Хімія. 9 клас. Березан

§ 39. Білки. Склад і будова. Біологічна роль амінокислот і білків

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

• отримаєте уявлення про склад амінів та амінокислот;
• з'ясуєте склад білків, їх будову і структуру;
• дізнаєтесь про властивості та значення білків.

Поняття про нітрогеновмісні органічні сполуки

Є велика кількість органічних сполук, молекули яких містять, крім Карбону, Гідрогену й Оксигену, ще один елемент — Нітроген. Такі органічні сполуки називають нітрогеновмісними. До них належать аміни, амінокислоти і білки, а також низка фізіологічно активних речовин: вітаміни¹, антибіотики.

¹ Перші відкриті вітаміни були амінами. Згодом було винайдено вітаміни, які належать до інших класів органічних речовин.

Амінокислоти — це група органічних сполук, які є структурними ланками білків. Амінокислоти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять аміно- та карбоксильні групи.

Розгляньмо будову найпростішої амінокислоти — аміноетанової.

Якщо в молекулі метану один атоми Гідрогену замістити на аміногрупу -NH₂, а другий — на карбоксильну групу -СООН, одержимо:

Скорочена структурна формула — H₂N-CH₂-COOH.

Молекули амінокислот, що є похідними інших вуглеводнів, наприклад, етану, можуть мати різну будову.

Із 20 стандартних (протеїногенних) α-амінокислот побудовані майже всі природні білки (чому інші амінокислоти не беруть участі в побудові білкових молекул, науці поки що невідомо). Вісім з них вважають незамінними для людського організму, оскільки він синтезує їх дуже мало або не синтезує зовсім. Такі амінокислоти потрапляють в організм із їжею. Деякі α-амінокислоти є вітамінами.

Думку про те, що саме амінокислоти є «цеглинками», з яких побудовані білки, вперше висловив видатний український біохімік і хімік І. Я. Горбачевський.

Іван Якович Горбачевський

(1854-1942)

Український хімік, біохімік, гігієніст, епідеміолог, громадсько-політичний і освітній діяч, беззмінний професор кафедри фармакології Празького університету з 1883 до 1917 року, міністр охорони здоров’я Австро-Угорської імперії у 1917-1918 роках. Академік Чеської та Всеукраїнської академій наук. Одним із перших виокремив амінокислоти у чистому вигляді. Автор більше 60 наукових робіт і 100 наукових розробок. Його іменем названо Тернопільський державний медичний університет.

Білки

Серед усіх органічних речовин вони посідають особливе місце, оскільки становлять основу структури всіх живих організмів і виконують безліч важливих функцій.

Білки (протеїни, поліпептиди) — складні високомолекулярні сполуки (біополімери), побудовані із залишків молекул α-амінокислот, з'єднаних в певній послідовності пептидними групами Пептидні групи утворюються унаслідок взаємодії аміно- і карбоксильних груп амінокислот.

Відносна молекулярна маса білків більша за 10 000. Є білки, що мають величезну відносну молекулярну масу: так, людський білок тітин — найбільший з відомих на сьогодні — має відносну молекулярну масу близько 3 млн і містить 38 138 залишків амінокислот.

Розрізняють прості та складні білки. Прості білки — це макромолекули, які складаються лише із залишків амінокислот. Складні білки, крім того, можуть містити інші групи атомів (залишки полісахаридів, ортофосфатної кислоти, катіони металічних елементів).

Кожен з білків має свою, лише йому притаманну послідовність амінокислотних залишків, просторову будову і відповідно функцію. Ідентифіковано понад 10 000 білків людського організму. Основні відомості про склад білків одержують під час гідролізу, внаслідок якого утворюється суміш амінокислот. Їх кількість, залежно від виду білка, може коливатись від 50 до 100 тисяч.

Вагомий внесок у дослідження білків зробив німецький учений Герман Фішер.

Герман Еміль Фішер

(1852-1919)

Німецький хімік, біохімік, академік Берлінської академії наук, лауреат Нобелівської премії з хімії (1902) за досягнення у вивченні цукрів, пуринів, синтез глюкози. Досліджував білки та продукти їх гідролізу. Запропонував пептидну теорію білків. Здійснив синтез дипептидів і поліпептидів. Розробив кваліфікацію вуглеводів та методики їх синтезу. Написав низку праць, присвячених фізіологічно-активним речовинам.

Властивості білків

Розчинність білків у воді залежить від їх будови. Так, білки вовни, волосся і нігтів, пір'я, шовку і павутини нерозчинні у воді (склеропротеїни); білки крові, молока утворюють колоїдні розчини (альбуміни).

Гідроліз білків усередині організму відбувається за участі ферментів, каталізаторів білкового походження. У лабораторних умовах гідроліз проводять, нагріваючи білки із сильними кислотами і лугами. Пептидні зв'язки руйнуються, і утворюються вільні амінокислоти.

