Теория-1

1.Структурная организация белковой молекулы. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белков, биологическая роль. Типы химических связей, стабилизирующих структуру белков. Протеомика, классификация белков по биологическим функциям. Связь структуры белков с функцией.

Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков более чем

100 АК.

Пептиды - органические соединения, состоящие из остатков от 2 до 100 АК. Олигопептиды - органические соединения, состоящие из остатков от 2 до 10 АК. Полипептиды - органические соединения, состоящие из остатков от 10 до 100 АК.

Белки имеют 3-4 уровня организации:

1.Первичная структура линейна, представлена последовательностью аминокислот, соединенных пептидными связями;

2.Вторичная структура является пространственной, она образуется только водородными связями. Выделяют α-спираль и β-складчатый лист; В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счѐт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали

3.Третичная структура является пространственной, она образуется ковалентными, водородными, ионными и гидрофобными связями. Образует белковые глобулы;

Связи, участвующие в формировании третичной структуры белков

Гидрофобные взаимодействия

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому между радикалами возникают так называемые гидрофобные взаимодействия, а также силы ван дер Ваальса между близко прилегающими друг к другу атомами. В результате внутри белковой глобулы формируется гидрофобное ядро.

Ионные и водородные связи

Гидрофильные радикалы аминокислот стремятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверхности белковой молекулы. Все гидрофильные группы радикалов аминокислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ионных и водородных связей

Водородные связи возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как - ОН, -CONH2, SH-группы) и любыми другими гидрофильными группами.

Ковалентные связи

Третичную структуру некоторых белков стабилизируют дисульфидные связи, образующиеся за счѐт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание радикалов

4.Четвертичная структура является пространственной, она образуется при соединении нескольких белковых глобул слабыми водородными, ионными и гидрофобными связями;

Протеомика — наука, основным предметом изучения которой являются белки, их функции и взаимодействия в живых организмах, в том числе — в человеческом.

Белки выполняют в клетках множество биологических функций. По признаку

сходства выполняемых белками функций их можно разделить на следующие большие группы.

1. Ферменты

Ферменты - специализированные белки, ускоряющие течение химических реакций. Благодаря ферментам в клетке скорости химических реакций возрастают в миллионы раз. Так как ферменты, как и любые белки, имеют активный центр, они специфически связывают определѐнный лиганд (или группу похожих лигандов) и катализируют определѐнный тип химического превращения данной молекулы.

2. Регуляторные белки

Крегуляторным белкам относят большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. (гормон инсулин)

3. Рецепторные белки

Сигнальные молекулы (гормоны, нейромедиаторы) действуют на внутриклеточные процессы через взаимодействие со специфическими белкамирецепторами. Так, гормоны, циркулирующие в крови, находят клетки-мишени и воздействуют на них, специфично связываясь с белками-рецепторами, обычно встроенными в клеточную мембрану.

4. Транспортные белки

Многие белки крови участвуют в переносе специфических лигандов из одного органа к другому. Часто в комплексе с белками переносятся молекулы, плохо растворимые в воде. ( альбумин переносит жирные кислоты и билирубин).

5. Структурные белки

Некоторые белки, расположенные определѐнным образом в тканях, придают им форму, создают опору, определяют механические свойства данной ткани. (коллаген, эластин).

6. Защитные белки

Некоторые белки, в частности иммуноглобулины, обладают способностью узнавать и связывать чужеродные молекулы, вирусные частицы и бактерии, в результате чего происходит их нейтрализация. Кроме того, комплекс чужеродной частицы с иммуноглобулином легко узнаѐтся и уничтожается клетками иммунной системы.

7. Сократительные белки

Некоторые белки при выполнении своих функций наделяют клетку способностью либо сокращаться, либо передвигаться. (актин и миозин - фибриллярные белки, участвующие в сокращении скелетных мышц; тубулин, из которого построены клеточные органеллы - микротрубочки)

2. Высаливание и денатурация белков. Механизмы действия

денатурирующих факторов. Роль в биологии и медицине.

