Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Челябинская государственная медицинская академия»

Министерства здравоохранения Российской федерации

(ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздрава России )

Кафедра биохимии

Т.В. Соломатова, Л.Ф.Чарная, К.В Маляр

под редакцией профессора кафедры биохимии В.Э. Цейликмана

Рабочая тетрадь по биохимии

(лабораторный практикум часть1)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ, ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЛО 060101

ЧЕЛЯБИНСК

Рабочая тетрадь по биохимии (лабораторный практикум, часть 1)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ, ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЛО 060101

Рецензенты: - заведующий кафедрой патфизиологии ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздрава России, профессор, д.м.н. Кривохижина Л.В. .

Заведующий кафедрой нормальной физиологии ГБОУ ВПО ЧелГМА, проф.

д.м.н. Захаров Ю.М.

.

Авторы: работники кафедры биохимии ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздрава России Т.В. Соломатова - доцент, к.б.н.; Л.Ф. Чарная - старший преподаватель, к.м.н.; К.В.Маляр- старший преподаватель, к.м.н.

Под редакцией В.Э.Цейликмана - заведующего кафедрой биохимии ГБОУ ВПО ЧелГМА Минздрава России, профессора, д.м.н.

В пособии отражены алгоритм подготовки к каждому занятию по биохимии на лечебном факультете, отражены цели и задачи занятий, базисные знания, требуемые для усвоения знаний изучаемых вопросов, вопросы для подготовки к занятиям, а также домашние задания для закрепления материала, самостоятельной проверки усвоения материала, для этого в пособии есть ответы на тестовые задания и примерные ответы на ситуационные задачи.

Пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОС высшего профессионального образования, утвержденным приказом №1118 «8»ноября 2010 г. Министерством Образования и науки РФ

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 060101- лечебное дело

Учебное пособие одобрено и утверждено на заседании Ученого Совета ЧелГМА от 2013 г. протокол №

Практическое занятие № 1

(Лабораторный практикум)

ТЕМА: Белки. Структура и состав белков. Цветные реакции на белок и аминокислоты.

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: Освоить некоторые методы выделения белков из мышечной ткани.

Проанализировать аминокислотный состав выделенных из мышечной ткани белков, используя цветные реакции на белки и аминокислоты.

- Базисные знания

Из курса биоорганической химии студент должен знать:

• строение и свойства аминокислот,

• цветные реакции на белки и аминокислоты

Учебная карта занятия

Вопросы для подготовки к занятию

1. Белки: элементный и аминокислотный состав. Физиологическая роль белков.

2. Гидролиз белков (кислотный, щелочной, ферментативный, полный и частичный).

3. Анализ аминокислотного состава белков с помощью цветных реакций (биуретовой, нингидриновой). Хроматографические методы изучения аминокислотного состава гидролизатов белков.

Практическая часть занятия

Биуретовая реакция

Принцип метода: реакция основана на том, что в щелочной среде в присутствии солей меди белки дают фиолетовое окрашивание, обусловленное образованием комплекса обнаружения веществ белковой природы.

Ход работы: в пробирку наливают 1-2 мл раствора белка, добавляют 1-2 мл 10% раствора NaОН и 1-2 капли 1% раствора CuSO₄.

Результат:

Вывод:

Нингидриновая рекция

Принцип метода: основан на том, при нагревании с -аминокислотами, а также полипептидами нингидрин образует фиолетово-розоватое окрашивание. При нагревании с нингидрином аминокислоты подвергаются окислительному дезаминированию и декарбоксилированию, при этом выделяется углекислый газ, аммиак, образуется альдегид, восстановленный нингидрин конденсирует с аммиаком и окисленным нингидрином, образуя окрашенное соединение.

Ход работы: к 0,5 мл раствора белка добавить 5 капель 0,2 % водного раствора нингидрина и прокипятить 2-3 минуты.

Результат:

Вывод:

Перечень вопросов для собеседования

• Объяснить происхождение термина «аминокислоты» с химической точки зрения.

• Классификация аминокислот с позиций физико-химических свойств

• Назвать гидрофильные аминокислоты

• Назвать гидрофобные аминокислоты

• Назвать ионогенные аминокислоты

• Какие группировки в составе аминокислот принимают участие в образовании пептидной связи.

• Как происходит образование водородной связи?

В чем разница в образовании водородных связей вторичной структуры -спирали и - складчатой структуры ?

ПРИЛОЖЕНИЯ

Шапероны

Функции шаперонов.

Функции, приписываемые шаперонам, весьма широки.

1)Прежде всего это, обеспечение правильного фолдинга новообразованных белков.

В данной функции есть несколько аспектов.

а) Так, до того, как большинство гидрофобных аминокислотных радикалов уйдет внутрь белковой частицы, они могут вступить во взаимодействие с аналогичными радикалами других пептидных цепей. Иначе говоря, до окончания фолдинга возможна агрегация новосинтезированных белковых молекул. Случившись же, такая агрегация и воспрепятствовала бы дальнейшему фолдингу этих молекул, и создала бы ненужный балласт в клетке.

Предупреждение агрегации новых белков, т.е. предупреждение «неправильных» внешних взаимодействий в ходе фолдинга — одна из важнейших задач шаперонов.

б) Другая сопряженная задача — предупреждение «неправильных» внутренних (в пределах одной пептидной цепи) взаимодействий.

в) Третий аспект той же функции — лабилизация «неправильных» слабых связей (если они все-таки образовались) с тем, чтобы пептидная цепь не оказывалась зафиксирована в «неправильной» конформации, а могла достичь наиболее оптимальной. Очевидно, здесь — прямое сходство с функциям обеих фолдаз, но только речь идет о лабилизации не ковалентных, а слабых связей.

Все вместе это и означает «обеспечение правильного фолдинга». Говоря это, под фолдингом понимают не только сворачивание пептидной цепи, но и (в случае олигомерных белков) свя­зывание друг с другом субъединиц в четвертичную структуру.

2) Следующая функция шаперонов — контроль за рефолдингом. Имеется в виду, что под действием самых разных причин (перегрева, облучения, действия оксидантов и т. д.) белки, относительно давно синтезированные и до того успешно функционировавшие, могут терять свою нативную конформацию. Иначе говоря, частично или полностью денатурировать, что, как мы уже отмечали, сопровождается склонностью к агрегации.

Так вот, видимо, такие белки в клетке могут подвергаться рефолдингу (или ренатурации)— при активной помощи шаперонов.

Причем синтез шаперонов значительно возрастает, если клетка относительно долго пребывает в стрессовых условиях. Это показано, в частности, для бактерий(Е.coli): инкубация их (температуре 42°С приводит к резкому увеличению т. н. белков теплового шока, которые являются ничем иным как шаперонами.

Аналогичный эффект наблюдается и у эукариот. Поэтому у тех и у других шапероны часто обозначаются буквами Hsp (от английского: heat

shock proteins — белки теплового шока).

Что нужно для обеспечения этими белками рефолдинга?— практически то же, что и для обеспечения фолдинга: предупреждение агрегации и лабилизация связей пространственной структуры. Тогда пептидная цепь получит возможность вновь найти нативную (и энергетически наиболее выгодную) конформацию.

3) Третья функция шаперонов—участие в некоторых видах внутриклеточного транспорта белков: в частности, в лизосомы (для белков, «отслуживших» свой срок и не поддающихся рефолдингу) и в митохондрии.Чем вызвано участие шаперонов в переносе «старых» белков в лизосомы? Очевидно, опять-таки необходимостью предупредить агрегацию.

В митохондрии переносятся, напротив, новосинтезированные белки, за счет собственной активности митохондрий синтезируется только 5% их белков; остальные белки поступают из цитозоля, где образуется на видных рибосомах.

Фолдинг же этих остальных (95 %) белков откладывается до момента, пока они не окажутся внутри митохондрий.

Это объясняется тем, что пептидной цепи гораздо легче проникнуть через липидные слои мембран (а у митохондрий мембран целых две), если она находится в развернутом состоянии и гидрофобные радикалы не спрятаны внутрь частицы.

Что же делают шапероны? — Те из них, которые находятся вне митохондрий, сразу связываются с продуктами трансляции поддерживают их в развернутом состоянии (в состоянии пребелков) до контакта с митохондриальными мембранами. Иначе говоря, эти шапероны предупреждают преждевременный рефолдинг.

Другие же шапероны (находящиеся внутри митохондрий) принимают «гостей» и помогают им принять нативную форму.

4)Четвертая функция — поддержание ряда белков в oпределенной конформации, в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В этом случае, очевидно, шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его сворачивания.

Примером может служить локализующийся в цитоплазме белковый рецептор к гликокортикоидным гормонам. В отсутствие этих гормонов он связан с комплексом шаперонов (Hsp- белков теплового шока). В таком состоянии у рецептора закрыта (экранирована) т. н. ядерная метка — та часть пептидной цепи, которая необходима для проникновения белка внутрь ядра.

После же связывания гликокортикоидов белки Hsp, диссоциируют, фолдинг завершается и ядерная метка оказывается на поверхности. Поэтому рецептор проникает в ядро, переходит в димерную форму и связывается с определенным участком ДНК.

Второй пример — содержащиеся в ядре рецепторы к другим стероидным гормонам — эстрогенам и прогестерону. Эти белки тоже связаны с шаперонами (Hsp). Но теперь незавершенность фолдинга приводит не к блокированию ядерной мембраны (комплекс, как сказано, находится в ядре), а к неспособности связываться с ДНК.

Опять-таки, присоединение соответствующего гормона вызывает диссоциацию шаперонов, изменение структуры рецептора и связывание последнего с нужным локусом ДНК.

Как же выполняют шапероны все эти многочисленные функции? Надо думать, механизмы действия шаперонов различны — как разнообразны, вероятно, и сами шапероны.

Рассмотрим некоторые наиболее изученные системы, ответственные за выполнение, по крайней мере, двух первых вышеперечисленных функций, т. е. за фолдинг новообразованных и рефолдинг поврежденных белков.

Прионы как антишапероны

Из предыдущего изложения можно представить, что фолдинг— особенно с участием фолдаз и шаперонов — всегда приводит полипептидную цепь к «правильной», наиболее оптимальной в энергетическом и функциональном отношениях. К сожалению, это не так. Существует группа тяжелых неврологических болезней, которые обусловлены закономерно повторяющимся «неправильным» фолдингом одного, вполне определенного белка.

Данный белок, если он находится в нормальной конформации, называется прионовым белком и обозначается буква РгР^с (от prion protein, constitutive). Обнаруживается он в мозгу функция его неизвестна.

При ряде же заболеваний тот же полипептид оказывается в другой конформации. В последней преобладают участки с β-структурой, почти отсутствующие в нативной форме, а молекулы белка имеют повышенную склонность к агрегации. Такой белок называется прионом (от proteinaceous infection particle-белковая инфекционная частица) и обозначается буквами РгP^sc В данной форме он, видимо, не способен к выполнению обычной функции.

Но самое худшее заключается в том, что «неправильная» форма белка вызывает переход в такую же форму и «правильных» форм.

Как это происходит, неясно. Возможно, имеет место захват «правильных» молекул агрегатами приона, в результате чего эти молекулы разворачиваются и организуются заново по подобию прионов.

Таким образом, прионы в отношении своих исходных молекул играют роль антишаперонов, осуществляющих как бы фолдинг наоборот. Более того, процесс, очевидно, является автока- талитическим: вновь образовавшиеся порции «испорченного» белка начинают «портить» очередные порции нативного белка — и так далее, пока весь белок не оказывается «испорченным». Процесс происходит относительно медленно — болезнь развивается в течение нескольких лет, но неотвратимо приводит к гибели животного или человека.

Как возникают в организме первые порции приона?

а) Иногда, чрезвычайно редко, это происходит спонтанно — в результате ошибки фолдинга.

б) Несколько чаще встречаются мутации гена РгР —такие, которые способствуют неправильному сворачиванию белка. Тогда болезнь передается по наследству.

в) Но наиболее часто болезнь возникает в результате потребления в пищу тех тканей животного, в которых содержатся прионы. Потому-то данные белки и названы инфекционными частицами. Их отличает еще одна очень важная особенность — устойчивость к протеазам. Именно благодаря ей отдельным молекулам прионов удается проникать в неизмененном виде из желудочно-кишечного тракта в нервную ткань, где и запускается вышеизложенный автокаталитический процесс.

Все вместе это делает прионы уникальным инфекционным агентом: это, видимо, единственный случай, когда подобный агент лишен нуклеиновой кислоты.

Как же называются вызываемые прионами болезни?

У коров это т.н. губчатая энцефалопатия (BSE — bovine spongiform encephalopathy), или коровье бешенство.

Потребление человеком мяса таких коров вызывает болезнь Крейнцфельда-Якоба. Кроме того, среди туземцев Новой Гвинеи известна еще одна болезнь той же природы — куру, при которой на лице человека и дело появляются гримасы, как при смехе. Считают, что передается в результате каннибализма.

Наконец, у овец болезнь называется почесухой:постоянный зуд заставляет животных все время тереться о твердые предметы. Таким образом , фолдинг — важный этап в образовании белков.

Задания для обучения по теме

1. Повторить классификацию и строение аминокислот (знать формулы)

2. Повторить типы связей в молекулах белка, стабилизирующих первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

3. Знать образование ди-, три- и полипептидов и их название.

4. Повторить методы изучения аминокислотного состава белков с помощью цветных реакций и хроматографии

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ, КОТОРЫМИ ДОЛЖЕН ОВЛАДЕТЬ СТУДЕНТ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ уметь писать состав полипептидов, называть их, находить ионогенные аминокислоты для определения заряда пептида.

.