Раздел 1. Простые и сложные белки. Нуклеиновые кислоты. Ферменты, коферменты, витамины
1.1. Семинар «Химия белков, аминокислоты»
Белки – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых построены из остатков аминокислот, составляют основу структурных элементов клеток и тканей, а также выполняют многообразные жизненно важные функции (транспортные, защитные, регуляторные, каталитические), обусловленные способностью за счет своей уникальной пространственной структуры распознавать другие молекулы и взаимодействовать с ними.
Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными связями (-CO-NH-), образуя полипептидные цепи. Пептидная связь возникает между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты, при этом отщепляется молекула воды.
Аминокислоты, кодируемые генетическим кодом и включающиеся в процессе трансляции в белки, называют протеиногенными. В основу современной классификации аминокислот положено химическое строение их радикалов. Каждая аминокислота имеет не только своё название (тривиальное и химическое), но и принятое трехбуквенное сокращение, а также латинский однобуквенный символ.
Следует отметить, что аминокислоты являются не только структурными элементами пептидов и белков, но и входят в состав других природных соединений (коферментов, конъюгированных желчных кислот, антибиотиков). Некоторые аминокислоты являются предшественниками биологически активных веществ (гормонов, биогенных аминов) или важнейшими метаболитами (глюконеогенез, биосинтез и деградация протеиногенных аминокислот, цикл мочевинообразования).
Аминокислоты традиционно делятся на заменимые и незаменимые в зависимости от возможности их синтеза в организме животного. Для большинства моногастричных (нежвачных) животных незаменимыми являются 8 аминокислот: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин, для растущего организма детенышей к незаменимым относят также аргинин и гистидин. Жвачные животные получают незаменимые аминокислоты преимущественно за счет бактериального белка, синтезируемого в рубце.
В белках различают несколько уровней структурной организации: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура определяется числом и последовательностью аминокислотных остатков, соединённых между собой пептидными связями. Вторичная структура возникает за счёт образования водородных связей между группами >N-H и O=C< данной полипептидной цепи, что приводит к упорядоченному расположению отдельных участков полипептидной цепи в виде α-спиральной или β-складчатой структуры. Третичная структура белков образуется за счёт взаимодействия радикалов аминокислот (водородные связи, ионные связи, дисульфидные мостики, гидрофобные взаимодействия). Четвертичная структура некоторых белков образуется при взаимодействии отдельных полипептидных цепей, обладающих вторичной и третичной структурой.
Белки условно делят на простые (при гидролизе образуют смесь аминокислот) и сложные, или конъюгированные (состоят из белкового и небелкового компонентов). В качестве небелковой части (простетической группы) конъюгированных белков могут выступать нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, металлы, пигменты, а также фосфорная кислота и коферменты, что находит отражение в классификации данной группы биологических соединений:
• хромопротеины
• нуклеопротеины
• липопротеины
• фосфопротеины
• гликопротеины
• металлопротеины
Хромопротеины содержат окрашенную простетическую группу, например, красные белки – гемопротеины (гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза, пероксидаза), желтые белки – флавопротеины (ферменты класса оксидоредуктаз, содержащие производные рибофлавина).
Нуклеопротеины в качестве простетической группы содержат ДНК или РНК, что объясняет их участие в экспрессии генов и биосинтезе белка.
Липопротеины содержат такие липиды как триацилглицеролы, свободные жирные кислоты, эфиры холестерина, фосфолипиды и отличаются друг от друга процентным содержанием белка и плотностью. Липопротеины встречаются как в свободном виде (ЛП плазмы крови), так и в структурированном (в составе клеточных и внутриклеточных биомембран).
Фосфопротеины участвуют в процессе эмбриогенеза. Это такие белки, как казеиноген молока, вителлин и фосвитин куриного желтка, ихтулин икры рыб. Известно, что фосфорилирование-дефосфорилирование белков и ферментов – способ изменения их функциональной активности.
Гликопротеины являются объектом интенсивного исследования, что объясняется многообразием их строения и выполняемых функций. Это гликоконъюгаты, к которым относят большинство белковых гормонов, антитела (иммуноглобулины), белки плазмы крови и молока, интерфероны, факторы комплемента, рецепторные белки.
Металлопротеины представляют белки, содержащие в своей структуре ионы металлов (железа, меди, кобальта, марганца, молибдена, цинка, магния, кальция и др.). Типичные представители металлопротеинов, содержащих негемовое железо, – это ферритин, трансферрин, гемосидерин.
Большинство методов анализа белков и аминокислот связаны с их физико-химическим свойствами, например, с наличием определенных функциональных групп, размером и формой молекул, подвижностью в электрическом поле, различным распределением в системе подвижной и неподвижной фазы при разных видах хроматографии, способностью к поглощению в ультрафиолетовой области спектра.
1) Предмет биологической химии. Основные этапы развития биохимии. Важнейшие проблемы современной биохимии. Место биохимии среди биологических наук. Использование достижений биохимии в животноводстве, других областях сельского хозяйства. Химический состав живых организмов.
2) Белки – основа структуры и функции живых организмов. Биологическая роль белков. Методы выделения и очистки белков. Аминокислотный состав белков. Классификация аминокислот. Характер связей остатков аминокислот в каждой молекуле белка. Полипептиды и их строение. Биологически активные пептиды.
3) Физико-химические свойства белков. Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, третичная, четвертичная cтруктуры белков. Фолдинг белковых молекул. Понятие о шаперонах. Связь структуры и функции белков.
4) Классификация белков. Простые белки: протамины и гистоны, проламины и глутелины, альбумины и глобулины.
5) Сложные белки: хромопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины, фосфопротеины, металлопротеины.
Вопросы, требующие однозначного ответа «да» (+) или «нет» (-). Ответы проиллюстрируйте соответствующими структурами и аргументами.
1. Аспартат содержит карбоксильную группу группу.
2. Ксантопротеиновая реакция характерна для всех циклических аминокислот.
3. Дает ли смесь свободных аминокислот дает положительную нингидриновую реакцию?
4. Аминокислота треонин содержит свободную гидроксильную группу.
5. Обладают ли валин, лейцин и изолейцин гидрофобными свойствами?
6. Дает ли смесь свободных аминокислот положительную биуретовую реакцию?
7. Можно ли рассматривать аргинин как производное валериановой кислоты?
8. Имидазольное кольцо гистидина содержит 2 атома азота.
9. Альбумины сыворотки крови выполняют транспортную функцию.
10. Пролин содержит вторичную аминогруппу.
11. Аспарагин является производным янтарной кислоты.
12. Влияет ли концентрации вещества в растворе на интенсивность его окраски?
13. Встречаются ли в организме человека аминокислоты, которые не входят в состав белков?
14. Участвует ли ε-NH2-группа лизина в образовании пептидной связи в белках?
15. Обладают ли радикалы глутамина и лейцина гидрофильными свойствами?
Вопросы, требующие однозначного ответа «да» (+) или «нет» (-). Ответы проиллюстрируйте соответствующими структурами и аргументами.
1. Целостность четвертичной структуры белка важна для проявления его биологической активности.
2. Кератин нерастворим в воде.
3. Все белки содержат однотипные домены.
4. Фолдинг белковых молекул начинается с быстрого формирования элементов вторичной структуры.
5. Природные пептиды могут обладать гормональной активностью.
6. Применим ли метод диализа для разделения белков с различной молекулярной массой?
7. Вся ли полипептидная цепь белков полностью спирализована?
8. Содержится ли белок в моче млекопитающих?
9. Участвуют ли водородные связи в образовании вторичной структуры белка?
10. Относятся ли гистоны к кислым белкам?
11. Наличие электрических зарядов стабилизирует белковые молекулы в растворе.
12. Все ли белки растворимы в воде?
13. Разрываются ли пептидные связи при тепловой денатурации белка?
14. N-концевая аминокислота в дипептиде фенилаланиллизин – фенилаланин.
15. С-концевая аминокислота в трипептиде цистеинилпролилгистидин – гистидин.
Вопросы, требующие однозначного ответа «да» (+) или «нет» (-). Ответы проиллюстрируйте соответствующими структурами и аргументами.
1. Простетическая группа нуклеопротеинов представлена нуклеиновыми кислотами.
2. Углеводы не могут быть простетической группой сложных белков.
3. Фосфорная кислота в фосфопротеинах присоединяется к гидроксильным группам серина, треонина или тирозина.
4. Протамины и гистоны входят в состав нуклеопротеинов.
5. Миоглобин относится к хромопротеинам.
6. Может ли происходить разрыв водородных связей при денатурации белка?
7. Относятся ли флавопротеины к классу хромопротеинов?
8. В молекуле гемоглобина два типа различных субъединиц.
9. Ферритин является гемопротеином.
10. В оксигемоглобине железо двухвалентно.
11. Могут ли сложные белки выполнять каталитические функции в организме?
12. Связана ли серповидно-клеточная анемия с изменением первичной структуры гемоглобина?
13. Миоглобин является олигомерным белком.
14. Гем связан с глобином через гистидин.
15. Пепсин является гликопротеином.
1.2. Лабораторная работа «Цветные реакции на белки и аминокислоты»
Белки – полимерные соединения, построенные из аминокислот, которые соединены между собой пептидными связями. Аминокислоты – производные карбоновых кислот, у которых три валентности α-углеродного атома всегда образованы одним атомом водорода (—H), аминогруппой (—NH2) и карбоксильной группой (—COOH). Четвертая валентность может быть образована одним атомом водорода (—Н у глицина) или группировкой атомов, называемой радикалом аминокислот (—R). В составе радикалов многие аминокислоты имеют реакционно-способные (функциональные) группы. Например: