Предмет и задачи биохимии. Белки. (Лекция 1) презентация

Цели и задачи биохимии
Биохимия – дословно «химия жизни»
Цель: изучение химических ( т.е. молекулярных) основ функционирования организма (т.е. основ жизнедеятельности).
Термин «биохимия» введен Карлом Нейбергом в 1903 г.
Задачи:
Изучение структуры биомолекул и биоактивных веществ во взаимосвязи с функциями.
Изучение механизмов поступления веществ в клетки.
3. Изучение механизмов превращения биомолекул в клетках, механизмов высвобождения и использования энергии, регуляция этих превращений, т.е. метаболизм

Применение знаний биохимии в медицине:
1. Решение проблем сохранения здоровья, в том числе проблем рационального питания; профилактики заболеваний, в том числе стоматологических.
2. Выяснение причин различных заболеваний и изыскание путей их эффективного лечения.
(Диагностика и контроль за лечением)
При этом стоматолог всегда должен учитывать взаимосвязь химических (метаболических) процессов , происходящих в организме, и состоянием тканей и секретов ротовой полости.

Белки. Строение, свойства, функции
Белки (синоним:протеины; от греч.protos-первый)
Белки-высокомолекулярные азотсодержащие биополимеры или сополимеры, имеющие трехмерную пространственную конфигурацию, состоящие из мономеров - альфа-аминокислот, соединенных в неразветвленную полимерную - полипептидную цепь ковалентными пептидными связями.

1. Белки. Функции.
В организме человека содержится свыше 50000 индивидуальных белков, выполняющих жизненноважные функции.
Функции:
Специфические ( характерны только белкам, благодаря их уникальной пространственной конфигурации) - каталитическая, транспортная, рецепторная, иммунной защиты, механо-химическая, защита от кровопотери.
Неспецифические – пластическая, энергетическая, регуляторная
Белки выполняют специфические функции благодаря их уникальной пространственной (трехмерной) конфигурации

Белки. Химический состав.
Мономер природного белка – альфа- аминокислоты.
В составе белков человека – 20 протеиногенных ам-т.
Классификация аминокислот:
- по полярности радикала;
- способности синтезироваться в организме –заменимые и незаменимые;
незаменимые: валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.
частично заменимые- гистидин, аргинин.
условно заменимые – синтезируются из незаменимых- цистеин, тирозин.

Альфа-аминокислота- мономер природных белков
R - CН - СООН
I
NН2
Все α-аминокислоты различаются строением радикала.
Химические группы радикалов обладают разными свойствами и определяют формирование соответствующей пространственной конформации полипептидной цепи.
Гидрофобные группы – СН3 -метильная, циклические;
Гидрофильные: ОН, СООН, NН2, NН, SH, амидная – СО- NН2

Пространственная структура (конформация)
Все индивидуальные белки отличаются первичной структурой, конформацией, строением активного центра и функциями.
Молекулы белка - трехмерны. Имеют три уровня организации:
первичная - полипептидная цепь, состоящая из аминокислот, последовательно связанных ковалентными пептидными связями
-СО-NН- ; аминокислотный состав и их последовательность обусловлена генетическим кодом. Каждый из индивидуальных белков имеет уникальную первичную структуру.
Первичная структура обусловливает пространственную конформацию.
вторичная - ( пространственно упорядоченная спираль, обусловленная водородными связями между водородом и кислородом групп, обеспечивающих пептидные связи); Два вида структуры – альфа-спираль и бета-спираль.
третичная – (энергетически выгодная упорядоченная структура, обусловленная нековалентными связями между химическими группа радикалов- водородные, ионные, дисульфидные, гидрофобные взаимодействия.).
Третичная структура- обязательная для всех белков – энергетически выгодная глобула. По геометрической форме глобулы белки разделяют на глобулярные и фибриллярные. Большинство белков – глобулярные. Они имеют компактную структуру,в которой гидрофобные радикалы расположены внутри молекулы.

Пространственная структура (продолжение)
Четвертичная (олигомерные белки) - ассоциация нескольких (четное кол-во) протомеров с третичным уровнем (нековалентные связи). Характерна для белков с высокой биологической активностью, например - регуляторные ферменты, гемоглобин, иммуноглобулины.

Структура белка. Домены
Для высокомолекулярных белков в структуре характерно наличие доменов.
Домены- это участки полипептидной цепи, которые имеют независимо от других участков этой цепи конформацию глобулы (третичную структуру).

Шапероны. Фолдинг
Фолдинг – процесс формирования трехмерной структуры при участии белков шаперонов
Шапероны (shaperon - с французского- няня)– специализированные внутриклеточные белки, ответственные за быстрое формирования правильной пространственной структуры белка.
Шапероны также участвуют в защите клеточных белков от денатурирующих воздействий (температуры, гипоксии, инфекции, рН, тяжелых металлов). Их количество возрастает при повышении температуры, поэтому их также называют белками теплового шока.
Болезни связанные с нарушением фолдинга –амилоидозы (например, амилоидоз- нервной ткани- болезнь Альцгеймера).
Амилоиды- нерастворимые субстанции белка в клетке ( в связи с их несформированой нативной пространственной структурой) .

УЧАСТИЕ ШАПЕРОНОВ В ФОЛДИНГЕ БЕЛКОВ
РИБОСОМА
мРНК
синтезирован
ный белок
ШАПЕРОНЫ 60
БЕЛОК
ШАПЕРОНОВЫЙ
КОМПЛЕКС
нативный
белок
здесь про-исходит перебор всех воз-можных конформаций, пока не будет найдена нативная структура

Центр связывания (активный центр).
Взаимодействие белка с лигандами
Для осуществления своих функции – напр.каталитической, транспортной, рецепторной, иммуноглобулины - белок связывается с другим веществом. Для этого в молекуле белка имеется центр связывания (активный центр)- совокупность чаще всего трех функциональных групп аминокислот.
Лиганд- это вещество, с которым взаимодействует белок для осуществления своих функций.
Лиганд присоединяется к центру связывания по принципу комплементарности.
Комплементарность – это пространственное и химическое сродство лиганда и активного центра

Физико-химические свойства белков.
Высокая молекулярная масса – варьирует в широких пределах, т.к. варьирует кол-во в молекуле аминокисл. остатков. Коротко цепочечные белки – называют пептидами (также обладающие широким спектром действия).
Растворы белка обладают свойствами коллоидных растворов - осмотические свойства, высокая вязкость, малая скорость диффузии
2. Термостабильность и термолабильность. В основном белки термолабильные ( денатурируют)- однако, есть очень малая группа термостабильных белков ( напр. белок слюны муцин)
Растворимость и заряд белков. Способность белка
к растворению (гидратации) обусловлена наличием на поверхности белка гидрофильных –заряженных функциональных групп, способных удерживать диполи воды.Зависит и от М.М.
Факторы устойчивости раствора белка- заряд и гидратная облочка.

Растворимость
Факторы влияющие на растворимость:
а. рН среды. Изменяя рН среды , меняется степень диссоциации функциональных групп аминокислот, а значит меняется величина заряда. В изоэлектрическом состоянии белок минимально гидратирован и выпадает в осадок.
раств
рН
иэт
Изоэлектрическая точка- значение рн среды, при которой белок находится в изоэлектрическом состоянии.

Факторы, влияющие на растворимость
б. ионная сила ( концентрация ионов в растворе):
Степень раствор.
Ионн. сила
Процесс осаждения белка под действием конц. солей щелочных металлов – высаливание- обусловлено разрушением гидратной оболочки.
Многие белки осаждаются в узкой области концентрациях солей, что делает эту процедуру эффективным методом фракционирования.

