Белковые вещества

Белковые вещества

БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, белки, протеины, принадлежат к азотистым органическим соединениям; они играют выдающуюся роль в биологических процессах, т. к. полужидкая протоплазма клеток, из которых построены все живые существа, состоит из смеси белкового вещества с другими органическими и неорганическими веществами; животные и растительные соки содержат белковые вещества в растворенном виде; в твердом виде белковые вещества составляют остов и наружные покровы тела животных, и в этом отношении они играют в мире животных такую же роль, какую целлюлоза играет в мире растений. При различных биологических процессах белковые вещества организма постепенно изнашиваются, разрушаются, поэтому живые организмы нуждаются в белковом питании. Растения сами синтезируют нужные им белковые вещества из неорганических материала, животные же лишены этой способности, и поэтому в пищевой режим их должны быть включены белковые вещества, гидролизующиеся их пищеварительным аппаратом до аминокислот, из которых организм животных синтезирует свои собственные белки. Различные пищевые материалы содержат различные количества белковых веществ: в сыром мясе и рыбе 17—21%, в колбасе 25%, в яйцах 12,5%, в молоке около 4%, в твороге 14,7%, в сыре около 25%, в муке 9,5—10,5%, в хлебе 6,8—7,8%, в крупе 12—13%, в сырых овощах 1—2%, в горохе, бобах 23—25%, в сухих грибах 28,5%, в питательных дрожжах 53%. Из технических продуктов много белков в высушенной крови - около 76%, в рыбной муке 74%, в рыбной чешуе 68,5%.

Кристаллизация и молекулярный вес. Белковые вещества кристаллизуются лишь в виде исключения, притом кристаллы их, подобно губке, упорно удерживают посторонние примеси, что сильно затрудняет их очистку. Несмотря на то, что уже давно наблюдали алейроновые кристаллы белковых веществ на микроскопических срезах семян некоторых растений, до самого последнего времени считали белковое вещество веществом аморфным, типичными органическими коллоидами, причем принимали коллоидальные частицы за отдельные молекулы. Вследствие этого приписывали белковым веществам громадный молекулярный вес, тем более, что он не мог быть определен эмпирически обычными физико-химическими методами: белковые вещества нельзя превратить в пар для определения молекулярного веса по плотности пара, нельзя нагревать их растворы до кипения для определения молекулярного веса по эбулиоскопическому способу (при высокой температуре они свертываются); криоскопическое определение тоже ненадежно, так как понижение температуры замерзания растворов ничтожно и зависит не столько от истинного молекулярного веса белков, сколько от степени ассоциации молекул в отдельных дисперсных частичках вещества и, кроме того, оно маскируется гораздо большей депрессией, вызываемой минеральными примесями (золой); в лучшем случае криоскопический способ дает максимальные числа, соответствующие ассоциированным молекулам. По Зеренсену (1918 г.), молекулярный вес кристаллического яичного альбумина, определенный тщательным измерением осмотического давления водного раствора, равен 34000. Химический способ определения молекулярного веса дает меньшие числа; он основан на результатах элементарного анализа белковых веществ, причем принимается во внимание, что содержание входящих в их состав элементов не м. б. меньше целого атома ни для одного из них; в гемоглобине содержится, например, 0,43% S, почему молекулярный вес его не м. б. меньше 7440, и т. д.

Новейший рентгеноскопический метод исследования (способ Дебай-Шерера), будучи применен к белковым веществам (опыты Герцога и Янке 1920 г. и других), показал, что многие из них построены из мельчайших кристаллов, невидимых даже в микроскоп; кристалличными оказались, например, шелк и яичный белок, а шерсть и волосы - аморфными. Рентгенограммы позволяют приблизительно вычислить абсолютные размеры элементарных параллелепипедов, из которых построены кристаллы; оказалось, например, что элементарный параллелепипед фиброина шелка чрезвычайно мал (по исследованиям Поляни, объем его = 680∙10-24 см3), из чего можно сделать вывод, что молекулы фиброина не м. б. велики: они несравненно меньше, чем предполагалось раньше. Эти т. н. «элементарные молекулы», кристалличные сами по себе, образуют тем не менее лишь коллоидальные растворы: по-видимому, они обладают в высокой степени способностью ассоциироваться (за счет т. н. остаточного сродства, которое нередко проявляется у целых молекул после насыщения обычного, главного сродства) в громоздкие агрегаты с настолько малой степенью дисперсности, что их размеры переходят границу, отделяющую истинные растворы от коллоидальных. Степень ассоциации в значит, мере зависит от внешних физических условий (температуры, концентрации и т. д.), поэтому определение молекулярного веса белковых веществ теряет обычное значение и дает лишь колеблющиеся результаты, указывающие не на молекулярный вес элементарных молекул, а на степень их ассоциации при условиях данного опыта.

