ВВЕДЕНИЕ. Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

доцент кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

доктор медицинских наук В.АНТОНОВ

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 3

_________________________________________

(номер по тематическому плану изучения дисциплины)

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «Биохимия белков (структура и функции»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

Г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

Лекция на тему: Белки – структура и функция

Цель лекции: Дать общую характеристику белков и их роль в процессах

жизнедеятельности. Рассмотреть аминокислоты как мономеры белковой молекулы и их основные свойства; современные представления об уровнях организации структуры белов, метод их определения, основные типы связей в белках и их роль в формировании структуры молекулы белка.

План лекции

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая лекция начинает систематический курс лекций по Биологической химии.

Тема: «белки, структура и функция» - наиболее важный раздел в курсе «Биологической химии», с него традиционно начинают изучение предмета. Это вызвано тем, что белки играют выдающуюся роль в построении живой материи и в осуществлении процессов жизнедеятельности, т.е. белки – это структура и функционирование живой материи. «Жизнь есть способ существования белковых тел» - гениальное определение природы жизни данное Ф. Энгельсом.

Это обстоятельство обусловлено теми особенностями, которые присущи белкам и несвойственны другим органическим соединениям:

1. гигантские белковые молекулы отличаются неисчерпаемымразнообразием структуры при строгой ее специфичности у данного конкретного вида белка;

2. белкам присуща способность к внутримолекулярным взаимодействиям, что обеспечивает динамичность структуры их молекулы, изменчивость и пластичность их формы, обратимость переходов из глобулярного в фибриллярное состояние;

3. обладая многоликими по химическим свойствам радикалами аминокислотных остатков в структуре полипептидной цепи, белковые молекулы в целом и отдельные их части способны вступать в разнообразные химические и физические взаимодействия как друг с другом, так и с нуклеиновыми кислотами, полисахаридами, липидами и т.п., образуя надмолекулярные комплексы, составляющие основу субклеточных структур;

4. важнейшей особенностью механизма возникновения указанных комплексов является безошибочное «узнавание» инградиентами друг друга и протекание самого процесса ассоциации по принципу самосборки;

5. молекулы белка закономерно изменяют свою структуру под влиянием внешнего взаимодействия и восстанавливают исходное состояние при его снятии, причем это может быть сопряжено с акцентированием и преобразованием энергии;

6. многие белки обладают уникальной способностью ускорять химические реакции организма, т.е. выполнять каталитическую функцию.

Белки выполняют и многие другие функции.

Биологические функции белка

1. Пластическая, строительная функция: белки – строительный материал живого, основа любой клетки, мембраны, субклеточных частиц.

2. Регуляторная функция:

а) ферменты – биокатализаторы белковой природы, регулирующие скорость химических реакций организма;

б) гормоны белковой природы – регуляторы обмена веществ организма;

в) специфические белки регуляторы, например белки тропонинового комплекса – регуляторы мышечного сокращения.

3. Транспортная функция: белки плазмы крови транспортируют липиды крови, типичным примером белка транспортера является гемоглобин, ацилпереносящий белок и т.д.

4. Защитная функция: примерами являются иммуноглобулины, белки свертывающей системы крови, интерферон и т.д.

5. белки обеспечивают видовую и индивидуальную специфичность (например: белки групп крови)

6. другие специфические функции:

а) опорно-механическая (белок – коллаген)

б) сократительная (мирозин, актин)

в) белки памяти

г) белки вкуса

д) токсикогенная функция (токсин ботулинуса является белком)

е) генно-регуляторная – регуляция матричной активности и перенос генетической информации

ж) рецепторная (составляет основу структуры мембранных и цитозольных рецепторов)

7. Резервная (овальбулин яйца – запасной материал для развивающихся клеток)

8. энергетическая (неспецифическая функция: при распаде 1г. белка выделяется 17, 1 кДж энергии)

По количественному содержанию в организме белки занимают второе место после воды, по значимости – первое место. В среднем принимают, что в сухом веществе организма содержится до 40-50% белка.

Только детально изучив строение белков и их свойства можно понять как перечисленные особенности белков, так и их функции.

Элементарный состав белков

Белками называют высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью в полипептид, и имеющие сложную структурную организацию. Это определение включает характерные особенности белков, в частности, особенности элементарного состава.

