют их, образуя солеобразные и комплексные соединения, нерастворимые в воде.

<h2>Использование реакций осаждения в медицинской практике</h2>

Реакции осаждения белков применяются:

<ul>

<li>для качественного и количественного определения белка в биологических жидкостях (например, в моче — проба Геллера); </li>

<li>для удаления белков из растворов, например, при необходимости работы с низкомолекулярными компонентами; </li>

<li>в случае отравления солями тяжёлых металлов — в качестве противоядия. Пострадавшему дают выпить молоко или белок куриного яйца, которые связывают ионы тяжёлых металлов, а затем вызывают рвоту для удаления яда из организма; </li>

<li>для стерилизации медицинских инструментов и материалов при высокой температуре, а также в качестве антисептиков (например, фенол и его производные); </li>

<li>в методе проб коллоидоустойчивости для функциональной диагностики болезней внутренних органов. </li>

</ul>

<h2>Методы очистки и разделения белков</h2>

Очистка белков — многоступенчатый процесс, направленный на получение высокоочищенных препаратов. Некоторые методы:

<ul>

<li>Диализ. Удаление низкомолекулярных примесей через полупроницаемые мембраны (например, целлофановые или коллодиевые плёнки). Белки, как высокомолекулярные соединения, не проходят через мембраны. </li>

<li>Ультрафильтрация. Использование полупроницаемых мембран с определёнными размерами пор. Вода и малые молекулы проходят через мембрану, а концентрированный раствор белка остаётся с другой стороны. </li>

<li>Гель-фильтрация (гель-проникающая хроматография). Разделение белков по молекулярной массе с помощью пористых матриц. Белки проходят через поры в зависимости от своего размера. </li>

<li>Ионообменная хроматография. Основана на взаимодействии заряженных групп белков с противоположно заряженными группами на сорбенте. Белки сорбируются на носителе, а затем десорбируются при повышении концентрации соли. </li>

<li>Аффинная хроматография. Использование иммобилизованного на адсорбенте лиганда, который специфически связывает целевой белок. После адсорбции белок элюируют либо неспецифическим (повышением концентрации соли), либо специфическим способом (замещением лигандом из раствора). </li>

<li>Электрофорез. Разделение белков в электрическом поле на основе их заряда и размера. Капиллярный электрофорез и нативный электрофорез используются для анализа и разделения белков. </li>

<li>Кристаллизация. Метод, позволяющий получить высокоочищенные белки в кристаллическом виде для структурного анализа. </li>

</ul>

</div>

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по биохимии