Лекция 3: Органические вещества. Белки - структурная основа биосистем.
План.
1. Органические вещества, их разнообразие и значение для существования живых существ.
2. Белки - структурная основа биосистем.
3. Аминокислотный состав белков.
4. Строение и химические свойства аминокислот.
5. Уровни структурной организации белковой молекулы.
6. Факторы поддержания и изменения конформации белка. Ф
7. Физико-химические свойства белков.
8. Ферменты. Классификация ферментов и ее принципы. Структурно-функциональная организация ферментов.
9. Свойства ферментов.
Все органические соединения на Земле делятся на четыре основные группы: белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Липиды: эфиры жирных кислот и спиртов. Разделяют на две большие группы: жиры и липоиды.
Жиры или глицериды-сложные эфиры трехатомных спирта глицерина и высших жирных кислот.
Липоиды-жироподобные вещества (фосфатиды, стероиды, стеарин, воски.)
Углеводы: имеют общую химическую формулу - (СН2О) n. Различают три основные группы углеводов: полисахариды, дисахариды, моносахариды
Нуклеиновые кислоты: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК (рибонуклеиновая кислота), АТФ, АДФ и АМФ, НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и ее производные НАДФ, НАД + Н, НАДФ + Н.
Белки: высокомолекулярные биополимеры, мономерного единицей которых является аминокислота.
Аминокислоты - органические (карбоновые) кислоты, содержат, как правило, одну или две аминогруппы (- NH2). В зависимости от положения аминогруппы в углеродной цепи по отношению к карбоксила различают a- b- g-. А. В природе широко распространена формула а - аминокислот. А-А., Имеющих (кроме глицина) один или два асимметричных атома углерода и, в основном, L-конфигурацию. В построении молекул белка участвуют обычно около 20 L- А-А. Специфическая последовательность чередования А. в пептидных цепях, определяемая генетическим кодом, обусловливает первичную структуру белка. Высшие растения и хемосинтезирующие организмы все необходимые им А. синтезируют из аммонийных солей и нитратов (у растений в клетках они восстанавливаются до NН3) и кето или оксикислот - продуктов дыхания и фотосинтеза. Человек и животные синтезируют большинство заменяемых А. из обычных безазотистых продуктов обмена и аммонийного азота незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей. Занимают центральное место в обмене азотистых веществ (входят в состав белков, пептидов, участвующих в биосинтезе пуринов, пиримидин, витаминов, медиаторов алкалоидов и др. Соединений). В организме окисляются, распадаются А. путем дезаминирования (особенно интенсивно идет в почках и печени) главным образом глутаминовой кислоты, образовавшейся путем переаминирования, приводит к образованию кето и оксикислот - промежуточных продуктов цикла трикарбоновых к-т. Далее они превращаются в углеводы, новые А. или окисляются до CO2 и H2O с выделением энергии. При этом азот в виде аммонийных солей, мочевины и мочевой кислоты выводится из организма. У растений связан азота используется более полно и азотистые отходы практически отсутствуют.
В тканях живых организмов встречаются А. (ок. 100), не входящих в состав белков. Среди них важные промежуточные продукты обмена веществ (орнитин, цистатионин и др.), А также редкие А., биологические функции которых неясны. В микробиологической промышленности используют способность мутантов штаммов некоторых микроорганизмов продуцировать различные А. (глутаминовая к-та, лизин и др.). А., а также их смеси, применяют в медицине, животноводстве (для обогащения кормов), как исходные продукты для промышленного синтеза полиамидов, красителей. Многие А. полученные абиогенным путем в условиях моделирующих атмосферу первобытной Земли (теория Опарина). АК является амфотерные соединения - сочетают свойства кислот и щелочей. Этим обусловлена их способность к соединению. АК остатки в составе пептида (цепи с АК) не имеют одного атома водорода в аминогруппе и атомов кислорода и водорода в карбоксильной группе, поскольку при образовании пептической связи отщепляется молекула воды.
В состав белков входит 20 различных аминокислот. Аминокислоты характеризуются наличием карбоксильной группы -СООН и аминогруппы-NH2. Молекулы белков образуют структуры: первичную, вторичную, третичную, четвертичную.
Первичная структура белка-цепь остатков аминокислот.
Вторичная структура белка-полипептидная цепь остатков аминокислот, закрученный в спираль.
Третичная структура белка-спираль полипептидной цепи приобретает пространственную конфигурацию.
Четвертичная структура белка-окончательная пространственная конфигурация белка, которая состоит из нескольких третичных структур. Объединены они между собой дисульфидными "мостиками" (см. Рисунок). На рисунке изображены четыре конфигурации или их еще называют конформации, соединенные с помощью четырех "мостиков" (на рисунке в виде четырех овалов).
Белки состоят из аминокислот (АК). Полипептиды - цепь до 50 АК. Выше 50 АК - это полноценный белок, растворимый в воде. Его молекулярная масса от 5000 до 50000 Белки с содержанием от 500 и выше АК - высокомолекулярные напиврозчинни или совсем не растворимы в воде.
