Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
водорастворимы. Растворимость объясняется наличием заряда и взаимоотталкиванием заряженных молекул белка, наличием гидратной оболочки – чем больше полярных и/или заряженных аминокислот в белке, тем больше гидратная оболочка (100 г белка альбумина связывает г воды. o o Строение, свойства и классификация аминокислот и белков МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ БЕЛКОВ Так как растворимость белков зависит от заряда и наличия гидратной оболочки, то исчезновение одного или обоих этих факторов ведет к осаждению белка. ДЕНАТУРАЦИЯ – необратимое осаждение белка из-за разрыва связей, стабилизирующих четвертичную, третичную, вторичную структуры белка, сопровождаемое изменением растворимости, вязкости, химической активности, снижением или полной потерей биологической функции. 1. Физическая денатурация – повышение температуры, ультрафиолетовое и микроволновое излучение, механические воздействия, ионизация заряженными частицами. 2. Химическая кислоты и щелочи образуют водородные связи с пептидными группами, органические растворители образуют водородные связи и вызывают дегидратацию, алкалоиды образуют связи с полярными группами и разрывают систему водородных и ионных связей тяжелые металлы взаимодействуют с заряженными радикалами, нейтрализуют отрицательные заряды и разрывают систему водородных и ионных связей. ОБРАТИМОЕ ОСАЖДЕНИЕ bОбратимость осаждения белков обусловлена сохранением первичной структуры белка. Восстановление физико-химических и биологических свойств белка называется ренатива- ция (ренатурация) Иногда для ренативации достаточно просто удалить денатурирующий объект. Высаливание Высаливание – это добавление растворов нейтральных солей (Na 2 SO 4 , (NH 4 ) 2 SO 4 ). Анионы (SO 4 2– ) и катионы (Na + , NH 4 + ) взаимодействуют с зарядами белка (группы NH 4 + и COO – ). В результате заряд исчезает, и соответственно, исчезает взаимоотталкивание молекул. Одновременно резко уменьшается гидратная оболочка. Это ведет к "слипанию" молекул и осаждению. Так как белки плазмы крови отличаются по размерам, заряду, строению, то можно подобрать такие количества соли, которые вызовут осаждение менее устойчивых белков, пока другие еще будут растворены. Например, подобным образом раньше определяли соотношение альбумины/глобулины в плазме крови. Альбумины, как более полярные молекулы, остаются в растворенном состоянии при 50% насыщении раствора нейтральными солями, в то время как глобулины в этих условиях уже осаждаются. В норме соотношение альбумины/глобулины в плазме крови равно 1,2-1,8. Осаждение водоотнимающими средствами При добавлении водоотнимающих средств (ацетон, этанол) происходит отнятие у белка гидратной оболочки, ноне заряда. Растворимость несколько снижается, но денатурации не наступает. Например, антисептическое действие этанола. Изменение рН Мягкое изменение рН до изоэлектрической точки белка ведет к исчезновению заряда, уменьшению гидратной оболочки и снижению растворимости молекулы. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии СВОЙСТВА БЕЛКОВЫХ РАСТВОРОВ Свойства белковых растворов определяются большими размерами молекул, те. белки являются коллоидными частицами и образуют коллоидные растворы. К свойствам коллоидных растворов относятся 1. Рассеивание луча света, проходящего через белковый раствори образование светящегося конуса – эффект Тиндаля. 2. Малая скорость диффузии. 3. Неспособность белковых частиц проникать через полунепроницаемые мембраны (целлофан, т.к. их поры меньше диаметра белков. Это используется в диализе – очистка белковых препаратов от посторонних примесей и лежит в основе работы "искусственной почки" для лечения острой почечной недостаточности. 4. Создание онкотического давления, то есть перемещение воды в сторону более высокой концентрации белка, что проявляется, например, как формирование отеков при повышении проницаемости сосудистой стенки. 5. Высокая вязкость в результате сил сцепления между крупными молекулами, что проявляется, например, при образовании гелей и студней. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ А ПО ФУНКЦИИ bСм выше "Функции белков" Б ПОСТРОЕНИЮ. По форме молекулы Глобулярные – соотношение продольной и поперечной осей составляет <10 ив большинстве случаев не более 3-4. Они характеризуются компактной укладкой поли- пептидных цепей. Например инсулин, альбумин, глобулины плазмы крови. Фибриллярные – соотношение осей >10. Они состоят из пучков полипептидных цепей, спиралью навитых друг на друга и связанные между собой поперечными ковалентными и водородными связями. Выполняют защитную и структурную функции. Например кератин, миозин, коллаген. 2. По количеству белковых цепей водной молекуле o мономерные – имеют одну субъединицу (прото- мер, например альбумин, миоглобин. полимерные – имеют несколько субъединиц. Например, гемоглобин (4 субъединицы, лактатде- гидрогеназа (4 субъединицы, креатинкиназа (2 субъединицы, Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 16 3. По химическому составу Простые – содержат в составе только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины. Подробно эти белки характеризуются ниже. Сложные – кроме аминокислот имеются небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины. Подробно эти белки характеризуются ниже. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОСТЫХ БЕЛКОВ Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин. Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в чистом" виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами. Их относят к простым белкам, т.к. связи с небелковой группой слабые. А ЛЬБУМИНЫ Группа белков плазмы крови с молекулярной массой около 40 кДа, имеют кислые свойства и отрицательный заряд при физиологических рН, т.к. содержат много глутаминовой кислоты. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются в крови переносчиком многих веществ, в первую очередь билирубина и жирных кислот. Г ЛОБУЛИНЫ Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные. Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в осадочных" пробах (тимоловая, Вельтмана). Часто содержат углеводные компоненты. При обычном электрофорезе разделяются, как минимум, на 4 фракции – α 1 , α 2 , β и γ. Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции многочисленны. Часть глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови от преждевременного разрушения, например, α 1 -антитрипсин, α 1 -антихимотрипсин, α 2 -макроглобулин. Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ трансферрин (переносчик ионов железа, церулоплазмин (содержит ионы меди, гаптогло- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 17 бин (переносчик гемоглобина, гемопексин (переносчик тема. Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма. Г ИСТОНЫ Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК. Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н, другие гистоны На, H2b, НЗ, Н богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%). Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряди другие свойства белков. Можно выделить две функции гистонов: 1. Регулируют активность генома, а именно препятствуют транскрипции. 2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК. Гистоны образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов На, H2b, НЗ, Н. Нуклеосомы соединяются между собой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК враз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом. П РОТАМИНЫ Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, у ряда организмов (рыбы) они являются заменителями гистонов, есть в спермиях. Отличаются резко увеличенным содержанием аргинина до 80%). Протамины присутствуют в клетках, неспособных к делению. Их функция как у гистонов – структурная. Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 18 К ОЛЛАГЕН Фибриллярный белок с уникальной структурой. Обычно содержит моносахаридные галактоза) и дисахаридные (галактоза-глюкоза) остатки, соединенные с ОН-группами некоторых остатков гидроксилизина. Составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, ив других тканях. Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и состоит из повторяющегося триплета [Гли-А-В], где Аи В – любые, кроме глицина, аминокислоты. В основном это аланин, его доля составляет 11%, доля пролина и гидроксипролина – 21%. Таким образом, на другие аминокислоты приходится всего 33%. Структура пролина и гидроксипролина не позволяет образовать спиральную структуру, из-за этого образуется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка. Молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген длина 300 нм, диаметр 1,6 нм. Полипеп- тидные цепи прочно связаны между собой через аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм. Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколла- гена друг относительно друга на 1/4 их длины. В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть – выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген. Э ЛАСТИН По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидрокси- пролина. Отсутствие пролина обуславливает наличие спиральных эластичных участков. Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина, который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях. Аминогруппы и карбоксильные группы десмозина включаются в образование пептидных связей одного или нескольких белков. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии СТРОЕНИЕ ИК Л АСС И ФИ КА Ц И Я СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ У сложных белков, кроме белковой цепи, имеется дополнительная небелковая группа. Она называется лиганд, (лат. ligo – связываю) то есть молекула, связанная с белком. В случае если лиганд несет структурную и/или функциональную нагрузку, он называется простетической группой. В роли лиганда могут выступать любые молекулы молекулы, выполняющие в белке структурную функцию – липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные элементы, какие-либо другие органические соедине- ния:гем в гемоглобине, углеводы в гликопротеинах, ДНК и РНК в нуклеопротеинах, медь в церулоплазмине, переносимые белками молекулы железо в трансферрине, гемоглобин в гаптоглобине, гем в гемопексине, субстраты для ферментов – любые молекулы и даже другие белки. Узнавание лиганда обеспечивается комплементарностью структуры центра связывания белка структуре лиганда, иначе говоря, пространственными химическим соответствием белка и лиганда. Они подходят друг к другу как ключ к замку, например, соответствие фермента и субстрата, иногда узнавание может зависеть от реакционной способности атома, к которому присоединяется лиганд. Например, связывание кислорода железом гемоглобина, или жирной кислоты с альбумином. Функции лиганда в составе сложного белка разнообразны изменяет свойства белков (заряд, растворимость, термолабильность), например, фосфорная кислота в фосфопротеинах или остатки моносахаридов в гликопротеинах, защищает белок от протеолиза вне и внутри клетки, например углеводная часть в гликопротеинах, обеспечивает возможность транспорта нерастворимых вводе соединений, например, перенос жиров липопротеинами, придает биологическую активность и определяет функцию белка, например, нуклеиновая кислота в нуклеопротеинах, гем в гемоглобине, углевод в рецепторных белках, влияет на проникновение через мембраны, внутриклеточную миграцию, сортировку и секрецию белков, это выполняет, как правило, углеводный остаток. М ЕТАЛЛОПРОТЕИНЫ Металлопротеины, кроме белка, содержат ионы одного или нескольких металлов. Ме- таллопротеины часто являются ферментами. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка и выполняют следующие функции Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 20 o участвуют в ориентации субстрата в активном центре фермента, входят в состав активного центра фермента и участвуют в катализе, например, служат акцепторами электронов на определенной стадии ферментативной реакции. К металлопротеинам, например, относятся белки, содержащие медь – цитохромоксидаза, в комплексе с другими ферментами дыхательной цепи митохондрий участвует в синтезе АТФ, железо – ферритин, депонирующий железо в клетке, трансферрин, переносящий железо в крови, цинк – алкогольдегидрогеназа, обеспечивающая метаболизм этанола и других спиртов, лактатдегидрогеназа, участвующая в метаболизме молочной кислоты, карбоангидраза, образующая уголюную кислоту из CO 2 и H 2 O, щелочная фосфатаза, гидролизующая фосфорные эфиры различных соединений. селен – тиреопероксидаза, участвующая в синтезе гормонов щитовидной железы, антиоксидантный фермент глутатионпероксидаза, кальций – амилаза слюны и панкреатического сока, гидролизующая крахмал. Н УКЛЕОПРОТЕИНЫ Нуклеопротеины – сложные белки, включающие нуклеиновые кислоты. Они формируют в рибосомы, хроматин, вирусы. В хромосомах нуклеиновая кислота представлена дезоксирибонуклеиновой кислотой ДНК) и связана с гистонами, формируя хроматин. В рибосомах рибонуклеиновая кислота (РНК) связывается со специфическими рибо- сомальными белками. Нуклеиновые кислоты являются полимерными молекулами и состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Нуклеотид содержит фосфорную кислоту (один, два или три остатка, сахар (рибозу или дезоксирибозу, азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил либо тимин. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии Самым распространенным в природе является нуклеотид аденозинтрифосфат, используемый как высокоэнергетическое соединение для реакций трансмембран- ного переноса веществ и реакций синтеза. Связываясь через фосфатные остатки, нуклеотиды образуют длинные цепочки – нуклеиновые кислоты. Выделяют два вида нуклеиновых кислот в зависимости от пентозы, входящей в их состав – рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота ДНК. Сахарофосфатный остов в ДНК и РНК заряжен отрицательно благодаря заряду фосфатных групп. В тоже время пуриновые и пиримидиновые основания гид- рофобны. Цепи ДНК и РНК обладают направленностью, те. имеют конец и конец. В ДНК цепи антипараллельны, те. направлены в разные стороны. Имеется комплементарность азотистых оснований, соответствие аденин комплементарен тимину (АТ, гуанин комплемен- тарен цитозину (ГЦ. Ф ОСФОПРОТЕИНЫ Фосфопротеины – это белки, в которых присутствует фосфатная группа, она связывается с пептидной цепью через остатки тирозина, серина, треонина (те. тех аминокислот, которые содержат ОН-группу). Строение, свойства и классификация аминокислот и белков Фосфорная кислота может выполнять 1. Структурную роль, придавая заряд, растворимость и изменяя свойства белка, например, в казеине молока, яичном альбумине. 2. Функциональную роль. В клетке присутствует много белков, которые связаны с фосфатом непостоянно, а в зависимости от активности метаболизма. Белок может многократно переходить в фосфорилированную или в дефосфорилированную форму, что играет регулирующую роль в его работе. Например, 1) ферменты гликогенсинтаза и гликогенфос- форилаза (см "Регуляция активности ферментов, 2) гистоны в фосфорилированном состоянии менее прочно связываются с ДНК и активность генома возрастает. Л ИПОПРОТЕИНЫ К липопротеинам, строго говоря, принадлежат только белки, содержащие ковалентно связанные липиды. Однако традиционно к липопротеинам относят и надмолекулярные образования, выполняющие транспортную функцию и состоящие из белков и молекул всех классов липидов. Структуру транспортных липопротеинов можно сравнить с орехом, у которых имеется скорлупа и ядро. "Скорлупа" липопротеина является гидрофильной, ядро – гидрофобное. Ядро формируют неполярные эфиры холесте- рола и триацилглицеролы. В поверхностном слое (скорлупе) находятся фосфолипиды, холестерол, белки. Белки в липопротеинах называются апо- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии белками, их выделяют несколько видов А, В, СВ каждом типе липопротеинов преобладают соответствующие ему апобелки. Выделяют четыре основных класса липопротеинов: o хиломикроны (ХМ, o липопротеины высокой плотности (ЛПВП, α-липопротеины, α-ЛП), o липопротеины низкой плотности (ЛПНП, β-липопротеины, β-ЛП), o липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП, пре- β-липопротеины, пре-β-ЛП). Липопротеины различаются по составу, те. по соотношению триацилглицеролов, холе- стерола и его эфиров, фосфолипидов, белков Типы липопротеинов По направлению сверху вниз происходят изменения состава Хиломикроны (до 90% липидов) ЛПОНП ЛПНП ЛПВП (до 80% белков) Увеличение количества белка Увеличение количества фосфолипидов Уменьшение количества триацил- глицеролов |