Лекция №1 введение в биохимию. Белки, функции. Общие свойства белков. Классификация. Простые белки план

1. 
   Введение в биохимию
   
2. 
   Понятие о белках. Функции белков
   
3. 
   Общие свойства белков. Классификация белков
   
4. 
   Простые белки
   

Биохимия – это наука, изучающая химический состав живых организмов и химические процессы в них. Это относительно молодая наука, возникшая во второй половине XIX века. Открытия в области энзимологии, молекулярной генетики, биоэнергетики выдвинули биохимию в ряд фундаментальных дисциплин и сделали мощным оружием в решении многих проблем биологии, медицины, животноводства и растениеводства. Биохимия объединяет все науки о живом, помогает познать, как протекают в живых организмах физические и химические процессы, как действуют лекарственные препараты. Зная состав различных органов и тканей и их количественное изменение, можно поставить диагноз, знать, правильно ли назначено лечение, следить за проводимой терапией, поставить прогноз заболеванию. Т.о., биохимия дает врачу сведения, благодаря которым можно сознательно разбираться в химизме процессов, протекающих в больном и здоровом организме. Она позволяет управлять этими процессами, рационально использовать химиотерапию.

От биохимии отпочковались другие науки – молекулярная генетика, генная хирургия и инженерия, молекулярная биология и т.д.

Понятие о белках. Функции белков

Белки – это высокомолекулярные биополимеры, состоящие из остатков аминокислот. Название происходит от греческого слова protos – первый, важнейший. Термин предложен в 1838 году Мульдером, отражает первостепенное биологическое значение белков. В природе содержится огромное количество разнообразных белков. В природе имеется около 10¹⁰- 10¹² различных белков, обеспечивающих существование около 10⁶ живых существ. В организме человека имеется более 50000 белков. С белками связаны все признаки, отличающие живое от неживого: воспроизводимость, сократимость, обмен веществ, высокий уровень структурной организации, способность преобразовывать и использовать энергию.

1. 
   структурная (пластическая, опорная) – определяет структуру тела человека, растений, животных, вирусов, микроорганизмов, входят в состав различных биологических мембран. Имеется целая группа белков, для которых эта функция является основной – коллагены, эластины, кератины.
   
2. 
   Каталитическая – белки обладают свойствами биокатализаторов (ферментов), ускоряя течение биологических процессов в организме.
   
3. 
   Энергетическая – за счет части аминокислот. На долю белка приходится 10-12% энергопотребления у человека.
   
4. 
   Транспортная – белки переносят с кровью и другими биологическими жидкостями вещества, нерастворимые в воде (витамины, металлы, липиды, газы) и способствуют транспорту этих веществ через мембраны.
   
5. 
   Защитная – а) белки стоят на страже химической индивидуальности вида (при поступлении чужеродного белка – антигена, несущего «чужую» генетическую или химическую информацию в организме вырабатываются антитела, образуется комплекс антиген-антитело и он исключается из метаболического круга путем осаждения, лизиса и т.д. б) защита организма при ранении путем свертывания крови (только у млекопитающих). Для выполнения этой функции в организме образовался целый комплекс белков, главным из них является фибриноген. Плазмин – белок плазмы крови, ускоряющий расщепление фибрина. Это обеспечивает восстановление проходимости сосудов, закупоренных фибриновым сгустком. В) связывание токсических веществ, поступивших извне или образовавшихся в результате метаболических реакций (например, альбумины плазмы крови связывают билирубин, СЖК, лекарства). Г) антитела – гамма-глобулины, или иммуноглобулины – защищают от антигенов (чужеродных белков и высокомолекулярных углеводов). Д) интерфероны – блокируют синтез вирусных белков путем индукции синтеза ряда внутриклеточных ферментов.
   
6. 
   Сократительная – обеспечивает способность к перемещению тела в пространстве, сокращение сердца, дыхание, перистальтику кишечника и др.
   
