1.Предмет и задачи биологической и клинической химии.

Понятие о биохимических реакциях.

Биологическая химия- это наука о молекулярной сущности жизни. Она изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организ¬мов, их превращения, а также связь этих превращений с деятельностью клеток, органов и тканей и организма в целом. Главной задачей биохимии является установление связи между молекулярной структурой и биологической функцией химических компонентов живых организмов. В зависимости от объекта исследования биохимию условно подразде¬ляют на биохимию человека и животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Несмотря на биохимическое единство всего живого, существуют и коренные различия, как химического состава, так и обмена веществ в животных и растительных организмах Определение биохимии как науки одновременно характеризует и ее положение, значение среди других биологических наук. Изучая сущность жизни, самое главное в жизненных процессах - обмен веществ, биохимия, несомненно, должна быть отнесена к важнейшим биологическим наукам.

Клиническая химия (также известна как клиническая биохимия или медицинская биохимия) - область клинической лабораторной диагностики, использующая методы аналитической химии для исследования биологических объектов на предмет содержания определенных химических веществ с целью диагностики заболеваний или патологических состояний организма.

2.Аминокислоты - структурные мономеры белков. Общая характеристика, классификация (полярные, неполярные, полярные незаряженные), свойства.

Аминокислотами называются органические карбоновые кислоты, у которых как минимум один из атомов водорода углеводородной цепи замещен на аминогруппу. В зависимости от положения группы —NН2 различают α, β, γ и т. д. L-аминокислоты. К настоящему времени в различных объектах живого мира найдено до 200 различных аминокислот. В организме человека содержится около 60 различных аминокислот и их производных, но не все они входят в состав белков.

Аминокислоты делятся на две группы:

1.протеиногенные (входящие в состав белков)

Среди них выделяют главные (их всего 20) и редкие. Редкие белковые аминокислоты (например, гидроксипролин, гидроксилизин, аминолимонная кислота и др.) на самом деле являются производными тех же 20 аминокислот.

Остальные аминокислоты не участвуют в построении белков; они находятся в клетке либо в свободном виде (как продукты обмена), либо входят в состав других небелковых соединений. Например, аминокислоты орнитин и цитруллин являются промежуточными продуктами в образовании протеиногенной аминокислоты аргинина и участвуют в цикле синтеза мочевины; γ-амино-масляная кислота тоже находится в свободном виде и играет роль медиатора в передаче нервных импульсов; β-аланин входит в состав витамина — пантотеновой кислоты.

2.непротеиногенные (не участвующие в образовании белков)

Непротеиногенные аминокислоты в отличие от протеиногенных более разнообразны, особенно те, которые содержатся в грибах, высших растениях. Протеиногенные аминокислоты участвуют в построении множества разных белков независимо от вида организма, а непротеиногенные аминокислоты могут быть даже токсичны для организма другого вида, т. е. ведут себя как обычные чужеродные вещества. Например, канаванин, дьенколевая кислота и β-циано-аланин, выделенные из растений, ядовиты для человека.

Аминокислоты с неполярными радикалами

К неполярным (гидрофобным) относят радикалы, имеющие алифатические углеводородные цепи (радикалы аланина, валина, лейцина, изолейцина, пролина и метионина) и ароматические кольца (радикалы фенилаланина и триптофана). Радикалы таких аминокислот в воде стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам, в результате чего поверхность соприкосновения их с водой уменьшается.

Аминокислоты с полярными незаряженными радикалами

Радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы, растворяются в воде, так как в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К ним относят серии, треонин и тирозин, имеющие гидроксильные группы, аспарагин и глутамин, содержащие амидные группы, и цистеин с его тиольной группой.

Цистеин и тирозин содержат соответственно тиольную и гидроксильную группы, способные к диссоциации с образованием Н+, но при рН около 7,0, поддерживаемого в клетках, эти группы практически не диссоциируют.

Аминокислоты с полярными отрицательно заряженными радикалами

К этой группе относят аспарагиновую и глутаминовую аминокислоты, имеющие в радикале дополнительную карбоксильную группу, при рН около 7,0 диссоциирующую с образованием СОО- и Н+. Следовательно, радикалы данных аминокислот - анионы. Ионизированные формы глутаминовой и аспарагиновой кислот называют соответственно глутаматом и аспартатом.

Аминокислоты с полярными положительно заряженными радикалами

Дополнительную положительно заряженную группу в радикале имеют лизин и аргинин. У лизина вторая аминогруппа, способная присоединять Н+, располагается в ?-положении алифатической цепи, а у аргинина положительный заряд приобретает, хуанидиновая группа, Кроме того, гистидин содержит слабо ионизированную имидазольную группу, поэтому при физиологических колебаниях значений рН (от 6,9 до 7,4) гистидин заряжен либо нейтрально, либо положительно. При увеличении количества протонов в среде имидазольная группа гистидина способна присоединять протон, приобретая положительный заряд, а при увеличении концентрации гидроксильных групп - отдавать протон, теряя положительный заряд радикала. Положительно заряженные радикалы - катионы (см. схему ниже).

Наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот.

3.Специфичность первичной структуры белка. Особенности образования пептидной связи. Определяющая роль первичной структуры в формировании более высоких уровней организации белковой молекулы.

Первичная структура белка.

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты.

Если в образовании пептидной связи участвует иминогруппа пролина или гидроксипролина, то она имеет другой вид.

При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой. Примерно так же проводят лабораторный синтез полипептидов.

Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи:

• копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу, находятся в одной плоскости;

• способность существовать в двух резонансных формах (кето- или енольной форме);

• транс-положение заместителей по отношению к С-N-связи;

• способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.

• Исключение составляют пептидные группы с участием аминогруппы пролина или гидроксипролина. Они способны образовывать только одну водородную связь (см. выше). Это сказывается на формировании вторичной структуры белка. Полипептидная цепь на участке, где находится пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

4.Вторичная структура белка. Связи, стабилизирующие вторичную структуру, α-спираль. Факторы, нарушающие спирализацию. β-складчатая структура, особенности конформационного строения.

Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т.е. способ укладки полипептидной цепи в определенную конформацию.

Процесс этот протекает не беспорядочно, а в соответствии с первичной структурой белка.

Вторичная структура поддерживается в основном водородными связями, хотя для некоторых белков определенный вклад вносят пептидные и дисульфидные ковалентные связи.

Наиболее вероятным типом вторичной структуры глобулярных белков является -спираль. Закручивание полипептидной цепи в спираль происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Так, полипептидные цепи гемоглобина спирализованы на 75%, а молекула пепсина - на 30%.

Тип конфигурации полипептидных цепей, когда сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя структуру, подобную листу, сложенному в гармошку, называется -структурой. Такой тип вторичной структуры обнаружен в белках мышц, волос, шелка. -Слой может быть внутримолекулярным, а также образованным двумя или более полипептидными цепями.

Способность к образованию водородных связей, являющихся движущей силой при возникновении α- и β-структур в белковой молекуле, выражена у разных аминокислот в неодинаковой степени. Выделяют группу спиралеобразующих аминокислот: ала, глн, глу, лей, мет, лиз, гис. Вал, иле, тир, тре, фен способствуют образованию -структур полипептидной цепи. Наличие сер, гли, про, асн, асп приводит к преимущественному образованию неупорядоченных фрагментов в белковой молекуле.

В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни

β-, ни -структуре (коллаген).

5.Третичная структура белка. Связи, стабилизирующие третичную структуру (ковалентные, ионные, гидрофобные, водородные, Ван-дер-Ваальса).

Третичная структура белка – пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме. Первый белок, Третичная структура белка (миоглобин кашалота) впервые была установлена методом рентгеноструктурного анализа (рис. 2).

В стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей, основная роль принадлежит нековалентным связям (межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, электростатические взаимодействия ионизированных групп, гидрофобные взаимодействия и т.д.).

Методом рентгеноструктурного анализа установлено существование специфических уровней структурной организации белковой молекулы, промежуточных между вторичной и третичной структурами. Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи (рис. 3). Открыты белки (в частности, иммуноглобулины), в которых существуют различные по структуре и функциям домены.

Согласно современным представлениям, белка после окончания синтеза белка его третичная структура формируется самопроизвольно. Процесс формирования нативной пространственной структуры полипептидной цепи - фолдинг. Основной движущей силой фолдинга является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь белковой молекулы, а гидрофильные радикалы повернуты в сторону воды.

В клетках существуют белки, названные шаперонами. Их основная функция - участие в фолдинге (рис. 4). Описан ряд заболеваний человека, имеющих наследственную природу, возникновение которых связывают с нарушением процесса фолдинга вследствие мутаций (пигментозы, фиброзы и др.).

Все биологические свойства белков связаны с образованием и сохранностью третичной структуры, называемой нативной. Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: возможны обратимые перемещения фрагментов полипептидной цепи. Эти изменения не приводят к нарушению общей конформации молекулы. Факторы, влияющие на конформацию белковой молекулы - ионная сила раствора, рН среды, взаимодействие с компонентами раствора. Любые воздействия, приводящие к нарушению нативной структуры молекулы, приводят к частичной или полной утрате белком его биологических свойств.

6.Четвертичная структура белка. Понятие о мономерах и олигомерах. Зависимость свойств белка от его конформации. Взаимосвязь структуры и функции.

Четвертичная структура белка - укладка отдельных полипептидных цепей, обладающих специфической первичной, вторичной или третичной структурой, в пространстве, и формирование единого макромолекулярного образования.

Белок, состоящий из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером, а каждую входящую в него полипептидную цепь - протомером. Олигомерные белки, как правило, состоят из четного числа псубъединиц, например, молекула гемоглобина построена из двух - и двух -полипептидных цепей (рис. 5).

Четвертичную структуру имеют около 5% белков, такие как ферритин, иммуноглобулины. Субъединичное строение свойственно многим ферментам, в первую очередь тем, которые выполняют сложные функции. Почти все ДНК- и РНК-полимеразы имеют четвертичную структуру. Полипептидные цепи, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности. Только после завершения синтеза происходит их объединение в надмолекулярную структуру. Биологическую активность белок приобретает на уровне четвертичной структуры. Стабилизация четвертичной структуры происходит при участии тех же связей, что и при формировании третичной структуры, за исключением ковалентных связей.

Ряд исследователей признают наличие пятого уровня структурной организации белков. Полифункциональные макромолекулярные комплексы разных ферментов, катализирующие весь путь превращений субстрата, получили назвение метаболонов (пируватдегидрогеназный комплекс, синтетазы ВЖК, дыхательная цепь).

Белок, выполняющий специфическую функцию в метаболизме клетки, может быть представлен несколькими формами - изофункциональными белками, или изобелками. В эритроцитах крови человека обнаружено несколько форм гемоглобина: У взрослого человека преобладающей формой является НbА. Ч Для эмбриональной стадии развития человека характерен фетальный гемоглобин HbF. Все формы гемоглобинов выполняют функцию переноса кислорода из легких в ткани, однако свойства разных гемоглобинов отличаются.