ХИМИЯ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ИЛЛЮСТРИРОВАННАЯ БИОХИМИЯ (формулы, схемы, термины и алгоритм познавания предмета). Учебное пособие для конспектирования лекций и самостоятельной подготовки
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
ХИМИЯ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ИЛЛЮСТРИРОВАННАЯ БИОХИМИЯ (формулы, схемы, термины и алгоритм познавания предмета) Учебное пособие для конспектирования лекций и самостоятельной подготовки к занятиям по биохимии Тверь, 2018 г. 2 АМИНОКИСЛОТЫ –аминокислоты — это органические кислоты, у которых, как минимум, один из атомов водорода углеводородной цепи замещен на аминогруппу (покажите радикал, амино- и карбоксильную группы). L- и D- изомеры аминокислот (объясните) на примере L- и D- аланина: ─ Главные протеиногенные аминокислоты (надо знать название каждой аминокислоты): 3 ─ Редкие, модифицированные протеиногенные аминокислоты (производные от лизина, пролина и тирозина) – назовите, покажите и объясните их биологические функции: ─ Непротеиногенные аминокислоты – назовите, покажите и объясните их биологические функции: Рацемизация – это трансформация L-изомера аминокислот в D- изомер. Протекает самопроизвольно (0,01% в год для L-аспартата). Используется для определения возраста субъекта при археологических раскопках. -орнитин -гомоцистеин -цитруллин 4 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТЕИНОГЕННЫХ АМИНОКИСЛОТ По строению радикала, покажите: ─ алифатические ─ моноаминодикарбоновые ─ амиды аминокислот ─ диаминомонокарбоновые ─ гидроксидсодержащие ─ серусодержащие ─ циклические (ароматические, гетероциклические) По полярности радикала, покажите: ─ Неполярные (гидрофобные – Ала, Вал, Лей, Иле, Три, Про) ─ Полярные (гидрофильные): ─ заряженные: отрицательно (Асп, Глу) положительно (Арг, Лиз, Гис) ─ незаряженные (Гли, Сер, Тре, Цис, Тир) По степени незаменимости (биологическая классификация), покажите: ─ Незаменимые (ВИЛЛ, МТТФ – это: Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Три, Фен) ─ Полузаменимые (Арг, Тир, Гис) ─ Заменимые (остальные) По кислотно-основным свойствам: ─ Кислые (Асп, Глу) ─ Основные (Лиз, Арг, Гис) ─ Нейтральные (остальные) ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ Ионизация (протонирование и диссоциация) кислотных и основных групп аминокислот в воде (объясните и раскройте биологическое значение этого явления): ─ Покажите кислые и основные группы аминокислот ─ Формы существования аминокислот в водной среде (покажите переходные и дипольную): 5 Влияние рН среды на ионизацию (заряд) аминокислот: Покажите, как в кислой и щелочной среде изменится заряд аминокислоты: ─ рН < 7, т.е. избыток [Н + ] – кислая среда ─ рН > 7, т.е избыток [ОН – ] – щелочная среда Изоэлектрическое состояние (ИЭС) и изоэлектрическая точка (ИЭТ) аминокислот Объясните понятие изоэлектрической точки аминокислот. Докажите разное значение ИЭТ для разных аминокислот: ─ Нейтральных (аланина); ─ Кислых (аспарагиновой кислоты); ─ Основных (лизина). Амфотерность аминокислот и их буферные свойства ─ Что такое амфотерность? (Проявляют свойства и кислот и щелочей одновременно). ─ Почему аминокислоты проявляют буферные свойства? (поясните). 6 БЕЛКИ Белками называют: высокомолекулярные, азотсодержащие, органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных в цепи с помощью пептидных связей, имеющие сложную структурную организацию. (объясните все эти признаки) ─ Элементарный состав белков (С 50-54% , О 21-23% , N 15-17% , Н 6,5-7,3% , S 0,5% ). ─ Что такое олигопептиды, полипептиды, белки (до 10, 10 – 40, > 50 аминокислот) и их молекулярная масса (молекулярная масса одной аминокислоты в среднем 110). Биологические функции белков (приведите примеры белков с разной функцией и дайте характеристику их действия): ─ В организме человека, полагают, функционирует около 50.000 различных белков, которые выполняют, очевидно, столько же разнообразных функций ─ Чем объясняется многообразие функций белков, их видовые и иммунные свойства? (последовательностью расположения в полипептидной цепи и количеством 20 протеиногенных аминокислот). Ответ объясните. (Аминокислоты в структуре белка, как буквы в слове, несут информацию о структуре белка и определяют его функцию). ФУНКЦИЯ ПРИМЕР БЕЛКА ХАРАКТЕРИСТИКА ДЕЙСТВИЯ Ферментативная Гормональная Рецепторная Транспортная Структурная и опорная Сократительная Субстратно–энергетическая Электроосмотическая Иммунологическая Гемостатическая Энерготрансформирующая 7 ФОРМЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МОЛЕКУЛ БЕЛКОВ Первичная (линейная последовательность аминокислот, соединенных между собой в цепь пептидными связями) ─ Схема первичной структуры белка (пептидный остов) Покажите: ─ пептидную цепь ─ N– и С–концы ППЦ ─ R–радикалы АК ─ Состав аминокислот в цепи может быть одинаковым, но располагаются они по- разному, и это будут разные белки. Вторичная структура белка – это способ укладки стержня пептидной цепи (первичной структуры) в упорядоченную –спираль или –структуру (тип связи – водородная, объясните) 8 ─ Расскажите, чем отличается – спираль от – структур –и – вторичные структуры обнаруживаются как в глобулярных, так и в фибриллярных белках, и их подразделяют на белки, содержащие: ─ только – спирали (мио-, гемоглобин.); ─ – и – структуры (ЛДГ и др.); ─ только – структуры (фибриллярные белки – коллаген и др.); ─ малое количество регулярных структур. ─ Супервторичная структура белков – снаружи – спирали, внутри – структуры (триозофосфатизомераза). Третичная структура белка – способ укладки – спирали или – структуры в пространстве (глобулярные, фибриллярные белки, объясните их структуру) ─ Покажите, как третичную структуру стабилизируют ионные, водородные, ковалентные (дисульфидные) связи и гидрофобные взаимодействия. 9 Белки, в составе которых более 200 аминокислот имеют, как правило, несколько доменов (отдельных структурных участков одной полипептидной цепи.) Так, легкая цепь иммуноглобулина G состоит из двух доменов. Четвертичная структура белка – это объединение нескольких ППЦ с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка ─ Что такое протомеры (субъединицы), олигомеры? Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – (тетрамер), олигомер, собранный из 4 субъединиц- протомеров. Креатинфосфокиназа (КФК) – димер. ─ Какие связи стабилизируют четвертичную структуру белка (покажите на выше представленной схеме связей в молекуле белка) Какие молекулы содержат информацию о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белка, где они находятся? 10 Поясните значение первичной – четвертичной структур белков для проявления их функциональной активности на примерах: ─ серповидно–клеточной анемии ─ разного строения и функций миоглобина и гемоглобина ─ денатурации белков ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ СХЕМА СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА, ЕЕ ГИДРАТНОЙ И ИОННОЙ ОБОЛОЧКИ Растворимость белков в воде зависит от (объясните и покажите): - состава аминокислот и соотношения полярных и неполярных радикалов; - молекулярной массы; - формы молекулы белка; - величины заряда; - наличия гидратной оболочки; - рН раствора; - состава растворителя, ионной силы раствора. Изоэлектрическая точка белка ─ Используя схему, укажите величину изоэлектрической точки белков (рН и >7,=7,<7): 1) нейтральных, 2) кислых, 3) основных. ─ Объясните влияние рН среды (>7, =7, <7) на изменение величины заряда этих белков. Величина заряда зависит от аминокислотного состава и рН среды 11 ─ Поясните по рисунку: ─ изоэлектрическое состояние (ИЭС) молекулы белка, ─ изоэлектрическую точку (ИЭТ) молекулы белка. Амфотерные свойства белков ─Докажите, используя схему (стр.9), что белки являются амфотерными полиэлектролитами. Какие группировки атомов придают молекуле белка кислые, а какие – щелочные свойства? Буферные свойства белков ─ Что такое буферные свойства? ─ За счет каких групп атомов белки проявляют буферные свойства? (покажите) ─ Величина буферной емкости белков Коллоидные свойства белков ─ За счет каких качеств молекулы белка приобретают коллоидные свойства (молекулярная масса, размер молекулы, заряд, гидратная оболочка). Ответ поясните. ─ Перечислите коллоидные свойства растворов белков (вязкость, скорость диффузии, гелеобразование, оптические свойства, неспособность проникать через полупроницаемые мембраны и т.д.) Осмотические свойства белков (диффузия и явление осмоса) 12 ─ Осмотическое (гидростатическое) давление (показать на рисунке - h). ─ Онкотическое давление белков (поясните). ─ Объясните значение онкотического давления белков для регуляции обмена воды в организме. Нативная структура белка – это функционально-активная конформация. Она обладает склонностью к небольшим изменениям II-IV структур под влиянием рН, ионов и других факторов окружающей среды, что изменяет функциональную активность этого белка. Денатурация белков (потеря нативной конформации и функциональной активности.) Ренатурация белков (восстановление II-IV структур) при очистке от денатурирующего агента. Растворение, высаливание и денатурация белков ─ Объясните механизмы (используя рисунки) ─ повышения растворимости белка при малых концентрациях солей щелочных и щелочноземельных металлов ─ понижения растворимости белка (высаливание) при больших концентрациях указанных солей Факторы, стимулирующие эти процессы (выберите для высаливания и для денатурации) ─ высокая температура; ─ вибрация; ─ соли щелочных и щелочно–земельных металлов; ─ соли тяжелых металлов; ─ минеральные и органические кислоты; ─ органические растворители; ─ ионизирующее излучение; Объясните разницу (структурную, функциональную, обратимость) в состояниях белков, полученных при высаливании и денатурации. Использование этих методов осаждения белков в медицине. 13 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ — По электрохимическим признакам (кислые, основные и нейтральные), объясните, приведите примеры; — По полярным признакам (полярные [гидрофильные], неполярные [гидрофобные], амфифильные), объясните; — По форме молекул (глобулярные [соотношение по вертикали и горизонтали 1:3 – миоглобин], фибриллярные [> 1:10 – коллаген]). — По молекулярной массе (низкомолекулярные – альбумин, высокомолекулярные – глобулины); — По изменению концентрации (конститутивные – с постоянной и индуцибельные – с изменяемой скоростью синтеза); — По продолжительности жизни (быстро обновляемые [Т 1/2 <60 / ] и медленно обновляемые [T 1/2 > недели] белки); — По функциям (транспортные, белки–ферменты, гормоны, антитела, структурные, сократительные и т.д.), приведите примеры; — По химическому составу (простые и сложные). Простые белки (опишите особенности аминокислотного состава, молекулярную массу, заряд, структуру и функции): — протамины, — гистоны, — альбумины, — глобулины. СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ Химический состав и структура сложных белков — Белковая часть – апопротеин (Аро) — Небелковый компонент – простетическая группа Принцип классификации (по названию простетической группы) и классы сложных белков Сложный белок Простетическая группа Пример белка и его функции I. Хромопротеины II. Липид–белковые комплексы (липопротеины и протеолипиды) III. Углевод–белковые комплексы (гликопротеины, протеогликаны) IV. Фосфопротеины V. Металлопротеины VI. Нуклеопроитеины ? ? 