Білки: амінокислоти, рівні структури, денатурація
~20 хв · 9 розділів · 8 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + біологія.
Білки — головні біополімери клітини. Розглянь, як 20 амінокислот утворюють поліпептидні ланцюги, які рівні просторової організації існують, чому денатурація змінює функцію білка, і як різні білки виконують каталітичну, структурну, транспортну, захисну та інші функції.
Білки — це біополімери, мономерами яких є амінокислоти. У складі природних білків трапляється 20 стандартних амінокислот. Кожна амінокислота має три обов'язкові компоненти: аміногрупу –NH₂, карбоксильну групу –COOH і радикал R, який відрізняє одну амінокислоту від іншої. Наявність і кислотної (–COOH), і основної (–NH₂) груп робить амінокислоти амфотерними сполуками: вони можуть реагувати і як кислоти, і як основи.
Замінні й незамінні амінокислоти
Організм людини здатен синтезувати частину амінокислот — їх називають замінними. Решту, незамінні амінокислоти, людина мусить отримувати з їжею. Незамінних амінокислот дев'ять: валін, лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, фенілаланін і гістидин. Аргінін вважають умовно незамінним — він потрібний у дитячому віці, а дорослий організм синтезує його в достатній кількості. Рослини й більшість бактерій, на відміну від людини, синтезують усі 20 стандартних амінокислот.
Пептидний зв'язок
Амінокислоти з'єднуються між собою пептидним зв'язком –CO–NH–. Він утворюється між карбоксильною групою однієї амінокислоти й аміногрупою наступної. Під час цієї реакції виділяється молекула води (реакція дегідратації). Сполуку з двох амінокислот називають дипептидом, із трьох — трипептидом, а з багатьох — поліпептидом. У поліпептидному ланцюгу, що складається з n амінокислот, утворюється n − 1 пептидних зв'язків і виділяється n − 1 молекул води. Зворотний процес — гідроліз — розриває пептидні зв'язки з приєднанням води.
Молекула білка — це поліпептидний ланцюг із десятків або сотень амінокислот. У водному розчині він набуває певної просторової форми, яку називають конформацією. Саме від конформації залежить, чи зможе білок виконувати свою функцію.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Білки мають чотири рівні просторової організації: первинний, вторинний, третинний і четвертинний. Кожен рівень тримається певними хімічними зв'язками й визначає властивості молекули.
Первинна структура
Первинна структура — це послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу. Її стабілізують ковалентні пептидні зв'язки. Цю послідовність задає ген, і вона визначає всі вищі рівні організації білка. Навіть заміна однієї амінокислоти може докорінно змінити властивості білка. Класичний приклад — серпоподібноклітинна анемія: у β-ланцюгу гемоглобіну глутамінову кислоту замінено на валін, через що молекула гемоглобіну втрачає нормальну форму й еритроцити набувають серпоподібної форми.
Вторинна структура
Вторинна структура — це регулярне вкладання поліпептидного ланцюга в просторі. Найпоширеніші форми — α-спіраль (наприклад, у кератині волосся) і β-складчастий шар (наприклад, у фіброїні шовку). Вторинну структуру стабілізують водневі зв'язки, що виникають між групами –CO– і –NH– пептидного ланцюга.
Третинна структура
Третинна структура — це загальна тривимірна форма всього поліпептидного ланцюга. У глобулярних білків ланцюг укладається в компактну кулясту глобулу. Третинну структуру стабілізують зв'язки між радикалами амінокислот: дисульфідні містки –S–S– між залишками цистеїну, іонні зв'язки, водневі зв'язки й гідрофобні взаємодії. Гідрофобні радикали ховаються всередину глобули, а гідрофільні — назовні, що забезпечує розчинність білка. Саме на рівні третинної структури формується активний центр ферменту.
Четвертинна структура
Четвертинна структура — це об'єднання кількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць) в одну функціональну молекулу. Наприклад, гемоглобін складається з чотирьох субодиниць: двох α-ланцюгів і двох β-ланцюгів. Кожна субодиниця містить гем — небілкову частину з іоном Fe²⁺, який зв'язує кисень. Четвертинну структуру мають не всі білки: багато білків існують як одна поліпептидна молекула.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
За формою молекули білки поділяють на дві великі групи: глобулярні (кулясті) та фібрилярні (ниткоподібні). Ця відмінність визначає їхні фізико-хімічні властивості й біологічні функції.