Растворимость. Некоторые белковые вещества растворимы в воде (альбумины, нуклеопротеиды), другие - нерастворимы в чистой воде, но растворяются в разбавленных растворах нейтральных солей (глобулины) или в щелочах (фиброин, муцины), или в кислотах (протамины, спонгин); растворы оптически активны, вращают влево. Почти все (за исключением немногих растительных белков, например, глиадина и гордеина) нерастворимы в спирте, почему осаждаются из водных растворов при прибавлении спирта. Коллоидальные растворы белковых веществ не диффундируют через животные перепонки и коллодионные пленки, чем пользуются при очистке белковых веществ от минеральных примесей путем диализа. Для разделения смеси белков применяют метод дробного высаливания, основанный на том, что отдельные белки осаждаются из своих растворов при прибавлении различного количества насыщенных растворов (NH4)2SO4, MgCl2 и других солей (Гофмейстер). Растворы белковых веществ свертываются или коагулируют от воздействия различных факторов: нагревания (до 60—75°), прибавления электролитов (солей, кислот, щелочей), изменения дисперсионной среды (растворителя), прибавления спирта, ацетона и т. д. При этом наряду с физико-химическим процессом уменьшения степени дисперсности (соединения распыленного в растворителе белкового вещества в большие конгломераты) могут идти и более глубокие химические процессы с изменением строения и свойств молекул белковых веществ (белковые вещества денатурируются); некоторые белки денатурируются под влиянием энзимов (например, казеин - при действии на него сычужным ферментом). Сильная кислотность или щелочность растворов препятствует свертыванию, причем получаются растворимые в кислотах и щелочах продукты - ацидальбумины и щелочные альбуминаты. Для каждого белкового вещества существует определенная концентрация водородных ионов (изоэлектрическая точка), при которой с особенной легкостью происходит свертывание раствора при нагревании (Михаэлис).

Выделение и очистка белковых веществ; осаждение их из растворов и очистка от минеральных примесей производится диализом.

Качественные реакции на белковые вещества. Реакции эти основаны или на осаждении белковых веществ в виде нерастворимых соединений или на изменении цвета растворов или осадков. Главнейшие из них следующие: 1) свертывание слабокислых растворов при кипячении (не все белковые вещества показывают эту реакцию); 2) осаждение небольшими количествами солей тяжелых металлов: HgCl2, уксуснокислого Рb и др.; 3) осаждение кислотами - фосфорномолибденовой, железистосинеродистоводородной, пикриновой, сульфосалициловой, таннином; 4) образование черного осадка PbS при кипячении раствора белковых веществ со щелочным раствором свинцовой соли; 5) биуретовая реакция - фиолетовое окрашивание при нагревании с NaOH и каплей 2%-ного раствора CuSO4 (альбумозы и пептоны дают красноватую окраску, аминокислоты совсем не показывают биуретовой реакции); 6) ксантопротеиновая реакция - желтое окрашивание при нагревании с HNO3 (зависит от присутствия в белковых веществах тирозиновой и триптофановой групп); 7) Милонова реакция - образование красной коагулированной массы при кипячении белковых веществ с раствором Hg2(NO3)2, содержащим HNO2 (эту реакцию дает тирозиновая группа); 8) нингидриновая реакция - синее окрашивание с трикетогидринденгидратом; эту реакцию показывают также и α-аминокислоты.

Белковые вещества имеют двойственный, амфотерный характер - обладают одновременно очень слабыми основными и очень слабыми кислыми свойствами; у протаминов и гистонов ясно выражен основной характер.

Элементарный состав белковых веществ. В состав всех их входят 5 элементов: С, Н, О, N, S; некоторые содержат еще Р (нуклеины, казеин). Содержание этих элементов колеблется: С 50—55%, Н 6,5—7,5%, N 15—17,6%, О 20—24%, S 0,3—2,4%, Р 0,4—0,9%. У глюкопротеидов N меньше: 11,7—12,3%; протамины не содержат S; гемоглобин содержит Fe (0,3—0,5%). Недавно открыты белковые вещества, содержащие J и др. галоиды. Почти неизбежно содержание золы - вследствие трудности отделения диализом последних следов неорганических примесей.

Гидролиз белковых веществ. Процесс этот происходит под влиянием кислот, щелочей, энзимов и при гниении; наиболее энергично действуют кислоты, щелочи - медленнее, но с наибольшей постепенностью протекает гидролиз при действии энзимов.

Шютценберже (1875—80 гг.) нагревал белковые вещества с баритовой водой до 200° под давлением, причем ему удалось выделить из сложной смеси продуктов реакции лишь немногие труднорастворимые кристаллические аминокислоты (лейцин и тирозин). Позднее Э. Фишер нашел более удобный способ расщепления белковых веществ - кипячением с дымящей соляной кислотой или с 25%-ной H2SO4; он же выработал способ разделения получающейся смеси аминокислот: смесь эту этерифицируют, пропуская сухой газообразный НСl в раствор в абсолютном спирте, причем образуются хлористоводородные соли эфиров, которые разлагаются на холоде при действии КОН, свободные сложные эфиры извлекают эфиром, который затем отгоняют, и оставшиеся сложные эфиры аминокислот подвергают дробной перегонке под уменьшенным давлением и т. о. изолируют отдельные аминокислоты в виде их эфиров, которые затем омыляют. По этому способу удается получить 60% от веса взятого белкового вещества в виде изолированных аминокислот. Метод был применен к очень большому числу различных белковых веществ (свыше 100), и в результате получались одни и те же аминокислоты, числом около 20 (в различных количественных соотношениях): 1) одноосновные α-моноаминокислоты -  гликоколь, аланин, аминомасляная кислота, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин; 2) одноосновные диаминокислоты - орнитин, аргинин, лизин; 3) одноосновные аминооксикислоты - серин, тирозин; 4) двуосновные аминокислоты, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота; 5) содержащие серу аминокислоты цистеин и цистин; 6) гетероциклические аминокислоты - пролин, оксипролин, триптофан, гистидин. При гидролизе некоторых белковых веществ наряду с аминокислотами получаются и другие вещества: углеводы (глюкопротеиды), фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания (нуклеопротеиды). Энзиматический гидролиз белковых веществ при процессах пищеварения осуществляется протеолитическими энзимами: пепсином желудочного сока, трипсином и эрепсином поджелудочной железы и стенок кишок; энтерокиназа, выделяемая слизистой оболочкой кишок в готовой форме, а панкреатической железой - в виде вещества, из которого она образуется, служит активатором трипсина. Пепсин вызывает первые стадии гидролиза белковых веществ (не действует на пептиды); трипсин также гидролизует белки, но б. ч. лишь в присутствии активатора с образованием пептидов (в отсутствии энтерокиназы расщепляет лишь клупеин и пептоны); эрепсин заканчивает гидролиз - расщепляет пептиды на аминокислоты, но не действует на белки и пептоны. Т. о. сложные молекулы белковых веществ при комбинированном действии протеолитических энзимов постепенно расщепляются на вещества, состав которых все более упрощается, в такой последовательности: белковые вещества à альбумозы à пептоны à полипептиды à дипептиды à аминокислоты. Альбумозы ближе всего стоят к белковым веществам, они не свертываются при нагревании, но высаливаются сернокислым аммонием - в отличие от пептонов, которые уже не высаливаются; и те, и другие показывают биуретовую и ксантопротеиновую реакцию. Э. Фишеру и Абдергальдену удалось изолировать из продуктов гидролиза фиброина тетрапептид и трипептид; еще больше число полученных дипептидов, многие из которых оказались идентичными с синтетическими дипептидами. Процессы гидролитического расщепления белковых веществ происходят также и при гниении их, которое начинается уже в кишечнике животных. В результате получаются еще более простые продукты расщепления, так как аминокислоты разлагаются при действии бактерий с отщеплением СО2, H2S, NH3 и с образованием фенола, крезола, скатола, индола, птомаинов, жирных кислот и др.

