История изучения белков. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека

Введение

Предмет и задачи биологической химии. Обмен веществ и энергии, иерархическая структурная организация и самовоспроизведение как важнейшие признаки живой материи.

Гетеротрофные и аутотрофные организмы различия по питанию и источникам энергии; катаболизм и анаболизм.

Многомолекулярные системы (метаболические цепи, мембранные процессы, системы синтеза биополимеров, молекулярные регуляторные системы) как основные объекты биохимического исследования.

Место биохимии среди других биологических дисциплин; уровни структурной организации живого; биохимия как молекулярный уровень изучения явлений жизни.

Основные разделы и направления в биохимии: биоорганическая химия, динамическая и функциональная биохимия, молекулярная биология. Биохимия и медицина (медицинская биохимия).

Возрастная биохимия: характеристики основных периодов развития человека: антенатальный (система мать-плацента-плод) и постнатальный (неоиатальный, грудной, ранний детский, дошкольный, пубертатный).

Строение и функции белков

История изучения белков. Представление о белках как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.

История изучения белков. Представление о белках, как важнейшем классе органических веществ и структурно-функциональном компоненте организма человека.

Термин "протеин" (protos (греч.) - первый) введен в 1838 по предложению Берцелиуса как наименование сложных азотсодержащих органических веществ, обнаруженных в клетках животных и растений.

В организме содержатся тысячи белков, выполняющих разнообразные функции, непосредственно связанные с их структурой. На их долю приходится 50% сухого веса практически всех клеток (исключая волосы, ногти, клетки, депонирующие жир). Белки являются непосредственными продуктами генома (в отличие от липидов и углеводов для которых в геноме кодируются структура ферментов для их синтеза). Белки также обеспечивают экспрессию генов, для реализации генетической информации. Большая часть белков наделена катали­тической активностью и является ферментами; остальные белки служат струк­турными и регуляторными элементами. При помощи белков, являющихся наи­более многосторонними из всех биомолекул, осуществляется целый ряд биоло­гических функций. Самую большую и наиболее важную по биологическому значению группу белков составляют ферменты. Вторую большую группу со­ставляют белки, представляющие структурные элементы ткани (коллаген, мембранные белки и др.). Другие типы белков являются обязательными компо­нентами сократительных и двигательных систем клеток (актин, миозин, тропомиозин); часть белков выполняет транспортные функции (сывороточный альбумин переносит жирные кислоты, гемоглобин переносит кислород и т.п.). Высокой биологической активностью обладают белковые гормоны (инсулин, соматотропин, адренокортикотропный гормон и многие другие).

Строение белков. Аминокислоты входящие в состав белков, их строение и свойства. Пептидная связь. Первичная структура белков Понятие о гомологии первичных структур различных белков.

Строение белков. Белки представляют собой высокомолекулярные биологиче­ские полимеры, составленные из 21 различного мономера - аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью. Если аминокислотная цепь содер­жит менее 10-20 остатков аминокислот, её называют пептидом, если более полипептидом. Полипептиды, состоящие из 50 и более аминокислотных остатков, называют белками.

Белки могут принимать различные пространственные формы в зависимости от их аминокислотного состава и последовательности. Особенностью белка яв­ляется способность поддерживать строго определенную обьемно - пространственную конфигурацию молекулы (конформацию).

Белки это высокомолекулярные биологические полимеры, построенные из аминокислот, соединенных пептидной связью.

Все белки содержат углерод (50,6-54,5 %), кислород (21,5-23,5 %), азот (15,0-17,6 %), водород (6,5-7,3 %), серу (0,3-2,5 %), данные величины отражают содержание элементов в сухом веществе. Сложные белки могут включать в себя и другие элементы.

Белки небольшого размера содержат примерно 50-150 аминокислотных остатков, бедки среднего размера - несколько сотен, крупные белки - свыше тысячи аминокислотных остаткрв (наиболее крупные - несколько тысяч, обычно они являются олигомерами).

В состав белков входят 21 протеиногенная аминокислота, которые кодиру­ются генетическим кодом и определяют свойства каждого белка.

Все аминокислоты, за одним исключением, содержат аминогруппу (-NH₂). Только пролин содержит иминогруппу (-NH-), фактически являясь иминокислотой. В составе аминокислот есть кислотная карбоксильная группа (-СООН). По химическому строению все аминокислоты похожи: центральный альфа-углеродный атом связан с карбоксильной группой, амино- (или имино-) группой, атомом во­дорода и различными боковыми радикалами R. Строение, размеры, физико-химические свойства, растворимость в воде радикалов R определяют различия аминокислот и позволяют классифицировать их:

1. полярные (гидрофильные) и неполярные (гидрофобные) аминокислоты;

2. нейтральные, кислые (отрицательно заряженные) и основные (положительно заряженные) аминокислоты; 3. циклические и ациклические аминокислоты.

Все аминокислоты (за исключением глицина) имеют асимметричный атом углерода и поэтому существуют в виде D- и L-стереоизомеров. Белки практиче­ски всегда содержат L-аминокислоты (D-аминокислоты встречаются в бактери­ях и пептидных антибиотиках). Свойства белков и пептидов определяются свой­ствами боковых радикалов аминокислот, входящих в их состав. В нейтральном диапазоне рН амино- и карбоксильные группы радикалов аминокислот практи­чески полностью ионизованы.

Аминокислоты классифицируют по характеру боковой цепи: полярные или гидрофильные и неголярные или гидрофоояые; нейтральные, кислые или отрицательно заряженные и основные или положительно заряженные; циклические и ациклические.

По наличию определенных структур в радикалах выделяют аминокислоты серосодержащие, ароматические, гидроксиамянокислоты, аминокислоты (последние в сущности аминокислотами не являются).

По возможности их синтеза в организме аминокислоты также делят на заменимые и незаменимые (эссенциальные).

В некоторых белках после окончания их синтеза осуществляется модифицикация имеющихся аминокислотных остатков, которая называется процес­сом посттрансляционной модификации. Включение в структуру аминокисло­ты дополнительной функциональной группы придает белкам свойства, необхо­димые для выполнения ими специфических биологических функций.(гамма-Карбоксиглютамат, наличие его молекулы на поверхности тромбина позволяет активно тромбину взаимодействовать с Ca, что нейтрализует отрицательный поверхностный заряд, открывает активный центр фермента и запускается реакция свертывания крови. О-фосфосерин позволяет, находясь в ферменте фосфоглюкомутазе переносить фосфор из 1-ого в 6-ое положение в глюкозо-фосфате. Гидроксипролин входит в состав колагена, благодяря гидроксильной группе, появляется дополнительное количество водородных связей, что придает прочность структуре колагена.)

Некоторые аминокислоты не могут быть синтезированы в организме чело­века и должны поступать вместе с пищей; это незаменимые аминокислоты.

Дефицит любой из них ведет к замедлению роста, специфическим метаболиче­ским нарушениям, вызывающим патологические состояния.

Гистидин и аргинин у новорожденных детей синтезируются в недостаточ­ном количестве, у взрослых недостатка в синтезе этих аминокислот нет, поэтому их называют частично заменимые аминокислоты. Для синтеза тирозина и цистеина требуются незаменимые аминокислоты фенилаланин и метионин, поэтому они - условнозаменимые аминокислоты.

Избыток аминокислот может приводить как к их антагонизму (конкурент­ному подавлению утилизации структурно сходных аминокислот), так и к ток­сичности (избыток метионина и тирозина стимулирует функции надпочечников, избыток триптофана может переходить в эндогенный канцероген -3-оксиантраниловую кислоту).

Пептидная связь

Конденсация аминокислот и образование полимера происходят за счет формирования пептидных связей, которые соединяют аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты.

Особенностью пептидной связи явля­ется её высокая прочность, что объ­ясняется резонасом двух ковалентных связей - одинарной и двойной и расположением -CO-NH- группиро­вок в одной плоскости.

Первичная структура белка - линейная последовательность аминокис­лотных остатков в полипептидной цепи. Информация о первичной структуре каждого белка закодирована в ДНК.

Аминокислотная последовательность белков определяет его пространст­венную структуру (конформацию) и специфическую биологическую функцию.

В организме человека более 50000 белков, каждый из них имеет уникаль­ную для данного белка первичную структуру. Все молекулы индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков, отличающий данный белок от любого другого белка. Замена даже одной аминокислоты часто приводит к утрате биологической активности белка. В гемоглобине замена глутамата (глутаминовой кислоты) в положении 6 бэта-цепи на валин вызывает серпо­видно-клеточную анемию.

Белки, выполняющие у разных видов одинаковые функции, называют­ся гомологичными. Их существование подтверждает общее эволюционное происхождение видов. Они характеризуются:

- одинаковой или незначительно отличающейся массой;

- содержат во многих положениях одни и те же аминокислотные остатки, которые определяют конформацию и биологическую функцию данных белков;

- различия в аминокислотном составе не затрагивают активного центра или участков, отвечающих за формирование конформации;

-содержат гомологичные последовательности аминокислот.

Инсулин разных организмов - основной регулятор углеводного обмена у животных и человека, имеет значительное сходство первичной структуры. Бы­чий инсулин отличается от инсулина человека по трем аминокислотным остат­кам, а инсулин свиньи отличается только на одну аминокислоту.