Глобулярні білки
У глобулярних білків поліпептидний ланцюг згорнутий у компактну кулясту глобулу. Більшість глобулярних білків розчинні у воді завдяки тому, що гідрофільні радикали амінокислот розташовані на поверхні глобули. До глобулярних білків належать: ферменти (амілаза, пепсин), гемоглобін, антитіла (імуноглобуліни), альбуміни плазми крові, інсулін та багато інших.
Фібрилярні білки
Фібрилярні білки мають видовжену ниткоподібну форму. Вони нерозчинні у воді й вирізняються високою механічною міцністю. До фібрилярних білків належать: колаген (основа сухожилків, хрящів, шкіри, кісток), кератин (волосся, нігті, пір'я, роги, луска плазунів), фіброїн (нитки павутини й шовкопряда), еластин (стінки артерій).
Прості й складні білки
Прості білки складаються лише з амінокислотних залишків. Складні білки (протеїди) містять небілкову частину — простетичну групу. Наприклад: гемоглобін містить гем (залізопорфіриновий комплекс), глікопротеїни — вуглеводний компонент, ліпопротеїни — ліпіди, нуклеопротеїни — нуклеїнову кислоту (хроматин, рибосоми).
Ознака | Глобулярні білки | Фібрилярні білки |
|---|---|---|
Форма молекули | куляста (глобула) | ниткоподібна (фібрила) |
Розчинність у воді | більшість розчинні | нерозчинні |
Механічна міцність | низька або помірна | висока |
Приклади | ферменти, гемоглобін, антитіла, альбумін, інсулін | колаген, кератин, фіброїн, еластин |
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Денатурація
Денатурація — це порушення природної просторової структури білка під дією зовнішніх чинників: високої температури, кислот або лугів, солей важких металів, спирту, опромінення. Під час денатурації руйнуються четвертинна, третинна й вторинна структури, але пептидні зв'язки не розриваються — первинна структура зберігається. Білок втрачає свою конформацію, а отже, і функцію.
Ренатурація
Ренатурація — це самовільне відновлення природної конформації білка після усунення денатурувального чинника. Вона можлива, якщо первинна структура залишилася цілою, а денатурація була м'якою (наприклад, не надто висока температура або помірне зміщення pH). Однак більшість денатурацій необоротні. Класичний приклад — варіння яйця: білок альбумін згортається й не відновлюється після охолодження. Руйнування первинної структури — це гідроліз, а не денатурація.
Функції білків
Білки виконують у клітині й організмі надзвичайно різноманітні функції:
Каталітична: ферменти прискорюють хімічні реакції (амілаза, пепсин).
Структурна: колаген, кератин, білки клітинних мембран забезпечують форму й міцність тканин.
Транспортна: гемоглобін переносить кисень, білки-переносники мембран транспортують речовини крізь мембрану, альбумін крові переносить жирні кислоти й гормони.
Захисна: антитіла (імуноглобуліни) знешкоджують патогени, фібриноген бере участь у зсіданні крові, інтерферони захищають від вірусів.
Рухова: актин і міозин забезпечують скорочення м'язів, тубулін входить до складу джгутиків і війок.
Регуляторна: гормони білкової природи (інсулін, гормон росту) регулюють обмін речовин.
Сигнальна: рецепторні білки мембран сприймають сигнали, родопсин сітківки бере участь у зоровому сприйнятті.
Запасна: казеїн молока, альбумін яйця, білки насіння бобових рослин слугують резервом амінокислот.
Енергетична: 1 г білка дає близько 17,6 кДж енергії, але білки витрачаються на енергію переважно після вуглеводів і жирів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Денатурація і первинна структура
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох). Який рівень структури білка зберігається після денатурації?
Розв'язання. Денатурація руйнує просторову структуру білка: четвертинну, третинну й вторинну. Пептидні зв'язки при цьому не розриваються, тому первинна структура (послідовність амінокислот) залишається незмінною.
Відповідь: первинна.
