Шпаргалка по "Биохимии"

1. Объекты живой природы отличаются сложным строением при весьма ограниченном количестве составных блоков; каждая составная часть объекта имеет высокий уровень организации и выполняет строго определённую функцию; жизнь объекта поддерживается за счёт извлечения материи и энергии из внешней среды; объект способен воспроизводить себя неограниченное число раз. Живую природу изучает наука- биология. Наука химия изучает состав, строение и свойства веществ. На стыке этих наук в конце XlX- нач. XX вв. сформировалась биохимия- наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь этих превращений с деятельностью органов и тканей. Исторически биохимия связана с органической химией, изучающей химию соединений углерода и с физиологией, которая изучает функции живых организмов. В зависимости от  подхода к изучению живой материи эту науку условно делят на три больших блока:

1.   Статическая биохимия, которая изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов.

2.   Динамическая биохимия, которая изучает превращения веществ, входящих в состав живых организмов и связанное с ними превращение энергии.

3.   Функциональная биохимия, которая изучает связь превращений веществ с деятельностью органов и тканей.

Объекты живой природы  состоят из огромного числа неорганических и органических химических компонентов.  Самый важный неорганический компонент- вода, так как все жизненные процессы протекают в водных растворах.

Из 92-х химических элементов, присутствующих в земной коре, в  объектах живой природы обнаружено свыше 60-ти элементов, которые по процентному  содержанию в живой материи делят  на: 

 

макроэлементы- содержание > 10^-3 %:      C, H, O, N, Ca, P, Na, K, Cl, Fe …

микроэлементы- содержание < 10^-3 %:      Mn, Cu, Co, F, I…

ультрамикроэлементы- содержание < 10^-6 %:     Ru, Os, Au…

На долю C, H, O, N, Р  приходится 99 % от общей массы клеток.

 

2. Структура клетки 

Клетка- наименьшая структурная и функциональная единица живой материи.  Клетки разнообразны по форме, внутренней структуре, функциям. Например, одноклеточные организмы различного уровня сложности,  специализированные клетки многоклеточных организмов ( у человека число типов клеток превышает двести).

На основании особенностей структуры  и функций клетки, их делят на прокариотические  (доядерные, образующие простейшие организмы) и эукариотические (с сформированным ядром, из которых состоят высшие формы организации жизни).  В ядре эукариотических клеток ДНК существует в виде специальных органелл- хромосом. В прокариотических клетках  ДНК не отделена мембраной и чаще всего представляет собой одну двуспиральную молекулу- хромосомную ДНК.  Диаметр прокариотических клеток- около 1 мкм (самые маленькие из них- микоплазмы в диаметре не превышают 0,3 мкм).  Диаметр эукариотических клеток составляет 10-30 мкм. Прокариотические клетки функционируют независимо друг от друга и представляют собой одноклеточные организмы: микоплазмы, бактерии, синезелёные водоросли (цианобактерии).

Схематически обобщённую клетку можно  изобразить следующим образом: 

Функции клеточных органел и структурных составляющих можно кратко охарактеризовать следующим образом:

Плазматическая мембрана: поддерживает форму, ограничивает содержимое клетки от внешней среды, обладает избирательной проницаемостью, пропускает питательные вещества и минеральные соли в клетку, а продукты жизнедеятельности из клетки.

Цитоплазма: внутренняя среда клетки, где протекает большинство обменных процессов. Главную пo массе недифференцированную часть цитоплазмы клётки составляет гиалоплазма (или цитозоль).

Рибосомы: гранулы, состоящие из РНК и белка. В рибосомах локализованы ферменты белкового синтеза, в этих частицах происходят, транслирование РНК и связывание аминокислот в полипетгтидные цепи с образованием молекул белка.

Ядро или ядерное тельце: синтезирует и хранит запас генетической информации в виде двухцепочной ДНК. Прокариоты содержат неограниченное мембраной ядро (ядерное тельце), эукариоты содержат ядро, окружённое ядерной оболочкой.

Митахондрии. Эти органеллы окружены двумя фосфолипидными мембранами. Митахондрии содержат ферменты цепи биологического окисления (тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования, а также ферменты пируватдегидрогеназного комплекса, цикла трикарбоновых кислот, синтеза мочевины, окисления жирных кислот и др. Так как процессы сопровождаются фосфорилированием АДФ и накоплением АТФ, то митахондрии выполняют роль силовых установок клетки.