Строение белковых веществ до сих пор еще не выяснено окончательно. По предположению Э. Фишера, белковые молекулы состоят из очень длинных прямых цепей, образованных из амидообразно соединенных между собой остатков аминокислот. Для проверки своей теории Э. Фишер синтезировал полипептиды, в которых осуществляется именно такая связь аминокислот:

RCH(NH2)CO—HNCHR'CO—HNCHR"CO

и т. д., где R', R" и т. д. - одинаковые или различные радикалы. С 2 молекулами аминокислот получаются дипептиды, из 3 молекул - трипептиды, из 4 - тетрапептиды и т. д. Простейший дипептид - глицил-глицин, в состав которого входят 2 остатка гликоколя: NH2∙СН2∙СО∙NH∙СН2∙СООН. Э. Фишер получил полипептид с молекулярным весом 1213 (15 остатков гликоколя и 3 остатка лейцина), а Абдергальден и Фодор - еще более сложный, с молекулярным весом 1326 (15 остатков гликоколя и 4 остатка лейцина). Высшие синтетические полипептиды оказались весьма сходными с альбумозами и пептонами: они тоже обнаруживают амфотерный характер, распадаются на те же продукты гидролиза; при действии кислот и энзимов полипептиды показывают большинство белковых реакций; физические свойства тоже сходны: полипептиды дают коллоидальные растворы, коагулирующиеся, высаливающиеся и осаждающиеся при тех же условиях, что и белковые растворы. Вышеупомянутые полипептиды с 18 и 19 остатками аминокислот так сходны с белковыми веществами, что если бы они были найдены в природе, то их причислили бы, вероятно, к белковым веществам. Несмотря, однако, на такое сходство синтетических полипептидов с альбумозами, пептонами и белковыми веществами, в новейшее время возникают сомнения относительно существования в природных белковых веществах чрезвычайно длинных прямолинейных цепей; такие же длинные открытые цепи принимались раньше также в молекулах высших углеводов (крахмала, целлюлозы), но за последние годы такие воззрения совершенно оставлены в химии углеводов: взамен колоссальных нитевидных молекул принимают небольшие элементарные молекулы циклического строения, ассоциированные в громоздкие агрегаты с кажущимся большим молекулярным весом. На существование циклической связи в молекулах белков указывает факт получения в некоторых случаях при их гидролизе циклических ангидридов аминокислот, т. н. дикетопиперазинов; простейший дикетопиперазин (из гликоколя) имеет строение:

belkov veshestva 1

Но до сих пор не выяснено еще окончательно, являются ли эти дикетопиперазины первичными продуктами расщепления белковых веществ, или же они получаются в результате циклизации первично образовавшихся аминокислот. Кроме того, в результате новейших рентгеноскопических исследований возникает вопрос о самом принципе соединения отдельных составных частей в молекулах белковых веществ: может быть белковые вещества являются продуктами ассоциации индивидуальных, сравнительно простых, притом неоднородных молекул; эта связь должна быть устойчивой и небеспорядочной в смысле пространственного расположения, для того чтобы объяснить высокую специфичность белковых веществ.

Синтезы белковых веществ. О попытках синтетического получения белковых веществ в лабораториях см. выше. Организм животных и человека производит синтез белковых веществ из аминокислот, получающихся при энзиматическом гидролизе белковых веществ в пищеварительном аппарате. По взглядам Абдергальдена, аминокислоты всасываются стенками кишечника, и тут же происходит синтез белков, свойственных крови, которые разносятся кровью по всему организму; отдельные клетки тела снова перестраивают белки крови в нужные им белковые вещества. Механизм синтеза белковых веществ в растениях не выяснен еще окончательно. Новейшие исследования (Бодиша, Боме и др.) указывают на то, что в образовании белковых веществ, вероятно, принимает участие формальдегид СН2О, являющийся первым продуктом ассимиляции растениями СО2 в зернах хлорофилла, который образует с неорганическими азотистыми соединениями формгидроксамовую кислоту НО∙СН:N∙ОН, превращающуюся при дальнейшем действии света в аминокислоты, а эти последние (вероятно при действии энзимов) образуют белковые вещества.

