Введение
Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи.
Гетеротрофные и аутотрофные организмы различия по питанию и источникам энергии; катаболизм и анаболизм.
Многомолекулярные системы (метаболические цепи, мембранные процессы, системы синтеза биополимеров, молекулярные регуляторные системы) как основные объекты биохимического исследования.
Место биохимии среди других биологических дисциплин; уровни структурной организации живого; биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни.
Основные разделы и направления в биохимии: биоорганическая химия, динамическая и функциональная биохимия, молекулярная биология. Биохимия и медицина (медицинская биохимия).
Возрастная биохимия: характеристики основных периодов развития человека: антенатальный (система мать-плацента-плод) и постнатальный (неоиатальный, грудной, ранний детский, дошкольный, пубертатный).
Строение и функции белков
История изучения белков. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.
История изучения белков. Представление о белках, как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.
Термин "протеин" (protos (греч.) - первый) введен в 1838 по предложению Берцелиуса как наименование сложных азотсодержащих органических веществ, обнаруженных в клетках животных и растений.
В организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции, непосредственно связанные с их структурой. На их долю приходится 50% сухого веса практически всех клеток (исключая волосы, ногти, клетки, депонирующие жир). Белки являются непосредственными продуктами генома (в отличие от липидов и углеводов для которых в геноме кодируются структура ферментов для их синтеза). Белки также обеспечивают экспрессию генов, для реализации генетической информации. Большая часть белков наделена каталитической активностью и является ферментами; остальные белки служат структурными и регуляторными элементами. При помощи белков, являющихся наиболее многосторонними из всех биомолекул, осуществляется целый ряд биологических функций. Самую большую и наиболее важную по биологическому значению группу белков составляют ферменты. Вторую большую группу составляют белки, представляющие структурные элементы ткани (коллаген, мембранные белки и др.). Другие типы белков являются обязательными компонентами сократительных и двигательных систем клеток (актин, миозин, тропомиозин); часть белков выполняет транспортные функции (сывороточный альбумин переносит жирные кислоты, гемоглобин переносит кислород и т.п.). Высокой биологической активностью обладают белковые гормоны (инсулин, соматотропин, адренокортикотропный гормон и многие другие).
Строение белков. Аминокислоты входящие в состав белков, их строение и свойства. Пептидная связь. Первичная структура белков Понятие о гомологии первичных структур различных белков.
Строение белков. Белки представляют собой высокомолекулярные биологические полимеры, составленные из 21 различного мономера - аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью. Если аминокислотная цепь содержит менее 10-20 остатков аминокислот, её называют пептидом, если более полипептидом. Полипептиды, состоящие из 50 и более аминокислотных остатков, называют белками.
Белки могут принимать различные пространственные формы в зависимости от их аминокислотного состава и последовательности. Особенностью белка является способность поддерживать строго определенную обьемно - пространственную конфигурацию молекулы (конформацию).
Белки это высокомолекулярные биологические полимеры, построенные из аминокислот, соединенных пептидной связью.
Все белки содержат углерод (50,6-54,5 %), кислород (21,5-23,5 %), азот (15,0-17,6 %), водород (6,5-7,3 %), серу (0,3-2,5 %), данные величины отражают содержание элементов в сухом веществе. Сложные белки могут включать в себя и другие элементы.
Белки небольшого размера содержат примерно 50-150 аминокислотных остатков, бедки среднего размера - несколько сотен, крупные белки - свыше тысячи аминокислотных остаткрв (наиболее крупные - несколько тысяч, обычно они являются олигомерами).
В состав белков входят 21 протеиногенная аминокислота, которые кодируются генетическим кодом и определяют свойства каждого белка.
Все аминокислоты, за одним исключением, содержат аминогруппу (-NH2). Только пролин содержит иминогруппу (-NH-), фактически являясь иминокислотой. В составе аминокислот есть кислотная карбоксильная группа (-СООН). По химическому строению все аминокислоты похожи: центральный альфа-углеродный атом связан с карбоксильной группой, амино- (или имино-) группой, атомом водорода и различными боковыми радикалами R. Строение, размеры, физико-химические свойства, растворимость в воде радикалов R определяют различия аминокислот и позволяют классифицировать их:
1. полярные (гидрофильные) и неполярные (гидрофобные) аминокислоты;
2. нейтральные, кислые (отрицательно заряженные) и основные (положительно заряженные) аминокислоты; 3. циклические и ациклические аминокислоты.
Все аминокислоты (за исключением глицина) имеют асимметричный атом углерода и поэтому существуют в виде D- и L-стереоизомеров. Белки практически всегда содержат L-аминокислоты (D-аминокислоты встречаются в бактериях и пептидных антибиотиках). Свойства белков и пептидов определяются свойствами боковых радикалов аминокислот, входящих в их состав. В нейтральном диапазоне рН амино- и карбоксильные группы радикалов аминокислот практически полностью ионизованы.
Аминокислоты классифицируют по характеру боковой цепи: полярные или гидрофильные и неголярные или гидрофоояые; нейтральные, кислые или отрицательно заряженные и основные или положительно заряженные; циклические и ациклические.
По наличию определенных структур в радикалах выделяют аминокислоты серосодержащие, ароматические, гидроксиамянокислоты, аминокислоты (последние в сущности аминокислотами не являются).
По возможности их синтеза в организме аминокислоты также делят на заменимые и незаменимые (эссенциальные).
В некоторых белках после окончания их синтеза осуществляется модифицикация имеющихся аминокислотных остатков, которая называется процессом посттрансляционной модификации. Включение в структуру аминокислоты дополнительной функциональной группы придает белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических биологических функций.(гамма-Карбоксиглютамат, наличие его молекулы на поверхности тромбина позволяет активно тромбину взаимодействовать с Ca, что нейтрализует отрицательный поверхностный заряд, открывает активный центр фермента и запускается реакция свертывания крови. О-фосфосерин позволяет, находясь в ферменте фосфоглюкомутазе переносить фосфор из 1-ого в 6-ое положение в глюкозо-фосфате. Гидроксипролин входит в состав колагена, благодяря гидроксильной группе, появляется дополнительное количество водородных связей, что придает прочность структуре колагена.)
Некоторые аминокислоты не могут быть синтезированы в организме человека и должны поступать вместе с пищей; это незаменимые аминокислоты.
Дефицит любой из них ведет к замедлению роста, специфическим метаболическим нарушениям, вызывающим патологические состояния.
Гистидин и аргинин у новорожденных детей синтезируются в недостаточном количестве, у взрослых недостатка в синтезе этих аминокислот нет, поэтому их называют частично заменимые аминокислоты. Для синтеза тирозина и цистеина требуются незаменимые аминокислоты фенилаланин и метионин, поэтому они - условнозаменимые аминокислоты.
Избыток аминокислот может приводить как к их антагонизму (конкурентному подавлению утилизации структурно сходных аминокислот), так и к токсичности (избыток метионина и тирозина стимулирует функции надпочечников, избыток триптофана может переходить в эндогенный канцероген -3-оксиантраниловую кислоту).
Пептидная связь
Конденсация аминокислот и образование полимера происходят за счет формирования пептидных связей, которые соединяют аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты.
Особенностью пептидной связи является её высокая прочность, что объясняется резонасом двух ковалентных связей - одинарной и двойной и расположением -CO-NH- группировок в одной плоскости.
Первичная структура белка - линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в ДНК.
Аминокислотная последовательность белков определяет его пространственную структуру (конформацию) и специфическую биологическую функцию.
В организме человека более 50000 белков, каждый из них имеет уникальную для данного белка первичную структуру. Все молекулы индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков, отличающий данный белок от любого другого белка. Замена даже одной аминокислоты часто приводит к утрате биологической активности белка. В гемоглобине замена глутамата (глутаминовой кислоты) в положении 6 бэта-цепи на валин вызывает серповидно-клеточную анемию.
Белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции, называются гомологичными. Их существование подтверждает общее эволюционное происхождение видов. Они характеризуются:
- одинаковой или незначительно отличающейся массой;
- содержат во многих положениях одни и те же аминокислотные остатки, которые определяют конформацию и биологическую функцию данных белков;
- различия в аминокислотном составе не затрагивают активного центра или участков, отвечающих за формирование конформации;
-содержат гомологичные последовательности аминокислот.
Инсулин разных организмов - основной регулятор углеводного обмена у животных и человека, имеет значительное сходство первичной структуры. Бычий инсулин отличается от инсулина человека по трем аминокислотным остаткам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту.
Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Понятие о семействах белков.