7. 
   Регуляторная – белки играют важную роль в обменных процессах, осуществляют связь внутренней среды организма с внешней средой. Это гормоны, ферменты, БАВ, пептиды и т.д.). Рецепторы, через которые осуществляются регуляторные процессы также являются белками.
   
8. 
   Трансформирующая – белки участвуют в превращении электрической и осмотической энергии в химическую энергию АТФ.
   
9. 
   Передача наследственных признаков. Белки «запускают» процесс передачи наследственной информации и контролируют его на всем протяжении.
   

Несмотря на большое разнообразие белков в природе и многочисленные функции, для всех их существует ряд общих свойств, позволяющих отличить белки от других классов соединений.

1. 
   близкий элементарный состав. Все белки в своем составе содержат элементы: С, О, N, Н, S, причем в близких количественных соотношениях: С – 53%, О – 22%, N – 16%, Н – 7%, S – 2%. В состав белков также могут входить другие элементы – Р, Fe, I, Cu, Mg, Co и др. наиболее постоянным в белках различного происхождения является количество азота, исходя из которого был вычислен белковый коэффициент, отражающий количество белка, соответствующее 1 г азота: 100:16=6,25 [чтобы вычислить количество белка в биологических объектах, нужно содержание азота в нем умножить на 6,25].
   
2. 
   Высокая молекулярная масса: она колеблется от 5000 Дальтон (Da) и зависит от количества отдельных полипептидных цепей в составе молекулярной структуры, от числа аминокислотных остатков в этих п/п цепях.
   
3. 
   Большие размеры и определенная форма белковых молекул. Большие размеры молекулы белка зависят от их молекулярной массы. По форме и пространственной конфигурации различают глобулярные и фибриллярные белки. Принадлежность белка к той или иной группе определяется коэффициентом ассиметрии, т.е. соотношением продольной и поперечной осей молекулы. Если он равен от 1 до 10, то белок относится к глобулярным. Белковые молекулы имеют форму шара или элипсоида, растворимы в воде, растворах солей, выполняют динамические функции (каталитическую, транспортную, регуляторную, защитную). Если коэффициент ассиметрии 10 и более белки относятся к фибриллярным. Молекулы таких белков имеют вид тончайших нитей волокон с большой длиной. Эти белки выполняют в основном структурные функции, образуя волокнистые структуры костной, хрящевой, соединительной тканей. Фибриллярные белки бывают: 1) растворимые в концентрированных растворах солей (актин, миозин, фибриноген); 2) нерастворимые – склеропротеины, или протеноиды (коллагены, эластины, кератины).
   
4. 
   Общая природа продуктов распада белков. Распад больших молекул (полимеров) до малых (мономеров) с участием воды называется гидролизом. Он бывает кислотным (кипячение с концентрированными кислотами), щелочным (кипячение со щелочами), ферментативным (с участием ферментов при температуре 37-40С). Гидролиз белка идет по схеме: белки (в составе более 50 аминокислот) пептиды аминокислоты. В природные белки входят 20 альфа-аминокислот. По возможности синтезироваться в организме аминокислоты делятся на заменимые (синтезируются в организме), полузаменимые (синтезируются в недостаточном количестве - Гис, тир, арг) и незаменимые (не синтезируются в организме - лей, иле, вал, лиз, тре, мет, фен, три). Незаменимые аминокислоты в организме не синтезируются и должны поступать с пищей. В детском возрасте также незаменимы гис и арг. Цистеин и тирозин могут образовываться из незаменимых аминокислот - метионина и фенилаланина соответственно. При недостатке метионина и фенилаланина в пище цистеин и тирозин становятся незаменимыми аминокислотами. И, наоборот, если цистеин и тирозин содержатся в рационе в адекватном количестве, они способствуют удовлетворению потребности в метионине и фенилаланине. Если белок содержит все 8 незаменимых аминокислот, он является полноценным. Неполноценный белок не содержит хотя бы одной незаменимой аминокислоты. По химической природе радикала аминокислоты делят на алифатические (ациклические) и циклические (гис, фен, тир, три, про, опро). По числу функциональных групп, т.е. –СООН и -NН2 различают: 1) моноаминомонокарбоновые (нейтральные), 2) моноаминодикарбоновые (кислые), 3) диаминомонокарбоновые (основные). Среди нейтральных аминокислот встречаются гидрооксиаминокислоты и тиоаминокислоты – повторить и знать формулы всех аминокислот, их названия.
   
5. 
   Сходство в общем плане строения молекул. В молекулах белка различают связи – ковалентные (прочные) и нековалентные (слабые). 1) Ковалентные связи: а) пептидная – основной тип связи. Впервые о наличии такой связи свидетельствовал А.Я. Данилевский. В 1888 году он назвал эту связь амидной. Позднее, в 1901 году Э.Фишер получил в экспериментальных условиях доказательство наличия этой связи и дал ей название пептидной. Пептидная связь образуется при взаимодействии 2-х аминокислот: первая вступает в реакцию –СООН группой, а вторая аминокислота – своей –NН2 группой. Образуется амидная (пептидная) группировка.
   

Б) дисульфидная связь – между атомами серы сульфгидрильных групп цис, находящихся в разных участках одной или соседних п/п цепей.

2) нековалентные связи содержат мало энергии, но они выполняют 2 важные функции 1. Благодаря своей многочисленности обеспечивают устойчивость конформации молекулы белка; 2. Они участвуют в образовании функциональных комплексов 2-х соседних молекул, требуется наличие определенной структурной комплементарности – антиген-антитело, фермент-субстрат и т.д. эти связи возникают и разрушаются без участия ферментов. А) водородные – образуются между отрицательно заряженным кислородом одной п/п цепи и положительно заряженным водородом другой. Легко разрываются при нагревании, а при охлаждении вновь возникают, иногда в других местах. При разрыве этих связей меняется форма белковых молекул, ее физические и биологические свойства. Поэтому при нагревании белки денатурируют. Б) ионные – в результате электростатического взаимодействия разноименно заряженных функциональных групп: СОО^- (дикарбоновых аминокислот) и NН3⁺ (диаминокарбоновых аминокислот). В) гидрофобные – за счет взаимной ассоциации углеводородных радикалов аминокислот, т.е. возникает за счет сближения 2-х неполярных групп до тех пор, пока они не соприкоснуться, при этом сближение сопровождается уменьшением числа окружающих их молекул воды – молекулы воды как бы выталкиваются из той сферы, в которой возникает гидрофобное взаимодействие. Д.Л.Талмуд впервые указал на роль гидрофобных участков полипептидной цепи в формировании конфигурации молекулы белка.

6. Белки – амфотерные электролиты. Мишер в 1876 году говорил «белки в действительности представляют собой довольно сильные кислоты и основания и лишь потому реагируют нейтрально, что включают оба свойства одновременно". Белки состоят из аминокислот, которые имеют амфотерные свойства: за счет –СООН группы - кислотные и за счет –NН2 – основные. Большая часть карбоксильных и NН2 групп связаны в молекуле пептидными связями, но некоторые (а концевые обязательно) свободны.

При рН плазмы крови или внутриклеточной жидкости (7,4 и 7,1 соответственно) СООН группа существует в виде иона СОО^-, а NH2 в виде NH3⁺ (цвиттерион)

т.е. в молекуле есть определенное число положительных и отрицательных зарядов. В данном случае их количество одинаково. Изменяя реакцию среды (рН) можно изменить заряд белковой молекулы.

в кислой среде диссоциация –СООН группы подавляется и белок проявляет свойства основания, заряд белка положительный. В щелочной среде диссоциация –NН3ОН группы подавляется и белок проявляет свойства кислотные, заряд отрицательный.

если белок содержит много диаминоМК кислот, то он обладает щелочными свойствами, заряд белка положительный.

7. 
   коллоидный характер водных растворов белка. Белки, имея большие размеры своих молекул в водных растворах, образуют коллоидные системы и обладают характерными признаками этих растворов. Они имеют заряд на поверхности частиц и гидратную оболочку (оболочку из молекул воды, ориентированных определенным образом в пространстве). Эти 2 признака являются главными факторами устойчивости белков по отношению к друг другу и к растворителю. Т.о., наличие факторов устойчивости зависит от аминокислотного состава белка и рН среды, в которой он находится. Кроме того, для растворов белков, как коллоидных растворов, характерны определенные оптические свойства (опалесценция, образование конуса Тиндаля, небольшая скорость диффузии, неспособность проходить через полупроницаемую мембрану, вязкость растворов, образование гелей – фибриллярные белки лучше образуют гели, т к. обладают большей вязкостью).
   
8. 
   общие цветные реакции. Различают – а) общие цветные реакции на белки, обусловленные общими связями или общими группами, содержащимися в белках (биуретовая реакция на пептидную связь и нингидриновая реакция на свободную альфа-аминогруппу). Б) цветные реакции на отдельные аминокислоты (реакция Миллона на тир, Шульце-Расспайля и Адамкевича на три, Фоля на цис, с гипобромитом натрия на арг, ксантопротеиновая реакция на три и тир; диазореакция Паули на гис, тир и три) – знать какая реакция на какую аминокислоту (см. практикум – цветные реакции на белки и аминокислоты).
   
9. 
   общие реакции осаждения. Бывают 2 видов – с потерей и без потери нативных свойств белка. Они основаны на разрушении факторов устойчивости. Факторами устойчивости белков в водных растворах являются заряд и гидратная (водная оболочка). На поверхности белков много СООН, NH2, ОН групп, связывающих воду. При действии водоотнимающих средств (кислоты, соли и др.), молекулы белка, находясь в состоянии броуновского движения, сталкиваются и, соединяясь под влиянием сил межмолекулярного сцепления, образуют крупные агрегаты – осаждаются. При действии на раствор белка нейтральными солями белки осаждаются, процесс называется высаливание. Высаливающее действие зависит от способности такой соли отнимать воду у белка. При этом нативные структуры белка сохраняются. По силе высаливающего действия ионы образуют лиотропный ряд: LiNaKRbCs. Литий сильно притягивает воду, т.е хорошо снимает гидратную оболочку. Высаливание – процесс обратимый. Осаждение с нарушением нативных структур белка происходит под действием солей тяжелых металлов, органических и неорганических кислот, алкалоидов. При этом снимается и гидратная оболочка и заряд, процесс необратимый.
   
10. 
    Сложное строение белковых молекул. Значительные различия белковых молекул в качественном и количественном аминокислотном составе обеспечивает этим соединениям не только высокую степень специфичности, но и исключительную сложность строения. Она характеризуется четырьмя уровнями организации – первичной, вторичной, третичной и четвертичной (рекомендация Линдестрема-Ланге). Все белки имеют первые три уровня организации и только некоторые – четвертичную. Первичная структура характеризуется последовательностью, качеством и количеством связанных между собой остатков аминокислот. Эта структура обеспечивается пептидной связью, возможно участие дисульфидных связей. В каждой п/п цепи 2 конца: N-конец (здесь свободная NН2) и С-конец (свободная –СООН). Все физико-химические и биологические свойства белка зависят от первичной структуры. Она же определяет видовую и индивидуальную специфичность белка. Например, гемоглобин у различных видов животных имеет различную первичную структуру. Видовая специфичность обуславливает несовместимость тканей: один и тот же белок у различных индивидуумов имеет незначительную разницу в первичной структуре, также как и белки различных органов у одного и того же индивидуума. Это означает то, что если белки из организма одного животного попадают в организм другого вида или даже в организм другого животного одного и того же вида, то иммунная система синтезирует антитела к этому белку, образуется комплекс антиген-антитело и белок выводится из метаболизма. В некоторых случаях замена только одной аминокислоты в п/п цепи на другую аминокислоту приводит к изменению физико-химических и функциональных свойств белка и развитию «молекулярных» болезней. Например, замена в 6-ом положении НbА взрослого человека глу на вал приводит к превращению этого белка в HbS, снижению его растворимости и развитию серповидно-клеточной анемии, при которой мембраны эритроцитов повреждаются, снижается сродство белка к кислороду, наступает гемолиз эритроцитов. Вторичная структура – это способ свертывания, скручивания п/п цепи в спиральную или какую-либо другую конформацию. Основная связь – водородная, возникает между отдельными участками п/п цепи. Эта структура расшифрована с помощью Rh-структурного анализа американским биохимиком Полингом Л., который был удостоен Нобелевской премии за это открытие. Наряду с водородными связями имеются электростатические и гидрофобные связи. Различают 2 вида вторичной структуры – альфа и бета. Альфа-спираль – это правовращающаяся винтообразная конфигурация, каждый шаг которой включает 3,6 аминокислот. Водородные связи направлены вдоль оси п/п цепи. Обычно эта структура характерна для глобулярных белков. Связи эти слабые, но их много, что обеспечивает стабильность структуры. Бета-спираль открыли Полинг и Кори в 1951 году – это сложно-складчатая (гармошка), характерна для фибриллярных белков, основная функция которых - опорная (кератины, фиброин шелка). Основные связи водородные, но направлены они перпендикулярно оси молекулы. Они образуются как в одной п/п цепи, так и между несколькими цепями. Третий тип вторичной структуры – коллагеновая спираль. Эта спираль тройная – в ней находятся три одинаковые коллагеновые цепи, которые уложены параллельно и закручены одна вокруг другой.
    

По химическому составу белки делятся на 2 класса – простые (при гидролизе распадаются только на аминокислоты), сложные (при гидролизе дают не только аминокислоты, но и другие структуры – простетические группы). Простые белки по растворимости и пространственному строению разделяют на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные имеют шарообразную форму молекулы, растворимы в воде и солевых растворах. К этой группе относятся все ферменты и большинство других БАВ, исключая структурные. Среди глобулярных белков можно выделить альбумины, глобулины, протамины и гистоны. Фибриллярные белки характеризуются волокнистой структурой, делятся на растворимые и нерастворимые. К первой подгруппе относятся миозин, актин, фибриноген, ко второй – склеропротеины (протеноиды – кератины, эластины, коллагены). Сложные белки – НП, МП, ГП, ФП, ХП, ЛП. Такое деление белков условно, поскольку многие простые белки также содержат небелковый компонент.

1. 
   Альбумины – это полноценные белки с относительно небольшой молекулярной массой (20000 - 70000 Da), свертываются при кипячении, хорошо растворимы в воде, растворах солей, кислот, щелочей, высаливаются насыщенным раствором сульфата аммония. В молекулах содержится больше МАДК кислот, т.е. это кислые белки (ИЭТ=4,7). Благодаря небольшим размерам, но большому отрицательному заряду на их поверхности, альбумины хорошо подвижны в электрическом поле, что используется в лабораторной диагностике. Альбумины широко распространены в природе: находятся в сыворотке крови (сывороточный альбумин), молоке (лактальбумин), белке яйца (овальбумин), клетках и тканях животного и растительного происхождения. В 100 мл плазмы крови содержится 7 грамм белка, из них 4,5 грамма альбуминов и и 2 грамма глобулинов. В организме человека сывороточные альбумины выполняют важную роль: а) поддерживают онкотическое давление (30% онк.давления приходится за счет альбуминов) и постоянство ОЦК (объема циркулирующей крови). При снижении их содержания жидкая часть крови выходит из сосудов в ткани, т.к. альбумины очень хорошо гидратированы. Б) участвуют в транспорте мало- и нерастворимых в воде веществ (липидов, металлов). В) участвуют в обезвреживании токсических веществ эндо- и экзогенного происхождения, т.к., связываясь с ними, они снижают их токсическое действие на организм (СЖК, билирубин, лекарства)
   