Элементарный состав белка был изучен в прошлом веке и может может быть представлен в % следующим образом: С -50-55, О -21-24, N -15-18, H -6, 5-7, - до 2, 5, зола – до 0, 5. обращает внимание довольно постоянная доля азота – 16%. Это находит практическое применение при определение количества белка: найденное путем анализа количество аминного азота умножают на коэффициент 6, 25 (находят из пропорции 100 г. белка – 16 г. N = х г. белка – 1 г. N).

Мономерами – структурной единицей белка являются α -аминокислоты, на которые распадаются белки при гидролизе.(прием, используемый при изучении состава белков).

Свойств протеиногенных аминокислот

1. Протеиногенные аминокислоты относятся α -аминокислотам (аминогруппа расположена в α положении по отношению к карбоксильной группе). Различаются аминокислоты своими радикалами:

H₂N – CH – COOH

│

R

2. Все аминокислоты, кроме глицина имеют ассиметрический атом углерода.

3. Все аминокислоты являются оптически активными: IO из них – левовращающие (-), 7 – правовращающие (+).

4. протеиновые аминокислоты относятся к L – ряду.

5. Аминокислотам присущи как свойства кислот, так и щелочей, т.е. они обладают амфотерностью. В интервале pH от 4.0 до 9.0 почти все аминокислоты существуют преимущественно в форме цвиттерионов с протонированной аминогруппой и диссоциированной карбоксильно группой.

6. каждая аминокислота наряду с общими свойствами, обладает рядом специфических свойств.

7. основной метод обнаружения аминокислот в гидролизатах – хроматография (ионообменная), использование аминокислотного анализатора; менее специфичными являются цветные реакции.

Классификация аминокислот

В природе существует около 200 аминокислот, 60 из них встречаются в организме, но в структуре белков постоянно встречаются – 18, которые и называются протеиногенными (иногда встречаются оксилизин, оксипролин, γ – карбоксиглютаминовая кислота.

Существует ряд химических классификаций, в основу их положено строение аминокислот (ациклические и циклические), число амино и карбоксильных групп (моноаминомонокарбоновые, диаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые), свойства радикалов (гидрофобные, гидрофильные, положительно и отрицательно заряженные) и т.д., с которыми можно более подробно познакомится по учебнику. Следует обратить особое внимание на биологическую классификацию: деление аминокислот на незаменимые (которые не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей) и заменимые (способные синтезироваться из незаменимых аминокислот или образовываться в реакциях метаболизма). Для облегчения запоминания названий незаменимых аминокислот из первых букв их составлена грамматически не совсем верная фраза:

ФИЛМ – ГВАЛТТ

Следует только иметь в виду, что на «А» имеются три аминокислоты: аланин, аспарагиновая кислота и аргинин, но только последняя, как и вторая из диаминомонокарбоновых кислот – лизин является незаменимой. Подобным образом на букву «Т» начинаются три аминокислоты, но третья – тирозин, может быть легко синтезирована в организме из фенилаланина и не является незаменимой.

Структура белковой молекулы

Среди большого числа разнообразных гипотез только одна выдержала испытание временем – это полипептидная теория строения белковой молекулы, предложенная в 1902 году Э. Фишером на базе выдвинутых русским ученым Александром Яковлевичем Данилевским (профессором, основавшем нашу кафедру, бывшем начальником Академии с по год) идей о роли связи «-CO-NH» в строении белка. Согласно этой теории, белковые молекулы – гигантские полипептиды, построенные из нескольких десятков, а иногда и сотен постоянно встречающихся в составе белков аминокислот, соединенных пептидной связью (первая, начальная аминокислота полипептида вступает в пептидную связь своей α карбоксильной группой с α аминогруппой следующей кислоты. Поэтому ее аминогруппа остается свободной и она называется N-концевая аминокислота, в то время как у последней аминокислоты свободна карбоксильная группа – С концевая аминокислота. К настоящему времен наличие пептидных связей в белке является экспериментально доказанным и таких доказательств, описанных в учебнике, – шесть.

Пептидная связь имеет ряд особенностей:

1. по прочности ее рассматривают как промежуточную между простой и двойной химической связью;

2. отличает ее планарность, т.е. все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости;

3. характерно транс–положение заместителей по отношению к –C–N – связи

H

│

(–C–N–);

║

О

4. замечательная способность образовывать водородные связи, причем каждая из пептидных групп способна участвовать в образовании 2-х водородных связей с другими группами, в том числе и пептидными, исключая те пептидные связи, в образовании которых принимает участие пролин или оксипролин.

В настоящее время в достаточной мере разработано представление об уровнях организации белковой молекулы, впервые выдвинутое Линдерстром-Лангом (1952). Это первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры. То, что мы только что рассмотрели – полипептидную цепь – это и есть первичный уровень. Т.о. под первичной структурой подразумевают строго определенную последовательность расположения аминокислот в одной или нескольких полипептидных цепях, составляющих молекулу белка. Это простейший уровень организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи. Первичная структура:

а) уникальна для каждого белка, аминокислоты в молекуле каждого индивидуального белка имеют строгую последовательность (упорядоченность молекулы);

б) генетически детерминирована кодом ДНК;

в) это основа, именно она определяет все последующие структуры, биологические и физико-химические свойства белка;

г) в ее основе чередуются жесткие структуры (плоские полипептидные участки) с относительно подвижными участками (–CHR), которые способны вращаться вокруг оси.

Вторичная структура – конфигурация полипептидной цепи, способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры подразделяют на спиральные (α -спираль) и слоисто складчатые (ϐ -структура, кросс – ϐ форма). Наиболее часто встречающаяся вторичная структура – правая α спираль. Модель ее была разработана в 1952 году Полингом и Кори.

Основные особенности α – спирали:

1. спиральная конфигурация полипептидной цепи имеет винтовую симметрию;

2. образование водородной связи происходит между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотных остатков;

3. регулярность витков спирали;

4. равнозначность всех остатков аминокислот в α -спирали независимо от строения боковых радикалов;

5. боковые радикалы не участвуют в образовании α -спирали.

Внешне α -спираль похожа на растянутую спираль электроплитки. Стабилизируется α -спираль водородными связями между пептидными группами. Регулярность водородных связей (1-4, 2-5, 3-6 и т.д.) определяет регулярность витков α -спирали: высота 1 витка или шаг спирали равен 0, 54 мм, в него входят 3, 6 аминокислотных остатков.

ϐ структура – разновидность вторичной структуры, которая имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или участками смежных полипептидных цепей. Ее также называют слоисто-складчатой структурой, стабилизируется она межпептидными водородными связями, иногда дисульфидными мостиками, образующимися вдоль полипептидной цепи в местах расположения остатков цистеина. Благодаря дисульфидным мостикам короткие пептиды замыкаются в циклы.

Во многих белках имеются одновременно и α -спиральные участки и ϐ -структуры, вместе с тем возможны переходы α -спиралей к ϐ -структурам и обратно вследствии перестройки водородных связей.

Сейчас выделяют и надвторичную структуру. Под надвторичной структурой подразумевают закономерное возникновение в процессе свертывания полипептидной цепи элементарных структур, представленных ϐ -слоями (ϐ -ϐ -структур), состоянием α спиральных участков (α, α – структура) и тех и других одновременно (греческий ключ, греческий орнамент).

Из природных белков на 100% спирализован только парамиозин, остальные – характеризуются определенным соотношением α -спиралей и ϐ -структур (%):

Спирализация уменьшает размеры полипептидной цепи в 4 раза, в десятки раз делает более компактной молекулы белка третичная структура.

Третичная структура – способ укладки спирализованной полипептидной цепи в 3-х мерном пространстве.

Третичная структура:

- уникальна для каждого белка;

- формируется сразу же после завершения синтеза молекулы белка на рибосоме путем самоорганизации в энергетически более выгодную форму;

- формируется за счет радикалов аминокислот, т.е. предопределена первичной структурой данного белка.

Первая модель третичной структуры создана Дж. Кендрю в 1952 году для миоглобина кашалота. Сейчас третичная структура расшифрована для 300 белков, причем для 30-ти из них учеными нашей страны. В стабилизации ее принимают участие ковалентные связи – дисульфидные и псевдопептидные (связь, которая может образоваться за счет NH₂ и COOH группами радикалов аминокислот), но в основном слабые связи: водородные, ионные, неполярные (Ван-дер-Вальсовы). В виду большого участия в стабилизации структуры слабых сил, третичная структура очень лабильна, подвижна, легко изменяется под воздействием факторов среды (t, pH, ионной силы).

Изучение химических структур некоторых белков показала, что в их третичных структурах отчетливо выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот, а полипептидная цепь, фактически, обматывается вокруг гидрофобного ядра. В ряде случаев в молекуле обособляются 2 или 3 таких гидрофобных ядра. Такой тип молекулы характерен для многих ферментов, что явилось отправной точкой создания учения о доменном принципе строения молекулы белка.

