11. Как можно выделить белки из растений и определить их аминокислотный состав?

В современных исследованиях для определения аминокислотного состава белков применяется метод ионообменной хроматографии с использованием аминокислотных анализаторов, которые в автоматическом режиме разделяют смесь аминокислот, полученных в результате гидролиза белков, на ионообменнике, производят их окрашивание и измерение оптической плотности окрашенного раствора, после чего данные спектрофотометрических измерений выводятся на регистрирующее устройство.

Гидролиз белков проводится в кислой или щелочной среде, а также с помощью протеолитических ферментов. В ходе гидролиза пептидные связи, соединяющие аминокислотные остатки в белке, расщепляются, и образуется смесь свободных аминокислот.

Как показали исследования, белки разных видов растений, а также разных органов одного и того же растения могут заметно различаться по содержанию аминокислот (табл. 3 и 4).

В альбуминах по сравнению с проламинами существенно выше концентрация аргинина, глицина, лизина, метионина и триптофана, но значительно меньше содержание лейцина, пролина, тирозина, фенилаланина.

В специфическом белке эндосперма пшеницы - пуротионине полностью отсутствуют гистидин, метионин и триптофан, но повышено содержание лизина (15%) и аргинина (18%).

Белки зерна зернобобовых и семян масличных культур по аминокислотному составу близки к глобулинам, так как на 60-70% состоят из этих белков. Аминокислотный состав белков клубней картофеля, корнеплодов, овощей, плодов и ягод, вегетативной массы растений довольно близок к альбуминам и глобулинам, поскольку эти белки составляют 65-75% общей массы белков указанных растительных продуктов.

Растительные белки - источники незаменимых аминокислот для человека и сельскохозяйственных животных, так как являются основными компонентами пищи или корма. Под действием пищеварительных ферментов белки корма гидролизуются до аминокислот, которые затем поступают в кровь и используются для синтеза белков организма животных.

Потребность животного организма в незаменимых аминокислотах определяется средним аминокислотным составом синтезируемых белков и, кроме того, учитывается коэффициент использования каждой аминокислоты, зависящий от химического состава корма, а также особенностей пищеварительной системы и обмена веществ организма данного вида животных. Этот показатель обычно выражают в г в расчете на 100 г белка корма, и он выражает необходимую пропорцию аминокислот в кормовом белке.

Если содержание незаменимых аминокислот в кормовом белке точно соответствует установленной пропорции (то есть потребности), то все они полностью используются для синтеза белков животного организма, и такой кормовой белок называют полноценным. Если же в кормовом белке хотя бы одной аминокислоты содержится недостаточно, то она будет лимитировать синтез белков в животном организме и для образования определённой массы животного белка потребуется восполнять недостаток этой аминокислоты добавлением дополнительного количества корма, что вызывает перерасход корма и увеличение затрат на создание одной единицы животноводческой продукции. Кроме того, другие аминокислоты в таких условиях оказываются в избытке и должны превращаться в организме в другие органические вещества. Кормовые белки с низким содержанием незаменимых аминокислот принято называть неполноценными белками.

По средним нормам питания человеку необходимо потреблять 8-10 г полноценного белка в расчете на 1 МДж обменной энергии, содержащейся в пище, коровам - 8-12 г, свиньям - 10-14 г, птице - 12-15 г. (Обменная энергия - часть общей энергии, доступная для использования в процессе обмена веществ организма).

Для каждого вида организмов с учетом их возраста и физиологического состояния определены оптимальные нормы содержания незаменимых аминокислот в кормовых белках. Наиболее часто в качестве эталона полноценных пищевых и кормовых белков используются нормативы, разработанные экспертами Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). В таблице 4 приведен эталон аминокислотной шкалы, рекомендуемый ФАО/ВОЗ для кормовых белков при кормлении крупного рогатого скота. Пищевая биологическая ценность такого белка принимается за 100%, а другие белки в опытах или с помощью расчетов сравнивают с эталоном.

Более высокую биологическую ценность имеют белки животного происхождения: белок яйца и казеин молока - 100%, белки мяса и рыбы - 95%. Из растительных белков наиболее полноценными являются альбумины, их биологическая ценность составляет 85-95%. В альбуминах имеется некоторый дефицит по содержанию метионина и изолейцина. Биологическая ценность глобулинов составляет 80-90%, в них имеется значительный дефицит по метионину и меньший - по изолейцину и триптофану. Последнее не относится к глобулинам сои, в которых отмечается лишь некоторый недостаток метионина.

