Для студентов медицинских вузов, Конспекты лекций из Биохимия
Туся
Туся

Для студентов медицинских вузов, Конспекты лекций из Биохимия

368 стр-ы.
41Количество просмотров
Описание
Набор лекций по биохимии для студентов
20 баллов
Количество баллов, необходимое для скачивания
этого документа
Скачать документ
Предварительный просмотр3 стр-ы. / 368
Это только предварительный просмотр
3 стр. на 368 стр.
Это только предварительный просмотр
3 стр. на 368 стр.
Это только предварительный просмотр
3 стр. на 368 стр.
Это только предварительный просмотр
3 стр. на 368 стр.
ЛЕКЦИИ

СТРОЕНИЕ , СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ

Аминокислоты по строению они являются органическими карбоновыми кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен на аминогруппу. Они являются строи- тельными блоками белковых молекул, но необходимость их изучения кроется не только в данной функции.

Несколько из аминокислот являются источником для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин), другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глутаминовая кислота).

Те или иные группы аминокислот необходимы для синтеза пуриновых и пиримиди- новых оснований без которых нет нуклеиновых кислот, используются для синтеза низкомо- лекулярных биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, ансерин и др.).

Аминокислота тирозин целиком входит в состав гормонов щитовидной железы и моз- гового вещества надпочечников.

С нарушением обмена аминокислот связан ряд наследственных и приобретенных за- болеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, гомоцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др). Самым известным примером является фе- нилкетонурия.

КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ

Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть раз- личной, в зависимости от выбранного качества аминокислот. Аминокислоты делятся:

1. В зависимости от положения аминогруппы. 2. По абсолютной конфигурации молекулы. 3. По оптической активности. 4. По участию аминокислот в синтезе белков. 5. По строению бокового радикала. 6. По кислотно-основным свойствам. 7. По необходимости для организма.

По абсолютной конфигурации молекулы По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и L-формы. Различия между

изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в α-положении.

В белке любого организма содержится только один изомер, для млекопитающих это L-аминокислоты. Однако оптические изомеры претерпевают самопроизвольную нефермен- тативную рацемизацию, т.е. L-форма переходит в D-форму. Это обстоятельство использует- ся для определения возраста, например, костной ткани зуба (в криминалистике, археологии).

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 2

В зависимости от положения аминогруппы Выделяют α, β, γ и другие аминокислоты. Для организма млекопитающих наиболее ха-

рактерны α-аминокислоты.

По оптической активности По оптической активности аминокислоты

делятся на право- и левовращающие. Наличие ассиметричного атома углерода

(хирального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления враще- ния плоскости поляризации поляризованного све- та, проходящего через раствор. Величину угла по- ворота определяют при помощи поляриметра. В соответствии с углом поворота выделяют правовращающие (+) и левовращающие (–) изоме- ры.

Деление на L- и D-формы несоответствует делению на право- и левовращающие. Для одних аминокислот L-формы (или D-формы) являются правовращающими, для других – ле- вовращающими. Например, L-аланин – правовращающий, а L-фенилаланин – левовращаю- щий. При смешивании L- и D-форм одной аминокислоты образуется рацемическая смесь, не обладающая оптической активностью.

По участию аминокислот в синтезе белков Выделяют протеиногенные (20 АК) и непротеиногенные (около 40 АК). Все протеино-

генные аминокислоты являются α-аминокислотами. На примере протеиногенных аминокислот можно показать дополнительные способы

классификации: o по строению бокового радикала – неполярные (алифатические, ароматические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные),

o электрохимическая – по кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис) аминокислоты,

o физиологическая классификация – по необходимости для организма выделяют не- заменимые (Лей, Иле, Вал, Фен, Три, Тре, Лиз, Мет) и заменимые. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (Арг, Гис), т.е.их синтез происходит в недостаточ- ном количестве.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 3

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 4

АМИНОКИСЛОТЫ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ

Метионин, незаменимая кислота, содержит мобильную метильную группу, которая может передаваться на другие соединения. Благодаря этому она участвует в синтезе холина, фосфолипидов, обмене витаминов В12 и фолиевой кислоты. В реакциях биосинтеза белка ме- тионин является инициирующей аминокислотой. Он участвует в процессах обезвреживания токсинов в печени.

Метионин ("ациметион")и его активные производные (как вещество "адеметионин" в составе препарата "Гептрал") используют для профилактики и лечения различных заболева- ний печени как липотропный фактор, препятствующий накоплению жира, при токсических поражениях печени, при атеросклерозе и в качестве антидепрессанта для улучшения синтеза нейромедиаторов.

Глутаминовая кислота – является предшественником γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), являющейся тормозным медиатором нервной системы (препараты "Аминалон", "Пикамилон"). ГАМК также играет значительную роль в регуляции тонуса мозговых сосудов кровообращении головного мозга. Сам глутамат является нейромедиаторной аминокислотой, стимулирующей передачу возбуждения в синапсах ЦНС. Кроме этого, глутамат участвует в обезвреживании аммиака, синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, играет ведущую роль в обмене других аминокислот. Потребность организма в глутаминовой кислоте выше всех остальных аминокислот.

Глицин является медиатором ЦНС тормозного действия. Улучшает метаболизм в тка- нях мозга. Оказывает успокаивающее действие. Нормализует сон, уменьшает повышенную раздражительность, депрессивные состояния.

Цистеин участвует в метаболизме хрусталика глаза. Зачастую нарушения хрусталика связаны с недостатком цистеина, поэтому цистеин применяют на начальных стадиях ката- ракты.

Комплексный препарат глутаминовой кислоты, цистеина и глицина "Вицеин" исполь- зуют в виде глазных капель.

Гистидин – условно незаменимая аминокислота. Используется при лечении гепатитов, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.

Церебролизин – гидролизат вещества мозга свиньи, содержащий низкомолекулярные пептиды (15%) и аминокислоты (85%). Используется при нарушениях функций ЦНС, мозго- вых травмах, кровоизлияниях, вегетативных дистониях и т.п.

Препараты для парентерального питания: полиамин (набор 13 аминокислот), вамин (набор 18 аминокислот), ваминолакт (набор 18 аминокислот, соответствующих составу грудного молока), гидролизин (гидролизат белков крови крупного рогатого скота), амино- троф (гидролизат казеина), аминосол (смесь 15 аминокислот), фибриносол (гидролизат фибрина крови).

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 5

ФИЗИКО -ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

1. Являются амфотерными электролитами. Аминокислоты сочетают в себе свойства и

кислот и оснований. Соответственно, в водном растворе аминокислоты ведут себя как кислоты – доноры протонов и как основания – акцепторы протонов.

Если общий заряд аминокислоты равен 0, то это ее состояние называют изоэлектрическим. Ве- личина рН, при которой заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). Значение изоэлектрической точки зависит от строения радикала аминокислоты:

o pI большинства аминокислот располагается в диапазоне рН от 5,5 (фенилаланин) до 6,3 (пролин),

o pI кислых аминокислот – рI глутамата 3,2, рI аспартата 2,8, o pI основных аминокислот – pI гистидина 7,6, pI аргинина 10,8, pI лизина 9,7.

2. Заряд аминокислот зависит от величины рН среды. Отправным пунктом для понимания причин появления заряда у аминокислот является

величина изоэлектрической точки. Ситуация различается для нейтральных, кислых и ос- новных аминокислот.

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 6

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ

Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пеп- тидными, при этом образуется полимерная молекула.

Пептидная связь – это связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот добавляют суф-

фикс "-ил", только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным. Например, аланил-серил-триптофан или γ-глутаминил-цистеинил-глицин (по-другому

называемый глутатион). К свойствам пептидной связи относятся:

1. Трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C-N связи.

2. Копланарность Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом ато-

мы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи. 3. Наличие кетоформы и енольной формы.

4. Способность к образованию двух водородных связей с другими пептидными группами.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 7

5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи. Ее длина меньше, чем одинарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено.

Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот спо- собна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию (про- странственное расположение атомов).

ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

1. Структурная: o в соединительной ткани – коллаген, эластин, кератин, o построение мембран и формирование цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) – спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелета эритроцитов), гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности),

o построение органелл – рибосомы. 2. Ферментативная:

Все ферменты являются белками, хотя имеются экспериментальные данные о сущест- вовании рибозимов, т.е. рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитической активно- стью. 3. Гормональная:

Регуляция и согласование обмена веществ в разных клетках организма – многие гормо- ны, например, инсулин и глюкагон. 4. Рецепторная:

Избирательное связывание гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток. 5. Транспортная:

Перенос веществ в крови – липопротеины (перенос жира), гемоглобин (транспорт ки- слорода), трансферрин (транспорт железа) или через мембраны – Na+,К+-АТФаза (противо- положный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са2+-АТФаза (выкачивание ио- нов кальция из клетки). 6. Резервная: производство и накопление в яйце яичного альбумина. 7. Питательная: белки грудного молока, белки мышц и печени при голодании. 8. Защитная: наличие в крови иммуноглобулинов, белков свертывания крови.

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 8

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВОЙ СТРУКТУРЫ

Белок – это последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид, если более 40 аминокислот – белок.

Линейная молекула белка, образующаяся при соединении аминокислот в цепь, является первичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычной нитью, на которую навеше- но до нескольких сотен бусинок двадцати различных цветов (по числу аминокислот). После- довательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изгибаться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя.

Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровень организации.

На уровне вторичной структуры белковые "бусы" способны укладываться в виде спи-

рали (подобно дверной пружине) и в видескладчатого слоя, когда "бусы" уложены змейкой и удаленные части бус оказываются рядом.

Укладка белка во вторичную структуру плавно переходит к формированию третичной структуры. Это отдельные глобулы, в которых белок уложен компактно, в виде трехмерного клубка.

Некоторые белковые глобулы существуют и выполняют свою функцию не поодиночке, а группами по две, три и более штук. Такие группы образуют четвертичную структуру бел- ка.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА Это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Учитывая, что в синтезе

белков принимает участие 20 аминокислот можно сказать о невообразимом количестве воз- можных белков.

Первичная структура белков задается последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпа- дение, вставка, замена нуклеотида приводит к изменению аминокислотного состава и, следо- вательно, структуры синтезируемого белка.

Например, при серповидноклеточной анемии в 6 положении β-цепи гемоглобина про- исходит замена глутамата на валин. Это приводит к синтезу HbS – такого гемоглобина, кото- рый в дезоксиформе полимеризуется и образует кристаллы. В результате эритроциты дефор- мируются, приобретают форму серпа (банана), теряют эластичность и при прохождении че-

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 9

рез капилляры разрушаются. Это в итоге приводит к анемии, снижению оксигенации тканей и их некрозу.

Если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характер, а при- способительный или хотя бы нейтральный, то такой белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки и новые качества организма. Та- кое явление называется полиморфизм белков.

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной, третичной и четвертичной структур.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА Вторичная структура – это способ укладки

полипептидной цепи в упорядоченную структуру, при которой аминокислоты взаимодействуют че- рез пептидные группы. Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшим количеством водо- родных связей между пептидными группами. Вторичная структура определяется:

o устойчивостью пептидной связи, o подвижностью С-С связи, o размером аминокислотного радикала. Все это вкупе с аминокислотной последова-

тельностью приводит к строго определенной кон- фигурации белка.

Можно выделить два возможных варианта вторичной структуры: α-спираль и β-структура (β-складчатый слой). В одном белке, как пра- вило, присутствуют обе структуры. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фиб- риллярных – β-структура. Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом во- дорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.

α-СПИРАЛЬ Правозакрученная спираль, образуется при помощи водородных свя-

зей между пептидными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков.

Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, ко- торые обуславливают “перелом” цепи, ее резкий изгиб.

Высота витка составляет 0,54 нм и соответствует 3,6 аминокислотных остатков, 5 полных витков соответствуют 18 аминокислотам и занимают 2,7 нм.

β-СКЛАДЧАТЫЙ СЛОЙ В этом способе укладки белковая молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи

оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белковой цепи способны взаимодействовать при помощи водородных связей.

β-Структура аминокислот взаимодействуют с отдаленными пептидными группами этой же белковой цепи при помощи водородных связей между пептидными группами.

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 10

Ориентация реагирующих участков может быть параллельна (когда соседние цепи идут в одном направлении) или антипараллельна (цепи идут в противоположном направлении). Таких взаимодействующих друг с другом участков одного белка может быть от двух до пяти.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА Третичная структура – это укладка полипептидной цепи в глобулу ("клубок"). Четкой

границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако в основе тре- тичной структуры лежат стерические взаимосвязи между аминокислотами, отстоящими да- леко друг от друга в цепи. Благодаря третичной структуре происходит еще более компактное формирование цепи.

Наряду с α-спиралью и β-структурой в третичной структуре обнаруживается так на- зываемая неупорядоченная конформация, которая может занимать значительную часть мо- лекулы. В разных белках наблюдается разное соотношение типов структур. Например, инсу- лин содержит 52% α-спирали и 6% β-структуры, трипсин – 14% α-спирали и 45% β-структуры.

Аминокислоты принимают участие в формировании третичной структуры, образуя свя- зи между своими функциональными группами (радикалами):

o водородные – между ОН-, СООН-, NH2-группами радикалов аминокислот, o дисульфидные – между остатками цистеина, o гидрофобные – между остатками алифатических и ароматических аминокислот, o ионные – между СООН-группами глутамата и аспартата и NH2-группами лизина и аргинина,

o псевдопептидные – между дополнительными СООН-группами глутамата и аспартата и дополнительными NH2-группами лизина и аргинина.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 11

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА Если белки состоят из двух и более полипептидных це-

пей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают чет- вертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водо- родными связями, ионными и электростатическими взаимо- действиями между остатками аминокислот, находящихся на по- верхности глобулы.

Подобные белки называются олигомерами, а их индивиду-

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 12

альные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если белки содержат 2 протоме- ра, то они называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д. Например, гемоглобин – бе- лок эритроцитов, переносящий кислород, состоит из 4 субъединиц – 2 α-субъединицы и 2 β-субъединицы в гемоглобине взрослых, 2 α-субъединицы и 2 γ-субъединицы в фетальном гемоглобине.

Лактатдегидрогеназа – фермент, принимающий активное участие в окислении глюко- зы при мышечном сокращении, также включает 4 субъединицы – Н (heart) и М (muscle) в разных сочетаниях: Н4, Н3М1, Н2М2, Н1М3, М4. Всего 5 изоферментов.

Креатинкиназа – фермент, участвующий в регенерации АТФ при мышечном сокра- щении, состоит из 2 субъединиц – В (brain) и М (muscle) в разных сочетаниях: ВВ, ВМ, ММ. Всего 3 изофермента.

Взаимодействие протомеров друг с другом осуществляется по принципу комплемен- тарности, т.е. их поверхность подходит друг другу по геометрической форме и по функцио- нальным группам аминокислот (возникновение ионных и водородных связей).

Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, то лю- бое изменение конформации какой-либо одной субъединицы обязательно влечет за собой изменение других субъединиц. Этот эффект называется кооперативное взаимодействие. Например, у гемоглобина такое взаимодействие субъединиц в легких ускоряет в 300 раз при- соединение кислорода к гемоглобину. В тканяхотдача кислорода также ускоряется в 300 раз.

Присоединение в легких первой молекулы кислорода к одной из субъединиц гемогло- бина изменяет ее конформацию. В результате она начинает влиять на следущую убъединицу, облегчая присоединение к ней кислорода. После этого они вдвоем влияют на третью субъе- диницу и так далее. В тканях первая молекула кислорода отделяется от своей субъединицы не очень легко, вторая уже быстрее и так далее.

ФИЗИКО -ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

К свойствам белков относят амфотерность, растворимость, способность к денатурации, коллоидные свойства.

АМФОТЕРНОСТЬ Так как белки содержат кислые и основные аминокислоты, то в их составе всегда име-

ются свободные кислые (СОО–) и основные (NH3 +) группы.

Заряд белка зависит от соотношения количества кислых и основных аминокислот. По- этому, аналогично аминокислотам, белки заряжаются положительно при уменьшении рН, и отрицательно при его увеличении. Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке белка, то заряд белка равен 0.

Если в пептиде или белке преобладают кислые аминокислоты (глутамат и аспартат), то при нейтральных рН заряд белка отрицательный и изоэлектрическая точка находится в ки- слой среде. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в диапа-

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 13

зоне рН 4,8-5,4, что свидетельствует о преобладании в их составе глутаминовой и аспараги- новой аминокислот.

Если в белке преобладают основные аминокислоты (лизин и аргинин) – при нейтраль- ных рН заряд обусловлен этими, положительно заряженными, аминокислотами.

Амфотерность имеет значение для выполнения белками некоторых функций, например, их буферные свойства, т.е. способность поддерживать неизменным рН крови, основаны на способности присоединять ионы Н+ при закислении среды или отдавать их при защелачива- нии.

С практической стороны наличие амфотерности позволяет разделять бел- ки по заряду (электрофорез) или ис- пользовать изменение величины рН раствора для осаждения какого-либо известного белка. Наличие как положи- тельных, так и отрицательных зарядов в белке обуславливает их способность к высаливанию (см "Обратимое осажде- ние" белков), что удобно для выделения белков в нативной конформации.

Влияние рН на заряд белка При смещении рН в растворе из-

меняется концентрация ионов Н+. При закислении среды (при снижении рН) ниже изоэлектрической точки ионы Н+ присоединяются к отрицательно заря- женным группам глутаминовой и аспа- рагиновой кислот и нейтрализуют их. Заряд белка становится положитель- ным.

При увеличении рН в растворе выше изоэлектрической точки концен- трация ионов Н+ снижается и положи- тельно заряженные группы белка (NH3

+-группы лизина и аргинина) теряют протоны, их заряд исчезает. Суммарный заряд бел- ка становится отрицательным.

РАСТВОРИМОСТЬ Так как большинство белков несет много заряженных

групп, то в целом они водорастворимы. Растворимость объ- ясняется:

o наличием заряда и взаимоотталкиванием заряженных молекул белка,

o наличием гидратной оболочки – чем больше поляр- ных и/или заряженных аминокислот в белке, тем боль- ше гидратная оболочка (100 г белка альбумина связы- вает 30-50 г воды).

o o

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 14

МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКОВ

Так как растворимость белков зависит от заряда и наличия гидратной оболочки, то исчезновение одного или обоих этих факторов ведет к осаждению белка.

ДЕНАТУРАЦИЯ Денатурация – необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих

четвертичную, третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменением рас- творимости, вязкости, химической активности, снижением или полной потерей биологиче- ской функции. 1. Физическая денатурация – повышение температуры, ультрафиолетовое и микроволно- вое излучение, механические воздействия, ионизация заряженными частицами.

2. Химическая: o кислоты и щелочи образуют водородные связи с пептидными группами, o органические растворители образуют водородные связи и вызывают дегидратацию, o алкалоиды образуют связи с полярными группами и разрывают систему водородных и ионных связей

o тяжелые металлы взаимодействуют с заряженными радикалами, нейтрализуют отри- цательные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей.

ОБРАТИМОЕ ОСАЖДЕНИЕ Обратимость осаждения белков обусловлена сохранением первичной структуры белка.

Восстановление физико-химических и биологических свойств белка называется ренатива- ция (ренатурация) Иногда для ренативации достаточно просто удалить денатурирующий объект.

Высаливание Высаливание – это добавление растворов нейтральных солей (Na2SO4, (NH4)2SO4).

Анионы (SO4 2–) и катионы (Na+, NH4

+) взаимодействуют с зарядами белка (группы NH4 + и

COO–). В результате заряд исчезает, и соответственно, исчезает взаимоотталкивание моле- кул. Одновременно резко уменьшается гидратная оболочка. Это ведет к "слипанию" моле- кул и осаждению.

Так как белки плазмы крови отличаются по размерам, заряду, строению, то можно по- добрать такие количества соли, которые вызовут осаждение менее устойчивых белков, пока другие еще будут растворены.

Например, подобным образом раньше определяли соотношение альбумины/глобулины в плазме крови. Альбумины, как более полярные молекулы, остаются в растворенном со- стоянии при 50% насыщении раствора нейтральными солями, в то время как глобулины в этих условиях уже осаждаются. В норме соотношение альбумины/глобулины в плазме крови равно 1,2-1,8.

Осаждение водоотнимающими средствами При добавлении водоотнимающих средств (ацетон, этанол) происходит отнятие у белка

гидратной оболочки, но не заряда. Растворимость несколько снижается, но денатурации не наступает. Например, антисептическое действие этанола.

Изменение рН Мягкое изменение рН до изоэлектрической точки белка ведет к исчезновению заряда,

уменьшению гидратной оболочки и снижению растворимости молекулы.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 15

СВОЙСТВА БЕЛКОВЫХ РАСТВОРОВ

Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, т.е. белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы. К свойствам коллоид- ных растворов относятся: 1. Рассеивание луча света, проходящего через белковый раствор, и образование светящегося конуса – эффект Тиндаля.

2. Малая скорость диффузии. 3. Неспособность белковых частиц проникать через полунепроницаемые мембраны (целло- фан), т.к. их поры меньше диаметра белков. Это используется в диализе – очистка белко- вых препаратов от посторонних примесей и лежит в основе работы "искусственной поч- ки" для лечения острой почечной недостаточности.

4. Создание онкотического давления, то есть перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка, что проявляется, например, как формирование отеков при повыше- нии проницаемости сосудистой стенки.

5. Высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами, что проявля- ется, например, при образовании гелей и студней.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

А . ПО ФУНКЦИИ См выше "Функции белков"

Б . ПО СТРОЕНИЮ 1. По форме молекулы

Глобулярные – соотношение про- дольной и поперечной осей составляет <10 и в большинстве случаев не более 3-4. Они ха- рактеризуются компактной укладкой поли- пептидных цепей. Например: инсулин, аль- бумин, глобулины плазмы крови.

Фибриллярные – соотношение осей >10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанные между собой поперечными кова- лентными и водородными связями. Выпол- няют защитную и структурную функции. Например: кератин, миозин, коллаген.

2. По количеству белковых цепей в одной моле- куле o мономерные – имеют одну субъединицу (прото- мер), например альбумин, миоглобин.

o полимерные – имеют несколько субъединиц. На- пример, гемоглобин (4 субъединицы), лактатде- гидрогеназа (4 субъединицы), креатинкиназа (2 субъединицы),

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 16

3. По химическому составу Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны,

протамины). Подробно эти белки характеризуются ниже. Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины,

фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины). Под- робно эти белки характеризуются ниже.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, ин- сулин). Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в „чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые.

АЛЬБУМИНЫ Группа белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, имеют кислые

свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови перенос- чиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот.

ГЛОБУЛИНЫ Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабо-

кислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в „осадочных" пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты.

При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – α1, α2, β и γ.

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочис-

ленны. Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки кро- ви от преждевременного разрушения, например, α1-антитрипсин, α1-антихимотрипсин, α2-макроглобулин. Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносчик ионов железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптогло-

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 17

бин (переносчик гемоглобина), гемопексин (переносчик тема). γ-Глобулины являются ан- тителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

ГИСТОНЫ Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основ-

ными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов: 1. Регулируют активность генома, а именно препятствуют транс- крипции.

2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК. Гистоны образуют нуклеосомы

– октаэдрические структуры, состав- ленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Нуклеосомы соединяются между со- бой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом.

ПРОТАМИНЫ Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются замени-

телями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%). Протамины присутствуют в клетках, не способных к делению. Их функция как у гистонов – структурная.

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 18

КОЛЛАГЕН Фибриллярный белок с уникальной структурой. Обычно содержит моносахаридные

(галактоза) и дисахаридные (галактоза-глюкоза) остатки, соединенные с ОН-группами неко- торых остатков гидроксилизина. Составляет основу межклеточного вещества соединитель- ной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и состоит из повторяюще- гося триплета [Гли-А-В], где А и В – лю- бые, кроме глицина, аминокислоты. В ос- новном это аланин, его доля составляет 11%, доля пролина и гидроксипролина – 21%. Таким образом, на другие аминокис- лоты приходится всего 33%. Структура пролина и гидроксипролина не позволяет образовать α-спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокис- лотных остатка.

Молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм). Полипеп- тидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные колла- геновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обу- словлена смещением молекул тропоколла- гена друг относительно друга на 1/4 их длины.

В коже фибриллы образуют нерегу- лярно сплетенную и очень густую сеть – выделанная кожа представляет собой поч- ти чистый коллаген.

ЭЛАСТИН По строению в общих чертах эластин схож с коллаге-

ном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Струк- турной единицей является тропоэластин с молекулярной мас- сой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем го- раздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидрокси- пролина. Отсутствие пролина обуславливает наличие спи- ральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина, который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α-Аминогруппы и α-карбоксильные группы десмозина включаются в образование пептидных связей одного или нескольких белков.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 19

СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ

У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа. Она называется лиганд, (лат. ligo – связываю) то есть молекула, связанная с белком. В слу- чае если лиганд несет структурную и/или функциональную нагрузку, он называется просте- тической группой.

В роли лиганда могут выступать любые молекулы: o молекулы, выполняющие в белке структурную функцию – липиды, углеводы, нук- леиновые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соедине- ния:гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в церулоплазмине,

o переносимые белками молекулы: железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине,

o субстраты для ферментов – любые молекулы и даже другие белки. Узнавание лиганда обеспечивается:

o комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе говоря, пространственным и химическим соответствием белка и лиганда. Они подхо- дят друг к другу как ключ к замку, например, соответствие фермента и субстрата,

o иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присоединяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина, или жирной кислоты с альбумином. Функциилиганда в составе сложного белка разнообразны:

o изменяет свойства белков (заряд, растворимость, термолабильность), например, фос- форная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах,

o защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например углеводная часть в гликопротеинах,

o обеспечивает возможность транспорта нерастворимых в воде соединений, например, перенос жиров липопротеинами,

o придает биологическую активность и определяет функцию белка, например, нуклеи- новая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках,

o влияет на проникновение через мембраны, внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков, это выполняет, как правило, углеводный остаток.

МЕТАЛЛОПРОТЕИНЫ Металлопротеины, кроме белка, содержат ионы одного или нескольких металлов. Ме-

таллопротеины часто являются ферментами. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка и выполняют следующие функции:

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 20

o участвуют в ориентации субстрата в активном центре фермента, o входят в состав активного центра фермента и участвуют в катализе, например, служат акцепторами электронов на определенной стадии ферментативной реакции. К металлопротеинам, например, относятся белки, содержащие:

o медь – цитохромоксидаза, в комплексе с другими ферментами дыхательной цепи митохондрий участвует в синтезе АТФ,

o железо – ферритин, депонирующий железо в клетке, трансферрин, переносящий железо в крови,

o цинк – алкогольдегидрогеназа, обеспечивающая метаболизм этанола и других спир- тов, лактатдегидрогеназа, участвующая в метаболизме молочной кислоты, карбоан- гидраза, образующая уголюную кислоту из CO2 и H2O, щелочная фосфатаза, гидро- лизующая фосфорные эфиры различных соединений.

o селен – тиреопероксидаза, участвующая в синтезе гормонов щитовидной железы, антиоксидантный фермент глутатионпероксидаза,

o кальций – α-амилаза слюны и панкреатического сока, гидролизующая крахмал.

НУКЛЕОПРОТЕИНЫ Нуклеопротеины – сложные белки, включающие нуклеиновые кислоты. Они формиру-

ют в рибосомы, хроматин, вирусы. В хромосомах нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой

(ДНК) и связана с гистонами, формируя хроматин. В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибо-

сомальными белками. Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами и состоят из мономеров,

называемых нуклеотидами. Нуклеотид содержит фосфорную кислоту (один, два или три ос- татка), сахар (рибозу или дезоксирибозу), азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил либо тимин).

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 21

Самым распространенным в природе является нук- леотид аденозинтрифосфат, используемый как высоко- энергетическое соединение для реакций трансмембран- ного переноса веществ и реакций синтеза.

Связываясь через фосфатные остатки, нуклеотиды образуют длинные цепочки – нуклеиновые кислоты.

Выделяют два вида нуклеиновых кислот в зависи- мости от пентозы, входящей в их состав – рибонуклеи- новая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Сахарофосфатный остов в ДНК и РНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В то же время пуриновые и пиримидиновые основания гид- рофобны.

Цепи ДНК и РНК обладают направленностью, т.е. имеют 3'-конец и 5'-конец. В ДНК цепи антипараллельны, т.е. направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азо- тистых оснований, соответствие аденин комплементарен тимину (А=Т), гуанин комплемен- тарен цитозину (Г=Ц).

ФОСФОПРОТЕИНЫ Фосфопротеины – это белки, в которых присутствует фосфатная группа, она связывает-

ся с пептидной цепью через остатки тирозина, серина, треонина (т.е. тех аминокислот, кото- рые содержат ОН-группу).

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 22

Фосфорная кислота может выполнять:

1. Структурную роль, придавая заряд, растворимость и изменяя свойства белка, например, в казеине молока, яичном альбумине.

2. Функциональную роль. В клетке присутствует много белков, которые связаны с фосфа- том не постоянно, а в зависимости от активности метаболизма. Белок может многократно переходить в фосфорилированную или в дефосфорилированную форму, что играет регу- лирующую роль в его работе. Например, 1) ферменты гликогенсинтаза и гликогенфос- форилаза (см "Регуляция активности ферментов"), 2) гистоны в фосфорилированном со- стоянии менее прочно связываются с ДНК и активность генома возрастает.

ЛИПОПРОТЕИНЫ К липопротеинам, строго говоря, принадлежат только белки, содержащие ковалентно

связанные липиды. Однако традиционно к липопротеинам

относят и надмолекулярные образования, вы- полняющие транспортную функцию и со- стоящие из белков и молекул всех классов ли- пидов.

Структуру транспортных липопротеинов можно сравнить с орехом, у которых имеется скорлупа и ядро. "Скорлупа" липопротеина является гидрофильной, ядро – гидрофобное. Ядро формируют неполярные эфиры холесте- рола и триацилглицеролы. В поверхностном слое ("скорлупе") находятся фосфолипиды, холестерол, белки.

Белки в липопротеинах называются апо-

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 23

белками, их выделяют несколько видов: А, В, С, D. В каждом типе липопротеинов преобла- дают соответствующие ему апобелки.

Выделяют четыре основных класса липопротеинов: o хиломикроны (ХМ), o липопротеины высокой плотности (ЛПВП, α-липопротеины, α-ЛП), o липопротеины низкой плотности (ЛПНП, β-липопротеины, β-ЛП), o липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре-β-липопротеины, пре-β-ЛП). Липопротеины различаются по составу, т.е. по соотношению триацилглицеролов, холе-

стерола и его эфиров, фосфолипидов, белков:

Типы липопротеинов По направлению сверху вниз происходят изменения состава: Хиломикроны (до 90% липидов) ЛПОНП ЛПНП ЛПВП (до 80% белков)

Увеличение количества белка Увеличение количества фосфолипидов Уменьшение количества триацил- глицеролов

ХРОМОПРОТЕИНЫ Хромопротеины содержат окрашенные простетические группы. Сюда относят гемопро-

теины (содержат гем), ретинальпротеины (содержат витамин А), флавопротеины (содержат витамин В2), кобамидпротеины (содержат витамин В12).

Гемопротеины Подразделяются на неферментативные (гемоглобин, миоглобин) и ферменты (цито-

хромы, каталаза, пероксидаза). Небелковой частью их является гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe2+. Железо связы- вается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Цитохромы Цитохромы отличаются аминокислотным составом пептидных цепей и числом цепей и

разделяются на типы а, b, с, d. Все они неспособны связывать кислород, кроме цитохрома а3, который содержит ионы меди. Цитохромы находятся в составе дыхательной цепи митохонд- рий и цепи микросомального окисления.

Флавопротеины Являются ферментами окислительно-восстановительных реакций, содержат производ-

ные витамина В2 – флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 24

ГЛИКОПРОТЕИНЫ (ГЛИКОКОНЪЮГАТЫ) Гликопротеины – белки, содержащие углеводный компонент, ковалентно присоеди-

ненный к полипептидной основе. Содержание углеводов варьирует от 1 до 85% по массе. Выделяют два подкласса белков, содержащих углеводы: протеогликаны и гликопро-

теины. Между этими подклассами имеются существенные отличия:

Гликопротеины o доля углеводов 15-20%, o не содержат уроновых кислот, o углеводные цепи содержат не более

15 звеньев, o углевод имеет нерегулярное строение.

Протеогликаны o доля углеводов 80-85%, o имеются уроновые кислоты, o углеводные цепи крайне велики, o углевод имеет регулярное строение.

Гликопротеины Для собственно гликопротеинов характерно низкое содержание углеводов. Они при-

соединены либо N-гликозидной связью к амидному азоту аспарагина, либо О-гликозидной связью к гидроксигруппе остатка серина, треонина, гидроксилизина. Углевод имеет нерегу- лярное строение и содержит маннозу, галактозу, глюкозу, их аминопроизводные, N-ацетил- нейраминовую кислоту.

Функцией гликопротеинов являются: 1. Структурная – клеточная стенка бактерий, костный матрикс, например, коллаген, эла- стин.

www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 25

2. Защитная – например,антитела, интерферон, факторы свертывания крови (протромбин, фибриноген).

3. Транспортная – перенос веществ в крови и через мембраны, например, трансферрин, транскортин, альбумин, Na+,К+-АТФаза.

4. Гормональная – гонадотропный, адренокортикотропный и тиреотропный гормоны. 5. Ферментативная – холинэстераза, нуклеаза. 6. Рецепторная – присоединение эффектора приводит к изменению конформации белка- рецептора, что вызывает внутриклеточный ответ.

Протеогликаны Другая группа гликопротеинов – протеогликаны – характеризуется наличием полиса-

харидов, состоящих из повторяющихся дисахаридных остатков. Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Многократно дублиру-

ясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В литературе встреча- ются другие названия – кислые гетерополисахариды(т.к. имеют много кислотных групп), гликозаминогликаны(содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеогли- канов – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного простран- ства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов и других тканевых структур.

Углеводная часть, аналогично с гликопротеинами, связывается с белком через остатки серина и аспарагина.

Основными представителями гликозаминогликанов является гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты, гепарин.

По функции протеогликаны осо-

бенно значимы для межклеточного про- странства, особенно соединительной ткани, в которое погружены коллагено- вые волокна. При помощи электронной микроскопии выяснено, что они имеют древовидную структуру. Молекулы гликанов весьма гидрофильны, создают сетчатый желеподобный матрикс и за- полняют пространство между клетками, являясь преградой для крупных моле- кул и микроорганизмов.

Здесь пока нет комментариев
Это только предварительный просмотр
3 стр. на 368 стр.