биохим

9)Денатурация и ренатурация белков. Денатурация белков Специфические биологические функции белков, например ферментов или гормонов, зависят от их конформации, нарушения которой могут привести к потере биологической активности. В связи с этим, о белке, обладающем нормальной конформацией, говорят, что он находится в нативном (естественном) состоянии.  Нативный белок это белок, который обладает конформацией (пространственной структурой), обусловливающей специфическую биологическую функцию молекулы. Довольно мягкие изменения физических условий, в том числе изменения pH, температуры или обработка водными растворами некоторых органических веществ (детергентов, этанола или мочевины), могут нарушить эту конформацию. В белках, подвергнутых таким воздействиям, происходит денатурация. Денатурация белков - это разрушение четвертичной, третичной и частично вторичной структур путём разрыва слабых нековалентных взаимодействий, (водородных, ионных, гидрофобных) и дисульфидных связей, сопровождающихся потерей функции белка. Следует различать денатурацию и деградацию белков. При деградации происходит фрагментация первичной структуры и образование фрагментов белковой макромолекулы, т. е. образуются биологически неактивные олигопептиды. Примером денатурации белковой молекулы может служить тепловая денатурация белков в растворах при 50-60º, обусловленная разрывом нековалентных взаимодействий, при помощи которых образуется третичная структура. Денатурация, осуществляемая в мягких условиях, часто оказывается обратимой, т. е. при удалении денатурирующего агента происходит восстановление (ренатурация) нативной конформации белковой молекулы. Для ряда белков восстановление может быть 100%-м, причём это касается ни только водородных и гидрофобных связей, но и дисульфидных мостиков. При обратимой денатурации восстанавливается и биологическая активность белков. Эти данные служат дополнительным доказательством того, что вторичная и третичная структуры белков предопределены аминокислотной последовательностью.

6)Третичная структура белков и природа сил, стабилизирующих её. Инсулини рибонуклеаза А. Третичная структура белков – это трёхмерная структура полипептидной цепи, которая определяется первичной и вторичной структурой и характеризуется наличием биологической активности. Это объясняется тем, что в результате взаимодействий аминокислотных остатков полипептидной цепи уменьшается свободное вращение связей полипептидного остова.  Ограничение подвижности и тем самым формирование и поддержание третичной структуры возникает также за счёт общего вклада слабых нековалентных взаимодействий Гормон инсулин состоит из двух пептидных цепей — короткой (21 аминокислотный остаток) и длинной (30 аминокислотных остатка).  три S–S-мостика играют ключевую роль в организации третичной структуры: - один из них взаимно ориентирует две α-спирали короткой последовательности; - два других скрепляют короткую и длинную цепи; - третичная последовательность буквально пронизана водородными связями;  - третичная структура инсулина состоит в основном из α-спиралей. Третичная структура белковой молекулы возникает самопроизвольно. Движущей силой, свёртывающей полипетидную цепь белка в строгое трёхмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами воды.  При этом гидрофобные радикалы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там гидрофобную зону (гидрофобный карман), а гидрофильные радикалы ориентируются в сторону растворителя – воды.

7)Четвертичная структура белков. Олигомерные белки. Гемоглобин. Четвертичная структура характерна для белков, построенных из двух или более пептидных цепей. Белки такого типа называются олигомерами или олигомерными белками. Отдельные структурные единицы олигомерного белка называют субъединицами или протмерами. Субъединица (протомер) полипептидная цепь, характеризующаяся наличием третичной структуры. Взаимное расположение субъединиц, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка и называют четвертичной структурой. Субъединицы связаны друг с другом посредством лишь слабых нековалентных взаимодействий (электро-статических, водородных, гидрофобных). Причем субъединицы взаимодействуют друг с другом только определенными участками своей поверхности (контактные участки).  Взаимное «узнавание» контактных участков происходит по принципу комплементарности. Каждая субъединица взаимодействует с другими во многих точках. Следовательно, ошибочные комплексы в олигомере практически невозможны.  Олигомерный белок может содержать две, три, четыре или более субъединиц. Иногда встречаются олигомеры, состоящие из 12 субъединиц и имеющие молекулярную массу до 1 000 000 килодальтон. Субъединицы могут быть одинаковыми или разными. Взаимное расположение субъединиц, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной конформации олигомерного белка и называют четвертичной структурой. Наиболее изученным олигомерным белком является человеческий гемоглобин, который состоит из четырех субъединиц, двух α- (по 141 остатку в каждой) и двух β-субъединиц. (по 146 остатков в каждой). Субъединицы уложены приблизительно в виде тетраэдра, с каждой субъединицей связана одна молекула гема Третичная структура каждой субъединицы гемоглобина имеет много общего с третичной структурой миоглобина Такое сходство связано с тем, что обе молекулы выполняют сходную функцию: связывание и транспорт кислорода. Модель молекулы гемоглобина

