Биохимия. Белки

М.Ф. Клещев, 2006

Предисловие

Специфика биотехнологических процессов предъявляет особые требования к подготовке инженеров-биотехнологов. Большое место в ней занимает биологическая химия. Глубокое понимание биохимических процессов обеспечивает не только глубокое понимание сути биотехнологичес-их процессов, но и возможность творческого отношения специалиста к их оптимизации и модернизации.

В предлагаемом учебном пособии излагаются современные основы общей биохимии в объеме, соответствующем подготовке студентов по специальности “Промышленная биотехнология”. Пособие состоит из двух разделов. В первом из них излагаются современные представления о химичес-ких компонентах живых существ, а во втором – об обмене веществ. При рассмотрении обменных процессов основное внимание уделяется общим путям метаболизма, который сходно протекает в организмах, находящихся на разных ступенях эволюционного развития.

Вступление

Процессы жизнедеятельности обеспечиваются на химическом или точнее, молекулярном уровне. В этой связи познание тайн жизни, процессов ее зарождения, индивидуального развития и старения, а также использование живых организмов в биотехнологических процессах для решения конкретных производственных проблем, стало возможным, благодаря достижениям современной биохимии. Именно с развитием этой науки связаны революционные достижения последних лет в молекулярной биологии, медицине и биотехнологии.

В последние десятилетия происходит особенно бурное развитие биохимии. В мире выпускаются сотни научных биохимических журналов и издается огромное количество монографий по разным разделам биохимии. По данным литературы, период полуобновления знаний по этой науке сос-тавляет около пяти лет. Причиной этого является широкое внедрение в практическую биохимию тонких физико-химических методов исследований, позволяющих проводить фракционирование структурных компонентов сложных биологических систем, определять динамические изменения в структуре макромолекул и проводить мониторинг химических процессов непосредственно в живых организмах.

Биохимия – наука, которая изучает химический состав живых организмов, а также особенности строения их компонентов, их функции и химические превращения. Объектом биохимии являются организмы, стоящие на разных ступенях эволюционного развития. В зависимости от объекта выделяется несколько разделов биохимии: биохимия микроорганизмов, биохимия растений, биохимия животных и человека. Зародившись еще в IX веке, эта наука оказалась столь эффективной и плодотворной, что создала основу для всей современной биологии и предопределила формирование таких новых ее направлений, как молекулярная биология, молекулярная генетика, биотехнология и др.

Хотя биотехнология и интегрировала в себе такие научные направления, как генетика, микробиология и молекулярная биология, основу всех биологических технологий составляет именно биохимия. Это определяется тем, что инструментом биотехнологии являются ферменты, а действующими элементами – отдельные молекулы: нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы и др. В этой связи фундаментальное значение в подготовке специалистов-биотехнологов приобретает изучение основ биохимии.

В предлагаемом пособии излагаются основные положения биохимии, представляющие интерес для студентов биотехнологических специальностей.

РАЗДЕЛ I. ХИМИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ

ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Глава 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

Аминокислоты представляют собой аминопроизводные карбоновых кислот. В природе встречается больше 300 их представителей, 20 из которых являются обязательным структурным компонентом белков. Они определяются как стандартные аминокислоты. Строение 19 стандартных аминокислот соответствует следующей общей формуле:

где R – аминокислотный радикал.

Структура лишь одной аминокислоты – пролина – не соответствует общей формуле, приведенной в табл. 1. Это связано с тем, что пролин, собственно, и не является аминокислотой. Он представляет собой иминокислоту.

Таблица 1 – Строение стандартных аминокислот

Продолжение таблицы 1

	Лейцин
	Пролин
	Триптофан
	Глицин
	Треонин
	Тирозин
	Глутамин
	Глутаминовая кислота
	Аргинин
	Валин

Продолжение таблицы 1

	Изолейцин
	Фенилаланин
	Метионин
	Серин
	Цистеин
	Аспарагин
	Аспарагиновая кислота
	Лизин
	Гистидин

Как видно из представленной таблицы, стандартные аминокислоты, за исключением пролина, являются α-аминокислотами, т.е. аминогруппа в качестве заместителя располагается у α-углеродного атома согласно выше приведенной формуле.

В настоящее время существует множество классификаций стандартных аминокислот. Особое значение из них имеет классификация, предложенная А. Ленинджером. В ее основу положены различия в полярности радикала аминокислот (рис. 1).

.

Рисунок 1 – Классификация стандартных аминокислот

Стандартные аминокислоты входят в состав полипептидных цепей белков в виде L -стереоизомеров. Из курса органической химии известно, что в состав органических молекул могут входить асимметрические (хиральные) углеродные атомы. Асимметрический углеродный атом представляет собой атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями (обозначен – С*).

Принимая во внимание особенности строения стандартных аминокислот, можно предположить, что все они, за исключением глицина, у которого α-углеродный атом связан с двумя атомами водорода, будут содержать, как минимум, один асимметрический углеродный атом.

Молекулы, содержащие асимметрический углеродный атом, представлены стереоизомерами двух рядов – L и D . Принадлежность к соответствующему стереохимическому ряду определяется путем сравнения структуры молекулы с эталонным соединением. В качестве эталонного соединения используют глицериновый альдегид. Как и все соединения, содержащие асимметрический углеродный атом, глицериновый альдегид представлен L - и D -стереоизомерами:

L -Глицериновый альдегид D -Глицериновый альдегид

Принадлежность аминокислоты к соответствующему стереохимичес-кому ряду определяют по месту положения ее α-аминогруппы относительно углеводородного скелета. Если она располагается с той же стороны, что и гидроксильная группа у хирального углеродного атома глицеринового альдегида, то аминокислота относится к тому же стереохимическому:

L -Аланин D -Аланин

Молекулы стереоизомеров D - и L -ряда являются зеркальным отражением друг друга. Они обладают одинаковыми химическими свойствами. Однако их физические свойства существенно различаются. Так, стереоизомеры разных рядов обладают разной способностью вращать плоскость поляризованного луча света. В зависимости от направления вращения луча они подразделяются на вправо- и влевовращающие. Растворы стереоизомеров D - и L -ряда вращают плоскость поляризованного луча света на разный угол.

Стереоизомеры способны превращаться друг в друга. Этот процесс получил название рацемизация . Процесс рацемизации можно представить в виде следующего уравнения:

L -Аланин D -Аланин

В состав полипептидных цепей белков входят стереоизомеры только

L -ряда. Вместе с тем в природе встречаются и D -стереоизомеры аминокислот. Они входят в состав оболочек микробных клеток (D -фенилаланин), некоторых антибиотиков (грамицидин-S ) и др.

Помимо стандартных аминокислот, в состав белков могут входить и нестандартные аминокислоты. К ним относятся производные стандартных аминокислот – оксипролин (производное пролина), оксилизин (производное лизина), десмозин (производное фенилаланина), тиронин (производное тирозина) и др.

В состав аминокислот входят функциональные группы, которые в полярных растворителях (воде) могут подвергаться диссоциации:

В этой связи в водных растворах молекулы аминокислот могут приобретать заряд. В зависимости от условий, которые определяют состояние ионизации функциональных групп, молекула аминокислоты может находиться в трех состояниях:

Центральное место при этом занимает состояние, в котором первичная карбоксильная и α-аминогруппы ионизированы. В этом состоянии молекула не несет суммарного электрического заряда и представляет собой биполярный ион (цвиттерион ), в котором электрические заряды скомпенсированы. В форме цвиттериона молекула аминокислоты существует только при определенном значении рН, которое называется изоэлектрической точкой . Каждая аминокислота имеет характерную для нее величину изоэлектрической точки, которая определяется структурой аминокислотного радикала.

При значении рН, отличающемся от изоэлектрической точки, молекула аминокислоты приобретает заряд:

Как видно, при рН меньше изоэлектрической точки аминокислота приобретает положительный заряд, при величине больше изоэлектрической точки – отрицательный заряд. При этом величина электрического заряда тем больше, чем больше величина рН отличается от изоэлектрической точки.