Белки или протеины, высокомолекулярные органические соединения, играют первостепенную роль в жизнедеятельности всех организмов, участвуют в их строении, развитии и обмене веществ. Молекулярная м. Б. от ~ 5000 до многих миллионов. Бесконечное разнообразие белковых молекул (в Б. входят, как правило, 20 L-аминокислот), обусловленное разной последовательностью аминокислотных остатков и длиной полипептидной цепи, определяет различия их пространственной структуры, химических и физических свойств. Б обладают амфотерными свойствами и не проникают через полупроницаемые мембраны. Единой классификации Б. не существует. В зависимости от формы белковой молекулы различают фибрилярни и глобулярные Б., от выполняемой ими функции - структурные, каталитические (ферменты), транспортные (гемоглобин, церулоплазмин), регуляторные (некоторые гормоны), защитные (антитела, токсины) и др .; от состава - простые Б. (протеины, заключаются только из аминокислот) и сложные (протеиды, в состав которых вместе с аминокислотами входят углеводы - гликопротеиды, липиды - липопротеиды, нуклеиновые кислоты - нуклеопротеиды, металлы - металлопротеидов и т. д.); в зависимости от растворимости в воде, растворах нейтральных солей лугах, кислотах и органических растворителях - альбумины, глобулины, Глутелины, гистоны, протамины, проламинов. Биол. активность Б.. обусловлена их необыкновенно гибкой, пластичной и в то же время строго упорядоченной структурой, позволяющей решать проблемы узнавания на уровне молекул, а также осуществлять тонкие регулирующие действия. Различают следующие уровни структурной организации Б .: первичную структуру (последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи) вторичную (заключение полипептидной цепи в
аспиральни участка и b-структурные образования) третичную (трехмерную пространственную упаковку полипептидной цепи) и четвертичную (ассоциации несколько отдельных полипептидных цепей в единую структуру). Четвертичную структуру имеют не все Б.- чаще регуляторные. Иногда разные Б. образуют надмолекулярные структуры, функционирующие как единое целое. Наиболее устойчивая первичная структура Б., другие легко разрушаются при повышении температуры, резкой смене рН среды и др. действиях. Такое нарушение называется денатурацией и, как правило, сопровождается потерей биологических свойств. Первичная структура Б. определяет вторичную и третичную, то есть самосборные структуры белковой молекулы. Такая возможность показана на примере синтеза белка - фермента рибонуклеазы. Б. в клетках организмов постоянно обновляются. Необходимость их постоянного обновления лежит в основе обмена веществ. Решающая роль в биосинтезе Б. принадлежит нуклеиновым к-там. Последовательность аминокислот в Б. отражает последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (см. Генетический код, Транскрипция, Трансляция). Поэтому Б.- важнейшие маркеры для изучения процессов эволюции и экспрессии генов. Б.- один из основных продуктов питания человека и животных. Недостаток Б. в пище приводит к ряду тяжелых нарушений азотистого обмена.
Ферменты это белки - катализаторы химических реакций. Наиболее изучена лейцинаминопептидаза, выделенная в чистом виде из почек и хрусталика глаза и отщепляет преимущественно остатки аминокислот гидрофобного характера; используют при исследовании первичной структуры белков.
По типу реакций, которые катализируют, ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ или EC - Enzyme Commission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырех чисел, разделенных точками. Например, пепсин имеет код КФ 3.4.23.1. Первое число описывает класс реакций, катализирует фермент:
КФ 1: Оксидоредуктазы - ферменты, которые катализируют окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
КФ 2: Трансферазы - ферменты, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
КФ 3: Гидролазы - ферменты, которые катализируют гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипазу
КФ 4: Лиазы - ферменты, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
КФ 5: Изомеразы - ферменты, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
КФ 6: Лигазы - ферменты, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза
Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию - присоединение по двойным связям. Тем не менее направление реакции может привлекать несколько субстратов и быть таким, что обратная реакция практически не происходит.
Структуры белков: первичная, вторичная, третичная, четвертичная. Первичная структура удерживается с помощью пептидных связей типа ковалентных связей, образующихся в процессе стадии трансляции биосинтеза белков. Эти пептидные связи обеспечивают жесткость белка. Два конце аминокислотного цепочки называются C-концом или карбоксильным концом и N-концом или амино концов, заканчиваются свободной группой на каждом конце.
Различные виды вторичной структуры возникают локально между аминокислотами полипептидной цепочки и стабилизируются водородными связями. Однако, эти водородные связи в целом недостаточно устойчивы самостоятельно, так как водородная связь с молекулами воды обычно благоприятный, чем водородная связь между амидными группами. Поэтому вторичная структура устойчива только когда локальная концентрация воды достаточно низкая, например, в пределах глобулы или в полностью свернутом белка.
Так же как и вторичная структура, образование глобул и третичной структуры стабилизируется преимущественно структурно неспецифическими взаимодействиями, например сродством аминокислот и гидрофобными взаимодействиями. Однако, третичная структура стабилизируется только когда некоторые части белка закреплены структурно специфическими взаимодействиями, например ионными связями (солевыми мостиками), водородными связями и стеричною упаковкой боковых цепочек. Третичная структура внеклеточных белков может также стабилизироваться дисульфидными связями, которые сокращают энтропию развернутого состояния. Дисульфидные связи чрезвычайно редки в цитоплазматических белках, так как цитозоль обычно восстанавливающим окружением.
Свойства белков: процесс возбуждения структур белка в первичной - денатурация, возможна ретанурация.
Деструкция - нарушение пептидных связей белков.
Есть белки гидрофобные и гидрофильные, простые (протеины) и сложные содержащие соединения другой природы (протеиды).
Функции белков.
А. Строительная
Б. цитоскелет клетки
В. коллаген (хрящи)
Г. кератин
Д. защитная иммунная (иммуноглобулины и другие белки иммунной системы)
Есть белки крови для свертывания (фибрин, тромбопластин, тромбин)
Ж. регуляторная (гормоны, ферменты)
С. сократительная (актин, миозин).
И. запасающая (в птица альбумины)
К. гемоглобин
Л. нуклеопротеиды - остатки нуклеиновых кислот материальные носители наследственной информации.
М. - транспортная (перенос соединений через мембрану клетки).
Н. энергетическая - при расщеплении 1 г белков освобождается 17, 2 кДж энергии.