Денатурація. Білки доволі стабільні, але за екстремальних умов під дією високих або низьких температур; солей важких металів, сильних кислот і лугів; радіації тощо — може відбутись їх денатурація (зсідання). Це процес руйнування структури білка, який супроводжується втратою його фізико-хімічних властивостей і біологічної активності. Денатурація буває частковою, оборотною, необоротною¹.

¹ Група австралійських і американських учених знайшла спосіб (за допомогою карбаміду і центрифугування) за кілька хвилин відновити (ренатурувати) білок курячого яйця, яке варили 20 хвилин (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cbic.201402427/abstract).

Рис. 39.1. Схема процесу денатурації білка

У природі білки можуть розкладатися під дією мікроорганізмів. У результаті цього процесу утворюються не амінокислоти, а амоніак NH₃, гідроген сульфід H₂S та інші речовини з неприємним запахом. Їх поява засвідчує, що відбувається процес розкладання (гниття) білка.

Біологічна роль білків

Разом із цукрами, жирами та нуклеїновими кислотами білки є невід'ємною складовою всіх живих організмів. Це головний компонент харчування людини. У травній трубці людини вони гідролізуються до амінокислот, які всмоктуються ворсинками тонкої кишки, звідти кров'ю розносяться до тканин організму і зокрема — до печінки, де відбувається синтез власних білків.

Білки виконують у нашому організмі низку функцій. Нагадаємо основні.

1. Білки — це основний будівельний матеріал тваринних клітин, вони надають форму клітинам та органелам, беруть участь в утворенні міжклітинної речовини.

2. Білки — це ферменти (біологічні каталізатори), які беруть участь у безлічі біохімічних реакцій (відомо близько 4000), пришвидшуючи їх у багато разів (10⁶—10⁹).

3. Білки забезпечують транспорт простих і складних сполук через клітинну мембрану та між тканинами організму (альбуміни і ліпопротеїни).

4. Білки виконують захисні функції: фізичні, хімічні, імунні.

5. Білки беруть участь у регуляції складних внутрішньоклітинних процесів, передачі сигналів (гормони, цитокіни) та їх сприйнятті (цитоплазматичні й мембранні білкові рецептори, які сприймають різноманітні сигнали).

6. Білки виконують моторні функції, забезпечуючи скорочення м'язів, рух клітин, органел, активний та спрямований внутрішньоклітинний транспорт речовин.

7. Частину білків організм використовує на енергетичні потреби: приблизно 15 % енергії на добу людина отримує за рахунок їх розщеплення.

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

Тваринні й рослинні білки засвоюються організмом неоднаково. Якщо білки молока, молочних продуктів, яєць засвоюються на 96 %, м'яса і риби — на 93-95 %, то білки хліба засвоюються на 62-86 %, овочів — на 80 %, картоплі та деяких бобових — на 70 %.

За помірного нагрівання харчових продуктів, особливо рослинного походження, засвоюваність білків дещо зростає, а після інтенсивної теплової обробки — знижується.

Формула одного з білків крові людини — гемоглобіну — (C₇₃₈H₁₁₆₆O₂₀₈N₁₉₅S₂Fe)₄.

Підсумки

• 1. До нітрогеновмісних сполук належать аміни, амінокислоти і білки.
• 2. Амінокислоти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять аміно- та карбоксильні групи.
• 3. Усі білки складаються з 20 α-амінокислот, 8 із них є для людини незамінними і повинні надходити з їжею.
• 4. Білки — складні високомолекулярні сполуки, побудовані із залишків молекул α-амінокислот, з'єднаних у певній послідовності пептидними зв'язками.
• 5. Денатурація білка — це процес руйнування його структури, який супроводжується втратою специфічних функцій і біологічної активності.
• 6. Процес денатурації білків відбувається від впливом різних чинників — екстремальної температури, сильних кислот і лугів, солей важких металічних елементів, радіації.

Контрольні запитання

• 1. Що таке білки?
• 2. Скільки амінокислот бере участь у синтезі більшості природних білків?
• 3. Під дією яких чинників відбувається денатурація білка?
• 4. Опишіть функції білків в організмі.
• 5. Які амінокислоти називають незамінними?

Вправи та задачі

1. Білки горять з утворенням характерного запаху. Ви можете в цьому переконатись, обережно підпаливши бавовняну нитку та вовняну нитку (або пір'їну). Порівняйте запах.

2. Обчисліть масу Нітрогену в 2,6 моль аміноетанової кислоти.

3. Добовий раціон дорослої людини має включати 40 г білка. Масова частка білка в рибі — 18 %. Чому дорівнює маса риби, яку повинна з'їсти людина на день, щоб забезпечити свій організм білком?

4. Масова частка білків арахісу становить 26,3 %, а масова частка Нітрогену в білках арахісу, — 17 %. Обчисліть масу Нітрогену в 150 г арахісу.

5. Яку масу розчину калій гідроксиду з масовою часткою лугу 20% потрібно використати для нейтралізації 30 г аміноетанової кислоти? Рівняння реакції:

NH₂-CH₂-COOH + KOH → NH₂-CH₂-COOK + H₂O

6. Обчисліть масу 2,6 моль аміноетанової кислоти H₂N-CH₂-COOH.