3)Пептидная связь. Структура и св-ва пептидной связи. Пептиды. Состав и структура пептидов. Номенклатура. Пептиды небелковой природы и их биологическая роль. Пептидная связь. Структура пептидной связи. В определенных условиях, аминокислоты способны реагировать друг с другом. В результате взаимодействия α-аминогруппы одной аминокислоты с α-карбоксильной группой другой аминокислоты возникает пептидная связь.  Образование пептидной связи можно представить себе, как отщепление молекулы воды от присоединяющихся к друг другу карбоксильной и аминогрупп. Пептиды Поскольку дипептид также содержит свободную карбоксильную и аминогруппы, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединяться новые аминокислотные мономеры; в результате образуется олиго- или полипептид Пептидная цепь имеет одно направление и два разных конца — N-конец, несущий свободную аминогруппу первой аминокислоты, и С-конец, несущий свободную карбоксильную группу последней аминокислоты. В пептидах аминокислотные остатки связаны в цепочку последовательно. Цепочку амидных групп и α-углеродных атомов называют пептидным остовом молекулы Номенклатура пептидов Поскольку аминокислоты в составе пептидов находятся в форме ацилов (кислотных остатков), то в названии пептидов им придают характерное для ацилов окончание «ил». Название концевой аминокислоты со свободной карбоксильной группой оставляют без изменений Название пептида начинают с аминокислоты, сохранившей свободную α-аминогруппу. Для того чтобы назвать конкретный пептид, достаточно перечислить (начиная с N-конца) последовательность входящих в его состав аминокислотных остатков. Пептиды небелковой природы и их биологическая роль Почти все клетки содержат свободные пептиды. В настоящее время из природных источников выделено более сотни индивидуальных пептидов, детально изучено их строение, свойства и биологическая активность. В качестве примера приведём строении глутатиона – одного из наиболее широко распространённых внутриклеточных пептидов так называемого полимодального действия, принимающего участие в переносе аминокислот через мембрану, в окислительно-восстановительных и других процессах в клетке Некоторые природные пептиды-антибиотики (синтезируются микроорганизмам) имеют циклическое строение: грамицидин S, бацитрицин A, циклоспорин А В их состав могут входить непротоиногенные аминокислоты и D-изомеры. Циклоспорин A (cyclosporin A) - лекарственное вещество, подавляющее функции иммунной системы; назначается для предотвращения и лечения отторжения пересаженных органов или костного мозга. Роль пептидов в процессе жизнедеятельности организмов многообразна. Многие из них служат гормонами (инсулин, глюкагон, гормон роста и др.). Некоторые являются сильнейшими ядами (яды змей, пауков, насекомых, высших грибов) антибиотиками, регуляторами психической деятельности. Значительное число природных пептидов удалось синтезировать. Искусственным путём получены сотни аналогов природных пептидов, ряд которых обладает более сильным биологическим действием.

4)Белки. Структурные уровни пространственной организации белков. Первичная структура белков. Биологическое значение аминокислотной последовательности. Белками являются полипетиды, способные образовывать и самостоятельно стабилизировать свою пространственную структуру. Структурные уровни пространственной организации белков .Белки играют фундаментальную роль в формировании и поддержании структуры и функций живых организмов.  Белки (функции): - принимают участие в построении клеток и тканей;  - осуществляют биологический катализ;  - регуляторные и сократительные процессы; - защиту от внешних воздействий.  Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). Первичная структура белков Первичная структура белков – последовательность аминокислот в полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей (если они есть Свойства первичной структуры: 1) Последовательность аминокислот в первичной структуре белка является специфической видовой характеристикой данного белка. 2) Первичная структура белка является основой для формирования последующих структур белка за счёт взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи.

5)Вторичная структура белков. Элементы вторичной структуры: a-спираль, B-структуры и В-изгиб. Силы, удерживающие полипептидную цепь, в указанных конформациях. Вторичная структура белков Часто в полипептидных цепях содержатся участки, последовательность аминокислотных остатков которых, образует локально упорядоченные трёхмерные структуры.  Совокупность таких упорядоченных структур называют вторичной структурой белков.  В результате совокупности действия таких факторов, как: - плоское строение пептидной связи;  - возможность свободного вращения связей у α-углеродного атома - постоянство углов и межатомных расстояний формируются следующие типы вторичной структуры белков:  α-спираль, β-структура и β-складка. α-спираль Это — правая спираль, которую можно себе представить в виде пептидной цепи, закрученной вокруг гипотетического цилиндра. При графическом изображении спиральные участки изображаются цилиндром. Характеристики α-спирали: - содержит 3,6 аминокислотного остатка на виток с периодом повторяемости 5,4 нм *[0,54 Å (Å – ангстремы; 1 Å = 10 нм)]; - полипептидный остов образует плотные витки вокруг длинной оси молекулы; - боковые радикалы выступают наружу; - спираль удерживается водородными связями между атомом водорода N-H группы одной пептидной связи и кислородом группы С=О, принадлежащей другой пептидной связи, расположенной через четыре аминокислотных остатка над первой в следующем витке спирали; - в α-спирали полностью использована возможность образования водородных связей (внутримолекулярные), поэтому она не способна образовывать водородные связи с другими элементами вторичной структуры. Степень спирализации в белках колеблется от 5 до 80%. Для некоторых белков, например для цитохрома С, α-спираль лежит в основе пространственной структуры, другие, например химотрипсин, не имеют α спирализованных участков. β-структура β -структура является вторым элементом вторичной структуры белков. β-складчатые структуры – графически изображаются стрелкой β-структуры имеет складчатую поверхность. Водородные связи между β-тяжами изображены пунктиром Характеристика β-структуры: - остов полипептидной цепи в β-структуре вытянут таким образом, что имеет уже не спиральную, а зигзагообразную складчатую форму;  - боковые группы аминокислотных остатков (R-группы) направлены перпендикулярно плоскости складчатого слоя и расположены выше и ниже него;  - в отличие от α-спирали β-структура образована за счет межцепочечных водородных связей между соседними участками полипептидной цепи, так как внутрицепочечные контакты отсутствуют. - в отличие от α-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок полипептидной цепи в β-структуре открыт для образования дополнительных водородных связей. Соотношение между различными типами вторичных структур в составе белков варьирует в широких приделах, причём доля неупорядоченных структур часто превалирует над регулярными – α-спиралью и  β-структурой. β-изгиб В области неупорядоченных структур достаточно протяжённые зоны представлены петлями и резкими изгибами. Наиболее часто встречаются так называемые β-изгибы, когда полипептидная цепь резко меняет своё направление на 180º. Этот изгиб по форме напоминает шпильку для волос и образуется между тремя аминокислотами за счет водородной связи (см. презентацию к лекции). Он необходим для изменения пространственного расположения полипептидной цепи при образовании третичной структуры белка.  !!! Какую именно конформацию принимают участки полипептидной цепи (α-спираль, β складку, β-изгиб или остаются неструктурированными) в значительной степени определяется первичной последовательностью полипептидной цепи. 

8)Физико-химические св-ва белков. Изоэлектрическая точка белков. Физические и химические свойства белков. Белки, как и другие органические соединения, обладают рядом физико-химических свойств, которые обусловлены структурой их молекул.  Химические свойства белков отличаются исключительным разнообразием. Обладая аминокислотными радикалами различной химической природы, белковые молекулы способны вступать в разнообразные реакции. 

1) Роль и задачи биологической химии. Состав живых организмов. Биомолекулы Биохимия – это наука, о химическом строении и функциях веществ, входящих в состав живой материи, и их превращениях в процессах жизнедеятельности. Главной задачей биохимии является определение основных закономерностей биохимических процессов, выявление взаимосвязи между структурой и функциями биомолекул, участвующих в реакциях клеточного метаболизма. Объект биохимических исследований – клетки прокариот и эукариот. В зависимости от объекта исследования можно условно выделить биохимию животных и человека, биохимию растений и микроорганизмов. Основные направления биохимии: - статистическая биохимия – изучает химическую природу организма (биоорганическая химия); - динамическая биохимия – изучает превращение химических веществ в организме; - функциональная биохимия – изучает роль превращений химических веществ в проявлении функции клеток, тканей, органов, организма. Состав живых организмов Клетки являются обязательными структурными элементами всех известных живых организмов. Эукариотическая клетка: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – ядерная мембрана; 4 - митохондрии; 5 – лизосомы, 6 - аппарат Гольджи; 7 - пиноцитозный пузырёк; 8 – клеточная мембрана; 9 - эндоплазматический ретикулум Каждая клетка состоит из огромного числа атомов и молекул. Попробуем разобраться: насколько они универсальны и какие функции выполняют в клетках?  Оказалось, что из периодической системы элементов всего лишь шесть биоэлементов используются для построения подавляющего числа биологически значимых молекул: углерод, кислород, водород, сера, азот и фосфор. Ещё 16 микроэлементов присутствуют в клетках в различных количествах и соотношениях. К ним относятся: железо, медь, цинк, хром и т. д. Из шести основных биоэлементов наибольшее значение имеет углерод. Основные структуры живой материи состоят из углеродных каркасов. Характерной особенностью атома углерода является способность образовывать углеродные цепи любого размера и конфигурации. Это обусловлено тем, что три из четырёх валентностей углерода могут участвовать в образовании трёхмерного скелета, а четвёртая - связывать ту или иную функциональную группу. Вещества, образованные на основе углерода, называются органическими соединениями. Органические соединения могут иметь огромное число углеродных цепей и функциональных групп, причём отдельные части молекулы способны вращаться вокруг одинарных углеродных связей. Они способны также образовывать трёхмерную структуру, играющую первостепенную роль в процессах жизнедеятельности.

2) Св-ва аминокислот, входящих в состав белков. Их классификация, стереохимия и кислотно-основные св-ва. Аминокислоты представляют собой основные «строительные» единицы всех белков.  Химические свойства аминокислот Так как аминокислоты имеют в своем составе как кислотную, так и основную группы, они способны реагировать и с кислотами, и с основаниями, т. е., можно сказать, что аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями. Химические свойства аминокислот определяются их радикалами: реакции солеобразования протекают по аминной и карбоксильной группам; реакции окисления-восстановления – по –SH- и -S-S-группам; реакции алкилирования (взаимодействия с гидроксильными группами спиртов) и ацилирования по NH2-, OH- и COOH-группам; реакция фофорилирования - по OH-группам. Физико-химические свойства аминокислот В молекуле аминокислоты одновременно присутствуют две функциональные группы противоположного химического характера: основная (-NH2 - аминогруппа) и кислотная (-COOH - карбоксильная группа). Эти группы способны к взаимодействию друг с другом, т. е. внутримолекулярной нейтрализации. Протон (Н+) карбоксильной группы может перейти на неподеленную электронную пару атома азота аминогруппы. В связи с этим аминокислоты правильнее представлять в виде так называемых внутренних солей типа. Эта особенность определяет физические свойства аминокислот. Подобно неорганическим солям, аминокислоты – твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде и мало растворимые в органических растворителях. Некоторые аминокислоты обладают сладким вкусом.  Классификация α-аминокислот В настоящее время существуют различные классификации  α-аминокислот. В зависимости от строения бокового радикала аминокислоты подразделяют на:1) неполярные (гидрофобные), содержат неполярный гидрофобный радикал 2) полярные (гидрофильные) незаряженные, содержат полярный гидрофильный радикал 3) полярные заряженные, содержат заряженный боковой радикал. Аминокислоты подразделяются так же на: 1) незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, лизин); 2) частично заменимые (аргинин и гистидин); 3) заменимые (аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, пролин, серин, тирозин, цистеин). Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме человека, но необходимы для нормальной жизнедеятельности. Они должны поступать в организм с пищей. При недостатке незаменимых аминокислот задерживается рост и развитие организма.  Заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека. Частично заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека, но в незначительных количествах. Следует отметить, что некоторые природные аминокислоты не участвуют в построении белков но, тем не менее, очень важны для жизнедеятельности организма. Это, помимо уже упоминавшейся ГАМК, например, гормон щитовидной железы - аминокислота тироксин, образующаяся при йодировании тирозина. Кислотно-основное равновесие в растворе α-аминокислот. α-Аминокислоты обладают как минимум двумя ионогеннными группами (группами, которые при диссоциации образуют ионы) - карбоксилом и аминогруппой:  В сильно кислой среде α-аминокислоты существуют в виде двухосновной кислоты (Рис. 1.8). В сильно щелочной среде будет преобладать анион. В нейтральных средах могут присутствовать две незаряженные формы - нейтральная и биполярная (последнюю часто называют цвиттер-ионом).  α-Аминокислоты при нейтральных значениях рН существуют практически полностью в виде цвиттер-иона.  Характеристическое значение рH, при котором концентрация цвиттер-иона максимальна, называют изоэлектрической точкой (pI). Поскольку в целом молекула цвиттер-иона электронейтральна, электропроводность раствора в такой точке будет минимальной, а молекула аминокислоты не будет смещаться в электрическом поле. Оптическая изомерия аминокислот. α-Аминокислоты характеризуются наличием оптической активности,  т. е. они могут вращать плоскость поляризованного света вправо или влево. Это свойство природных аминокислот обусловлено наличием ассиметрического атома углерода или иначе: хирального центра (хиральность от греч. Cheir – рука), т. е. атома углерода с четырьмя различными заместителями.  Все α-аминокислоты, имеющие ассиметричесийй атом углерода, образуют оптические (зеркальные, т. е. которые нельзя совместить) изомеры. Оптические изомеры принято обозначать латинскими буквами. L- (от лат. Louvus – левый) и D- (от лат dexter – правый).