Высаливание - процесс осаждения белков солями щелочных и щелочноземельных металлов (Na2S04, NaCl, КСl, MgS04, MgCl2 и др.). Высаливание можно проводить также и нейтральными солями, например, (NH4)2SO4. Все вещества этого типа нейтрализуют заряд белковых частиц и вызывают их дегидратацию, что ведет к осаждению белка. В основе действия лежит конкуренция солей с белками за воду. Высаливающий эффект наступает при достаточно высоких концентрациях солей (насыщенные или полунасыщенные растворы).

Глобулины плазмы склонны к агрегации под влиянием солей, поэтому их осаждение начинается при более низких концентрациях солей, чем альбуминов (полунасыщенный раствор сульфата аммония для глобулинов и насыщенный - для альбуминов). Это свойство белков издавна используется для фракционирования белков. Комбинируя разные концентрации солей и спирта или ацетона, действующих при непродолжительном контакте с белками подобно солям щелочноземельных металлов, белки плазмы крови разделяют на ряд фракций, которые затем используются для получения чистых белковых препаратов.

не вызывает нарушений структуры белка, поэтому после удаления солей эти препараты сохраняют свое биологическое действие. Высаливание белков является обратимым процессом, и после удаления соли (путем диализа, при разбавлении водой) белок вновь приобретает свои природные свойства.

Денатурация белков — это нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием различных внешних воздействий, сопровождающееся изменением их физико-химических и биологических свойств. При этом нарушаются вторичная и третичная структуры белковой молекулы, а первичная, как правило, сохраняется.

В денатурированном белке гидрофобные радикалы, которые в нативной структуре молекулы спрятаны внутри гидрофобного ядра, оказываются на поверхности. При достаточно высокой концентрации белка и отсутствии сильного отталкивающего заряда молекулы могут объединяться друг с другом гидрофобными взаимодействиями, при этом растворимость белка снижается и происходит образование осадка.

Факторы, вызывающие денатурацию:

высокая температура (более 50 °С), увеличивающая тепловое движение атомов в молекуле и приводящая к разрыву слабых связей;

интенсивное встряхивание раствора, приводящее к соприкосновению белковых молекул с воздушной средой на поверхности раздела фаз

органические вещества (например, этиловый спирт, фенол и его производные) способны взаимодействовать с функциональными группами белков, что приводит к их конформа-ционным изменениям.

кислоты и щелочи, изменяя рН среды, вызывают перераспределение связей в молекуле белка

соли тяжѐлых металлов (такие как медь, ртуть, серебро, свинец и др.) образуют прочные связи с важными функциональными группами белков (чаще всего с -SH), изменяя их конформацию и активность

ультразвуковые и ионизирующие излучения

Вбиохимических исследованиях перед определением в биологическом материале низкомолекулярных соединений из раствора обычно удаляют белки. Для этой цели чаще

всего используют трихлоруксусную кислоту. После еѐ добавления в раствор

денатурированные белки выпадают в осадок и легко удаляются фильтрованием.

В медицине денатурирующие агенты часто используют для стерилизации медицинских инструментов и материала, а также в качестве антисептиков. Например, в автоклавах при высокой температуре стерилизуют медицинские инструменты и материалы.

Методы разделения смесей белков. Значение хроматографического и

электрофоретического исследования белков плазмы крови. Белковые фракции плазмы крови, причины их изменения.

Хроматография - процесс разделения веществ, находящихся в смеси или растворе, на составляющие компоненты в системе двух фаз, одна из которых неподвижна, а другая перемещается относительно первой. Перемещение способствует миграции веществ, при этом неподвижная фаза не изменяется, а каждый компонент движется независимо от других с собственной скоростью.

Хроматографические методы применяют для сорбционно-динамического разделения смеси аминокислот, белков, углеводов, липидов и их метаболитов.

В зависимости от природы адсорбента и механизма разделения веществ хроматографию подразделяют на несколько видов:

1. Адсорбционная – основана на различной способности отдельных компонентов смеси (в силу их различной полярности) адсорбироваться на поверхности твѐрдой фазы сорбента.