Под доменом подразумевают обособленную часть молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией.

Наличием доменов объясняется существование в молекулах белков различных функциональных центров: активного, аллостерического, центра химической модификации и др.

Четвертичная структура белковой молекулы

Для большинства белков организация молекулы ограничивается третичной структурой. Но некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, и каждая из них имеет вторичную и третичную структуру молекулы. Такой белок называется олигомерным, а полипептидные цепи после формирования уровня третичной структуры – субъединицами, протомерами. При четвертичном уровне организации белки сохраняют основную конфигурацию третичной структуры (фибриллярную или глобулярную). Так, известный всем белок гемоглобин состоит из 4-х субъединиц (4-х глобул и в целом белок – глобулярный). Кератины – по третичной структуре фибриллы и в целом белок фибриллярный. Число субъединиц в молекуле белка может быть от 2 до 16-ти, чаще – четное число (2 и 4), редко – нечетное число. Если молекулярная масса белка больше 50 тысяч дальтон, то большая вероятность, что молекула белка имеет четвертичную структуру.

Биологическое действие белка проявляется только тогда, когда субъединицы молекулы белка вместе. Контакт между субъединицами осуществляется за счет полярных групп аминокислот, так как при формировании третичной структуры небольшие гидрофобные радикалы уходят внутрь молекулы. Полярные группы образуют многочисленные ионные, водородные, в некоторых случаях дисульфидные мостики. Разрушение четвертичной структуры приводит к потере биологических свойств данного белка.

Биологический уровень. В клетках белки способны соединяться друг с другом, присоединять другие молекулы, образуя надмолекулярные комплексы. Белков с липидами дает начало мембранам, эндоплазматическому ретикулуму, митохондриям; соединения белка с полисахаридами – характерно для клеточных стенок; рибосомы – пример комплекса белка с РНК.

Расшифровка структур белка

Последовательность аминокислот в белках – уникальна и детерминрованна генами. В 1953 году Фредерик Сэнджер определил аминокислотную последовательность в инсулине. К настоящему времени выделены в чистом виде сотни различных белков, а у десятков из них детально изучены структуры. Изучение отдельных частей белковых молекул, выяснение взаимного расположения этих частей, изучение структуры белковых молекул является основной задачей химии белка и необходимо для выяснения физиологической роли белков.

Расшифровка первичной структуры белков, т.е. определение последовательности аминокислот в белковой молекуле представляет большой интерес по следующим причинам:

1. это важно для выяснения молекулярной основы биологической активности, особенно при сопоставлении с другими химическими и физическими характеристиками;

2. важно для выяснения принципов, на основе которых из полипептидной цепи формируются трехмерные структуры;

3. последовательность аминокислот в белке служит связующим звеном между генетической информацией, заложенной в ДНК и трехмерной структурой белка, лежащей в основе его биологической активности;

4. изменение в аминокислотной последовательности могут привести к нарушению нормальной функции белка, а следовательно к болезни;

5. данные о последовательности аминокислот в молекуле белка позволяют установить эволюционные связи в природе;

6. наконец, знание аминокислотной последовательности белка дает возможность искусственному синтезу данного белка.

Методы изучения структур белковой молекулы

Заключение

Таким образом мы рассмотрели многочисленные биологические функции белков; благодаря которым белки занимают особое место в процессах жизнедеятельности. В свою очередь функции, выполняемые белками определяются особенностями структур белковой молекулы, структурными компонентами которой являются протеиногенные аминокислоты. От природы и порядка соединения аминокислот в молекуле белка, т.е. от его первичной структуры (детерминированной информацией заложенной в геноме) зависят все последующие уровни организации белковой молекулы, их биологические и все остальные свойства белка, включая физико-химические, которые будут рассмотрены в следующей лекции.

Литература использованная при подготовке текста лекции:

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологическая химия. М. Медицина 1990, с. 16-59

2. Николаев А.Я. Биологическая химия. М. 1989

3. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии М. Высшая школа, 1993 г.

Литература рекомендованная для самоподготовки

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологическая химия. М. Медицина 1998.

2. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3-х тт. – М.; Мир, 1990.

3. Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. Биохимия человека: В 2-х тт. – М.: Мир, 1993.