Классификация.
Существуют классификации по молекулярной массе, по выполняемым функциям, по локализации в клетке, по локализации в организме; по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков, например, иммуноглобулины). Однако наиболее приняты следующие принципы классификации:
Геометрическая форма белковой молекулы:
глобулярные; Фибриллярные
Глобулярные – белки, соотношение продольной и поперечной осей глобулы не превышает 1:10; а чаще 1:3; 1:4. Большинство инд. белков глобулярные Имеют компактную структуру и хорошо растворимы в воде в зависимости от величины заряда; М.М. и ионной силы растворителя.(см. выше).Функции разнообразны. К ним относятся ферменты, транспортные белки крови, иммуноглобулины, факторы свертывания крови и др.
Фибриллярные – белки имеют вытянутую нитевидную структуру, в которой соотношение осей более 1:10 Нерастворимы.
Коллаген, эластин, кератин структурные белки

Классификация (продолжение)
Принцип классификации:
Наличие простетической ( небелковой группы):
простые белки – состоят только из альфа - аминокислот;
сложные белки – в состав молекулы входит небелковый компонент (простетическая группа). Присоединение небелкового компонента происходит или во время трансляции (котрансляционная модификация) или после завершения синтеза белка на рибосомах (посттрансляционная модификация).
Белковая часть – апобелок (апопротеин)

Простые белки
На основании условно выработанных критериев – м. м; ам.состав, растворимость, условиях осаждения – простые белки делят на следующие группы:
Альбумины - локализованы в тканях и плазме крови, состоят из одной полипептидной цепи (3 уровень организации);
небольшая м. м. (15-70 тыс Да), кислые, сильно гидратированные – хорошо растворимы и осаждаются при насыщенных концентациях водоотнимающих веществ.
Обуславливают осмотическое давление крови, универсальные транспортные белки. Синтезируются преимущественно в печени
Глобулины – молекулярная масса в пределах 150 кДа, слабокислые или нейтральные, специфические транспортные белки. Осаждаются при полунасыщении водоотнимающих средств.
Среди них достаточно много сложных – (гликопротеионов).
Гистоны- тканевые белки, небольшая молекулярная масса 11-24 кДа, щелочного характера (аргинин,лизин) Связаны с ДНК. Функции- структурная – связаны с ДНК и участвуют в стабилизации пространственной структуры ДНК, регуляторная –способны блокировать передачу генетической информации от ДНК на РНК.
Протамины – низкомолекулярные м.м.-4-12 кДа,щелочные свойства (аргинин). Функция структурная- связываются с ДНК, делая ее молекулу компактной.

Простые белки ( продолжение)
Проламины и глютелины – растительные белки. Особенность – не растворяются в воде. Содержатся в клейковине пшеницы. В организме человека расщепляются , но у некоторых людей возможно недостаточность или отсутствие фермента, расщеплящего глютелины. Возникает заболевание целиакия – непереносимость растительных белов.
Прионы - особый класс белков, обладающих инфекционными свойствами, Попадая в организм или спонтанно образуясь в организме, изменяют конформацию гомологичного ему нормального клеточного белка, превращая его в себе подобный. прионы- единственные инфекционные агенты, размножение которых идет без участия нуклеиновых кислот. Сопровождается разрушением головного мозга –губчатые энцефалопатии - прионовые болезни.
Источник – мясо, костная мука животных.

Сложные белки (протеиды)
Сложные белки в зависимости от химической природы небелкового компонента делят на следующие классы сложных белков: глико-, липо-, хромо-, нуклео-, фосфопротеины.
Гликопротеины- простетическая группа -углеводы, связанные чаще всего с белком гликозидной связью. Белки плазмы крови - фибриноген, иммуноглобулины, муцины-белки слюны, некоторые ферменты и гормоны, коллаген, рецепторы клеток.
Хромопротеины- простетическая группа разнонобразные окрашенные продукты, прежде всего гем и флавин ( производное витамина В2). Гемоглобин, миоглобин, цитохромы; ферменты дегидрогеназы с коферментом ФАД.

Сложные белки (продолжение)
Нуклеопротеиды. Небелковый компонент – ДНК, РНК.
Связь между положительно заряженными аминокислотных остатков аргинина и лизина белка и отрицательными фосфатными группами нуклеиновых кислот. Знать формулы ДНК и РНК.
Липопротеины – небелковый компонент - липиды. Наибольшее значение липопротеины – транспортные формы липидов в крови. ЛПНП, ЛПВП, ЛПОНП, ХМ.
Фосфопротеиды – небелковый компонент фосфорная кислота. Фосфорилирование ( связь чаще с треонином и серином апобелка) белка внутриклеточных белков процесс обратимый. Процесс играет важную роль в регуляции биологической активности белков