Эндоплазматическая сеть. Это система мембранных каналов, которые делят всю клетку на ряд отсеков- компартментов, обеспечивая обособленность химических процессов-компартментализацию; транспорт веществ из одного отсека в другой (например, выделяемые клеткой вещества к аппарату Гольджи). В эндоплазматической сети сосрёдоточены ферменты синтеза липидов, а также ферменты, участвующие в реакциях гидроксилирования.

Аппарат Гольджи: скопление мембранных пузырьков,которые собирают продукты распада и выводят их наружу.

Лизосомы: окружённые мембранами пузырьки. В лизосомах содержатся в основном гидролитические ферменты с оптимумом pH=5, которые осуществляют процесс деструкции биополимеров.

Пероксисомы: содержат ферменты разложения перекиси.

 

3. Белки или протеины- характеризуются строго определённым элементным составом и при гидролизе распадаются до аминокислот, белки составляют до половины сухой массы животной клетки, состоят в основном из C (50-55%), O (21-24%), H (6,5-7,3%), N (15-18%), S (до 2,4%) и являются биополимерами.

Аминокислоты 

Белки содержат 20 α-аминокислот L- ряда, соединённых пептидными связями. Эти АК называются протеиногенными аминокислотами и отличаются друг от друга химической природой радикала R.

В зависимости от полярности углеводородного радикала  аминокислоты можно разделить на:

1.   Неполярные или гидрофобные АК: аланин, валин, лейцин, изолейцин, триптофан, пролин, фенилаланин, метионин.

2.   Полярные или гидрофильные незаряженные АК: глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин,аспарагин, глутамин.

3.   Полярные или гидрофильные отрицательно заряженные (кислые) АК: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота.

4.   Полярные или гидрофильные положительно заряженные (основные) АК: лизин, аргинин, гистидин.

Высшие позвоночные животные не синтезируют всех необходимых  для организма аминокислот. В  организме человека и белых крыс синтезируются только 10 из 20 аминокислот  белковых молекул, которые называются заменимыми АК, так как могут быть синтезированы из продуктов обмена углеводов и липидов. Остальные 10 аминокислот не синтезируются в организме, но так как являются жизненно необходимыми, то называются незаменимыми АК.  

 

Заменимые аминокислоты	Незаменимые аминокислоты	Потребность,г/сутки
Аланин	Триптофан	0,50
Аспарагин	Фенилаланин	2,20
Аспарагиновая кислота	Лизин	1,60
Глицин	Треонин	1,00
Глутамин	Метионин	2,20
Глутаминовая кислота	Лейцин	2,20
Пролин	Изолейцин	1,40
Серин	Валин	1,60
Тирозин	Аргинин
Цистеин	Гистидин

 

Свойства  АК

Амфотерность: все АК амфотерные электролиты, диссоциируют по типу кислот и оснований: 

 

 

4.Электрофорез: метод разделения АК в электрическом поле при заданном значении рН. Раствор смеси АК и буфера помещают в электрическое поле, при пропускании электрического тока АК передвигаются к электродам с разной скоростью, которая зависит от величины суммарного заряда молекулы АК при данном значении рН. Например: разделить смесь аланина, лизина, аспарагиновой кислоты в кислом буфере (рН<7). К кислой среде перечисленные аминокислоты будут иметь следующие заряды:

 

 

Лизин передвигается к катоду быстрее  аланина и аспарагиновой кислоты, поэтому его можно отделить.

 

 

Для разделения аланина и аспарагиновой кислоты проведём электрофорез в основном буфере, в щелочной среде аминокислоты будут иметь следующие заряды: Аспарагин будет передвигаться к аноду с быстрее, чем аланин, их можно разделить:

 

 

5. типы связей аминокислот в белковой молекуле

Согласно  общепринятой теории молекула белка  состоит из остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидными связями. В образовании структур белка принимают участие следующие связи:

Пептпдная связь– амидная связь, образующаяся в результате взаимодействия амино- и  карбоксильных групп аминокислот

 

 

 

Водородная связь, возникающая при взаимодействии поляризованного водорода, связанного атомом кислорода серина или с атомом азота одной пептидной группы и отрицательно заряженным атомом кислорода другой пептидной группы, соединяет как отдельные пептидные связи, так и звенья одной цепи:

 

 

 

 