Классификация и номенклатура белковых веществ. Обычно подразделяют белковые вещества на 2 главные группы: настоящие белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды. Иногда выделяют в первой группе еще подгруппу альбуминоидов - белковые вещества покровов и скелета.

I. Настоящие белки: 1) альбумины - содержатся в яичном белке, молоке и в кровяной сыворотке; они растворимы в воде, щелочах и кислотах, свертываются при кипячении и высаливаются при насыщении (NH4)24; 2) глобулины - эдестин растительных семян, миозин мускульного сока, фибриноген крови; нерастворимы в чистой воде, растворяются в разбавленных растворах солей и в щелочах; обладают слабокислыми свойствами; высаливаются сернокислым аммонием легче альбуминов, чем и пользуются для их разделения; 3) гистоны - содержатся в лейкоцитах, в красных кровяных шариках, в нуклеопротеидах; обладают ясно выраженным основным характером; 4) протамины - содержатся в сперме рыб, имеют довольно сильные основные свойства; при гидролизе дают очень много аргинина (до 85%). Приводимые далее альбуминоиды - белковые вещества покровов и скелета - отличаются устойчивостью к химическим воздействиям; они растворяются, лишь претерпевая глубокие химические изменения; 5) коллаген - составляет органическую основу костей и хрящей; при кипячении с водой дает животный клей, в чистом, бесцветном виде называемый желатиной; 6) эластин - находится в связках, в волокнах соединительных тканей; 7) фиброин - содержится в шелке (около 53%); 8) кератин - главная составная часть ногтей, копыт, рогов, волос, перьев; 9) спонгин - содержится в губке.

II. Сложные белковые вещества, протеиды, являются соединениями белка с другими б. или м. сложными соединениями, что обнаруживается при их гидролизе: наряду с аминокислотами получаются и другие вещества. Сюда относятся: 1) фосфопротеиды или нуклеоальбумины, содержащие фосфорную кислоту, а именно: казеин молока, вителлин из желтка яиц; 2) нуклеопротеиды, образующие главную составную часть клеточных ядер; они состоят из белковых веществ, соединенных с нуклеиновыми кислотами, в состав которых входят: фосфорная кислота, основание группы пурина или пиримидина и пентозы (d-рибоза); 3) глюкопротеиды - представляют соединения белка с углеводами; сюда относятся животные слизи - муцины, при гидролизе которых наряду с аминокислотами получается d-глюкозамин (или галактозамин); к глюкопротеидам близко стоят хондромукоиды, которые вместе с коллагеном образуют хрящи, 4) хромопротеиды - соединения белков с окрашенными веществами; гемоглобин, главная составная часть красных кровяных шариков, является соединением белкового вещества глобина с гематином С34H32N4О4FeОН.

Анализ белковых веществ. Качественные реакции на белковые вещества - см. выше. Методы количественного определения основываются на определении содержания N в исследуемом материале по способу Кьельдаля, причем найденное процентное содержание N умножают на 6,25 (так как в большинстве природных белковых веществах содержится около 16% N). В отдельных случаях пользуются и другими методами, например, при исследованиях патологической мочи о количестве содержащихся в ней белковых веществ судят по объему осадка, образующегося при прибавлении к определенному объему мочи раствора лимонной и пикриновой кислот (метод Эсбаха).

Применение белковых веществ в технике. Белковые вещества находят применение в самых разнообразных отраслях производства.

1. Альбумин яичный употребляется: в текстильной промышленности - в качестве загусток (крашение хлопчатобумажных тканей и шерстяных изделий), в виноделии - для осветления вин, в бумажном производстве - при изготовлении искусственного пергамента Куглера и т. д., в кондитерском деле, в медицине - при приготовлении различных фармацевтических препаратов (например, препарат Liquorferrialbuminati).

