Роль и функции белков

Содержание

 

1. Введение в биохимию. Краткая история биохимии. История отечественной биохимии. Общая характеристика обмена веществ. Понятие об анаболизме, катаболизме и метаболизме. Значение биохимии для врача.
2. Белки – важнейшие компоненты организма. Функции белков, строение, классификация и свойства аминокислот. Обзор уровней структурной организации белковой молекулы. Молекулярная масса белков. Форма и размеры белковой молекулы.
3. Принципы определения структуры белка:
1. Определение аминокислотной последовательности в белках и олигопептидах;
1. Разделение аминокислот с помощью ионообменной хроматографии;
2. Количественный анализ полученных фракций;
1. Ферментативное расщепление пептидов (с пепсином, трипсином, химотрипсином, папаином);
2. Химическое расщепление пептидов (с бромцианом);
3. Определение С-концевых аминокислот (с карбоксипептидазами);
4. Определение N-концевых аминокислот (дансил-хлоридом, динитрофторбензолом, фенилизотиоцианатом);
5. определение первичной структуры белка (аминокислотной последовательности);
6. методы пептидных карт («метод отпечатков пальцев»).
3. Изучение пространственной структуры белковой молекулы (вторичная, третичная, четвертичная структуры):
1. Рентгеноструктурный анализ.
2. Изучение трехмерных моделей белка (Protein Data Bank).
4. Представление о нативно-развернутых белках – функционально-активной форме белков в клетке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Биохимия - это наука, изучающая качественный и количественный состав, а также пути, способы, закономерности, биологическую и физиологическую роль превращения вещества, энергии и информации в живом организме.

 

Современная биохимия сформировалась на рубеже ХIХ и ХХ вв. в недрах органической химии и физиологии, поэтому в ХIХ в. она называлась физиологической химией. Термин биохимия был предложен в 1858 году австрийским врачом и химиком Винцентом Клетцинским.

История биохимии отражает сложный путь познания человеком окружающего органического мира, истоки которого уходят во времена античности. В те времена гениальные пророческие идеи причудливо переплетались с наивными представлениям об окружающем мире. Так, например, Аристотель полагал, что живые существа образуются из сочетания пассивного, не имеющей жизни, начала - «материи» с активным началом - «формой», которая формирует тело и поддерживает в нем жизнь.

В последующем неоплатоники развивая эти идеи сформулировали понятие о «жизненной силе», «животворящем духе» и т.д., которые в различных модификациях существовали и в средние века. В VII – X веках в Европе с развитием алхимии стал накапливаться материал о составе сложных органических соединений.

Эпоха Возрождения характеризуется динамическим восприятием окружающего мира, которое превратило науку из ритуально-магической в открытую. Наука рассматривала человеческое тело как сложную механическую машину. Наш выдающийся современник, английский философ и историк науки Дж. Бернал так характеризует ту эпоху: «... врачи свободно общались с мастерами-художниками, математиками, астрономами и инженерами. По сути дела, многие из них занимались некоторыми из этих профессий. Так, например, Коперник получил образование и практиковал как врач...».

Именно это привело науку к новой ступени - живое стали оценивать химическими категориями. В XVI - XVII веках получила развитие ятрохимия (врачебная химия), важнейшим представителем которой был Парацельс (1493-1541), считавший, что в основе всех заболеваний лежат нарушения хода химических процессов в организме, поэтому лечить их надо тоже химическими веществами. Ятрохимия много дала практической медицине и способствовала ее сближению с химией.

Середина ХVII - конец ХVIII вв является эмпирическим периодом развития органической химии которая по определению великого шведского химика Й. Берцелиуса была химией «растительных и животных веществ». За это время произошло накопление  огромного фактического материала, но еще не возникло теоретических, обобщающих  представлений.  Практические  потребности  человеческой деятельности (получение из природного сырья лекарств, масел, смол, красителей и т.д.) явились основной причиной,  побуждающей к изучению органических соединений.

Совершенствование экспериментальных методов способствовало выделению индивидуальных органических соединений из растений (щавелевая, яблочная, лимонная и др. кислоты) и продуктов жизнедеятельности животных организмов (мочевина, мочевая и гиппуровая кислоты).

Следующий период - аналитический (конец ХVIII - середина ХIХ вв. - ознаменован исследованиями  по  установлению  состава веществ, в результате которых стало очевидно, что все органические соединения содержат углерод. Вот лишь некоторые достижения этого периода:

В 1828 г. Ф. Вёлер впервые синтезировал мочевину, открыв тем самым эпоху органического синтеза.

В 1839 г Ю. Либих установил, что в состав пищи входят белки, жиры и углеводы.

В 1845 г. Г. Кольбе синтезировал уксусную кислоту

В 1854 г  М. Бертло синтезировал жиры.

В 1861 г  А.М. Бутлеров синтезировал углеводы.

Подводя итоги развития биохимии в ХIХ в. отметим, что основными факторами ее формирования было развитие химии важнейших природных соединений - липидов, углеводов и особенно белков, первые успехи энзимологии, разработка основных положений о многоступенчатости обмена веществ и роли ферментов в этих процессах. Биологическая химия того времени ставила своей главной целью изучение методами химии не суммарных процессов обмена веществ, а превращение в организме каждого отдельного соединения и разработка представлений о всех деталях обменных процессов в совокупности.

Наиболее интенсивно биохимия стала развивать в ХХ веке и особенно в последние десятилетия. В первой половине ХХ в. были сделаны важнейшие открытия, которые позволили построить общую схему обмена веществ, установить природу ферментов и исследовать их важнейшие свойства, значительно расширить знания об основных биологически активных соединениях. В 40-50-е годы интенсивно развивались и усовершенствовались методы биохимических исследований определившие в последующие десятилетия формирование отдельных направлений биохимии ставших самостоятельными науками - биоорганической химии, молекулярной биологии, молекулярной генетики, биотехнологии и др.

История развития отечественной биохимии.

Наши соотечественники внесли большой вклад в развитие биохимии. Так, первый в России учебник физиологической химии издан еще в 1847 г. А.И. Ходневым.

Основоположником отечественной биохимии является профессор Александр Яковлевич Данилевский (1839-1923), который в 1863 г. создал первую кафедру биохимии в Казанском университете, создал первую русскую школу биохимиков. Занимаясь исследованием белков, он впервые постулировал идею пептидной связи в белке, высказал идеи об обратимости действия ферментов, на основе чего впервые осуществил синтез белковоподобных веществ - пластеидов, разработал методы очистки ферментов путем адсорбции с последующей элюцией и т.д.

К числу наиболее значимых достижений отечественной биохимии следует отнести открытие в 1880 г. Н.И. Луниным витаминов, создание А.Н. Бахом в 1896 г. теории биологического окисления (активирования кислорода), открытие в 1899г. И.П. Павловым и Н.П. Шеповальниковым проферментов, разработка метода хроматографии М.С. Цветом в 1903 г., создание В.И. Палладиным в 1912 г. теории биологического окисления (активирования водорода) и др.

Советский этап развития биохимии связан с именем Алексея Николаевича Баха (1859-1946), который организовал в 1921 г. в Москве Научно-исследовательский биохимический институт Наркомздрава, а в 1935 г. он возглавил переведенный из Ленинграда в Москву Институт биохимии АН СССР, названный впоследствии его именем

Отечественная наука по праву гордится пионерскими работами акад. Ю.А. Овчинникова в области мембранной  биологии, акад. А.С. Спирина по молекулярным механизмам биосинтеза белка, акад. В.П. Скулачева по биоэнергетике.

Широко за рубежами нашего отечества известны работы по биохимии витаминов белорусской школы биохимиков, возглавляемой акад. Ю.М. Островским. Большим авторитетом в стране и за рубежом пользуются работы украинских биохимиков в области нейрохимии и биохимии витаминов (акад. А.В. Палладин), биохимии белкового, липидного обмена, возрастной биохимии.

Предмет и задачи биохимии. Методы биохимических исследований.

Биологическая химия решает большое число задач. Поскольку в основе жизнедеятельности здорового организма лежит сложнейшая совокупность биохимических реакций, то при патологии нормальное течение биохимических реакций, как правило, нарушается. В связи с чем возникает необходимость исследовать состояние обмена веществ не только в норме, но и при патологии.

Задача врача заключается в том, чтобы предотвратить развитие патологического процесса в организме и ее решение возможно лишь при своевременной и правильной диагностике, назначении адекватного лечения, которое возможно лишь в том случае, если врач понимает сущность происходящего в организме. При назначении в процессе лечения различных медикаментов, которые включаются в метаболические процессы, необходимо четко представлять механизм их действия и предвидеть возможные последствия этого лечения.

1. Познание молекулярных механизмов физиологических, генетических и иммунологических процессов жизнедеятельности в норме и при патологии и действии на организм различных факторов.

2. Совершенствование методов профилактики, диагностики и лечения заболеваний.

3. Разработка новых лекарственных средств, нормализующих обменные процессы.

4. Разработка научных основ, рационального, сбалансированного питания, здорового образа жизни.

5. Разработка научных основ Исторически сложились три направления биохимии:

1. Статическая биохимия - исследует качественные и количественный химический состав живых организмов.

2. Динамическая биохимия - изучает совокупность превращений веществ, энергии и информации в живом организме.

3. Функциональная биохимия - изучает химическую основу функций тканей, органов, систем органов и межорганных взаимоотношений.

 

В зависимости от объекта исследования или направления исследования биохимию подразделяют на такие разделы как:

- общая биохимия которая изучает общие вопросы химических основ жизнедеятельности различных организмов

- бионеорганическая химия изучающая роль и значение в процессе жизнедеятельности комплексов неорганических ионов с органическими соединениями

- биоорганическая химия исследующая физико-химические основы функционирования живых систем

- биохимия человека и  животных, (растений, микроорганизмов)

- техническая биохимия, изучающая состав пищевых продуктов, химическую основу технологических процессов их хранения,  переработки и т.д.

- сравнительная (эволюционная) биохимия которая исследует биохимические процессы в сравнительном (эволюционном) аспекте

- радиационная биохимия изучает биохимические основы радиационного повреждения и способы его профилактики в живой  организме

- медицинская (клиническая) биохимия исследует биохимические основы патологических процессов.

 

Основные методические подходы к изучению метаболизма

Метаболизм, или обмен веществ, — это совокупность процессов поступления веществ из окружающей среды, их превращений в организме и выведения из организма продуктов жизнедеятельности. В результате обмена веществ в организме сохраняется постоянство состава клеток и клеточных структур путем обновления их по мере необходимости, а также поддерживается их энергетический баланс. Процессы обмена веществ в клетках характеризуются высокой упорядоченностью и строгой последовательностью идущих в них биохимических реакций, участием в них различных ферментов и всех клеточных структур.

Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргических соединений и их накопление. Катаболизм — это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ (с использованием части из них в качестве предшественников биосинтеза) и до конечных продуктов метаболизма (с образованием макроэргических и восстановленных соединений). Взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма. Сопряжение анаболических и катаболических процессов в организме могут осуществлять различные вещества, но главную роль в этом сопряжении играют АТФ, НАДФ • Н. В отличие от других посредников метаболических превращений АТФ циклически рефосфорилируется, а НАДФ • Н — восстанавливается, что обеспечивает непрерывность процессов катаболизма и анаболизма.

Метод	Характеристика (пример)
Исследование на уровне целого организма	1. удаление органа (гепатэктомия) 2. изменение диеты (голодание, усиленное питание) 3. прием лекарств 4. введение токсинов 5. наблюдение за животными  со специфическими заболеваниями (сахарный диабет) 6. использование сложным  методов (ЯМР-спектроскопия и др.)
Перфузия изолированных органов	наиболее пригодны сердце, печень, почки
Инкубация тканевых срезов	чаще используются срезы печени
Инкубация целых клеток	наиболее пригодны клетки крови и печени
Изучение гомогенатов	1. работа с бесклеточными препаратами 2. можно удалять или  добавлять различные вещества  и наблюдать за результатами 3. можно фракционировать  различные органеллы путем дифференциального  центрифугирования
Исследование изолированных органелл	широко используются митохондрии, микросомы, рибосомы и др.
Субфракционирование изолированных органелл	например митохондрий для выделение комплексов дыхательной цепи
Выделение и характеристика ферментов и метаболитов	обязательно при описании любой химической реакции и метаболического пути
Клонирование генов, кодирующих ферменты и др. белков	исследование  особенностей структуры и регуляции гена и первичной структуры белка, кодируемой этим геном