Чому інші варіанти неправильні: вторинна, третинна й четвертинна структури руйнуються під час денатурації. Пастка — вважати, що денатурація руйнує всі рівні, але первинна структура зберігається.
Приклад 2. Білок і його функція
Завдання (логічні пари 1–4 → А–Д). Установи відповідність між білком і його функцією:
1 гемоглобін, 2 колаген, 3 антитіла, 4 актин; А транспортна, Б структурна, В захисна, Г рухова, Д каталітична.
Розв'язання. Гемоглобін переносить кисень — транспортна функція (А). Колаген забезпечує міцність сполучної тканини — структурна (Б). Антитіла знешкоджують патогени — захисна (В). Актин бере участь у скороченні м'язів — рухова (Г). Каталітична функція (Д) зайва.
Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В, 4–Г.
Приклад 3. Підрахунок пептидних зв'язків
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох). Скільки пептидних зв'язків утворюється і скільки молекул води виділяється під час синтезу поліпептиду зі 120 амінокислот?
Розв'язання. У ланцюгу з n амінокислот кількість пептидних зв'язків дорівнює n − 1, і стільки ж молекул води виділяється. Для 120 амінокислот: 120 − 1 = 119 пептидних зв'язків і 119 молекул води.
Відповідь: 119 і 119.
Чому інші варіанти неправильні: 120 і 120 (прирівнюють кількість зв'язків до кількості амінокислот), 119 і 120 (плутають кількість зв'язків і молекул води), 120 і 119 (те саме навпаки).
Приклад 4. Зв'язки між радикалами
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох). Зв'язки між радикалами амінокислот одного поліпептидного ланцюга, зокрема дисульфідні містки, згортають його в глобулу. Який це рівень структури білка?
Розв'язання. Зв'язки між радикалами (дисульфідні, іонні, водневі, гідрофобні взаємодії) стабілізують третинну структуру — тривимірну форму одного поліпептидного ланцюга.
Відповідь: третинна.
Чому інші варіанти неправильні: первинна тримається пептидними зв'язками, вторинна — водневими зв'язками між групами пептидного ланцюга, четвертинна — зв'язками між різними субодиницями.
Приклад 5. Два твердження
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох, «два твердження»). I. Кератин — глобулярний білок волосся. II. Ренатурація можлива, якщо збережена первинна структура.
Розв'язання. Твердження I хибне: кератин — фібрилярний, а не глобулярний білок. Твердження II правильне: ренатурація можлива лише за умови, що первинна структура не порушена.
Відповідь: правильне лише II.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Вважають, що денатурація руйнує первинну структуру. Насправді денатурація розриває лише слабші зв'язки (водневі, іонні, гідрофобні), а пептидні зв'язки залишаються цілими. Первинна структура зберігається.
Плутають вторинну структуру з третинною. Вторинна — це α-спіраль або β-шар, які тримаються водневими зв'язками між групами –CO– і –NH– пептидного ланцюга. Третинна — це тривимірна форма ланцюга, яку стабілізують зв'язки між радикалами амінокислот.
Вважають, що кожен білок має четвертинну структуру. Насправді четвертинну структуру мають лише білки, що складаються з кількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Багато білків існують як одна поліпептидна молекула.
Прирівнюють кількість пептидних зв'язків до кількості амінокислот. Правило: у ланцюгу з n амінокислот утворюється n − 1 пептидних зв'язків і виділяється n − 1 молекул води.
Відносять кератин і колаген до глобулярних білків, а гемоглобін — до фібрилярних. Запам'ятай: кератин, колаген, фіброїн, еластин — фібрилярні; ферменти, гемоглобін, антитіла, альбумін, інсулін — глобулярні.
Вважають будь-яку денатурацію оборотною. Насправді більшість денатурацій необоротні. Приклад: варене яйце не стане сирим, бо альбумін згорнувся необоротно.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Білки: амінокислоти, рівні структурної організації, денатурація й ренатурація, функції» входить до теми 1.2 програми НМТ з біології. Від тебе вимагають розрізняти рівні структури білка, глобулярні й фібрилярні білки, знати роль хімічних зв'язків і гідрофобної взаємодії.
Формати завдань на НМТ:
Завдання 1–24 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), 1 бал. Серед них трапляються підтипи: «два твердження» (демо НМТ 2026, № 8, 14, 20) і «два судження учнів» (№ 4, 16).
Завдання 25–28 — логічні пари. Наприклад, 4 пари «білок → функція» або «рівень структури → зв'язки». Одна буква зайва. 1 бал за кожну правильну пару.
Стратегія для рівнів структури: запам'ятай пару «рівень — зв'язок». Пептидний зв'язок — первинна структура. Водневий зв'язок між групами пептидного ланцюга — вторинна структура. Зв'язки між радикалами — третинна структура. Зв'язки між субодиницями — четвертинна структура.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому варене яйце не можна знову зробити сирим?
Під час варіння білок альбумін зазнає необоротної денатурації: його вторинна й третинна структури руйнуються, гідрофобні радикали виходять на поверхню, і молекули злипаються. Після охолодження первинна структура ціла, але просторова конформація не відновлюється, бо хаотичне злипання молекул унеможливлює правильне повторне згортання.
Чим вторинна структура відрізняється від третинної?
Вторинна структура — це регулярне вкладання ланцюга (α-спіраль або β-шар), яке тримається водневими зв'язками між групами –CO– і –NH– самого пептидного ланцюга. Третинна структура — це загальна тривимірна форма всього ланцюга, яку стабілізують зв'язки між радикалами амінокислот: дисульфідні містки, іонні зв'язки, водневі зв'язки між радикалами й гідрофобні взаємодії.
Чому заміна лише однієї амінокислоти може порушити роботу білка?
Первинна структура (послідовність амінокислот) визначає, як ланцюг згортатиметься у просторі. Заміна однієї амінокислоти може змінити характер зв'язків між радикалами, порушити гідрофобне ядро або утворити нові зв'язки. У результаті білок набуває неправильної конформації й не може виконувати свою функцію. Приклад: заміна глутамінової кислоти на валін у гемоглобіні спричиняє серпоподібноклітинну анемію.
Чи всі білки мають четвертинну структуру?
Ні, не всі. Четвертинну структуру мають лише білки, що складаються з двох або більше поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Наприклад, гемоглобін має 4 субодиниці, а імуноглобуліни — 4. Багато білків, як-от міоглобін, пепсин або лізоцим, існують як один поліпептидний ланцюг і четвертинної структури не мають.
Навіщо людині їсти білки, якщо частину амінокислот вона синтезує сама?
Організм людини не синтезує 9 незамінних амінокислот (валін, лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, фенілаланін, гістидин). Їх можна отримати лише з їжі. Крім того, білки їжі — джерело азоту й сірки для синтезу власних білків організму. Навіть замінні амінокислоти іноді потрібні в більшій кількості, ніж організм здатен синтезувати (наприклад, під час росту або хвороби).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Мономери білків — 20 амінокислот. Кожна має аміногрупу –NH₂, карбоксильну групу –COOH і радикал R.
Пептидний зв'язок –CO–NH– утворюється з виділенням води. У ланцюгу з n амінокислот — n − 1 пептидних зв'язків і n − 1 молекул води.
Первинна структура — послідовність амінокислот (пептидні зв'язки). Вторинна — α-спіраль або β-шар (водневі зв'язки).
Третинна — тривимірна форма ланцюга, зокрема глобула (зв'язки між радикалами, –S–S–, гідрофобні взаємодії). Четвертинна — кілька субодиниць (гемоглобін).
Глобулярні білки: ферменти, гемоглобін, антитіла. Фібрилярні: колаген, кератин, фіброїн.
Денатурація руйнує вищі рівні структури, первинна зберігається. Ренатурація можлива, якщо первинна структура ціла.
Функції білків: каталітична, структурна, транспортна, захисна, рухова, регуляторна, сигнальна, запасна, енергетична.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Які три обов'язкові структурні компоненти має кожна амінокислота?
2. Який рівень просторової організації білка стабілізується зв'язками, що виникають між радикалами амінокислот, зокрема дисульфідними містками (–S–S–)?
3. Поліпептидний ланцюг складається з 80 амінокислот, з'єднаних пептидними зв'язками. Яка кількість пептидних зв'язків у цьому ланцюгу?
4. Який із перелічених білків належить до фібрилярних?
5. Який рівень структури білка зберігається після денатурації?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 8 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест