Текст книги "Биологическая химия"
Автор книги: Владимир Лелевич
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]
Annotation
В пособии представлены и систематизированы современные сведения по всем разделам биохимии. Рассматриваются основные положения статической, динамической и фундаментальной биохимии. Приведена характеристика метаболизма белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот в норме и при некоторых патологических состояниях. Охарактеризованы особенности метаболизма в различных органах и тканях. Изложены современные представления о молекулярных основах нарушений при ряде патологических состояний и болезней.
Предназначено для студентов медицинских вузов, биологов, врачей.
В. В. Лелевич
Список сокращений
Глава 1. Введение в биохимию
Глава 2. Строение и функции белков
Аминокислоты и их роль в организме
Пептиды
Уровни структурной организации белков
Фолдинг
Функционирование белков
Глава 3. Ферменты. Механизм действия ферментов
Структура молекулы ферментов
Активный центр фермента
Механизм действия ферментов
Молекулярные механизмы ферментативного катализа
Специфичность действия ферментов
Глава 4. Регуляция активности ферментов. Медицинская энзимология
Ферменты плазмы крови
Энзимопатии
Применение ферментов в медицине
Глава 5. Структура и функции нуклеиновых кислот
Структура и функции ДНК
Организация генома человека
Глава 6. Биосинтез нуклеиновых кислот
Биосинтез ДНК
Репарация ДНК
Биосинтез РНК
Регуляция транскрипции
Процессинг РНК
Обратная транскрипция
Глава 7. Биосинтез белка
Активация аминокислот
Синтез белка у эукариот
Посттрансляционные изменения белков
Регуляция синтеза белка
Ингибиторы матричных биосинтезов
Использование ДНК-технологий в медицине
Глава 8. Введение в метаболизм
Специфические и общие пути катаболизма
Метаболиты в норме и при патологии
Уровни изучения обмена веществ
Глава 9. Биологические мембраны
Химический состав мембран.
Липиды мембран.
Белки мембран.
Механизмы мембранного транспорта веществ
Глава 10. Энергетический обмен. Биологическое окисление
Структурная организация цепи тканевого дыхания
Окислительное фосфорилирование АТФ
Строение АТФ-синтазы
Нарушения энергетического обмена
Регуляция ЦТД.
Глава 11. Типы окисления. Антиоксидантные системы
Активные формы кислорода (свободные радикалы)
Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
Антиоксидантные системы организма
Глава 12. Биохимия гормонов
Биороль гормонов.
Классификация гормонов
Рецепторы гормонов
Механизм передачи гормональных сигналов через мембранные рецепторы
Механизм передачи гормонального сигнала через внутриклеточные рецепторы
Передача сигналов через рецепторы, сопряженные с ионными каналами
Глава 13. Особенности действия гормонов
Гормоны гипоталамуса
Гормоны гипофиза
Гормоны щитовидной железы
Гормоны поджелудочной железы
Инсулин
Глюкагон
Регуляция обмена ионов кальция и фосфатов
Гормоны надпочечников
Гормоны мозгового вещества надпочечников
Гормоны коры надпочечников (кортикостероиды)
Глюкокортикоиды
Минералокортикоиды
Гормоны половых желез
Мужские половые гормоны
Анаболические стероиды
Нарушение андрогенной функции
Женские половые гомоны
Эйкозаноиды
Применение гормонов в медицине
Глава 14. Биохимия питания
Общая характеристика основных компонентов пищи
Белки
Углеводы
Липиды
Глава 15. Основы витаминологии
Обмен витаминов
Обеспеченность организма витаминами
Применение витаминов в клинической практике
Поливитаминные препараты
Антивитамины
Глава 16. Углеводы тканей и пищи – обмен и функции
Переваривание углеводов
Всасывание моносахаридов в кишечнике
Транспорт глюкозы из крови в клетки
Нарушения переваривания и всасывания углеводов
Метаболизм фруктозы
Метаболизм галактозы
Метаболизм лактозы
Глава 17. Пути метаболизма глюкозы
Гликолиз
Пентозофосфатный путь (ПФП)
Глюконеогенез (ГНГ)
Путь глюкуроновой кислоты
Глава 18. Обмен гликогена
Синтез гликогена (гликогеногенез)
Нарушения обмена гликогена
Глава 19. Липиды тканей, переваривание и транспорт липидов
Липиды тканей человека.
Липиды пищи, их переваривание и всасывание.
Глава 20. Обмен триацилглицеролов и жирных кислот
Регуляция синтеза триацилглицеролов
Регуляция мобилизации триацилглицеролов
Ожирение
Обмен жирных кислот
Обмен кетоновых тел
Синтез жирных кислот
Регуляция синтеза жирных кислот.
Глава 21. Обмен сложных липидов
Глава 22. Метаболизм холестерола. Биохимия атеросклероза
Биохимия атеросклероза
Биохимические основы лечения атеросклероза.
Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма
Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте
Всасывание аминокислот.
Наследственные нарушения транспорта аминокислот
Расщепление белков в тканях
Превращение аминокислот микрофлорой кишечника
Пути обмена аминокислот в тканях
Трансаминирование аминокислот
Дезаминирование аминокислот
Окислительное дезаминирование глутамата
Непрямое дезаминирование аминокислот
Декарбоксилирование аминокислот
Биогенные амины
Пути катаболизма углеродного скелета аминокислот
Глава 24. Образование и обезвреживание NH3 в организме
Тканевое обезвреживание аммиака
Общее (конечное) обезвреживание аммиака
Вторичная (приобретенная) гипераммониемия.
Глава 25. Метаболизм отдельных аминокислот
Метаболизм метионина
Метаболизм фенилаланина и тирозина
Нарушение обмена фенилаланина и тирозина
Глава 26. Обмен нуклеотидов
Биосинтез пуриновых нуклеотидов
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
Распад нуклеиновых кислот в желудочно-кишечном тракте и тканях
Нарушения обмена нуклеотидов
Глава 27. Регуляция и взаимосвязь метаболизма
Взаимосвязь метаболизма
Глава 28. Биохимия печени
Роль печени в углеводном обмене
Роль печени в липидном обмене
Роль печени в обмене аминокислот и белков
Обезвреживающая функция печени
Обезвреживание ксенобиотиков
Глава 29. Водно-электролитный обмен
Глава 30. Биохимия крови
Общая характеристика
Особенности метаболизма в форменных элементах крови
Гемоглобин человека
Обмен железа
Характеристика белков сыворотки крови
Патологии системы свертывания крови.
Глава 31. Биохимия почек
Глава 32. Особенности метаболизма в нервной ткани
Гемато-энцефалический барьер (ГЭБ)
Обмен свободных аминокислот в головном мозге
Нейропептиды
Энергетический обмен в нервной ткани
Липидный обмен в нервной ткани
Роль медиаторов в передаче нервных импульсов
Нейрохимические основы памяти
Спинномозговая жидкость
Глава 33. Биохимия мышечной ткани
Белки мышечной ткани
Роль ионов кальция в регуляции мышечного сокращения
Биохимия мышечного утомления
Глава 34. Биохимия соединительной ткани
Коллаген.
Эластин
Протеогликаны и гликопротеины
В. В. Лелевич
Биологическая химия
Список сокращений
АДГ – антидиуретический гормон (вазопрессин)
АДФ – аденозиндифосфорная кислота, аденозиндифосфаты
АКТГ – адренокортикотропный гормон
АлАТ – аланинаминотрансфераза
АМФ – аденозинмонофосфат
цАМФ – циклический аденозин-3',5'-монофосфат
АсАТ – аспартатаминотрансфераза
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота
АТФ-аза – аденозинтрифосфатаза
АХАТ – КоА-холестеролацилтрансфераза
ГАМК – γ-аминомасляная кислота
ГДФ – гуанозиндифосфат
ГТФ – гуанозинтрифосфат
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
ДОФА – диоксифенилаланин
ДФФ – диизопропилфторфосфат
ИМФ – инозинмонофосфат
КоА – кофермент (коэнзим) А
КоQ – кофермент (коэнзим) Q
ЛДГ – лактатдегидрогеназа
ЛП – липопротеины
ЛПВП – липопротеины высокой плотности
ЛПЛ – липопротеинлипаза
ЛПНП – липопротеины низкой плотности
ЛПОНП – липопротеины очень низкой плотности
ЛППП – липопротеины промежуточной плотности
ЛХАТ – лецитинхолестеролацилтрансфераза
МАО – моноаминооксидаза
ПОЛ – перекисное окисление липидов
ПЦР – полимеразная цепная реакция
РНК – рибонуклеиновая кислота
мРНК – матричная РНК
рРНК – рибосомальная РНК
тРНК – транспортная РНК
СТГ – соматотропный гормон
ТАГ – триацилглицеролы
ТДФ – тиаминдифосфат
ТТГ – тиреотропный гормон
УДФ – уридиндифосфат
УТФ – уридинтрифосфат
ФАФС – 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат
ХМ – хиломикроны
ЦНС – центральная нервная система
ЦТД – цепь тканевого дыхания
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса
Глава 1. Введение в биохимию
Биологическая химия – наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, превращения этих веществ (метаболизм), а также связь этих превращений с деятельностью отдельных тканей и всего организма в целом.
Биохимия – это наука о молекулярных основах жизни. Существует несколько причин тому, что в наши дни биохимия привлекает большое внимание и быстро развивается.
1. Во-первых, биохимикам удалось выяснить химические основы ряда важнейших биохимических процессов.
2. Во-вторых, обнаружены общие пути превращения молекул и общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни.
3. В-третьих, биохимия оказывает все более глубокое воздействие на медицину.
4. В-четвертых, быстрое развитие биохимии в последние годы позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины.
История развития биохимии
В истории развития биохимических знаний и биохимии как науки можно выделить 4 периода.
I период – с древних времен до эпохи Возрождения (XV век). Это период практического использования биохимических процессов без знаний их теоретических основ и первых, порой очень примитивных, биохимических исследований. В самые отдаленные времена люди уже знали технологию таких производств, основанных на биохимических процессах, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, дубление кож. Использование растений в пищевых целях, для приготовления красок, тканей наталкивало на попытки понять свойства отдельных веществ растительного происхождения.
II период – от начала эпохи Возрождения до второй половины 19 века, когда биохимия становится самостоятельной наукой. Великий исследователь того времени, автор многих шедевров искусства, архитектор, инженер, анатом Леонардо да Винчи провел опыты и на основании их результатов сделал важный для тех лет вывод, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.
В этот период следует выделить работы таких ученых, как Парацельс, М. В. Ломоносов, Ю. Либих, А. М. Бутлеров, Лавуазье.
III период – со второй половины 19 века до 50-х годов 20 века. Ознаменован резким увеличением интенсивности и глубины биохимических исследований, объема получаемой информации, возросшим прикладным значением – использованием достижений биохимии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве. К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского (1838–1923), М. В. Ненцкого (1847–1901). На рубеже 19 и 20 веков работал крупнейший немецкий химик-органик и биохимик Э. Фишер (1862–1919). Им были сформулированы основные положения полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А. Я. Данилевского. К этому времени относятся работы великого русского ученого К. А. Тимирязева (1843–1920), основателя советской биохимической школы А. Н. Баха, немецкого биохимика О. Варбурга. В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот. В 1933 г. Д. Кейлин (Англия) выделил цитохром С и воспроизвел процесс переноса электронов по дыхательной цепи в препаратах из сердечной мышцы. В 1938 г. А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман впервые описали реакции трансаминирования, являющиеся ключевыми в азотистом обмене.
IV период – с начала 50-х годов 20 века по настоящее время. Характеризуется широким использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических, математических методов, активным и успешным изучением основных биологических процессов (биосинтез белков и нуклеиновых кислот) на молекулярном и надмолекулярном уровнях.
Вот краткая хронология основных открытий в биохимии этого периода:
1953 г. – Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спирали строения ДНК.
1953 г. – Ф. Сенгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка инсулина.
1961 г. – М. Ниренберг расшифровал первую «букву» кода белкового синтеза – триплет ДНК, соответствующий фенилаланину.
1966 г. – П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения дыхания и окислительного-фосфорилирования.
1969 г. – Р. Мерифильд химическим путем синтезировал фермент рибонуклеазу.
1971 г. – в совместной работе двух лабораторий, руководимых Ю. А. Овчинниковым и А. Е. Браунштейном, установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы – белка из 412 аминокислот.
1977 г. – Ф. Сенгер впервые полностью расшифровал первичную структуру молекулы ДНК (фаг φ Х 174).
Развитие медицинской биохимии в Беларуси
С момента создания в 1923 г. в Белорусском государственном университете кафедры биохимии началась профессиональная подготовка национальных биохимических кадров. В 1934 г. организована кафедра биохимии в Витебском медицинском институте, в 1959 г. – в Гродненском медицинском институте, в 1992 г. – в Гомельском медицинском институте. На заведование кафедрами приглашались и избирались известные ученые, крупные специалисты в области биохимии: А. П. Бестужев, Г. В. Дервиз, Л. Е. Таранович, Н. Е. Глушакова, В. К. Кухта, В. С. Шапот, Л. Г. Орлова, А. А. Чиркин, Ю. М. Островский, Н. К. Лукашик. На формирование научных школ в области медицинской биохимии огромное влияние оказала деятельность таких выдающихся ученых, как М. Ф. Мережинский (1906–1970), В. А. Бондарин (1909–1985), Л. С. Черкасова (1909–1998), В. С. Шапот (1909–1989), Ю. М. Островский (1925–1991), А. Т. Пикулев (1931–1993).
В 1970 г. в г. Гродно создан Отдел регуляции обмена веществ АН БССР, преобразованный в 1985 г. в Институт биохимии Национальной академии наук Беларуси. Первым заведующим отделом и директором института был академик АН БССР Ю. М. Островский. Под его руководством было начато всестороннее изучение витаминов, в частности, тиамина. Работы
Ю. М. Островского дополнены и продолжены в исследованиях его учеников: Н. К. Лукашика, А. И. Балаклеевского, А. Н. Разумовича, Р. В. Требухиной, Ф. С. Ларина, А. Г. Мойсеенка.
Наиболее важными практическими результатами деятельности научных биохимических школ явилась организация государственной лабораторной службы республики (профессор В. Г. Колб), открытие в Витебском медицинском институте Республиканского липидного лечебно-диагностического центра метаболической терапии (профессор А. А. Чиркин), создание в Гродненском медицинском институте лаборатории медико-биологических проблем наркологии (профессор В. В. Лелевич).
Содержание предмета биохимии
1. Состав и строение химических веществ живого организма – статическая биохимия.
2. Вся совокупность превращения веществ в организме (метаболизм) – динамическая биохимия.
3. Биохимические процессы, лежащие в основе различных проявлений жизнедеятельности – функциональная биохимия.
4. Структура и механизм действия ферментов – энзимология.
5. Биоэнергетика.
6. Молекулярные основы наследственности – передача генетической информации.
7. Регуляторные механизмы метаболизма.
8. Молекулярные механизмы специфических функциональных процессов.
9. Особенности метаболизма в органах и тканях.
Разделы и направления биохимии
1. Биохимия человека и животных.
2. Биохимия растений.
3. Биохимия микроорганизмов.
4. Медицинская биохимия.
5. Техническая биохимия.
6. Эволюционная биохимия.
7. Квантовая биохимия.
Объекты биохимических исследований
1. Организмы.
2. Отдельные органы и ткани.
3. Срезы органов и тканей.
4. Гомогенаты органов и тканей.
5. Биологические жидкости.
6. Клетки.
7. Дрожжи, бактерии.
8. Субклеточные компоненты и органоиды.
9. Ферменты.
10. Химические вещества (метаболиты).
Методы биохимии
1. Гомогенизация тканей.
2. Центрифугирование:
• простое
• ультрацентрифугирование
• центрифугирование в градиенте плотности.
3. Диализ.
4. Электрофорез.
5. Хроматография.
6. Изотопный метод.
7. Колориметрия.
8. Спектрофотометрия.
9. Определение ферментативной активности.
Связь биохимии с другими дисциплинами
1. Биоорганическая химия
2. Физколлоидная химия
3. Биофизическая химия
4. Молекулярная биология
5. Генетика
6. Нормальная физиология
7. Патологическая физиология
8. Клинические дисциплины
9. Фармакология
10. Клиническая биохимия
Глава 2. Строение и функции белков
Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных в полипептидные цепи с помощью пептидных связей, и имеющие сложную структурную организацию.
История изучения белков
В 1728 г. Беккари выделил первое вещество из пшеничной муки, названное «клейковиной». Он же показал его сходство с белком куриного яйца.
В 1820 г. Браконно открыл в продуктах гидролиза белков аминокислоту глицин.
В 1838 г. после систематического изучения элементного состава разных белков Мульдер предложил теорию протеина (универсальный принцип построения белковых веществ).
В 1888 г. А. Я. Данилевский выдвинул гипотезу строения белков, получившую название «теории элементарных рядов». Он первым предложил существование в белках связей (-NH-CO-), как в биурете.
В 1890 г. Гофмейстер впервые получил кристаллический белок – яичный альбумин.
В 1902 г. Фишер и Гофмейстер предложили пептидную теорию строения белка. В то же время Фишер с сотрудниками синтезировал в лаборатории первые пептиды.
В 1925–1930 гг. Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и использовал ее для определения молекулярной массы белков.
В 1951 г. Полинг и Кори разработали модель вторичной структуры белка, названной α-спиралью.
В 1952 г. Линдерстрём-Ланг предположил существование трех уровней организации белковой молекулы: первичной, вторичной и третичной.
В 1953 г. Сенгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка – инсулина.
В 1958 г. Кендрью и в 1959 г. Перутц расшифровали третичную структуру белков – миоглобина и гемоглобина.
Аминокислоты и их роль в организме
Аминокислоты – органические карбоновые кислоты, у которых как минимум один из атомов водорода углеводородной цепи замещен на аминогруппу.
В природе встречается примерно 300 аминокислот. Многие из них найдены только в определенных организмах, а некоторые – только в одном каком-либо организме. В организме человека содержится около 60 различных аминокислот и их производных.
Аминокислоты делятся на две группы: протеиногенные (входящие в состав белков – их 20) и непротеиногенные (не участвующие в образовании белков).
Приняты три классификации аминокислот:
1. Структурная – по строению бокового радикала;
2. Электрохимическая – по кислотно-основным свойствам;
3. Биологическая – по степени незаменимости аминокислот для организма.
Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться организмом из других соединений, поэтому они обязательно должны поступать с пищей. Абсолютно незаменимых аминокислот для человека восемь: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан.
Частично заменимыми аминокислотами являются – аргинин и гистидин.
Модифицированные аминокислоты, присутствующие в белках
Модификация аминокислотных остатков осуществляется уже в составе белков, т. е. только после окончания их синтеза.
В молекуле коллагена присутствуют:
1. 4-гидроксипролин
2. 5-гидроксилизин
Введение дополнительных функциональных групп в структуру аминокислот придает белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций. Так γ-карбоксиглутаминовая к-та входит в состав белков, участвующих в свертывании крови. Две близко лежащие карбоксильные группы необходимы для связывания белка с ионами Са2+. Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свертывания крови.
Аминокислоты как лекарственные препараты
Аминокислоты нашли самостоятельное применение в качестве лекарственных средств. Ниже приводится их краткая фармакологическая характеристика.
Глутаминовая кислота стимулирует процессы окисления в организме, способствует обезвреживанию и выведению из организма аммиака, активирует синтез ацетилхолина и АТФ, является медиатором, стимулирующим передачу возбуждения в синапсах ЦНС. Применяется главным образом при лечении заболеваний ЦНС: эпилепсии, реактивных состояний, протекающих с явлениями истощения и депрессии, церебральных параличей, болезни Дауна и др.
Метионин – незаменимая аминокислота, необходимая для поддержания роста и азотистого баланса организма, обладает липотропным действием, повышает антитоксическую функцию печени. Применяют метионин для лечения и предупреждения заболеваний и токсических поражений печени, а также при хроническом алкоголизме, сахарном диабете, атеросклерозе и др.
Орнитин снижает концентрацию аммиака в плазме крови, способствует нормализации кислотно-щелочного равновесия в организме. Назначают для лечения гепатита, цирроза печени, печеночной энцефалопатии, печеночной комы, поражений печени алкогольного генеза.
Гистидин – незаменимая аминокислота, в организме подвергается декарбоксилированию с образованием гистамина. Гистидина гидрохлорид предложен для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперсной кишки, а также атеросклероза.
Глицин – центральный нейромедиатор тормозного типа, оказывает успокаивающее действие, улучшает метаболические процессы в тканях мозга. Рекомендован как средство, ослабляющее влечение к алкоголю, уменьшающее явление абстиненции у больных хроническим алкоголизмом.
Цистеин участвует в обмене веществ хрусталика глаза и предложен для задержки развития катаракты и просветления хрусталика при начальных формах катаракты.
Таурин способствует улучшению энергетических процессов в организме, в ЦНС играет роль тормозного нейромедиатора, обладает противосудорожной активностью. Одной из характерных особенностей таурина является его способность стимулировать репаративные процессы при дистрофических нарушениях сетчатки глаза, травматических поражениях тканей глаза.
Цитруллин – аминокислота, участвующая в биосинтезе мочевины в орнитиновом цикле. Способствует нормализации обмена веществ и активации неспецифических защитных факторов организма. Применяется для симптоматической терапии функциональной астенин (при переутомлении, усталости, в послеоперационном периоде, у спортсменов и т.п.).
Пептиды
Пептид состоит из двух и более аминокислотных остатков, связанных пептидными связями. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называются олигопептидами. Часто в названии таких молекул указывают количество входящих в состав олигопептида аминокислот: трипептид, пентапептид, октапептид и т.д. Пептиды из более чем 10 аминокислотных остатков называются полипептидами. Полипептиды состоящие из более чем 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Однако эти названия условны, так как в литературе термин «белок» нередко употребляют для обозначения полипептида, содержащего менее 50 аминокислотных остатков.
Имеется несколько классификаций пептидов.
В частности их можно подразделять на следующие классы:
1. Регуляторные пептиды: глутатион, ангиотензин, брадикинин.
2. Пептиды – гормоны: окситоцитонин, вазопрессин, гастрин и др.
3. Нейропептиды, их разделяют на 18 групп. К ним относятся энкефалины, эндорфины, гипоталамические либерины и статины и др.
4. Алкалоиды: эрготамин, пандамин.
5. Пептиды – антибиотики: грамицидины А, В, С; актиномицин Д; полимиксины.
6. Токсины и антитоксины: фаллоидин, аманитин, антаманид, меллитин.
Методы разделения пептидов
1. Хроматография – ее разновидности:
• жидкостная хроматография при высоком давлении на колонках с обращенной фазой;
• гельфильтрация.
2. Электрофорез – его разновидности:
• высоковольтный электрофорез на молекулярных ситах;
• изоэлектрическое фокусирование.
Автоматический синтез пептидов
Процесс состоит из следующих этапов:
1. С-концевая аминокислота присоединяется к нерастворимой частичке смолы.
2. Вводится вторая аминокислота с блокированной аминогруппой и в присутствии дегидратирующего агента образуется пептидная связь.
3. Блокирующая группа отщепляется кислотой, образуются газообразные продукты, которые удаляются.
4. Стадии 2 и 3 повторяются со следующими аминокислотами до окончания синтеза пептида.
5. Полипептид отщепляется от частички смолы.
6. На образование каждой пептидной связи необходимо около 3 часов.
Биологические функции белков
1. Структурная.
2. Резервная (трофическая, субстратно-энергетическая).
3. Ферментативная (каталитическая).
4. Гормональная (регуляторная).
5. Рецепторная.
6. Транспортная.
7. Сократительная.
8. Электроосмотическая (Na+, К+-АТФаза).
9. Энерготрансформирующая.
10. Иммунологическая.
11. Гемостатическая.
12. Обезвреживающая.
13. Токсигенная.
Физико-химические свойства белков
1. форма и размеры белковой молекулы;
2. высокая молекулярная масса;
3. высокая вязкость растворов;
4. способность к набуханию;
5. оптическая активность;
6. низкое осмотическое и высокое онкотическое давление;
7. заряд молекулы (изоэлектрическая точка);
8. амфотерность;
9. растворимость;
10. неспособность проникать через полунепроницаемые мембраны;
11. способность к денатурации.
Уровни структурной организации белков
Первичная структура – строго определенная линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепочке.
Стратегические принципы изучения первичной структуры белка претерпевали значительные изменения по мере развития и усовершенствования применяемых методов. Следует отметить три основных этапа в их развитии. Первый этап начинается с классической работы Ф. Сенгера (1953) по установлению аминокислотной последовательности инсулина, второй – с широкого введения в структурный анализ белка автоматического секвенатора (начало 70-х годов 20 века), третий – с разработки скоростных методов анализа нуклеотидной последовательности ДНК (начало 80-х годов 20 века).
Первичная структура белка определяется:
1. Природой входящих в молекулу аминокислот.
2. Относительным количеством каждой аминокислоты.
3. Строго определенной последовательностью аминокислот в полипептидной цепи.
Предварительные исследования перед определением первичной структуры белка
1. Очистка белка
2. Определение молекулярной массы.
3. Определение типа и числа простетических групп (если белок конъюгированный).
4. Определение наличия внутри– или межмолекулярных дисульфидных связей. Обычно одновременно определяют наличие в нативном белке сульфгидрильных групп.
5. Предварительная обработка белков, обладающих 4-й структурой, с целью диссоциации субъединиц, их выделения и последующего изучения.
Стадии определения первичной структуры белков и полипептидов
1. Определение аминокислотного состава (гидролиз, аминокислотный анализатор).
2. Идентификация N– и С-концевых аминокислот.
3. Расщепление полипептидной цепи на фрагменты (трипсин, химотрипсин, бромциан, гидроксиламин и др.).
4. Определение аминокислотной последовательности пептидных фрагментов (секвенатор).
5. Расщепление исходной полипептидной цепи другими способами и установление их аминокислотной последовательности.
6. Установление порядка расположения пептидных фрагментов по перекрывающимся участкам (получение пептидных карт).
Методы определения N-концевых аминокислот
1. Метод Сенгера.
2. Метод Эдмана (реализован в секвенаторе).
3. Реакция с дансилхлоридом.
4. Метод с применением аминопептидазы.
Методы определения С-концевых аминокислот
1. Метод Акабори.
2. Метод с применением карбоксипептидазы.
3. Метод с применением боргидрида натрия.
Общие закономерности, касающиеся аминокислотной последовательности белков
1. Не существует одной уникальной последовательности или группы частичных последовательностей, общих для всех белков.
2. Белки, выполняющие разные функции, имеют разные последовательности.
3. Белки со схожими функциями имеют похожие последовательности, однако совпадение последовательности проявляется обычно лишь в малой степени.
4. Одинаковые белки, выполняющие одинаковые функции, но выделенные из разных организмов, обычно имеют значительное сходство в последовательности.
5. Одинаковые белки, выполняющие одинаковые функции и выделенные из организмов одного вида, почти всегда обладают совершенно одинаковой последовательностью.
Высшие уровни структуры белков, их биологическая активность тесно связаны и фактически определяются аминокислотной последовательностью. То есть, первичная структура генетически детерминирована и определяет индивидуальные свойства белков, их видовую специфичность, на ее основе формируются все последующие структуры.
Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, образующаяся в результате взаимодействий между её функциональными группами.
Разновидности вторичной структуры:
1. α-спираль.
2. Складчатый лист (β-структура).
3. Статистический клубок.
Первые две разновидности представляют собой упорядоченное расположение, третья – неупорядоченное.
Супервторичная структура белков.
Сравнение конформаций разных по структуре и функциям белков выявило наличие у них похожих сочетаний элементов вторичной структуры. Такой специфический порядок формирования вторичных структур называют супервторичной структурой. Супервторичная структура формируется за счет межрадикальных взаимодействий.
Разновидности супервторичной структуры белков:
1. Супервторичная структура типа β-бочонка. Она действительно напоминает бочонок, где каждая β-структура расположена внутри и связана α-спиральным участком цепи, находящимся на поверхности. Характерна для некоторых ферментов – триозофосфатизомеразы, пируваткиназы.
2. Структурный мотив «α-спираль – поворот – α-спираль». Обнаружен во многих ДНК-связывающих белках.
3. Супервторичная структура в виде «цинкового пальца». Характерна также для ДНК-связывающих белков. «Цинковый палец» – фрагмент белка, содержащий около 20 аминокислот, в котором атом цинка связан с радикалами четырех аминокислот: обычно с двумя остатками цистеина и двумя – гистидина.
4. Супервторичная структура в виде «лейциновой застежки-молнии». Объединение протомеров или отдельных белков в комплексы иногда осуществляется с помощью структурных мотивов, называемых «лейциновая застежка-молния». Примером такого соединения белков могут служить гистоны. Это ядерные белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислот – аргинина и лизина. Молекулы гистонов объединяются в комплексы с помощью «лейциновых застежек», несмотря на то, что все мономеры имеют сильный положительный заряд.
Содержание различных типов вторичных структур в белках.
Содержание типов вторичных структур в разных белках неодинаково.
По наличию α-спиралей и β-структур глобулярные белки можно разделить на 4 категории:
1. К первой категории относятся белки, в структуре которых обнаружена только α-спираль. Это миоглобин, гемоглобин.