2. Альбумин кровяной употребляется в текстильной промышленности в качестве загусток. Он обладает большей способностью сгущать краски, чем альбумин яичный, но для светлых тонов красок менее пригоден. При паточном производстве альбумин кровяной употребляется при подготовке патоки для брожения. Альбумин кровяной обесцвечивает дубильные экстракты. При производстве пластических масс альбумин кровяной идет в большом количестве (например, роговидная масса Бартша или Краузе). Альбумин кровяной применяется в фанерном производстве для замены клея. В пищевой промышленности альбумин кровяной идет для изготовления питательных препаратов (например, мясной экстракт Либиха), в медицине - для фармацевтических препаратов.

Альбуминаты, продукты соединения белков с основаниями, в технике имеют большое применение. Например, калиевый альбуминат (полученный от смешения яичного белка с крепким раствором поташа и затем промытый в воде до потери щелочности) послужил источником, из которого получены были альбуминаты меди, серебра и пр. Широкое применение альбумината серебра в фотографии общеизвестно (фотографические бумаги).

Казеин молока в последние годы получил чрезвычайно широкое применение. Казеин употребляется при изготовлении многочисленных пластических масс, как, например, галалит, масса Бартеля, искусственная слоновая кость, масса Стефана и пр. Во многих изоляционных массах главной составной частью (связующим веществом) является казеин. В текстильной промышленности казеин употребляется как загустка, а также входит как составная часть препарата, употребляемого для пропитывания ткани при изготовлении непромокаемых материй (например, брезентов). Кроме того, казеин употребляется в льняном и шелковом производствах. В кожевенной промышленности казеин идет на изготовление искусственной кожи, различных аппретов, сапожных чернил, вакс, кремов и пр. В бумажной промышленности казеин идет на приготовление некоторых сортов бумаги, картона, папье-маше, асбестобумажного картона и пр. Применение казеина в мыловаренной промышленности давно уже завоевало себе права гражданства. В парфюмерии казеин также нашел себе применение при изготовлении некоторых косметических препаратов (например, крема для кожи). Из казеина в последнее время стали делать искусственный шелк, причем нить получается очень эластичной и блестящей. Казеиновый клей, представляющий собой раствор казеина, разведенного в воде, к которой прибавлено немного буры или какой-либо щелочи (например, нашатырного спирта), является самым дешевым клеем, а по вяжущей способности успешно конкурирует с животным клеем. Применение казеинового клея в технике велико (фанерная промышленность, конторский клей, столярный «белый» клей и пр.). Существует много различных рецептов замазок, мастик и «цементов», где главной составной частью является казеин (казеиновый цемент - чистого песка 20 ч., казеина 16 ч., жженой извести 20 ч. - разводится водой до получения тестообразной массы; обладает высокой вяжущей способностью; употребляется в случаях невозможности спаивания для склейки металлов). В лаковаренной промышленности казеин идет для приготовления бесцветных казеиновых лаков. В большом количестве казеин идет в 3ападной Европе в пищевой промышленности для консервирования яиц, для приготовления искусственного саго, искусственного «яичного порошка», синтетического молока, для переработки маргарина в «сливочное масло» и пр. В строительном деле казеин употребляется для изготовления искусственного мрамора (при внутренней облицовке парадных лестниц, цоколя зданий), при подготовке штукатурки стен под живопись и пр. В живописи казеин употребляется для изготовления красок, например, красок профессора Кейма, отличающихся многими достоинствами перед масляными. В малярном деле казеин идет на приготовление быстро сохнущих замазок и клеевых казеиновых красок, не боящихся атмосферных влияний, на изготовление особых эмульсий-лаков для покрытия окрасок, произведенных простой клеевой краской, и пр.

Клейковина, глютин, белковые вещества хлебных зерен, употребляется в подмесь к альбуминной муке (хлеб диабетиков) и в макаронном производстве. При производстве пшеничного крахмала клейковина - продукт отброса.

Творог употребляется в пищевой промышленности, - продукт питания широкого потребления. В прикладной технике имеет мало применения (например, клей для фарфора). Служит иногда для замены казеина.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное