1. Биологическая химия как наука, предмет и задачи, методы исследования
Биохимия это наука о природе и свойствах веществ, входящих в состав живых организмов, путях биосинтеза и использования этих веществ различными организмами в процессе жизнедеятельности.
Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния.
Как самостоятельная научная дисциплина и как отдельный предмет преподавания биохимия сложилась в середине ХIХ века на основе органической химии и физиологии, изучавшими с различных сторон вопросы химии жизни. белок декарбоксилирование аминокислота жир
В учебных целях биохимию принято делить на статическую и динамическую. Статическая биохимия изучает количественные соотношения, природу и свойства веществ, образующих живой организм. Этот раздел биохимии в значительной мере базируется на материале органической химии. Динамическая биохимия изучает все химические превращения вещества, происходящие в процессе жизнедеятельности организмов, и сопровождающие эти превращения изменения энергии. Статическая и динамическая биохимии тесно связаны между собой нельзя понять биохимические процессы, идущие в живом организме, не зная его состава и химической природы образующих его веществ.
В зависимости от объекта или направления его исследования различают биохимию человека, биохимию животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов, техническую биохимию, радиационную биохимию и т. п.
2. Белок как основа живой природы. Элементарный состав. Роль в процессах жизнедеятельности
Белки - это азотсодержащие, высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных в цепи с помощью пептидных связей и имеющие сложную структурную организацию.
Независимо от источников получения белки содержат при пересчете на сухое вещество (в %): углерода 50-55, кислорода 21-24, азота 15-18, водорода 6,5 - 7,3, серы 0,3 - 2,5 , фосфора 0 -2, золы 0 - 0,5.
Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования аминокислот в белке.
Общая формула АК
Функции
С т р о и т е л ь н а я (с т р у к т у р н а я) ф у н к ц и я. Белки образуют основу цитоплазмы любой живой клетки, с липидами создают структуру всех клеточных мембран и органелл.
К а т а л и т и ч е с к а я ф у н к ц и я. Все катализаторы биохимических реакций, называемые ферментами, по своей химической природе являются белками.
Д в и г а т е л ь н а я ф у н к ц и я. Любые формы движения в живой природе (сокращение и расслабление мышц, движение ресничек и жгутиков у простейших) осуществляется белковыми веществами клеток.
Т р а н с п о р т н а я ф у н к ц и я. В крови имеются белки, которые могут связывать и переносить определенные молекулы или ионы из одного органа в другой. В клеточных мембранах присутствует тип белков, способных связывать многие вещества и переносить их через мемрану.
З а щ и т н а я ф у н к ц и я. Многие белки защищают организм от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Антитела, образующиеся в организме - это специфические белки, обладающие способностью распознавать проникшие в организм бактерии, чужеродные белки, токсины, а затем обезвреживать их. Белки, участвующие в процессе свертывания крови, предохраняют организм от потери крови при повреждении кровеносных сосудов.
Р е г у л я т о р н а я ф у н к ц и я. Некоторые белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме. Одни из регуляторных белков вырабатываются железами внутренней секреции животных и носят название гормонов.
З а п а с н а я (п и щ е в а я) ф у н к ц и я. Семена многих растений образуют запасы белков, потребляемые как питательные вещества на первых стадиях развития зародыша. Пищевые белки имеются в яйце птиц, молоке и т.д.
3. Молекулярная масса белка. Формы белковых молекул. Физ.-хим. свойства
Молекулярная масса белков колеблется от 6 000 до 1 000 000 Дальтон и выше, она зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи (инсулин - 5700Д, Пепсин- 35 000Д, гемоглобин - 65 000Д).
Белки имеют различную форму, но выделяют две основных группы: глобулярные (шарообразные) и фибриллярные (веретенообразные). Глобулярные белки более компактны, в этих белках гидрофильные группы расположены преимущественно снаружи, а гидрофобные - внутри, образуя ядро.
Физико-химические свойства белков:
Структура белка определяет его свойства. Существует несколько групп свойств.
I. Электрохимические свойства белков:
1. белки - амфотерные полиэлектролиты (амфолиты). Это достигается за счет наличия концевых СОО- и NH3+ групп, а также ионогенных групп боковых радикалов (ГЛУ, АСП, ЛИЗ, АРГ, ГИС)
2. буферность белков (поддержка рН среды).
3. наличие заряда в белковой молекуле. Обусловлено соотношением кислых и основных АК, а также ионизацией бокового радикала. Степень ионизации зависит от рН среды. Так, если среда кислая, то ионизация СООН групп заторможена и белок приобретает «+» заряд. В щелочной среде заторможена ионизация NH2 групп и белок заряжается «--».
Изоэлектрическое состояние белка наступает, когда заряд белковой молекулы равен 0, а рН среды, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой (рI). Она определяется соотношением кислых и основных радикалов. У большей части белков цитоплазмы рI меньше 7, т.е. эти белки кислые; у ядерных белков больше 7, т.е. они основные. Наличие заряда используется для разделения белков с помощью электрофореза - движения белков в электрическом поле. Наличие заряда обусловливает устойчивость в растворе. В изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы и выпадают в осадок.
II. Гидрофильные свойства.
Белки хорошо связываются водой, обусловлено наличием полярных гидрофильных групп. Гидрофильность белков обусловлена полярными заряженными и полярными незаряженными группами, расположенными на поверхности их молекул. Полярными заряженными группами в молекуле белка являются радикалы лизина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот; полярными незаряженными - радикалы серина, треонина, тирозина, цистеина, аспарагина, глутамина и др. Гидрофильные вещества легко растворяются в воде и водных растворах.
В результате гидратации вокруг заряженных молекул белка образуется электрозаряженный водный слой (гидратная оболочка), состоящая из молекул воды. Вокруг электронейтральных молекул белка гидратная оболочка не образуется.
Гидратная оболочка препятствует агрегации белковых частиц и тем самым способствует устойчивсти раствора белка. Таким образом, заряд и гидратная оболочка являются важными факторами, обусловливающими устойчивость белковых растворов.
III. Растворимость белков.
Чем больше полярных групп содержит белок, тем больше он растворим. Глобулярные белки растворяются лучше. Растворимость белков зависит от 2-х факторов:
- наличия заряда;
- образования гидратной оболочки.
Чтобы осадить белок, необходимо ликвидировать эти 2 фактора. Осаждение белков с помощью нейтральных солей называется высаливание - обратимое осаждение. После удаления высаливающегося фактора белок сохраняет все свои свойства.
IV. Коллоидные свойства.
V. Денатурация.
4. Уровни струк. организации белков. Внутримолекул. связи
Структура белковых молекул отличается значительной сложностью и своеобразной организацией. Различают 4 уровня структурной организации белка.
Первичная структура - это последовательность аминокислот в полипептидной цепи, соединенных пептидными связями (прочные ковалентные).
Вторичная структура - это конфигурация полипептидной цепи в пространстве, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. Отдельные участки полипептидной цепи существуют в виде -спирали, бета- структуры (складчатого листа), нерегулярные вторичные структуры (кольца, изгибы, петли). Большое количество водородных связей.
Третичная структура - это способ укладки полипептидной цепи в пространстве в виде компактной упаковки, за счет связей между радикалами. В поддержании третичной структуры важную роль играют слабые, но многочисленные водородные связи, ионные и гидрофобные взаимодействия, а также сильные дисульфидные (ковал.) связи.
Четвертичная структура - это высший уровень структурной организации, возможный не у всех белков. Под четвертичной структурой понимают способ укладки в пространстве полипептидных цепей и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Четвертичную структуру стабилизируют нековалентные связи, которые возникают между контактными площадками протомеров. Например гемоглобин.
Типы связей между аминокислотами в белке.
Существует 2 группы связей:
1. Ковалентные - обычные прочные химические связи.
Пептидная связь.
Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты и NH2-группы соседней аминокислоты. Устойчива.
Дисульфидная связь - между остатками цистеина (внутримолекулярная связь).
2. Нековалентные (слабые) - физико-химические взаимодействия родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи. Водородные - между НО-, СООН-, NH2-группами радикалов АК (возникает между боковыми цепями АКи пептидными связями
Если водородные связи повторяются многократно, то - прочность.
Ионная связь - между СОО--группами глутамата и аспартата и NH3+-группами лизина и аргинина (относится к электростатическим вз-ям).
Гидрофобное взаимодействие -- между остатками алифатических и ароматических АК (отражает взаим-ие неполярных групп)
5. Первичная структура белка, видовая специфичность первич. стр-ры. Зависимость биол-х свойств белка от перв-й стр-ры
Первичная структура - это последовательность аминокислот в полипептидной цепи, соединенных пептидными связями.
Видовая специфичность - каждый вид растений и животных имеет особый, только ему присущий набор белков.
Последовательность и соотношение АК в первичной структуре определяет формирование вторичной, третичной и четвертичной структур.
В организме человека насчитывают около 50 000 индивидуальных белков. Видовая и индивидуальная специфичность набора белков в данном организме определяет особенности его строения и функционирования. Набор белков в дифференцирующихся клетках одного организма определяет морфологические и функциональные особенности каждого типа клеток. Одни и те же АК присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется порядком чередования АК в белке.
6. Конформация белковых молекул. Зависимость конформации от первичной структуры
Пептидные цепи содержат десятки, сотни и тысячи аминокислотных остатков, соединенных прочными пептидными связями. За счет внутримолекулярных взаимодействий (нековалентные связи) белки образуют определенную пространственную структуру, называемую "конформация “белков.
Вторичная структура белка - это способ укладки полипептидной цепи в более компактную структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между ними водородных связей. Можно выделить два возможных варианта вторичной структуры: б-спираль (б-структура) и в-складчатый слой (в-структура).
б-Спираль. Данная структура является правозакрученной спиралью, образуется при помощи водородных связей между пептидными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков. Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые обуславливают "перелом" цепи, ее резкий изгиб. Высота витка спирали составляет 0,54 нм и соответствует 3,6 аминокислотных остатков.
в-Складчатый слой. В этом способе укладки белковая молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белковой цепи способны взаимодействовать при помощи водородных связей. Ориентация реагирующих участков может быть параллельна (когда соседние цепи идут в одном направлении) или антипараллельна (цепи идут в противоположном направлении.