2.Распределительная – основана на различной растворимости разделяемых веществ в двух малосмешивающихся жидкостях; в отличие от адсорбционной, твердая фаза служит опорой (основой) для стационарной (неподвижной) фазы. Разновидностью распределительной хроматографии является хроматография на бумаге, широко используемая в биохимических и клинических лабораториях для разделения белков, пептидов, аминокислот и других веществ.

3. . Ионообменная – основана на различной способности разделяемых веществ к обмену их ионов на ионы неподвижной фазы сорбента. В качестве неподвижной фазы сорбента применяются ионообменные смолы. . В зависимости от заряда разделяемых белков используют подходящую ионообменную смолу, с функциональными группами которой обменивается часть белков и задерживается на колонке, в то время как другие белки беспрепятственно выносятся из колонки.

4.Диффузионная – основана на разделении веществ по скорости диффузии внутрь сорбента в зависимости от размера молекул. К данному типу относится гельфильтрация - разделение веществ, основанное на механическом явлении молекулярных сит (просеивания). Этот метод широко используется при очистке белков от примесей и для фракционирования белков плазмы.

5.Аффинная (хроматография сродства) – основана на принципе избирательного взаимодействия белков (или других макромолекул) со специфическими веществами – лигандами, закрепленными на носителе

Электрофорез белков

Метод основан на том, что при определѐнном значении рН и ионной силы раствора белки двигаются в электрическом поле со скоростью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а положительно заряженные белки - к катоду (-).

содержания α-1- и α-2-глобулинов. Наблюдается при острой вирусной инфекции, острой пневмонии, остром бронхите, остром пиелонефрите, инфаркте миокарда, травмах (включая хирургические), новообразованиях.

Хроническое воспаление – увеличение содержания γ-глобулинов (ревматоидный артрит,хронический гепатит).

Нефротический синдром – повышение концентрации в крови α-2-глобулинов.

Цирроз печени – значительное увеличение белков гамма-фракции.

5. Ферменты: строение, (роль витаминов и минералов). Отличие ферментов от химических катализаторов. Механизм действия ферментов. Теория фермент-субстратного комплекса, уравнение Михаэлиса-Ментен. Регуляция действия ферментов.

Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами или энзимами.

Ферменты - это белки (установлено в 1922г), которые действуют как катализаторы в биологических системах.

Являясь веществами белкой природы, ферменты обладают всеми свойствами белков:

1.являются амфотерными соединениями;

2.вступают в те же качественные реакции, что и белки (биуретовую, ксантопротеиновую, фолина и др.);

3.подобно белкам растворяются в воде с образованием коллоидных растворов;

4.обладают электрофоретической активностью;

5.гидролизуются до аминокислот;

6.склонны к денатурации под влиянием тех же факторов: температуры, изменениях рН, действием солей тяжелых металлов, действием физических факторов (ультразвук, ионизирующее излучение и др.);

7.имеют несколько уровней организации макромолекул, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа, ЯМР, ЭПР.

Биологическая роль ферментов заключается в том, что они катализируют контролируемое протекание всех метаболических процессов в организме.

Сравнение каталитического действия ферментов и неорганических катализаторов

Состав фермента

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного фермента входит белковая и небелковая составляющие. Иначе сложный фермент называют холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую - коферментом.

Активный центр (Ац) – это часть молекулы фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом и принимает непосредственное участие в катализе. Ац, как правило, находиться в нише (кармане). В Ац можно выделить два участка: участок связывания субстрата –

субстратный участок (контактная площадка) и собственно каталитический центр.

Каталитический центр обеспечивает выбор пути химического превращения и каталитическую специфичность фермента.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности. Аллостерический центр является регуляторным центром фермента.

Механизм действия фермента.

1.активация фермента путем связывания с аллостерическим центром регуляторных веществ (например, гормонов), что приводит к изменению конформации активного центра фермента и увеличению его способности связывать молекулу субстрата.

2.'узнавание' ферментом своего субстрата

3.формирование неактивного фермент-субстратного комплекса за счет образования гидрофобных и водородных связей между радикалами аминокислотных остатков субстратного центра (контактные площадки) и соответствующими группировками в молекуле субстрата. Молекула субстрата удерживается вблизи активного центра, но химическим преобразованиям еще не подвергается.

4.образуется активный фермент-субстратный комплекс. При этом происходит химическое преобразование субстрата с участием каталитического центра и кофермента (если речь идет о сложном ферменте). В результате этого молекула субстрата меняет сою пространственную конфигурацию, в ней происходит перераспределение энергии и уменьшается прочность связей.

5.фермент-субстратный комплекс становиться нестабильным и затем преобразуется в комплекс фермент-продукт, который распадается на продукты реакции и фермент. Фермент из реакции выходит в неизменном виде.

Теория фермент-субстратного комплекса.

(каталитического) центра. Это связывание вызывает конформационные изменения в молекуле белка, приводящие к изменению определенной геометрии каталитического центра. Активность может увеличиться - это активация фермента, или уменьшиться - это ингибирование.

«Сообщение» о присоединении аллостерического активатора передается посредством конформационных изменений каталитической субъединице, которая становится комплементарной субстрату, и фермент «включается». При удалении активатора фермент вновь переходит в неактивную форму и «выключается». Аллостерическая регуляция является основным способом регуляции метаболических путей.

ковалентная, химическая модификация

Некоторые белки при формировании третичной структуры подвергаются постсинтетической химической модификации. Обычно различают обратимую ковалентную и нековалентную химические модификации ферментов, осуществляемые через ОН-группы серина, реже – тирозина или за счет нековалентных взаимодействий с молекулой фермента.

Синтез новых молекул Е при этом не происходит

6. Ингибирование и активация ферментов, механизмы. Примеры ингибиторов и активаторов. Ограниченный протеолиз.

Типы ингибирования. Различают обратимое и необратимое ингибирование. Если ингибитор вызывает стойкие изменения пространственной третичной структуры молекулы фермента или модификацию функциональных групп фермента, то такой тип ингибирования называется необратимым. Обратимое ингибирование в свою очередь разделяют на конкурентное и неконкурентное в зависимости от того, удается или не удается преодолеть торможение ферментативной реакции путем увеличения концентрации субстрата.

Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, имеющими структуру, похожую на структуру субстрата, но несколько отличающуюся от структуры истинного субстрата. Такое ингибирование основано на связывании ингибитора с субстратсвязывающим (активным) центром. Структуры субстрата и ингибитора все же несколько различаются. Поэтому они конкурируют за связывание с активным центром, и степень торможения будет определяться соотношением их концентраций, а не абсолютной концентрацией ингибитора. Таким образом, ингибитор может обратимо связываться с ферментом, образуя фермент-ингибиторный комплекс.

Образовавшийся комплекс, называемый фермент-ингибиторным комплексом ЕI, в отличие от фермент-субстратного комплекса ES не распадается с образованием продуктов реакции.

Неконкурентное ингибирование вызывается веществами, не имеющими структурного сходства с субстратами и часто связывающимися не с активным центром, а в другом месте молекулы фермента. Степень торможения во многих случаях определяется продолжительностью действия ингибитора на фермент. При данном типе ингибирования благодаря образованию стабильной ковалентной связи фермент часто подвергается полной инактивации, и тогда торможение становится необратимым. Следует указать, что неконкурентное ингибирование также может быть обратимым и необратимым, поскольку отсутствует конкуренция между субстратом и ингибитором за активный центр.

Активаторы – вещества, которые повышают скорость ферментативных реакций, увеличивают активность ферментов. Они бывают органической и неорганической природы.

Активаторы органической природы: желчные кислоты (активируют поджелудочную ли пазу), энтерокиназа (активирует трипсиноген), глутатион, цистеин, витамин С (повышают