Свойство аминокислот находиться в водных растворах в виде ионов используется для разделения их смесей при анализе аминокислотного состава биологических объектов. Для этой цели могут быть использованы следующие методы:

· ионообменная хроматография;

· электрофорез.

Эти методы находят широкое применение для аналитических целей в биохимии.

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения состоящие из остатков аминокислот.

Разнообразие белков безгранично, в природе различают 1012 белков.

Функции белков:

1 структурная – участие в построении всех органоидов.

2 каталитическая – ферменты являются белки.

3 регуляторная – гистоны, регулируют транскрипцию ДНК.

4 механохимическая – обеспечивают движение цитоплазмы и клеточных структур.

5 транспортная – переносят различные вещества как внутрь клетки так и через мембраны.

6 защитная – ферменты, вакуоли и лизосомы расщепляют внутр. вещества.

7 запасная

8 энергетическая – расщепление 1 грамма белка равно 17,6 кДж энергии.

Иногда один и тот же белок выполняет несколько функций, т. к. белки мембран выполняют структурную, ферментативную, иногда транспортную. Содержание белка в растениях ниже чем у животных. В вегетативных органах 5-15% от сухой массы (тимофеевка 5%, клевер 15%). Больше белков в семенах у злаков 20%. У бобовых 25-35%, у сои до 40%.

2 Классификация белков.

Все белки делятся на простые(протеины) – состоящие только из аминокислот и сложные (протеиды) имеют не белковый компонент.

Протеины:

1 гистоны – функционально связаны с нуклеиновыми кислотами, обладают щелочными свойствами.

2 альбумины – в растительных тканях не много (лейкозин – белок зерна пшеницы, водорастворимые белки)

3 глобулины – основная масса белков растения (бобовые -60-90%, у масличных до 60%). Жмых состоит в основном из

глобулинов.

4 проламины – специальные белки злаков, в зерне до 50%. (составляет половину клейковины).

5 глютамины содержатся в семенах злаков (25-40% от общего содержания белка, в рисе до 70%).

Протеиды:

1 липопротеиды в виде простатической группы имеют липидный компонент, входят в состав клеточных мембран;

2 гликопротеиды имеют в составе углеводы и их производные;

3 хромопротеиды имеют окрашенную простатическую группу. К ним относятся белки, цитохромы, фередаксин, пластоцианин, хлорофилл, фитохром. Участвуют в реакциях дыхания и фотосинтеза.

4 Нуклеопротеиды связаны с нуклеиновой кислотой, стабилизируют молекулу ДНК.

3. Аминокислоты. Строение и свойства.

Аминокислоты являются мономерами белков, среди них (170 разновидностей) выделяют: протеиногенные (входят в состав белков) их может быть 26, но обычно 20 и непротеиногенные – не входят в состав белка, но обнаружены в составе других соединений.

Если у аминокислот 1 карбо группа и 1 аминогруппа, то аминокислота нейтральная. Если больше СООН – кислая, если больше NH2 – щелочная.

В водных растениях карбо - и аминогруппы аминокислот диссоциируют. Карбо группа отщепляет протон. Аплон аминокислот в щелочной среде может присоединять катионы. Аминогруппы в водной среде отщепляют гидроксильный ион.

Катионы аминокислот в кислой среде присоединяют аплоны. Наличие одновременно кислых и щелочных свойств обеспечивает двойственную природу аминокислот, поэтому аминокислоты в клетках играют роль буферов, связывающих катионы или анионы меняя их концентрацию. В основе стереохимии лежит пространственное расположение аминогруппы у ассиметричного атома С. Все аминокислоты входящие в состав белков является L - изомерами (хотя вращение плоскости полимеризации у них различные).

4 Аминокислоты в составе растительных белков.

В растительных белках некоторые аминокислоты могут отсутствовать или содержатся в малых количествах.. Некоторые аминокислоты всегда содержатся (аспирогиновая, глутаминовая кислота, их альдегиды), других аминокислоты в растениях всегда мало (лизин, метионин, гистидин, триптофан, цистеин). Многие из них являются незаменимыми аминокислотами. Поэтому растительные белки в отличие от животных не полноценны. Белки картофеля и овощей являются полноценными. Белки бобовых приближаются к таковым, белки сои полностью уравновешенны по аминокислотному составу.

5 Особенности азотного обмена растений.

Все особенности связанны с автотрофностью растения.

1 растения используют для питания и синтеза азотистые соединения, в основном минеральные формы азота (нитратная и аммиачная) и немного способны поглощать органические соединения (аминокислоты, нуклеотиды). Но для усвоения и эти соединения подвергаются расщеплению с выделением аммиака.

2 Очень экономный расход азота. При жизни растения не выделяют азотные соединения и многократно реутилизируют их. Кроме этого когда это возможно растения азотные соединения без азотными.

6 Биосинтез аминокислот.

Происходит:

1 прямое аминирование, ему подвергаются кетокислоты. Главным образом альфа - кетоглутаровая кислота, которая образуется в цикле Кребса. При этом образуется глутаминовая кислота, фермент – глутаматдегидрогеназа.

Коферментами могут быть НАД или НАДФ. Кроме альфа –КГК в ассимиляции NH3 могут принимать участие ЩУК, ПВК и др. аминокислота образовавшаяся прямым аминированием называется первичной.

2 переаминирование (транс). Этим способом образуется большинство аминокислот. Аминогруппа переносится с 1 аминокислоты на кетоновую кислоту с образованием другой аминокислоты.

Реакция катализируется транс амилазами кислоты, которые используются для биосинтеза аминокислот образуются как промежуточные продукты, в основном реакции дыхания.

3 амидирование.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты могут образовывать амиды (аспарагин и глутамин) присоединяет к карбоксильной группе еще 1 молекулу NH 3. реакция идет с затратой АТФ. Катализируется ферментом глутамин синтетазой. Процесс имеет большое значение, т. к. большая часть минерального азота усваивается этим путем. Амиды в дальнейшем легко передают амидную группу на кетокислоты с образованием аминокислот.

7 Образование аминокислот при фотосинтезе.

В процессе фотосинтеза образуется 5 кислот:

Из ФЛК могут образоваться серин и аланин. Из серина путем замещения гидроксильной группы NH группы образуется цистин

С-4 пути образуется ЩУК, которая путем транс амилирования дает аспарагиновую кислоту. В процессе фото-дыхания из глеокселевой кислоты при переамилировании получается глицин.

8 Восстановление нитратов.

Нитраты образуются в почве путем окисления аммиака нитрофильными бактериями. Процесс редукции двуэтапен.

1 восстановление нитрата до нитрита: NO3 ---NO2

Катализируется ферментом нитрат редуктазой, в переносе электронов участвуют коферменты НАД, ФАД и ионы молибдена. Повышенное содержание молибдена в почве увеличивает усвоение азота растениями.

2 восстановление нитрата до аммиака: NO2-NH4

Сопряжено с переносом 6 электронов и катализируется ферментом NO2 – редуктазой, которая содержит FeS - группу.

Оба этапа могут происходить как в корнях так и в листьях(хлоропласты), а в корнях в пропластидах. Большинство древесных растений восстанавливают NO3 в корнях, большинство с. х. – в корнях и листьях (свекла и хлопчатник в листьях).

9 Образование и роль амидов в растении.

Полученный в результате редукции нитратов аммиака очень ядовит и содержится в растениях в очень незначительном количестве, т. к. усваивается с образованием аминокислот и амидов. Ведущая роль связывания аммиака принадлежит реакциям биосинтеза глутаминовой кислоты (глутамат) и ее амида (глутамина).

Т. О. каждая молекула дикарбоновой аминокислоты может связать и обезвредить 1 молекулу аммиака, таким же путем образуется аспарагин и аланин из ПВК. Амиды могут накапливаться в больших количествах, особенно их много образуется при проростании семян бобовых, когда происходит интенсивный гидролиз белков и образуется много NH3 .

Роль амидов

1 участие в обезвреживании аммиака.

2 участие в переаминировании. Отдают аммиачную группу не только для синтеза аминокислот, но и при образовании других соединений (азотистые основания).

3 являются резервом дикарбоновых аминокислот.