Биологическая ценность глютелинов - 70-80%, в них понижена кон-центрация триптофана, метионина и лизина. Меньший дефицит по указанным аминокислотам имеют оризенины, у которых биологическая ценность составляет около 90%. К неполноценным белкам относятся проламины, имеющие биологическую ценность 40-50%. В этих белках очень мало содержится триптофана, лизина и метионина и понижена концентрация валина и изолейцина.

Проламины - специфические белки зерна злаковых растений, поэтому у них суммарный белок зерновок так же, как и проламины, имеет довольно низкую биологическую ценность: белок зерна кукурузы - 52-58%, пшеницы, ячменя и проса - 60-70%, ржи и овса - 70-75%. Суммарные белки зерна зернобобовых и семян масличных культур, клубней картофеля, корнеплодов, овощей, плодов и ягод, а также вегетативной массы кормовых трав и других растений вследствие повышенной концентрации глобулинов и альбуминов характеризуются довольно высокой биологической ценностью - 80-90%.

Для оценки биологической ценности белков очень часто используют показатель - индекс незаменимых аминокислот, который рассчитывают по формуле:

где числитель - содержание незаменимых аминокислот в оцениваемом белке, знаменатель - содержание тех же аминокислот в эталонном белке (по ФАО/ВОЗ), n - число аминокислот, 100 - пересчет в проценты.

Указанный способ определения биологической ценности белков удобен тем, что позволяет использовать данные аминокислотного анализа.

Более точные результаты по оценке биологической ценности белков дают методы, основанные на использовании живых организмов. Одним из таких методов является расчет показателя "эффективность белка", который выражается отношением привеса животных к массе потреблённого кормового белка. В этом случае оценка биологической ценности белка производится по интенсивности роста опытных животных.

Для взрослых животных биологическую ценность белка корма определяют по методу Томаса и Митчелла, который основан на учете отношения азота корма, отложенного в теле животного, к общему количеству переваренного азота.

Если содержание белков в растительной массе, используемой для кормления животных, ниже, чем требуется по нормам кормления, то во избежание перерасхода корма и повышения себестоимости животноводческой продукции количество белка в корме балансируют путем введения белковых добавок с повышенным содержанием незаменимых аминокислот. По такому же принципу контролируется содержание в кормовом белке незаменимых аминокислот, недостающее до нормы количество какой-либо аминокислоты балансируют добавлением в корм чистых препаратов дефицитных аминокислот или белковой массы с более высоким содержанием данной аминокислоты по сравнению с принятым эталоном.

В нашей стране и за рубежом разрабатываются и реализуются научные программы, связанные с созданием новых генотипов растений, отличающихся повышенным содержанием белков с улучшенным аминокислотным составом. Примером тому может служить создание высоколизиновых гибридов кукурузы, у которых уровень урожайности примерно такой же, как и у обычных гибридов, однако в их зерновках накапливается больше белков с повышенным содержанием лизина (на 50-80%) и триптофана (на 30-50%).

Высоколизиновые гибриды кукурузы получены от скрещивания обычной кукурузы с генотипами, имеющими гены Опейк-2 и Флаури-2, которые вызывают изменение состава белков зерна: массовая доля спирторастворимых белков-зеинов, имеющих низкую биологическую ценность, снижается в 2,5-3 раза, а доля других белков (альбуминов, глобулинов и глютелинов) возрастает. В результате таких изменений белкового комплекса зерна биологическая ценность суммарного белка зерна значительно повышается. Использование зерна высоколизиновой кукурузы для кормления животных позволяет существенно повысить их продуктивность и сократить затраты кормового белка на создание одной единицы животноводческой продукции на 20-25%.

Во многих лабораториях проводится селекционно-генетическая работа по улучшению аминокислотного состава белков зерна ячменя на основе скрещиваний с высоколизиновыми формами Хайпроли и Ризо 1508, а также поиск генетических источников высокого содержания белков с улучшенным аминокислотным составом для пшеницы, проса, тритикале и других злаковых культур.

Определенные надежды возлагают на новые методы создания ценных генотипов растений, основанные на использовании достижений генетической и клеточной инженерии. Так, например, путем направленного мутагенеза в ген спирторастворимого белка зерна кукурузы α-зеина введены дополнительные кодоны лизина и в результате включения такого модифицированного гена в генотип кукурузы были получены линии с повышенным содержанием лизина в белках зерна.

12. Нуклеиновые кислоты: виды, состав, строение, локализация и роль в клетке.

Нуклеиновые кислоты, их строение и роль в клетке.

Существует два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие цепи ДНК, состоят из азотистого основания (их может быть 4 вида: аденин (А), цитозин (Ц), тимин (Т), гуанин (Г)), пятиатомного углевода — дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одно­го и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеоти­да. Объединяются две цепи в одну молекулы при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми осно­ваниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Основания располагаются парами друг против друга. Спаривание происходит только между комплемен­тарными (подходящими друг другу) основаниями: А — Т связаны двумя водородными связями, а Г — Ц — тремя. Мо­лекула ДНК имеет форму двойной спирали, в которой полинуклетидные цепи закручены вокруг оси. ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликации) и способностью к самовосстановлению. Молекула ДНК является носителем наследственной информации. Молекулы ДНК находятся в основном в яд­рах клеток, также в небольшом количестве в митохондриях и хлоропластах.

РНК (рибонуклеиновая кислота), так же как ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого служат нуклеотиды. Нуклеотиды РНК содержат углевод — рибозу, одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, ци­тозин или урацил (У)) и остаток фосфорной кислоты. Та­ким образом, нуклеотиды ДНК и РНК различаются по со­ставу содержащихся в них сахаров (ДНК — дезоксирибоза, РНК — рибоза) и азотистых оснований (ДНК — А, Г, Ц, Т; РНК — А, Г, Ц, У). Молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью. Различают три вида РНК. Рибосомная РНК (рРНК) синтезируется в ядрышке, содержится в больших и малых субчастицах рибосом. На долю рРНК приходится около 85% всей РНК клетки. Информационная РНК (иРНК) синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы комплементарно одной из нитей ДНК, переносит эту информацию на рибо­сомы, где становится матрицей для синтеза белковой мо­лекулы. В зависимости от объема копируемой информации молекула иРНК может иметь различную длину. Транспортная РНК (тРНК) содержится в основном в цитоплазме клетке. Функция состоит в переносе амино­кислот в рибосомы к месту синтеза белка. Молекулы тРНК короткие, состоят из 70—90 нуклеоти­дов и имеют структуру в виде «клеверного листа». В клетке имеется столько же разных тРНК, сколько кодонов шиф­рующих аминокислоты. На вершине «листа» каждой тРНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплемен­тарных нуклеотидам кодона в иРНК, их называют антико­доном. Специальный фермент опознает тРНК и присоеди­няет к черешку «лист» — ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону, за­тем тРНК доставляет аминокислоту к рибосомам.

13. Ферменты: значение, строение, свойства, механизм действия. (Все вместе ниже)

14. Влияние на работу ферментов температуры, реакции среды, активаторов и ингибиторов. (Все вместе ниже)

15. Как можно регулировать скорость ферментных реакций? (Все вместе ниже)

Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат (S).

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2) Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

А ктивность зависит в первую очередь от температуры. Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 °С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 °С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментов зависит также от рН среды. Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продукта замедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

Химическая природа ферментов. Строение фермента. Активный и аллостерический центры

Все ферменты это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких млн Да. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из АК) и сложные ферменты (имеют небелковую часть или простетическую группу). Белковая часть носит название – апофермент, а небелковая, если она связана ковалентно с апоферментом, то называется кофермент, а если связь нековалентная (ионная, водородная) – кофактор. Функции простетической группы следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве.

В роли кофактора обычно выступают неорганические вещества - ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена.

Коферменты можно рассматривать как составную часть молекулы фермента. Это органические вещества, среди которых различают: нуклеотиды (АТФ, УМФ, и пр), витамины или их производные (ТДФ – из тиамина (В1), ФМН – из рибофлавина (В2), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В3), НАД и пр) и тетрапиррольные коферменты – гемы.

В процессе катализа реакции в контакт с субстратом вступает не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром. Эта зона молекулы не состоит из последовательности аминокислот, а формируется при скручивании белковой молекулы в третичную структуру. Отдельные участки аминокислот сближаются между собой, образуя определенную конфигурацию активного центра. Важная особенность строения активного центра - его поверхность комплементарна поверхности субстрата, т.е. остатки АК этой зоны фермента способны вступать в химическое взаимодействие с определенными группами субстрата. Можно представить, что активный центр фермента совпадает со структурой субстрата как ключ и замок.

В активном центре различают две зоны: центр связывания, ответственный за присоединение субстрата, и каталитический центр, отвечающий за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие АК, как Сер, Цис, Гис, Тир, Лиз. Сложные ферменты в каталитическом центре имеют кофактор или кофермент.

Помимо активного центра ряд ферментов снабжен регуляторным (аллостерическим) центром. С этой зоной фермента взаимодействуют вещества, влияющие на его каталитическую активность.

Механизм действия ферментов

Акт катализа складывается из трех последовательных этапов.

1. Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр.

2. Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты.

3. В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается).

Виды каталитических реакций:

А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б

А+Б +Е = АЕ+Б = АБЕ = АБ + Е

АБ+Е = АБЕ = А+Б+Е, где Е - энзим, А и Б - субстраты, либо продукты реакции.

Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа и регулирующие за счет этого метаболизм. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию.

В зависимости от механизма торможения реакции различают конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Строение молекулы конкурентного ингибитора сходно со структурой субстрата и совпадает с поверхностью активного центра как ключ с замком (или почти совпадает). Степень этого сходства может даже быть выше чем с субстратом.

Если А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б , то И+Е = ИЕ ¹

Концентрация способного к катализу фермента при этом снижается и скорость образование продуктов реакции резко падает (рис. 4.3.2.).

В качестве конкурентных ингибиторов выступает большое число химических веществ эндогенного и экзогенного происхождения (т.е. образующихся в организме и поступающих извне – ксенобиотики, соответственно). Эндогенные вещества являются регуляторами метаболизма и называются антиметаболитами. Многие из них используют при лечении онкологических и микробных заболеваний, тк. они ингибируют ключевые метаболичекие реакции микроорганизмов (сульфаниламиды) и опухолевых клеток. Но при избытке субстрата и малой концентрации конкурентного ингибитора его действие отменяется.

Второй вид ингибиторов - неконкурентные. Они взаимодействую с ферментом вне активного центра и избыток субстрата не влияет на их ингибирующую способность, как в случае с конкурентными ингибиторами. Эти ингибиторы взаимодействуют или с определенными группами фермента (тяжелые металлы связываются с тиоловыми группами Цис) или чаще всего регуляторным центром, что снижает связывающую способность активного центра. Собственно процесс ингибирования - это полное или частичное подавление активности фермента при сохранении его первичной и пространственной структуры.

Различают также обратимое и необратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы инактивируют фермент, образуя с его АК или другими компонентами структуры химическую связь. Обычно это ковалентная связь с одним из участков активного центра. Такой комплекс практически недиссоциирует в физиологических условиях. В другом случае ингибитор нарушает конформационную структуру молекулы фермента - вызывает его денатурацию.

Действие обратимых ингибиторов может быть снято при переизбытке субстрата или под действием веществ, изменяющих химическую структуру ингибитора. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы относятся в большинстве случаев к обратимым.

Помимо ингибиторов известны еще активаторы ферментативного катализа. Они:

1) защищают молекулу фермента от инактивирующих воздействий,

2) образуют с субстратом комплекс, который более активно связывается с активным центром Ф,

3) взаимодействуя с ферментом, имеющим четвертичную структуру, разъединяют его субъединицы и тем самым открывают доступ субстрату к активному центру.

Распределение ферментов в организме

Ферменты, участвующие в синтезе белков, нуклеиновых кислот и ферменты энергетического обмена присутствуют во всех клетках организма. Но клетки, которые выполняют специальные функции содержат и специальные ферменты. Так клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе содержат ферменты, катализирующие синтез гормонов инсулина и глюкагона. Ферменты, свойственные только клеткам определенных органов называют органоспецифическими: аргиназа и урокиназа - печень, кислая фосфатаза - простата. По изменению концентрации таких ферментов в крови судят о наличии патологий в данных органах.

В клетке отдельные ферменты распределены по всей цитоплазме, другие встроены в мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума, такие ферменты образуют компартменты, в которых происходят определенные, тесно связанные между собой этапы метаболизма.

Многие ферменты образуются в клетках и секретируются в анатомические полости в неактивном состоянии - это проферменты. Часто в виде проферментов образуются протеолитические ферменты (расщепляющие белки). Затем под воздействием рН или других ферментов и субстратов происходит их химическая модификация и активный центр становится доступным для субстратов.

Существуют также изоферменты - ферменты, отличающиеся по молекулярной структуре, но выполняющие одинаковую функцию.