15 — Простетические группы сложных белков (гем, липиды, углеводы, фосфорная кислота, ионы металлов, нуклеиновые кислоты). — Примеры (гемоглобин и миоглобин, –липопротеины, протромбин и гастромукопротеин, казеиноген, трансферрин, ДНП и РНП). ХРОМОПРОТЕИНЫ Классификация хромопротеинов Простетическая группа Функция хромопротеина Гемопротеины Ретинальпротеины Кобамидопротеины Флавопротеины ? ? — Простетическая группа (гем, витамин А, витамин В 12 , ФАД) — Функция (участие в транспортировке кислорода, в процессах зрительного восприятия, кроветворения, в окислительно–восстановительных процессах). ГЕМОПРОТЕИНЫ 16 Каждая -цепь контактирует с двумя β-цепями (гидрофобное, ионное взаимодействие, водородные связи). При изменении рН крови разрушаются эти связи, и сродство Hb кислороду изменяется. Миоглобин — Глобин – белковый компонент (апопротеин). Молекулярная масса, число аминокислот, структура (вторичная, третичная), место прикрепления гема (гистидин)? — Гем (простетическая группа). Покажите пиррольные кольца, протопорфирин– IX (метиновые мостики, метильные, винильные группы и остатки пропионовой кислоты), атом железа (место его прикрепления к протопорфирину и гема к глобину, обратите внимание на валентность железа): Гидрофобные остатки аминокислот препятствуют поступлению воды к гему и окислению Fe 2+ в Fe 3+ . Трехвалентное железо не способно присоединять О 2 Гемоглобин — Кислород плохо растворим в виде, и 600 литров О 2 ежесуточно переносится гемоглобином эритроцитов. 17 — Сходство и отличие гемоглобина от миоглобина (по молекулярной массе, структуре, сродству к кислороду). — Олигомерная структура Hb обеспечивает регуляцию сродства Hb к кислороду в легких и тканях: – быстрое и полное насыщение его О 2 в легких; – отщепление О 2 от гемоглобина в тканях; — Кооперативность взаимодействия белковых структур в гемоглобине и снижение его сродства к кислороду при: 1. понижении парциального давления О 2 2. увеличении концентрации СО 2 , Н + и 2,3-бифосфоглицерата. — При повышении концентрации кислорода четвертая молекула О 2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая (объясните механизм кооперативного взаимодействия). Биологическое значение различного сродства к кислороду миоглобина и гемоглобина — Кривые насыщения кислородом гемоглобина в легких (S-образная) и миоглобина в тканях (простая гипербола) (в скелетных мышцах в покое и при их интенсивном сокращении). 18 ПРОИЗВОДНЫЕ ГЕМОГЛОБИНА Группы других атомов, способных прикрепляться к гему миоглобина и гемоглобина (CO, CO2, -CN, -OH), и названия этих комплексов: - оксигемоглобин - карбоксигемоглобин - карбгемоглобин - метгемоглобин - циангемоглобин Перенос Н + и СО 2 из тканей в легкие с помощью гемоглобина; роль эритроцитов и плазмы крови (карбоангидразы, бикарбонатов) в удалении СО 2 из организма. Эффект Бора (протоны угольной кислоты присоединяются к Hb, это уменьшает его сродство к О 2 и увеличивает освобождение О 2 в ткани). ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И АНОМАЛЬНЫЕ ТИПЫ ГЕМОГЛОБИНА — Физиологические типы гемоглобина — Примитивный (Р), фетальный (F) и гемоглобин взрослых (А) 19 Физиологические типы гемоглобина и периоды смены их состава Период жизни Тип Hb Строение субъединицы Сродство к O 2 Плод 0 – 2 месяца P (примитивный) 4 + + 2 – 4 месяца P (примитивный) 2 + 2 + + 4 – 9 месяцев F (фетальный) 2 + 2 + + + Человек 0 – 4 месяца F A Смена структуры 4 – 40 лет A (взрослый) 2 + 2 + + 40 – 60 лет A 2 (взрослый) 2 + 2 + + + 60 лет и старше A 3 Изменения струк- туры –цепей + При сахарном диабете А 1С Гликозилирован- ный гемоглобин. + Аномальные типы гемоглобинов. Болезни гемоглобинов (гемоглобинозы): - гемоглобинопатии: серповидно–клеточная анемия (причина нарушения физико–химических и физиологических свойств гемоглобина – замена Глу – Вал) - талассемии: гомозиготная (большая) и гетерозиготная (малая) талассемии (причины нарушения синтеза α- и β- цепей гемоглобина). Ферментативные гемопротеины — Цитохромы b, c 1 , с, a, a 3 и другие (апопротеин, простетические группы, металлы, которые входят в состав гема, их валентность). Функции цитохромов — Каталаза (К) и пероксидаза (П) (химический состав, реакции, катализируемые этими ферментами): 1. 2 Н 2 О 2 К 2 Н 2 О + О 2 2. R + Н 2 О 2 П RО + Н 2 О |