4 являются запасной и транспортной формой азота.

Для полноценной деятельности человеческого организма, выполнения всех функций, необходимо употреблять продукты, обогащенные белками, жирами, углеводами. Протеины и белки являются компонентами клеток, поэтому человек нуждается в белковой пище. Что представляют собой аминокислоты? Биохимия данных соединений - важный вопрос, заслуживающий детального рассмотрения и изучения.

Особенности аминокислот

Эти соединения необходимы для синтеза белковых молекул. В природе есть более ста пятидесяти различных аминокислот, но далеко не все они жизненно необходимы организму человека. Какие именно нужны нам аминокислоты? Биохимия 20 таких соединений подробно изучена отечественными и зарубежными учеными. Оказалось, что двенадцать из них способны синтезироваться внутри человеческого организма, и только восемь аминокислот человек должен получать с пищей.

Классификация

Рассмотрим некоторые аминокислоты. Биохимия, классификация этих предполагает выделение трех основных групп:

• незаменимые, получаемые вместе с пищей. Такие вещества не могут синтезироваться в человеческом организме;
• заменимые, образующиеся в организме, попадающие в него вместе с белковой пищей;
• условно заменимые, вырабатываемые из незаменимых соединений.

Основные свойства

Какими физическими и химическими свойствами обладают аминокислоты? Биохимия этих соединений дает представление об их основных характеристиках. Аминокислоты имеют высокие температуры плавления, отлично растворяются в воде, обладают кристаллической формой.

Чем еще характеризуются аминокислоты? Биохимия, формулы их свидетельствуют о наличии в молекулах углерода, обладающего оптической активностью.

Химические характеристики

Интерес представляет их биохимия. Аминокислоты - пептиды первичной структуры. Именно при объединении нескольких аминокислотных остатков в одну линейную структуру происходит синтез белковой молекулы. При употреблении человеком глицина в виде порошка либо таблеток, происходит быстрое и легкое попадание органического вещества в кровь. Интерес представляет их биохимия. Аминокислоты, белки, углеводы, жиры - вещества, которые необходимы для функционирования живого организма. При их недостатке возникают различные заболевания.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, проявляющими двойственные химические свойства.

Биологическое значение

Данный класс азотсодержащих соединений отвечает за синтез белковых молекул в организме человека. В случае его дефицита возникают серьезные проблемы с нервной системой. Чем еще важны для организма аминокислоты? Биохимия этих амфотерных соединений объясняет их значение для биосинтеза в печени гликогена. Его недостаточное количество приводит к серьезным заболеваниям. Среди основных причин недостатка 20 важнейших аминокислот, врачи называют нарушения в питании, злоупотребление крепкими спиртными напитками, систематические стрессовые ситуации. Для того чтобы не допускать истощения организма (избежать белкового голодания), необходимо включать в пищу молочные, мясные, соевые продукты.

Двойственность свойств

Какими особенностями обладают аминокислоты? Биохимия данных соединений объясняется наличием в молекулах двух функциональных групп. Данные химические соединения имеют карбоксильную (кислотную) группу СООН, а также являются аминами. Такие особенности строения поясняют их химические возможности.

Сходство с органическими и минеральными кислотами проявляется в реакциях с активными металлами, основными оксидами, щелочами, солями слабых кислот. Кроме того аминокислоты способны вступать в химическое взаимодействие со спиртами, образуя сложные эфиры. Наличие аминогруппы объясняет их взаимодействие с кислотами по донорно-акцепторному механизму связи.

Классификация и номенклатура

В зависимости от расположения карбоксильной группы, возможно деление этих органических соединений на альфа-, бета-, аминокислоты. Нумерация углеродного атома при этом начинается с углерода, следующего после кислотной группы.

В органической химии выделяют аминокислоты по числу функциональных групп: основные, нейтральные, кислые.

В зависимости от характера углеводородного радикала принято подразделять все аминокислоты на жирные (алифатические), гетероциклические, ароматические, а также серосодержащие соединения. В качестве примера можно представить 2 аминобензойную кислоту.

По при названии данного класса органических соединений указывают цифрой положение аминогруппы, затем добавляют название углеродной цепочки, в состав которой входит карбоксильная группа. Греческий алфавит применяется в том случае, если аминокислота будет названа по тривиальной номенклатуре.

При наличии в молекуле двух функциональных (аминогрупп), в названии применяют уточняющие приставки: диамино-, триамино-. Для многоосновных аминокислот в названии добавляют триоловая либо диоловая кислота.

Особенности изомерии и получения аминокислот

Учитывая специфику представителей данного класса органических веществ, выделяют несколько Аналогично карбоновых кислотам, в этих амфотерных соединениях, существуют изомеры углеродного скелета.

Также можно составить изомеры с разным расположением функциональной аминогруппы. Интерес представляет оптическая изомерия данного класса, позволяющая объяснять их биологическое значение для живых организмов.

В качестве исходного сырья для синтеза капрона выступает аминокапроновая кислота. Путем гидролиза можно получить 25 важных аминокислот. Существуют определенные проблемы, связанные с разделением получаемой смеси амфотерных соединений. Помимо гидролиза белковых молекул, можно синтезировать аминокислоты путем взаимодействия галогенхзамещенных кислот по реакции Геля-Фольгарда-Зелинского.

Образуются аминокислоты при процессах гидролиза белков, входящих в состав продуктов питания. Именно эти вещества являются теми кирпичиками, благодаря которым происходит выстраивание растительных и животных белков, насыщение организма важнейшими компонентами для его полноценной жизнедеятельности.

Например, в случае сильного истощения организма, вызванного тяжелой операцией, пациенту назначается специальный курс аминокислот. С помощью осуществляется лечение нервных заболеваний, при язвах желудка необходимо употребление гистидина. В сельском хозяйстве аминокислоты применяют в качестве подкормки для животных, стимулирующих их рост и развитие.

Заключение

Аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями, играющими важную роль в жизнедеятельности человека и животных. При недостаточном количестве одной из важнейших аминокислот, появляются серьезные проблемы со здоровьем. Полноценное белковое питание особенно важно в подростковом возрасте, а также тем людям, которые испытывают постоянные физические нагрузки, активно занимаются спортом.

БИОХИМИЯ ИНЕТ

Биохимия

БЕЛКИ. АМИНОКИСЛОТЫ -- СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БЕЛКОВ

Белки – это азотсодержащие, высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных в цепи с помощью пептидных связей и имеющие сложную структурную организацию.

Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке.

Характерные признаки белков, отличающие их от других органических соединений клетки:

1 .Белки являются азотсодержащими соединениями, как многие другие компоненты клетки (нуклеиновые кислоты, некоторые липиды, углеводы), но в отличии от других органических вещества, содержание азота значительно больше – в среднем16 грамм на 100 грамм белка.

2.Структурной единицей белков являются альфа аминокислоты L-ряда.

3.Аминокислоты связаны в белках с помощью пептидных связей, образуя полипептидную цепь.

4.Белки имеют большую молекулярную массу (от 20000 до нескольких миллионов дальтон).

5.Отличаются белки сложной структурной организацией (имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру).

МНОГООБРАЗНЫЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВ:

1.Каталитическая. Многие белки являются ферментами

2.Регуляторная. Некоторые гормоны являются белками

3.Структурная. Во все структуры живой клетки входят белки.

4.Рецепторная. Белки являются обязательным компонентом рецепторов, способны узнавать другие молекулы.

5.Транпортная. Они транспортируют жиры, пигменты, гормоны, лекарственные вещества, различные гидрофобные соединения и др.

6.Опорная. Коллаген, белки костной ткани.

7.Энергетическая. Окисление 1 г белка сопровождается выделением 17,6 кДЖ энергии. В сутки 15% энергии образуется за счёт распада белков.

8.Сократительная. Эту функцию выполняют белки мышечной ткани - актин, миозин.

9.Генно-регуляторная функция гистонов.

10.Иммунологическая. Антитела являются белками.

11 .Гемостатическая. Фибриноген и другие белки плазмы крови участвуют в процессах свертывания крови.