2. 
   Глобулины – полноценные белки, молекулярный вес больше, чем у альбуминов (до 150000 Da). При кипячении свертываются, в воде не растворимы, но растворимы в разбавленных растворах солей, кислот и щелочей. Высаливаются полунасыщенным раствором сульфата аммония. В их составе много МАМК кислот, поэтому они обладают слабокислыми свойствами и имеют меньший, чем у альбуминов отрицательный заряд. ИЭТ около 6-7,3. Подвижность их в электрическом поле зависит, в основном, от размера молекул, а, т.к. глобулины – неоднородные белки, то электрофоретическим методом можно выделить несколько групп (фракций) глобулинов. Так, в сыворотке крови выявляются альфа1, альфа2, бета и гамма-глобулины. Каждая фракция выполняет определенную функцию – альфа и бета – транспортную, входят в состав ЛПНП и ЛПВП, транскортина, церулоплазмина, трансферрина; гамма – защитную (все иммуноглобулины – это гамма-глобулины).
   
3. 
   Гистоны (от histos – ткань) – тканевые белки организма, связанные с ДНК. Это неполноценные белки небольших размеров и массы (10000-20000 Da), плохо свертываются при нагревании, растворимы в воде, растворах кислот, не растворимы в щелочах. В своем составе они содержат около 30% ДАМК кислот, т.е. это белки основного характера (с положительным зарядом), ИЭТ = 10. Различают 5 типов гистонов (в зависимости от содержания в них гис, арг, лиз): Н1, Н2альфа, Н2бета, Н3, Н4. Они входят в состав ядер, соединяясь и стабилизируя структуру ДНК и репрессии, блокируя передачу генетической информации от ДНК к РНК.
   
4. 
   Протамины – неполноценные белки с очень маленькой мол.массой (около 6000 Da). При нагревании не свертываются, содержат около 85% ДАМК кислот, поэтому имеют большой положительный заряд. По свойствам и значению сходны с гистонами, но в отличие от них входят в состав ядерных белков рыб, рептилий и других морских животных.
   
5. 
   Склеропротеиды (СП), или протеноиды – неполноценные белки, в воде не растворимы, растворяются в растворах солей, при нагревании не свертываются, многие из них не расщепляются ферментами ЖКТ, т.е. не перевариваются. Очень устойчивы к механическим воздействиям. К СП относятся белки соединительной ткани, костей, кожи, связок, сухожилий. В организме человека и высших животных различают 3 вида СП: коллагены, эластины, кератины.
   

Выделено 19 типов коллагенов, наиболее распространенными являются первые 4 типа: I тип – в коже, костях, роговице глаза; II тип – в хрящах, межпозвоночных дисках, стекловидном теле; III тип – в ССС; IV тип – в базальных мембранах всех клеток. Каждый тип отличается составом п/п цепей и функцией. Кроме этого некоторые белки (С1q, белки сурфактанта) содержат домены, похожие на коллаген. Эти белки иногда относят к «неколлагеновым» коллагенам.

Таким образом, между коллагеном и эластином имеются следующие основные различия:

1. 
   коллаген содержит повторяющуюся структуру (гли-Х-У)n, где Х и У – любые аминокислоты, а эластин эту последовательность не содержит
   
2. 
   в коллагене имеется гидроксилизин, а в эластине этой аминокислоты нет
   
3. 
   для коллагена характерно присутствие углеводов и наличие внутримолекулярных поперечных связей, чего нет в эластине
   

2. 
   Полосухина Т.Я., Аблаев Н.Р. «Материалы к курсу биологической химии», 1977 – С. 4-7.
   
3. 
   Верболович П.А., Полосухина Т.Я., Каипова З.Н. и др. «Практикум по органической, физической и биологической химии», 1973 – лаб.раб.№№ 200-211.
   
4. 
   Верболович П.А., Аблаев Н.Р. «Лекции по отдельным разделам биохимии» 1985 – С. 3-27.
   
5. 
   Сеитов З.С. «Биохимия», 2000 – С. 40-123, 157.
   
6. 
   Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. «Биохимия для врача» 1994 – С.9-26.