БИОХИМИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия – наука о химическом строении и функциях веществ, входящих в состав живой материи, и их превращениях в процессах жизнедеятельности.

Биохимия изучает различные структуры, свойственные живым организмам, и

химические реакции, протекающие на клеточном и организменном уровнях.

Биохимия изучает процессы, лежащие в основе обмена веществ.

В биохимии выделяют два раздела:

1.СТАТИЧЕСКАЯ биохимия – изучает состав живых организмов.

2.ДИНАМИЧЕСКАЯ биохимия – изучает обмен веществ.

Статическая биохимия выявила характерную черту живых клеток – их сложность и высокий уровень молекулярной организации, переход от более простых компонентов клетки к более сложным. Структурную организацию живой клетки можно представить в виде следующей схемы: неорганические вещества (H2O, N2, CO2, O2, P, S) → мономеры (нуклеотиды, аминокислоты,

моносахариды, жирные кислоты, глицерин) → макромолекулы (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды) → сложные макромолекулы

(нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины) → комплексы (рибосомы,

ядрышко, мембраны, сократительные системы) → органеллы (ядро,

митохондрии, лизосомы) → клетка.

Переход от простых биомолекул к сложным биологическим структурам основывается на физико-химических принципах самоорганизации.

Задачей динамической биохимии является изучение обмена веществ, или метаболизма клетки. Обмен веществ – это совокупность двух диаметрально противоположных, но гармонически сочетающихся процессов – синтеза

(анаболизма) и распада (катаболизма) веществ. Обмен веществ в клетке не отделим от обмена энергии, т.к. синтез веществ невозможен без затраты энергии.

Другой чертой обмена веществ является тонкое регулирование скорости протекания отдельных химических реакций. Важную роль в регулировании

2

процессов метаболизма играют биологические катализаторы – ферменты.

Регуляция клеточного метаболизма может осуществляться либо путем активации или подавления действия ферментов, либо за счет изменения скорости их биосинтеза в клетке.

3

Раздел 1. БЕЛКИ

Тема 1

АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКА. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ. КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ И АМИНОКИСЛОТЫ

Белок – высокомолекулярное азотистое природное соединение,

распадающееся в ходе гидролиза на аминокислоты.

Белки содержат углерода - 50-55 %, водорода - 6,5-7,3 %, азота - 15-18 %,

кислорода - 21-24 %, серы - до 2,4 % и золы - до 0,5 %.

Для построения всех белков используется один и тот же набор из 20

различных аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в определенной,

характерной только для данного белка последовательности.

Общей структурной особенностью аминокислот является наличие карбоксильной и аминогруппы, связанных с одним и тем же атомом углерода.

Различаются аминокислоты боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде. Карбоксильные и аминогруппы аминокислот участвуют в образовании пептидных связей.

Помимо 20 стандартных, основных или нормальных аминокислот,

входящих в состав белков, существуют другие аминокислоты, присутствующие в живых организмах, но не встречающиеся в белках.

Стандартные аминокислоты имеют трехбуквенные и однобуквенные условные обозначения (таблица 1).

4

Протеиногенные аминокислоты делят на 4 группы по полярности радикалов: 1) неполярные (гидрофобные) (рисунок 1); 2) полярные

(гидрофильные) незаряженные (рисунок 2); 3) отрицательно заряженные

(рисунок 3); 4) положительно заряженные (рисунок 4).

5

полипептидной цепи. Раствор белка дает сине-фиолетовое окрашивание, а

продукты неполного его гидролиза (пептоны) - розовое или красное.

1.2 Нингидриновая реакция характерна для α-аминогрупп. Растворы белка, α-аминокислот и пептидов при нагревании с нингидрином дают синее или фиолетовое окрашивание. В этой реакции α-аминокислоты и пептиды окисляются нингидрином и подвергаются окислительному дезаминированию и декарбоксилированию с образованием аммиака, альдегида и СО2. Нингидрин восстанавливается и связывается со второй молекулой нингидрина посредством молекулы аммиака, образуя продукты конденсации, окрашенные в синий цвет

(комплекс Руэмана). Нингидриновая реакция используется для количественного определения α-аминокислот в аминокислотных анализаторах.

1.3 Ксантопротеиновая реакция открывает наличие в белках циклических аминокислот - триптофана, фенилаланина, тирозина, содержащих бензольное ядро. Большинство белков при нагревании с концентрированной азотной кислотой дает желтое окрашивание, переходящее в оранжевое при подщелачивании вследствие образования натриевой соли динитротирозина.

Реакция обусловлена нитрованием бензольного кольца этих аминокислот с образованием нитросоединений желтого цвета.

1.4 Реакция на серусодержащие аминокислоты (реакция Фоля).

Реакция указывает на присутствие в белке аминокислот цистина и цистеина, содержащих слабосвязанную серу. Метионин, хотя и является содержащей серу аминокислотой, этой реакции не дает, поскольку сера в нем связана прочно. Реакция состоит в том, что при кипячении белка под действием щелочи от цистеина или цистина легко отщепляется сера в виде сернистого натрия, который с плюмбитом дает черный или бурый осадок сернистого свинца.

1.5 Реакция Паули. Эта реакция на аминокислоту гистидин основана на взаимодействии гистидина с диазобензолсульфоновой кислотой с образованием соединения вишнево-красного цвета.

9

РЕАКТИВЫ и ОБОРУДОВАНИЕ:

1) NaOH, 10 %, 30 %; 2) CuSO4, 1 %; 3) раствор нингидрина, 0,1 % водный раствор; 4) HNO3, конц.; 5) (CH3COO)2Pb, 5 %; 6) сульфониловая кислота, 1 %

раствор в 5 % растворе НСl; 7) NaNO2, 0,5 %; 8) Na2CO3, 10 %; 9) раствор яичного белка для цветных реакций; 10) дистиллированная вода; 11) пробирки,

пипетки, спиртовки, держатели.

ХОД РАБОТЫ:

В четыре пробирки наливают по 5 капель раствора белка.

1.В первую пробирку добавляют 3 капли 10 % раствора NaOH и 2 капли 1

%раствора CuS04; содержимое перемешивают. Развивается фиолетовая окраска характерная для биуретовой реакции. Проделывают эту же реакцию с водой.

Какая окраска?

2. Ко второй пробирке приливают 5 капель 0,1 % водного раствора нингидрина и кипятят 1-2 минуты. Наблюдают за развитием окраски,

свойственной нингидриновой реакции. Проделывают эту же реакцию с водой.

Какая окраска?

3.К третьей пробирке добавляют 5 капель концентрированной азотной кислоты и осторожно кипятят. Вначале появляется осадок свернувшегося белка, который при нагревании окрашивается. После охлаждения в пробирку наливают по каплям 10 % раствора едкого натра. Наблюдают за изменением цвета. Проделывают эту же реакцию с водой. Какая окраска?

4.К четвертой пробирке добавляют 5 капель 30 % раствора NaOH и 5

капель 5 % раствора (CH3COO)2Pb, содержимое доводят до кипения.

Появляется бурый или черный осадок сульфида свинца. Проделывают эту реакцию с волосом и кусочком ногтя. Проделывают эту же реакцию с водой.

Какая окраска?

5. В пятую пробирку наливают 5 капель 1 % раствора сульфаниловой кислоты в 5 % растворе НСl. Затем приливают 10 капель 0,5 % раствора NaNO2,

сильно встряхивают и немедленно добавляют 10 капель раствора белка, а после перемешивания 30 капель 10 % раствора Na2CO3. После смешивания растворов

10