1.1.Аминокислоты -- Структурные компоненты белков

Аминокислоты - гетерофункциональные соединения. Они представляют собой производные карбоновых кислот, у которых атом водорода в альфа-положении замещен на аминогруп­пу.

Все аминокислоты, входящие в состав белков, характеризуются следующими особенностями:

а) по положению аминогруппы они являются a-аминокислотами (аминогруппа стоит рядом с карбоксильной группой).

б) все они относятся к L-ряду, так как аминогруппа у асимметричного (хирального) атома углерода записывается слева. Исключение составляет глицин, который не имеет асимметричного атома углерода, его боковая цепь представлена атомом водорода.

в) имеют одинаковый общий фрагмент и отличаются только строением боковой цепи (R), свойства которой во многом определяют свойства самих аминокислот и белков, в состав которых они входят. Именно различия в форме, размерах и полярности позволяют аминокислотам быть теми строительными блоками, которые использует эволюция, чтобы удовлетворить жесткие требования к структуре белков.

г) в растворах при нейтральных значениях рН альфа-аминокислоты существуют преимущественно в виде внутренних солей. В сильно кислой среде преобладает катионная форма, в сильно щелочной – анионная. (

В разных организмах было обнаружено множество аминокислот, не входящих в состав белков (т.н. небелковые аминокислоты). Однако все известные организмы для строительства своих белков используют одни и те же 20 аминокислот, Ф.Крик назвал их “магической двадцаткой”. Только они шифруются генетическим кодом.

Строение и классификация аминокислот

Существуют различные классификации аминокислот, входящих в состав белков в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы. Так по химической природе боковой цепи a-аминокислоты делятся на алифатические (ациклические), ароматические, гетероциклические.

I. Алифатическиеa - аминокислоты

1. Моноаминомонокарбоновые (нейтральные)

Алифатические аминокислоты, содержащие в боковой цепи дополнительную функциональную группу.

А) гидроксильную группу (оксиаминокислоты)

Б) карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые)

В) амидную группу

Г) аминогруппу (диаминомонокарбоновые)

II. Ароматические аминокислотыIII. Гетероциклические аминокислоты

IV. Иминокислота

Неполярные гидрофобные,

Полярные неионные,

Полярные отрицательно заряженные,

Полярные положительно заряженные.

Аминокислоты этой группы содержат в боковой цепи неионогенные группы, не способные отдавать или присоединять протон. Боковые группы этих аминокислот растворяются в воде т.к. в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К ним относятся серин, треонин, содержащие в боковой цепи спиртовой гидроксил, а также глутамин, аспарагин, содержащие амидные группы. К этой же группе относятся цистеин и тирозин. Эти аминокислоты содержат соответственно тиольную группу и фенольный гидроксил, способные к диссоциации, но при нейтральных значениях рН, поддерживаемых в клетках, эти группы практически не диссоциируют.

Аминокислоты с полярными отрицательно заряженными

R- группами.

К этой группе относят аспарагиновую и глутаминовую аминокислоты, имеющие в боковой цепи дополнительную карбоксильную группу, способную к диссоциации.

Уровни структурной организации белковых молекул

Белковые модули (домены)

Активный центр белка и взаимодействие его с лигандом.

Физико-химические свойства белков

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков, отличающихся первичной структурой, конформацией, строением активного центра и функциями. Однако до настоящего времени нет единой и стройной классификации, учитывающей различные особенности белков. В основе имеющихся классификаций лежат разные признаки. Так белки можно классифицировать:

· по форме белковых молекул (глобулярные – округлые или фибриллярные – нитевидные)

· по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные)

· по выполняемым функциям (транспортные, структурные, защитные, регуляторные и др.)

· по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.)

· по структурным признакам и химическому составу белки делятся на две группы: простые и сложные. Простые белки представлены только полипептидной цепью, состоящей из аминокислот. Сложные белки имеют в своем составе белковую часть и небелковый компонент (простетическую группу). Однако и эта классификация не является идеальной, поскольку в чистом виде простые белки встречаются в организме редко.

Характеристика простых белков.

Альбумины и глобулины.

Проламины и глютелины.

Протеиноиды.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

Сложные белки кроме полипептидных цепей содержат в своем составе небелковую (простетическую) часть, представленную различными веществами. В зависимости от химической природы небелковой части выделяют следующие группы сложных белков:

· хромопротеины

· углевод – белковые комплексы

· липид – белковые комплексы

· нуклеопротеины

· фосфопротеины

ХРОМОПРОТЕИНЫ

Хромопротеины – это сложные белки, простетическая часть которых представлена окрашенным компонентом (от греч. Chromos – краска). К ним относятся биологически важные белки гемоглобин, миоглобин, а также некоторые ферменты: каталаза, пероксидаза, цитохромы, все они являются гемпротеинами, так как простетическая часть их содержит гем.

Гемоглобин (Нв).

Типы гемоглобинов.

ГЛИКОПРОТЕИНЫ (ГП)

ПРОТЕОГЛИКАНЫ

Функция избирательного взаимодействия высокоспецифического узнавания.

Клеточные ГП, находящиеся на поверхности мембран, участвуют в очень тонких процессах биологического узнавания и межклеточного взаимодействия, выполняя роль рецепторных систем для определенных соединений и клеток.

Транспортная роль.

ГП осуществляют транспорт гидрофобных веществ и ионов металлов. Так

функцию переносчика железа выполняет ГП – трансферрин; меди – церуллоплазмин; стероидных гормонов – транскортин.

Каталитическая.

Углеводный компонент обнаружен в составе некоторых ферментов: энтерокиназа, пероксидаза, глюкозооксидаза, холинэстераза.

Функция защитной смазки.

Гликопротеины являются составными веществами муцинов слюны, желудочного и кишечного муцинов.

Участвуют в процессе свертывания крови.

Свободные липопротеины.

Липопротеины плазмы крови, молока, растворимы в воде.

Структурные протеолипиды.

Входят в состав биомембран, растворимы в жирах.

Липид – белковые комплексы в качестве небелковой части содержат липидные компоненты.

Высшие жирные кислоты

Свободные липопротеины.

Структурные липопротеины (протеолипиды).

НУКЛЕОПРОТЕИНЫ

Номенклатура наиболее распространенных нуклеотидов.

Структура нуклеиновых кислот.

Вторичная структура ДНК.

Особенности структуры РНК.

Первичная структура РНК аналогична первичной структуре ДНК и представляет полинуклеотидную цепь, состоящую из мононуклеотидов, соединенных 3" a 5" – фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура РНК.

Основные типы РНК.

Третичная структура нуклеиновых кислот.

ФОСФОПРОТЕИНЫ.

Углеводы. Классификация углеводов

Термин “углеводы”, предложенный в XIX столетии, был основан на предположении, что все углеводы содержат три элемента – углерод, водород и кислород, соотношение последних как в воде, и элементарный состав можно выразить формулой Сn (Н 2 О)m. Однако по мере открытия новых углеводов обнаружили, что не все они удовлетворяют этой формуле.

Термин “углеводы” устарел и не отражает ни химической природы, ни состава этих соединений, однако предложенный для них термин "глициды” не получил распространения. Характерным отличительным признаком углеводов является наличие в их составе не менее двух гидроксильных групп и карбонильной (альдегидной или кетонной) группы, т. е. углеводы это полиоксикарбонильные соединения и их производные.

Углеводы - наиболее распространенный в природе класс органических соединений. Функции углеводов в клетках весьма разнообразны. Они служат источником и аккумулятором энергии клеток, выполняя структурную роль, они в виде гликозамингликанов входят в состав межклеточного матрикса, участвуют во многих метаболических процессах.

Моносахариды - это углеводы, которые не подвергаются гидролизу, т.е. не распадаются на более простые сахара. Олигосахариды - сложные углеводы, которые содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов.

Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков либо одного типа (гомополисахариды), либо разных типов (гетерополисахариды).

2.2. Моносахариды

В основе классификации моносахаридов лежат два признака:

Наличие функциональных групп.

Количество атомов углерода в составе моносахаридов.

В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды разделяются на альдозы и кетозы. Альдозы содержат альдегидную группу, тогда как кетозы содержат кетогруппу.

В зависимости от числа углеродных атомов выделяются следующие группы моносахаридов: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы

Открытые (незамкнутые) формы моносахаридов изображаются в виде проекционных формул Фишера. Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности (С*) и принадлежат к соединениям L- или D-ряда.

Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду.

Моносахариды относятся к D-ряду, если ОН-группа при нижнем хиральном атоме углерода стоит справа и к L-ряду, если ОН группа стоит слева. Поэтому гидроксил, стоящий при нижнем хиральном атоме, называется D-, L-определяющим.

В водном растворе находятся как открытые, так и циклические формы моносахаридов. Циклические формы пятичленные (фуранозные) и шестичленные (пиранозные) гетероциклы.

Названия циклов происходят от названия родственных соединений – фурана и пирана

Циклические формы моносахаридов являются полуацеталями. Они образуются за счет внутримолекулярного взаимодействия между карбонильной и гидроксильной группами моносахарида. В циклической форме возникает новый центр хиральности,а также новый гидроксил – полуацитальный. Это приводит к образованию еще пары изомеров, которые называются аномерами.

Для циклических форм моносахаридов приняты перспективные формулы Хеуорса, в которых циклы изображаются в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагается в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном – за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не пишутся.

Для перехода от Фишеровских проекционных формул к формулам Хеуорса нужно иметь в виду следующее: атомы и группы атомов находящиеся в формулах Фишера слева от углеродной цепи, в формулах Хеуорса располагаются над плоскостью цикла; заместители расположенные справа – под плоскостью.

Учитывая выше изложенное наиболее важные моносахариды в формулах Хеуорса имеют следующий вид.

Производные моносахаридов

Олигосахариды

Гомополисахариды (ПС).

Гетерополисахариды

Липиды

Липиды

Термин «ЛИПИДЫ» объединяет вещества, обладающие общим физическим свойством – гидрофобностью, т.е. нерастворимостью в воде. По структуре липиды – соединения разного химического строения. Их разделяют на классы, в которые объединяют молекулы, имеющие сходное химическое строение и общие биологические свойства.

Основную массу липидов в организме составляют жиры – триацилглицеролы, служащие формой депонирования энергии.

ФОСФОЛИПИДЫ – большой класс липидов, содержащих остаток фосфорной кислоты, придающей им свойства амфифильности. Благодаря этому свойству фосфолипиды формируют бислойную структуру мембран, в которую погружены белки.

СТЕРОИДЫ, представленные в животном мире холестеролом и его производными, выполняют разнообразные функции.

Жирные кислоты и ацилглицеролы.

Фосфолипиды и сфинголипиды

ФОСФОЛИПИДЫ

Сфинголипиды

Стероиды

Витамины

Рацион взрослого человека

Жирорастворимые витамины

Водорастворимые витамины

ВИТАМИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА.

Ферменты и неорганические катализаторы

Строение ферментов

Рис. Активный центр фермента

Коферменты

Свойства ферментов

Специфичность действия ферментов.

Номенклатура ферментов

Классификация ферментов

Классификация ферментов

В основе лежит тип катализируемой реакции

Классы ферментов

Оксидоредуктазы

Трансферазы

Гидролазы

Лиазы

Изомеразы

Синтетазы

Механизм действия ферментов

На второй стадии происходит преобразование Е-S комплекса в один, или несколько, активированных комплексов.

Е + S > ЕS > ЕS*> ЕS** > ЕР

Эта стадия является наиболее продолжительной по времени. При этом происходит разрыв связей в молекуле субстрата, образование новых связей, т.е. образуются продукты реакции. Энергия активации снижается значительно.

На третьей стадии происходит освобождение продуктов реакции от фермента и поступление их в окружающую среду.

ЕР > Е + Р

Ускорение химическокой реакции ферментами происходит за счет существенного снижения энергии активации реагирующих веществ. Ряд молекулярных эффектов позволяют снижать энергию активации.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Эффект концентрации.

Молекулы субстрата концентрируются в области активного центра фермента.

Эффект сближения и ориентации.

Это характерное свойство ферментов, которое позволяет ускорить превращение субстрата и повышение скорости реакции в 1000 и 10000 раз. Контактные участки активного центра фермента связывают специфически молекулы субстрата, сближают их и обеспечивают взаимную ориентацию так, чтобы это было выгодно для действия каталитических групп фермента. Такое упорядоченное расположение субстрата приводит к снижению энергии активации.

Эффект натяжения.

До присоединения субстрата к активному центру фермента, его молекула как бы в расслабленном состоянии. После связывания молекула субстрата растягивается и принимает напряжённую деформированную конфигурацию. При этом увеличивается длина межатомных связей, следовательно, понижается энергию активации.

Кислотно-основный катализ.

Ковалентный катализ.

Наблюдается у ферментов, которые образуют ковалентные связи между каталитическими группами активного центра и субстрата. В результате формируется промежуточный фермент-субстратный комплекс, который неустойчив, легко распадается, продукты реакции быстро освобождаются.

Эффект индуцированного соответствия.

Он объясняет специфичность действия ферментов. По этому поводу имеется 2 точки зрения:

А). Гипотеза Фишера.

- это снижение каталитической активности в присутствии определенных веществ – ингибиторов.

По характеру действия ингибиторы делятся на 2 большие группы:

Обратимые - это соединения, которые НЕКОВАЛЕНТНО взаимодействуют с ферментом, при этом образуется комплекс, способный к диссоциации.

Необратимые - это соединения, которые могут специфически связывать определенные функциональные группы активного центра фермента. Они образуют с ним прочные КОВАЛЕНТНЫЕ связи, поэтому такой комплекс трудно разрушить.

Виды ингибирования.

По механизму действия выделяют следующие виды ИНГИБИРОВАНИЯ:

Конкурентное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием с активным центром фермента ингибитора, который по своей структуре близок к структуре субстрата. При этом и субстрат, и ингибитор могут взаимодействовать с ферментом, но они будут конкурировать за активный центр фермента, и связываться будет то вещество, которого больше.

пример:

Сукцинатдегидрогеназная реакция.

Конкурентным ингибитором данной реакции является малоновая кислота, поэтому с активным центром фермента связывается и та, и другая кислота, в зависимости от их соотношения в растворе. Чтобы снять частично или полностью действие конкурентного ингибитора, нужно повысить концентрацию субстрата. При этом весь фермент будет находиться в форме фермент-субстратного комплекса, а доля комплекса фермент-ингибитор будет резко понижаться, поэтому скорость ферментативной реакции может быть максимальной даже в присутствии ингибитора.

Многие лекарственные препараты действуют по типу конкурентного ингибитора. При этом они тормозят активность ряда ферментов, необходимых для функционирования бактериальных клеток. Примером является применение сульфаниламидов. При различных инфекционных заболеваниях, которые вызываются бактериями, применяются сульфаниламидные препараты.

Эти препараты имеют структурное сходство с парааминобензойной кислотой, которая используется бактериями для синтеза фолиевой кислоты, необходимой для роста и размножения бактерий

Введение сульфаниламидов приводит к ингибированию ферментов бактерий, которые синтезируют фолиевую кислоту. Нарушение синтеза этой кислоты проводит к нарушению роста микроорганизмов и их гибели.

По принципу конкурентных ингибиторов действует целая группа различных препаратов – это антихолинэстеразы. Они являются конкурентными ингибиторами фермента холинэстеразы, катализирующего гидролиз ацетилхолина. Ацетилхолин обеспечивает проведение нервного импульса. Антихолинэстеразы конкурируют с ацетилхолином за активный центр фермента холинэстеразы. В результате этого распад ацетилхолина тормозится, он накапливается в организме, вызывая нарушение проведения нервного импульса.

Неконкурентное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное влиянием ингибитора на каталитическое превращение субстрата. При этом ингибитор не влияет на связывание фермента с субстратом. Неконкурентный ингибитор может связываться либо с каталитическими группами активного центра фермента, либо вне активного центра фермента, но при этом он изменяет конформацию фермента и затрагивает каталитический участок его активного центра. При неконкурентном ингибировании, возможно образование тройного, неактивного комплекса.

Схема неконкурентноеого ингибирования

В качестве неконкурентного ингибитора выступают цианиды. Они прочно связываются с ионами железа, которые входят в состав каталитического геминового фермента -цитохромоксидазы. Этот фермент является одним из компонентов дыхательной цепи. Блокирование дыхательной цепи выключает её из работы, что приводит к мгновенной гибели организме.

Примером неконкурентного ингибитора является действие солей тяжёлых металлов. Они блокируют -SH группы, которые входят в каталитический участок фермента. При этом образуется комплекс фермент-ингибитор. Он способен присоединять субстрат, но дальнейшего превращения субстрата не происходит, т.к. каталитические группы фермента заблокированы. Реакция непродуктивна. Снять действие неконкурентного ингибитора очень сложно, т.к. ионы металлов очень прочно связываются с активным центром фермента. Действие этого ингибитора можно снять только с помощью специальных веществ - реактиваторов.

3.Субстратное ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. При этом образуется фермент-субстратный комплекс, но он не подвергается каталитическим превращениям, т.к. делает молекулу фермента неактивной. Действие субстратного ингибитора снимается путём уменьшения концентрации субстрата.

4.Аллостерическое ингибирование характерно для ферментов, имеющих четвертичную структуру, молекула которых состоит из нескольких единиц (протомеров). Аллостерические ферменты могут иметь 2 и более единиц. При этом одна имеет каталитический центр и называется каталитической, а другая - аллостерический центр и называется регуляторной. В отсутствии аллостерического ингибитора субстрат присоединяется к каталитическому центру, и идёт обычная каталитическая реакция. При появлении аллостерического ингибитора, он присоединяется к регуляторной единице, т.е. к аллостерическому центру, и изменяет конформацию центра фермента, в результате этого активность фермента снижается.

Обмен углеводов

Биологическая роль углеводов

Превращение углеводов в пищеварительном тракте

Биосинтез и распад гликогена

Анаэробный гликолиз

Рис. Аэробный распад глюкозы

Аэробный гликолиз (гексозодифосфатный путь)

Рис. Аэробный распад глюкозы

Гексозомонофосфатный путь

Глюконеогенез

Основные липиды организма человека их биологическая роль.

Переваривание липидов, ресинтез жира

Липопротеины крови

Окисление высших жирных кислот

Окисление глицерина

Окисление глицерина в тканях тесно связано с ГЛИКОЛИЗОМ, в который вовлекаются метаболиты обмена глицерина по следующей схеме:

При окислении глицерина образовались конечные продукты:

СО2 на этапе превращения:

ПИРУВАТА

ИЗОЦИТРАТА

Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

Н 2 О на этапе превращения:

Альфа -ГЛИЦЕРОФОСФАТА

ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-3-ФОСФАТА

ФОСФОГЛИЦЕРАТА

ПИРУВАТА

ИЗОЦИТРАТА

Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

СУКЦИНАТА

МАЛАТА

АТФ выделилось за счёт реакций

А) Субстратного фосфорилиования на этапах превращения:

Дифосфоглицерата

Фосфоенолпирувата

Сукцинил-КоА

Б) Окислительного фосфорилирования на этапах превращения:

Альфа-глицерафосфата

Глицеральдегид-3 фосфата

Пирувата

Изоцитрата

Альфа-КЕТОГЛУТАРАТА

Сукцината

Малата

Суммарный энергетический эффект окисления одной молекулы глицерина равен 22 АТФ.

Биосинтез ВЖК в тканях

Обмен холестерина

Переваривание белков

Гниение аминокислот, обезвреживание продуктов гниения

Метаболизм аминокислот

Рис. Окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты

НЕПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ

Этому виду дезаминирования подвергаются остальные аминокислоты, но через стадию трансаминирования с альфа-кетоглутаровой кислотой. Затем глутаминовая кислота (продукт этой реакции) подвергается окислительному дезаминированию.

Пути обезвреживания аммиака

Рис. Образование глутамина

ГЛУТАМИН и АСПАРАГИН - нетоксические вещества. Их называют транспортной формой аммиака в организме. Они не проникают через мембраны и в почках распадаются до аминокислот и аммиака.

2. Восстановительное АМИНИРОВАНИЕ альфа – кетоглутаровой кислоты

3. Образование солей АММОНИЯ

4. Синтез мочевины - основной путь обезвреживания аммиака - ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ.

АРГИНАЗА обладает абсолютной специфичностью и содержится только в печени. В составе мочевины содержится два атома азота: один поступает из аммиака, а другой выводится из АСП.

Образование мочевины идёт только в печени.

Две первые реакции цикла (образование ЦИТРУЛЛИНА и АРГИНИНОСУКЦИНАТА) идут в МИТОХОНДРИЯХ, остальные в цитоплазме.

В организме в сутки образуется 25г мочевины. Этот показатель характеризует мочевинообразовательную функцию печени. Мочевина из печени поступает в почки, где и выводится из организма, как конечный продукт азотистого обмена.

• 6.1. Сигнальные молекулы
• 6.2. Гормоны гипоталамуса
• 6.3. ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА
• 6.4. ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
• 6.5. ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ
• 6.6. Гормоны половых желез
• 6.7. Гормоны надпочечников
• 6.8. Гормоны поджелудочной железы

Регуляция обмена веществ

Сигнальные молекулы

Гормоны гипоталамуса

ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА

ГОРМОНЫ ГИПОФИЗА

ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

ГОРМОНЫ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

В щитовидно железе синтезируются гормоны, которые являются йодированными производными тирозина (йодтиронины). К ним относятся трийодтиронин (3, 5, 3? - трийодтиронин, Т 3) и тироксин (3, 5, 3?, 5?, - тетрайодтиронин, Т 4).

Рис. Йодтиронины

Биосинтез йодтиронинов

Влияние на метаболические процессы

Обмен белков

В физиологической концентрации йодтиронины усиливают биосинтез белков, но в высокой концентрации проявляется их катаболический эффект в отношении синтеза белков.

Обмен углеводов

В печени под влиянием данных гормонов происходит увеличение скорости распада глюкозы, мобилизации гликогена.

Обмен липидов

Нарушения секреции тиреоидных гормонов

Гипосекреция

Гиперсекреция

ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ

ГОРМОНЫ ПАРАЩИТОВИДНЫХ ЖЕЛЕЗ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

«Основы биохимии белков и аминокислот в организме человека»

МИНСК, 2008

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название протеины (от греческого proteos - первый, важнейший) отражает первостепенное значение этого класса веществ. Белкам принадлежит особая роль в воспроизводстве основных структурных элементов клетки, а также в образовании таких важнейших веществ как ферменты и гормоны.

Наследственная информация сосредоточена в молекуле ДНК клеток любых живых организмов, поэтому с помощью белков реализуется генетическая информация. Без белков и ферментов ДНК не может реплицироваться, самопроизводиться. Таким образом, белки являются основой структуры и функции живых организмов.

Все природные белки состоят из большого числа сравнительно простых структурных блоков – аминокислот, связанных друг с другом в полипептидные цепи. Белки представляют собой полимерные молекулы, в состав которых входит 20 различных АК. Поскольку эти АК могут объединяться в самой различной последовательности, то они могут образовывать громадное количество разнообразных белков и их изомеров.

Белки выполняют множество самых разнообразных функций:

Питательную, резервную. К таким белкам относятся так называемые резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода (белок яйца, молоко). Ряд других белков используется в качестве источника АК, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы обмена веществ.

Каталитическую – за счет ферментов, биологических катализаторов.

Структурную – белки входят в состав органов, тканей, оболочек клеток (биомембран). Коллаген, кератин-в волосах и ногтях, эластин- в коже.

Энергетическую – при распаде белков до конечных продуктов образуется энергия. При распаде 1 г белка образуется 4,1 ккал.

Транспортную – белки обеспечивают снабжение тканей кислородом и удаление углекислого газа (гемоглобин), транспорт жирорастворимых витаминов - липопротеиды, липидов - альбумины сыворотки крови.

Белки выполняют функцию передачи наследственности. Нуклеопротеиды - белки, составными частями которых являются РНК и ДНК.

Защитная функция - (антитела, g-глобулин) основную функцию защиты в организме выполняет иммунологическая система, обеспечивающая синтез специфических защитных белков - антител в ответ на поступление в организме бактерий, вирусов, токсинов. Кожа - кератин.

Сократительная функция - в акте мышечного сокращения и расслабления участвуют множество белков.. Главную роль играют актин и миозин - специфические белки мышечной ткани.

Гормональная - регуляторная. Обмен веществ в организме регулируется с помощью гормонов, ряд которых представлен белками или полипептидами (гормоны гипофиза, поджелудочной желез).

Таким образом, белкам принадлежит исключительная и разносторонняя роль в организме человека.

Основная структурная единица белка - мономер-аминокислота. Аминокислоты - органические кислоты, у которых водород у a-углеродного атома замещен на аминогруппу NH 2 . Отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными (R-CO-NH-R 1) связями, возникающими при взаимодействии карбоксильных СООН и аминных NH 2 групп АК. Пептидная связь - единственная ковалентная связь с помощью которой АК остатки соединяются друг с другом, образуя остов белковой молекулы. Существует еще только один важный тип ковалентной связи между АК в белках - дисульфидный мостик или поперечная связь между двумя отдельными пептидными цепями -S-S-.

Классификация аминокислот:

1. Ациклические АК - моноаминомонокарбоновые, содержат 1 -аминную и 1-карбоксильную группы:

L-глицин, L -аланин, L -серин, L -треонин, L -цистеин, L -метионин, L -валин, L -лейцин.

Моноаминодикарбоновые -содержат 1-аминную и 2 карбоксильные группы:

L-глутаминовая кислота, L-аспарагиновая кислота.

Диаминомонокарбоновые - содержат 2 аминные и 1 карбоксильную группы:

L-лизин и L-аргинин

2. Циклические аминокислоты

Имеют в своем составе ароматическое или гетероциклическое ядро:

фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан, L-гистидин

Соединение состоящее из 2 АК – дипептид, состоящее из 3 АК- трипептид

Классификация белков: протеины – простые, состоят только из аминокислот (альбумины, глобулины, протамины, гистоны). При гидролизе распадаются только на АК.

Пример протеинов - альбумин, глобулины, коллаген, протамины, гистоны.

Протамины и гистоны - имеют своеобразный АК состав и представлены белками с небольшой молекулярной массой. В сотаве их 60-80% аргинина, они хорошо растворимы в воде. Скорее всего они являются пептидами, поскольку молекулярная масса не превышает 5000 дальтон. Являются белковым компонентом в структуре нуклеопротеидов.

Проламины и глютеины - белки растительного происхождения. Содержат 20-25% глутаминовой кислоты и 10-15% пролина.

Альбумины и глобулины- наиболее богаты этими белками сыворотка крови, молоко, яичный белок. мышцы. Оба эти класса относятся к глобулярным белкам. Соотношение альбуминов к глобулинам, получившее название белкового коэффициента в норме в крови сохраняется на постоянном уровне. Это соотношение при многих заболеваниях изменяется, поэтому определение его имеет важное практическое значение. Альбумины - 69 дальтон, а глобулины - 150000 дальтон.

Протеиды – сложные белки, состоят из белковой части и простетической группы (небелкового компонента).

Фосфопротеиды - содержат фосфорную кислоту. Липопротеиды – липиды. Гликопротеиды – углеводы. Металлопротеиды - металлы. Нуклеопротеиды содержат в качестве простетической группы нуклеиновые кислоты. Хромопротеиды – пигменты.

Гемопротеиды содержат в качестве простетической группы Fe. Порфирины содержат Mg. Флавопротеиды (содержат производные изоаллоксозина).

Все белки участвуют в фундаментальных процессах жизнедеятельности: фотосинтез, дыхание клеток и целостного организма, транспорт кислорода и углекислоты, окислительно-восстановительные реакции, свето- и цвето- восприятие. Например, хромопротеиды играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности: достаточно подавить дыхательную функцию Hb путем введения окиси углерода, либо подавить утилизацию кислорода в тканях синильной кислотой или ее солями цианидами, как моментально наступает смерть.

Гемопротеиды - гемоглобин, миоглобин, хлорофиллсодержащие белки и ферменты (вся цитохромная система, каталаза и пероксидаза). Все они содержат в качестве небелкового компонента структурно схожее железо или магний порфирины, но различные по составу и структуре белки, обеспечивая тем самым разнообразие их биологических функций. Гемоглобин содержит в качестве белкового компонента глобин, а небелкового - гем.

Флавопротеиды содержат прочно связанные с белком простетические группы, представленные изоаллоксазиновыми производными ФМН и ФАД. Входят в состав оксидоредуктаз - ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые содержат ионы металлов (ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, альдегидоксидаза).

Нуклеопротеиды - состоят из белков и нуклеиновых кислот, последние рассматриваются как простетические группы.

ДНП-дезоксирибонуклеопротеиды

РНП-рибонуклеопротеиды

Отличаются природой сахара (пентозы), это либо рибоза, либо дезоксирибоза. ДНП содержатся в основном в ядре клетки, а РНП в цитоплазме. ДНП присутствуют в митохондриях, а РНП - ядрах и ядрышках. Природа синтезированных в клетках белков зависит в первую очередь от природы ДНП, точнее ДНК, а свойства живых организмов определяются свойствами синтезированных белков. ДНК хранит наследственную информацию.

Липопротеиды - простетическая группа представлена липидом. В составе липопротеидов открыты нейтральные жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, холестериды. Широко распространены в природе (растения, животные ткани, микроорганизмы). Входят в состав клеточной мембраны, внутриклеточных биомембранах ядра, митохондрий, микросом, присутствуют в свободном состоянии в плазме крови. Липопротеиды участвуют в структурной комплексной организации миелиновых оболочек нервов, хлоропластов, палочек и колбочек сетчатки глаза.

Фосфопротеиды - казеиноген молока - в котором содержание фосфорной кислоты 1%. Вителлин, фосфовитин - содержатся в желтке куриного яйца. Овальбумин - в белке куриного яйца, ихтулин- в икре рыб. Много фосфолипидов содержится в ЦНС. Они содержат органически связанный лабильный фосфат и являются источниками энергетического и пластического материала в процессе эмбриогенеза. Также участвуют в процессах метаболизма.

Гликопротеиды- содержат углеводы или их производные прочно связанные с белковой молекулой: глюкоза, манноза, галактоза, ксилоза и т.д. В состав простетических групп входят мукополисахариды. Гиалуроновая и хондроитинсерная кислоты входят в состав соединительных тканей. Белки плазмы крови, за исключением альбуминов. Являясь составной частью клеточной оболочки участвуют в иммунологических реакциях, ионном обмене.

Металлопротеиды- биополимеры, содержащие помимо белка ионы какого-либо одного или нескольких металлов. Типичные представители - железосодержащие - ферритин, трансферрин и гемосидерин. Ферритин содержит 17-23% Fe. Сосредоточен в печени, селезенке, костном мозге, выполняет роль депо железа в организме. Железо в ферритине содержится в окисленной форме. Трансферрин - растворимый в воде железопротеид, содержащийся в основном, в сыворотке крови в составе b-глобулинов. Содержание Fe - 0,13%. Служит физиологическим переносчиком железа. Гемосидерин-водорастворимый железосодержащий компонент, состоящий на 25% из нуклеотидов и углеводов. Содержится в ретикулоэндотелиальных клетках печени и селезенки. Биологическая роль изучена недостаточно.

Вторая группа - ферменты. для которых металл служит мостиком между белковым компонентом и субстратом и непосредственно выполняет каталитическую функцию.

Природные пептиды. Низкомолекулярные пептиды, естественно встречающиеся в организме и обладающие специфическими функциями. Разделяются:

1. Пептиды, обладающие гормональной активностью (вазопрессин, окситоцин, адренокортикотропный гормон)

2. Пептиды, принимающие участие в пищеварении (гастрин, секретин)

3. Имеющие своим источником a 2 -глобулярную фракцию крови (ангиотензин, брадикинин, калидин).

4. Нейропептиды.

Структура белка:

Каждый белок имеет в своем составе известное количество аминокислот, соединенных между собой в строго зафиксированной последовательности с помощью пептидных связей. Эта уникальная, специфичная для каждого белка последовательность АК определена как первичная структура белка.

Установлено, что полипепептидная цепь находится в молекуле белков в закрученном состоянии в виде альфа-спирали. Спирализация обеспечивается водородными связями, которые возникают между остатками карбоксильных и аминных групп, расположенных на противоположных витках спирали. Это- вторичная структура белка.

Пространственная упаковка альфа-спирали определяется как третичная структура белка. Основным видом связи, удерживающим спирали в определенном положении, является дисульфидная связь, которая возникает между двумя молекулами цистеина на разных участках спирали. Третичную структуру белка также стабилизируют различные ковалентные связи, силы Ван-дер-Ваальса. В зависимости от пространственного расположения полипептидных цепей (третичной структуры) молекулы белка могут иметь различную форму. Если полипептиды уложены в виде клубка, то такие белки называются глобулярными. Если в виде нитей – фибриллярными.

Четвертичная структура белка – это несколько индивидуальных полипептидных цепей, определенным образом связаны друг с другом (например, гемоглобин). Термином субъединица принято обозначать функционально активную часть молекулы белка. Многие ферменты состоят из двух или четырех субъединиц. Благодаря различным сочетаниям субъединиц фермент существует в нескольких формах – изоферментах.

Все белки обладают гидрофильными свойствами, т.е. имеют большое сродство к воде. Устойчивость белковой молекулы в растворе обусловлена наличием определенного заряда и водной (гидратной) оболочки. В случае удаления этих двух факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым. Обратимое осаждение белков (высаливание) - белок выпадает в осадок под действием определенных веществ. после удаления которых вновь может возвращаться в свое исходное нативное (природное) состояние. Необратимое осаждение характеризуется значительными внутримолекулярными изменениями структуры белка, что приводит к потере им нативных свойств. такой белок - денатурированный, процесс - денатурация.

Таким образом, под денатурацией следует понимать изменение уникальной структуры нативной молекулы белка, приводящее к потере характерных для нее свойств (растворимости, электрофоретической подвижности, биологической активности).

Большая часть белковых молекул сохраняет свою биологическую активность только в пределах очень узкой области, температуры, рН В нормальных условиях температуры и рН полипептидная цепь белка обладает только одной конформацией, которая носит название нативной. Стабильность ее высока, что позволяет выделить и сохранить белок. Большинство белков можно полностью осадить из водного раствора при добавлении трихлоруксусной и хлорной кислоты, которые образуют с белками кислотонерастворимые соли. Белки можно осадить и с помощью катионов (Zn 2+ или Pb 2+).

При денатурации свойственная белкам биологическая активность утрачивается. Поскольку известно, что при денатурации не происходит разрыва ковалентных связей пептидного остова белка, был сделан вывод, что причиной денатурации является развертывание полипептидной цепи, которая в нативной белковой молекуле характерным образом свернута. В денатурированном состоянии полипептидные цепи образуют случайные и беспорядочные петли и клубки. Ренатурация денатурированного белка – процесс не требующий химической энергии извне, этот процесс происходит самопроизвольно при значении рН и t, обеспечивающих стабильность нативной формы.

Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала (R). Почти все a-амино- и a-карбоксильныые группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы.

Рациональная классификация АК основана на полярности радикалов, выделяют 4 класса АК:

1. неполярные или гидрофобные

2. полярные (гидрофильные) незаряженные

3. отрицательно заряженные

4. положительно заряженные

Общие свойства аминокислот:

Аминокислоты легко растворимы в воде. Они кристаллизуются из нейтральных водных растворов. Будучи растворенными в воде они способны вращать плоскость поляризованного луча. Около половины АК правовращающие (+), а половина– левовращающие(-).

Стереохимию АК оценивают исходя из абсолютной конфигурации всех четырех замещающих групп, расположенных вокруг асимметрического атома углерода. Существуют L и D – стереоизомеры.

Основные физико-химические свойства АК:

Высокая вязкость растворов, незначительная диффузия, способность к набуханию в небольших пределах, оптическая активность, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление, поглощение в УФ области при 280 нм.

Число различных типов белков у всех видов живых организмов составляет величину порядка 10 10 -10 12 . Аминокислот всего 20. Число сочетаний огромно.

Например дипептид АВ и ВА. Для трипептида – 6 сочетаний, четырехпептида – 24.

Стереоизомерия АК. Аминокислоты могут существовать в различных стереоизомерных формах – они отличаются друг от друга различной пространственной ориентацией групп, присоединенных к a-углеродному атому.

L и D стереоизомеры – это два несовместимых при наложении зеркальных отображения – энактомеры. В состав белков входят только L-АК.

Взаимопревращение L ® D процесс рацимеризации.

Равновесие смещено к L –в живых и к D после смерти организма.

Полипептидные цепи могут содержать сотни АК звеньев, причем белковая молекула может состоять либо из одной, либо из нескольких полипептидных цепей. Однако белковые молекулы – это не беспорядочно построенные полимеры различной длины, каждый тип белка обладает особым, свойственным только ему химическим составом, определенным молекулярным весом и специфической последовательностью АК остатков.

Белковая молекула любого типа в нативном состоянии обладает характерной для нее пространственной структурой, конформацией, в зависимости от нее белки разделяются на фибриллярные и глобулярные.

Помимо 20 обычных имеются несколько редких АК - они являются производными от обычных АК. Эти АК входят в состав белков, но отличаются от обычных АК в генетическом смысле, т.к. для них не существует кодирующих триплетов. Они возникают путем модификации исходных АК уже после того как эти АК-предшественники включатся в полипептидную цепь. Существуют еще свыше 150 АК, которые встречаются в различных клетках и тканях либо в связанном состоянии, но никогда не встречаются в составе белков. Некоторые из них играют роль предшественников продуктов метаболизма. Аминокислоты, встречающиеся в грибах и высших растениях отличаются исключительным разнообразием и необычной структурой. Роль их в обмене веществ неизвестна, некоторые из них токсичны для других форм жизни.

Высшие позвоночные животные способны синтезировать далеко не все АК. Высшие животные для синтеза заменимых аминокислот могут использовать аммонийные соединения N, но не нитриты, нитраты или N 2 . Жвачные животные могут использовать нитриты и нитраты, которые восстанавливаются до аммиака бактериями рубца. Высшие растения способны сами создавать все АК, необходимые для синтеза белка, используя и аммиак и нитраты. Бобовые растения фиксируют молекулярный азот атмосферы, превращая его в аммиак и синтезируя далее АК. Грибы и бактерии также используют нитриты и нитраты.

Существует множество химических реакций, характерных для a-амино- и a-карбоксильных групп АК.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мецлер Д. Биохимия. Т. 1, 2, 3. “Мир 2000

2. Ленинджер Д. Основы биохимии. Т.1, 2, 3. “Мир” 2002

3. Фримель Г. Иммунологические методы. М. “Медицина 2007

4. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения. М 2001

5. Резников А.Г. Методы определения гормонов. Киев “Наукова думка 2000

6. Бредикис Ю.Ю. Очерки клинической электроники. М. “Медицина 1999

Гензеляйт в 1932 г. вывели уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены в виде цикла, получившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса. Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, описание которой почти на 5 лет опеределило открытие Г. Кребсом другого метаболического процесса – цикла трикарбоновых кислот. Дальнейшие...

Щелочная ср. NH2 R R R COOH COO – COO – Катион Амфион Анион Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. Однако...

Которая обеспечивается печенью. Таким образом здоровый организм находится в равновесии с окружающей средой. Транспортные системы в организме человека. Метаболические процессы, протекающие во всех клетках тела, требуют непрерывного притока питательных веществ и кислорода и непрерывного удаления продуктов обмена. У некоторых видов животных транспортная система, кроме того, служит для переноса...