Тема: строение простых белков.

Актуальность темы.

Особая роль в жизнедеятельности живых организмов принадлежит белкам. От родителей детям передается генетическая информация о специфической структуре и функциях всех белков данного организма. Синтезированные белки выполняют многообразные функции: ускоряют химические реакции, выполняют транспортную, структурную, защитную функции, участвуют в передаче сигналов от одних клеток другим и таким образом реализуют наследственную информацию.

 

Учебные и воспитательные цели:

- Общая цель занятия: привить знания о структурной организации белковой молекулы.

- Частные цели занятия: иметь представления о проведении кислотного гидролиза белков и

хроматографическом разделении аминокислот на бумаге.

Входной контроль знаний

1.1.Тестирование.

1.2. Устный опрос.

2. Основные вопросы темы:

2.1. Гидролиз белков, промежуточные и конечные продукты гидролиза, условия проведения, недостатки отдельных видов гидролиза.

2.2. Хроматографическое разделение аминокислот. Виды хроматографии, их значение.

2.3. Структурная организация белка. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Зависимость биологических свойств белка от особенностей строения белковой молекулы.

2.4. Химические связи, участвующие в формировании и поддержании уровней структурной организации белка (пептидная, водородная, дисульфидная и др.)

2.5. Изменение белкового состава организма: наследственные и приобретенные протеинопатии.

2.6. Классификация белков. Простые и сложные белки. Краткая характеристика отдельных представителей.

3. Лабораторно-практические работы:

3.1. Провести кислотный гидролиз белков.

3.2. Провести хроматографическое разделение аминокислот на бумаге.

Выходной контроль

4.1. С итуационные задачи.

5. Литература:

1. Материал лекций.

2. Николаев А.Я., Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1989, С.9-53.

3. Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина, 1990, С.42-63.

4. Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина, 2004, С.49-77.

5.Кушманова О.Д., Иванченко О.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. М.:

Медицина, 1983, №2, №3.

2. Основные вопросы темы:

2.1. Гидролиз белков, промежуточные и конечные продукты гидролиза, условия проведения, недостатки

отдельных видов гидролиза.

Гидролиз - это распад сложного вещества (белка) на более простые составные части, связанный с присоединением по месту разрыва связей воды.

В зависимости от применяющегося катализатора различают гидролиз кислотный, щелочной, ферментативный. Промежуточными продуктами гидролиза являются поли-, олиго-, дипептиды и конечные продукты - аминокислоты.

Гидролиз является важным методом исследования, применяемым для расшифровки первичной структуры белка. При кислотном гидролизе разрушаются некоторые аминокислоты: триптофан разрушается полностью, а серин, треонин, цистин, тирозин, фенилаланин - частично, однако процент разрушения этих аминокислот невелик. При щелочном гидролизе отмечается более выраженное разрушение аминокислот.

Белковые гидролизаты применяются в качестве лечебных препаратов для парентерального питания. Например, церебролизин - продукт кислотного гидролиза мозгового вещества крупного рогатого скота, гидролизин - продукт такого же гидролиза фибриллярных сгустков и цельной крови крупного рогатого скота.

2.2. Хроматографическое разделение аминокислот. Виды хроматографии, их значение.

В зависимости от природы адсорбента и механизма разделения веществ хроматографию подразделяют на несколько видов: адсорбционная, распределительная; ионообменная, осадочная, диффузионная. Различают хроматографические методы анализа и по технике выполнения их: колоночная и плоскостная (на бумаге или в тонком слое). В зависимости от агрегатного состояния фаз хроматографию подразделяют на газовую, жидкостную и газожидкостную. Различают виды хроматографии и по направлению движения растворителя (подвижной фазы): восходящая, нисходящая, одномерная, двухмерная и радиальная.

Довольно точным и доступным является метод распределительной хроматографии на бумаге (модификация адсорбционной хроматографии). При этом методе в качестве адсорбента используют специальную фильтровальную бумагу. Хроматографию проводят в закрытой камере, чтобы избежать испарения растворителя. Разделение смеси аминокислот методом распределительной хроматографии на бумаге используют для определения аминокислотного состава белка, для качественного и количественного определения аминокислот в биологических жидкостях и тканях. Этот метод позволяет выделить отдельные вещества из небольшого количества сложной смеси.

2.3.–2.4. Структурная организация белка. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка.

Зависимость биологических свойств белка от особенностей строения белковой молекулы. Химические

связи, участвующие в формированиии поддержании уровней структурной организации белка

(пептидная, водородная, дисульфидная и др.)

Белки имеют 4 уровня структурной организации.

Первичная структура - это последовательное соединение аминокислотных остатков в полипептидную цепь. Она стабилизируется пептидными связями между аминокислотами, обеспечивая прочность ковалентного состава полипептидной цепи. Каждый индивидуальный белок уникален своей первичной структурой. Она определяет последующие уровни организации белковой молекулы.

Замена или утрата аминокислот в полипептидной цепи приводит к изменению структуры, физико-химических свойств и биологических функций белка. Например, при мутации гена, кодирующего полипептидную β-цепь гемоглобина (Нb) глутаминовая кислота в положении 6 замещается на валин, в результате чего мутантный Hb становится плохо растворим, теряет способность переносить кислород. При этом эритроциты приобретают форму серпа, отсюда название болезни - серповидно-клеточная анемия. В настоящее время расшифрована первичная структура многих белков: гемоглобина, миоглобина, инсулина, иммуноглобулинов, цитохромов, лизоцима, трипсина, химотрипсина и других.

Вторичная структура - это способ свертывания, скручивания, упаковки полипептидной цепи в спиральную или другую конформацию. Она возникает самопроизвольно, автоматически, что зависит от набора аминокислот и их последовательности. Различают 2 типа вторичной структуры: 1-α-спираль и 2 - слоисто-складчатая (β-структура).

α-спираль имеет винтовую симметрию:

а) ход спирали стабилизируется водородными связями между пептидными группами каждого 1-го и 4-го остатка аминокислот.

б) регулярность витков спирали.

в) равнозначность всех аминокислотных остатков независимо от строения их боковых радикалов.

г) боковые радикалы не участвуют в образовании α-спирали.

Высота одного витка (шаг спирали) равна 0,54 нм, в него входят 3,6 аминокислотных остатка, период регулярности равен 5 виткам (18 аминокислотных остатка). Длина одного периода - 2,7 нм.

Очень много в α-спирали цистеина. Благодаря своей SH-группе он может образовать дисульфидные связи между витками спирали.

Другой тип вторичной структуры называется β-структурой. Этот вид обнаружен в белках волос, мышц, ногтей и других фибриллярных белках. Состав таких полипептидных цепей имеет складчатую структуру. Её стабилизируют водородные связи между пептидными группировками отдельных участков цепи, чаще двух или нескольких полипептидных цепей, расположенных параллельно. В β-складчатых слоях отсутствуют S-S-связи (в этих участках нет цистеина). Боковые радикалы выступают наружу по обе стороны складчатого слоя.

β-структура образуется только при наличии в составе цепей определенных аминокислот, в частности, аланина и глицина. В молекулах многих нативных белков одновременно присутствует α-спиральные участки и β-складчатые слои.

Третичная структура - это трехмерная пространственная организация полипептидной спирали, или способ укладки полипептидной цепи в объеме.

Стабилизируют эту структуру 4 типа внутримолекулярных связей:

1 - ковалентные дисульфидные связи между остатками цистеина;

2 - нековалентные водородные связи (между С=О и – ОН, –NH2, –SH-группами);

3 - электростатическое взаимодействие заряженных групп в боковых радикалах аминокислот (NН³⁺ и СОО^-);

4- гидрофобные ван-дер-ваальсовые взаимодействия между неполярными боковыми радикалами аминокислот.

По форме третичной структуры белки делят на глобулярные (ферменты, транспортные белки, антитела, гормоны) и фибриллярные (структурные) (кератин волос, ногтей; коллаген соединительной ткани, эластин связок; миозин и актин мышечной ткани).

Третичная структура определяет нативные свойства белка.

Четвертичная структура. Белки, обладающие этой структурой, называют олигомерными ("олиго" - несколько). Это означает, что они построены из нескольких субъединиц.

Четвертичная структура - это способ укладки в пространстве нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурами, которые могут быть как одинаковыми, так и разными.

Примеры белков, обладающих четвертичной структурой: гемоглобин - 4 субъединицы; пируватдегидрогеназа - 72 субъединицы. Субъединицы связаны между собой ионными, водородными, дисульфидными связями.

2.5. Протеинопатия - изменение белкового состава тканей организма.

Наследственные протеинопатии связаны с первичным повреждением в генетическом аппарате организма (серповидно - клеточная анемия). Белок не синтезируется или синтезируется с изменённой структурой.

При приобретённых протеинопатиях первичная структура не нарушена, а изменяется количество белка, его распределение в тканях или нарушается функция белка в связи с изменением условий в клетке (нарушение синтеза внутреннего фактора Касла).

2.6. Белки классифицируются на простые и сложные.

Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на свободные аминокислоты.

К простым белкам относят гистоны, протамины, альбумины, глобулины.

Альбумины и глобулины относятся к белкам, широко распространенным в органах и тканях животных.

Альбумины - это белки небольшой молекулярной массы (70 тыс.), они имеют избыточный "-" заряд и кислые свойства из-за большого содержания глутаминовой кислоты. Высаливаются при 100% насыщении (NH₄)₂SO₄. Характерная их особенность - высокая адсорбционная способность, благодаря чему они могут выполнять транспортную роль. Альбумины поддерживают осмотическое давление, обуславливают рН крови, выполняют резервную функцию.

Глобулины - белки с большей молекулярной массой (в пределах 160-180 тыс.). Они слабокислые или нейтральные. Это неоднородная фракция, среди которой особо выделяют α₁, α₂, β, γ-глобулины. Глобулины выполняют защитную функцию, участвуют в свертывании крови, осуществляют транспорт холестерола, ряда витаминов, гормонов, ферментов, ионов меди и железа.

Гистоны - это белки основного характера, с молекулярной массой 12000-24000. Основные их функции заключаются в стабилизации пространственной структуры ДНК, а, следовательно, хроматина и хромосом. Регуляторная функция этих белков заключается в способности блокировать передачу генетической информации от ДНК к РНК.

Протамины значительно отличаются аминокислотным составом и структурой, обладают резко выраженными основными свойствами из-за большого (80%) содержания аргинина. Их молекулярная масса не превышает 5000. Они, как и гистоны, поликатионные белки и связываются с ДНК в хроматине спермиев.

 

Практическое занятие №3.

Задание к занятию №3.