Дисульфидные связи образуются в результате окисления сульфгидрильных групп близлежащих остатков цистеина одной полипептидной цепи или различных цепей:

 

 

 

 

Сложноэфирные связи образуются при взаимодействии карбоксильных групп карбоновых кислот с гидроксилами близлежащих оксиаминокислот:

 

 

 

 

Солевые и амидные связи образуют диаминокислоты и аминодикарбоновые кислоты:

 

 

 

 

Гидрофобные связи образуются при взаимодействии близлежащих остатков неполярных радикалов таких аминокислот, как лейцин, фенилаланин, триптофан: 

 

 

 

 

Все перечисленные связи в большей  или меньшей мере принимают участие  в образовании первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур белка.

 

6. Денатурация белков 

При действии экстремальных условий  на белок (изменение температуры, кислотности  среды, ультразвука, концентрированных  электролитов и т.д. ) происходит денатурация белка- разрушаются, как правило, четвертичная, третичная и частично вторичная структуры белка, образованные слабыми нековалентными связями, что приводит к потере природных свойств белка: растворимости, биологической активности, электрофоретической подвижности и т.д. Первичная структура молекулы не изменяется.

Уровни пространственного строения белков 

Первичная структура- вид, число и последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. 

Вторичная структура- форма полипептидной цепи. Первую успешную попытку построить вторичную структуру на основании сравнения различных вариантов моделей полипептидов сделали Полинг и Кори в 1951 году. Учёные пришли к выводу о существовании двух моделей вторичной структуры: α-спирали и β-складчатого слоя. Их гипотеза экспериментально подтвердилась через несколько лет. Полипептидные цепи имеют спиралевидную или зигзагообразную конфигурацию, которая поддерживается с помощью водородных связей. Наиболее распространены и изучены α-спираль и β-складчатый слой.  Доказано существование других спиралей, но принцип их образования аналогичен описанным ниже.

Правая α-спираль- наиболее распространённая в белках спиральная структура полипептидных цепей из L-АК. Стабилизация спирали достигается за счёт водородных связей, направленность которых параллельна продольной оси спирали и взаимодействия диполей пептидных связей, которые направлены вниз. На виток приходится 3,6 остатка АК. Угол подъёма витка равен 26^о. Число атомов в цикле, образуемом водородной связью 12, водородная связь возникает между C=О группой n-го остатка и N-H группой (n+4)-го остатка. 

β-складчатый слой- образуется из довольно вытянутых полипептидных цепей и бывает параллельный и антипараллельный в зависимости от взаимного расположения пептидных цепей.  Стабилизация β-складчатых слоёв достигается за счёт образования межцепочечных водородных связей, в которых принимают участие все пептидные связи  

Тип вторичной структуры определяется набором АК-остатков, которые склонны  образовывать либо спираль либо складчатый слой: например, остатки аминокислот  глицина, аланина, лейцина образуют преимущественно спирали, а валина, изолейцина, метионина- складчатые слои. Для каждого конкретного белка характерна та или иная степень спирализации полипептидной цепи (например, доля спиралевидной конфигурации у гемоглобина- 75%, у пепсина- 28%, у химотрипсиногена-  11%). В природных белках существуют только правозакрученные α-спиральные конформации, что связано с L-конфигурацией природных АК. 

Третичная структура- пространственное расположение α-спирали или β-складчатого слоя в связи с тем что белки имеют одновременно несколько типов вторичной структуры у одной молекулы, которые  по разному располагаются относительно друг друга. Третичная структура стабилизируется всеми описанными выше связями, кроме пептидной. 

Четвертичная структура– объединение нескольких полипептидных цепей (протомеров) с третичной структурой между собой с образованием единой, сложной “субмолекулы” белка (мультимера или олигомера). Четвертичную структуру стабилизируют слабые нековалентные связи. Например, молекула гемоглобина состоит из 4-х протомеров.

Для большинства белков предельной пространственной организацией является третичная структура, достаточная для проявления биологической  активности. 

 

 

7. Классификация белков 

По  степени сложности:

Простые (однокомпонентные) белки- протеины: при гидролизе которых обнаружены только аминокислоты (т.е. простые белки представляют собой полипептидные цепи).

Сложные (двухкомпонентные) белки- протеиды: состоят из простого белка- апопротеина и простетической группы- добавочной группы небелковой природы. 

 

По  преобладающему аминокислотному составу простые белки делят на: