Российский университет дружбы народов Медицинский институт Медицинский факультет Кафедра биохимии им. Академика Берёзова Т.Т. Курс лекций по биохимии для студентов, обучающихся по специальности «Сестринское дело» Лекция 1. Введение в биохимию. Аминокислоты и белки. Доцент кафедры Кандидат биологических наук Лобаева Т.А.

Биохимия это наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь с жизнедеятельностью органов и тканей. Биохимия слагается из 3 связанных частей: статической динамической и функциональной.

Исторический экскурс. Выдающиеся учёные - основатели биохимических направлений в Москве. Бах А.Н. ( ) Кизель А.Р. ( ) Гулевич В.С. ( ) Энгельгардт В.А. (1894 – 1984) Парнас Я.О. (1884 – 1949) Браунштейн А.Е. ( )

Бах Алексей Николаевич Биохимия представляет собой одну из фундаментальных наук о жизни, развитие биохимии непосредственно связано с развитием общества в целом Биохимия представляет собой одну из фундаментальных наук о жизни, развитие биохимии непосредственно связано с развитием общества в целом Для улучшения жизни людей нужна биохимия Для улучшения жизни людей нужна биохимия Академик АН СССР (1929)

Гулевич Владимир Сергеевич Академик АН СССР (1929) Московский университет Заведующий кафедрой медицинской химии (с 1907 г.) Автор первого отечественного руководства по медицинскому химическому анализу. Достижения биохимии имеют в качестве главной цели улучшение жизни людей, в частности за счет повышения качества медицины Достижения биохимии имеют в качестве главной цели улучшение жизни людей, в частности за счет повышения качества медицины

Биохимические школы современной России (Москва) Кафедра биохимии лечебного ф-та РГМУ: 1. Гулевич В.С. ( ) 2. Смородинцев И.А. ( ) 3. Капланский С.Я. ( ) 4. Кушко В.М. ( ) 5. Покровский А.А. ( ) 6. Татаринов Ю.С. ( ) 7. Терентьев А.А. ( 2000 –по настоящее время) Кафедра биохимии ММА им.И.М.Сеченова: 1. Булыгинский А.Д. ( ) 2. Гулевич В.С. ( ) 3. Збарский Б.И. ( ) 4. Мардашев С.Р. ( ) 5. Николаев А.Я. ( ) 6. Северин Е.С. (1994–по настоящее время) Кафедра биохимии животных (с 1973 г. -биохимии) биофака МГУ: 1. Гулевич В.С. ( ) 2. Северин С.Е. (1939 – 1991) 3. Виноградов А.Д. ( ) 4. Гусев Н.Б. (2002–по настоящее время) Кафедра биохимии растений (с 1973 г. – молекулярной биологии) биофака МГУ: 1. Кизель А.Р. ( ) 2. Опарин А.И. ( ) 3. Белозерский А.Н. ( ) 4. Спирин А.С. (1973-по настоящее время) Кафедра биохимии медико-биологического ф-та РГМУ : 1. Панченко Л.Ф. ( ) 2. Арчаков А.И. (1978–по настоящее время) Кафедра биохимии медицинского ф-та Университета Дружбы народов: 1. Березов Т.Т. ( ) 2. Чернов Н.Н. (1996–по настоящее время)

Коллектив кафедры биохимии РУДН (1980)

Экскурс в предмет. Вещества в организме человека Органические Неорганические Аминокислоты и белки Катионы (Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и др.) Углеводы Анионы (Cl-, CO32-, PO4 3- и др.) Липиды Нуклеиновые кислоты Витамины и гормоны

Аминокислоты и белки. Аминокислоты - это органические карбоновые кислоты, у которых, один атом водорода замещен на аминогруппу. Таким образом, в аминокислотах обязательно присутствует карбоксильная группа (СООН), аминогруппа (NH2), асимметричный атом углерода и боковая цепь (радикал R). Именно строением боковой цепи аминокислоты и отличаются друг от друга..

-АМИНОКИСЛОТЫ - аминокислоты – это гетерофункциональные соединения, содержащие группы СООН и NH 2 у одного и того же атома углерода. R CH СООH NH 2 кислотная функция основная функция Все 20 природных -аминокислот оптически активны и относятся к L-стереохимическому ряду, кроме глицина: CООH N2HN2HH R

Биологическая роль аминокислот Аминокислоты - это строительные блоки белковых молекул (мономеры белков). Некоторые из них являются источником для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин), другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глутаминовая кислота). Те или иные группы аминокислот необходимы для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований без которых нет нуклеиновых кислот, используются для синтеза низкомолекулярных биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, анзерин и др.). Аминокислота тирозин целиком входит в состав гормонов щитовидной железы и мозгового вещества надпочечников. С нарушением обмена аминокислот связан ряд наследственных и приобретенных заболеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, гомоцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др). Самым известным примером является фенилкетонурия.

Основные подходы к классификации аминокислот Аминокислоты подразделяются: 1. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к С2 (α- углеродный атом) на α-аминокислоты, β-аминокислоты и др. 2. По абсолютной конфигурации молекулы на L- и D-стереоизомеры. 3. По оптической активности в отношении плоскости поляризованного света – на право- и левовращающие. 4. По участию аминокислот в синтезе белков – протеиногенные и непротеиногенные. 5. По строению бокового радикала – ароматические, алифатические, содержащие дополнительные СООН- и NH2-группы. 6. По кислотно-основным свойствам – нейтральные, кислые, основные. 7. По необходимости для организма – заменимые и незаменимые.

Классификация -аминокислот І. По химической структуре радикала (R) различают: CH 2 – CH – COOH NH 2 фенилаланин б) алифатические: глицин, аланин, валин, серин, глутаминовая кислота. а) ароматические: фенилаланин, тирозин. в) гетероциклические: триптофан, гистидин, оксипролин, пролин. COOH – CH 2 – CH 2 – CH – COOH NH 2 глутаминовая кислота N СООH H пролин

ІI. По кислотно-основным свойствам различают: нейтральные, основные и кислые аминокислоты. а) нейтральные – это моноаминодикарбоновые кислоты: глицин изолейцин серин пролин аланин метионин треонин триптофан валин фенилаланин аспарагин лейцин глутамин аланин CH 3 – CH – COOH NH 2 б) основные – это домино монокарбоновые кислоты, несущие положительный заряд: аргинин, гистидин, лизин. лизин в) кислые – это моноаминодикарбоновые кислоты, несущие отрицательный заряд: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. NH 2 – (CH 2 ) 3 – CH 2 – CH – COOH NH 2 аспарагиновая кислота НООС– CH 2 – CH – COOH NH 2

ІІІ. В зависимости от полярности радикалов, т.е. способности их к взаимодействию с водой, аминокислоты делят на: а) неполярные (гидрофобные); а) незаменимые: б) полярные (гидрофильные). ІV. С понятием биологической ценности белков аминокислоты делят на: б) заменимые: глицин, аланин, серин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, цистеин, цистин, тирозин. метионин валин треонин триптофан изолейцин фенилаланин лейцин лизин аргинин и гистидин – частично незаменимые

Классификация и структура АМК

Редкие (необычные) аминокислоты

Аминокислоты, не входящие в состав белков

Ионные свойства -аминокислот H 3 N CH СООHH 3 N CH СОО H 2 N CH СОО + +H + + – – –H + +H + RR R катион рН = 1 биполярный ион рН = 7 анион рН = 13 цвиттерион –H + +H +

Амфотерность аминокислот Основным физико-химическим свойством аминокислот является амфотерность. Понятие амфотерность означает, что вещество сочетает в себе свойства как кислот, так и оснований. В водном растворе аминокислоты одновременно ведут себя как кислоты – доноры протонов и как основания – акцепторы протонов. Если общий заряд аминокислоты равен 0, то это ее состояние называют изоэлектрическим. Величина рН, при которой заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). Значение изоэлектрической точки зависит от строения радикала аминокислоты.

Некоторые качественные реакции -аминокислот 1. Реакция с нингидрином: С С 2 С О ОН О С С С О О нингидрин +NН 2 –CH–СООH R -аминокислота продукт реакции сине-фиолетового цвета N C C C О + CО2 CО2 + R CНO + 3Н 2 O альдегид

2. Ксантопротеиновая реакция: НОСН 2 –CH–СООH NH 2 НОСН 2 –CH–СООH NH 2 ОСН 2 –CH–СОО Na + NH 2 тирозин желтая окраска НNO 3 NaОН NO2NO2 NO2NO2 оранжевая окраска

Пептиды, полипептиды и белки Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пептидными, при этом образуется полимерная молекула. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид, если более 40 аминокислот – белок.

Пептидная связь – связь между аминогруппой одной аминокислот и карбоксильной группой другой аминокислоты

Пример пептида: Сер-Гли-Тир-Ала-Лей

Биологически активные пептиды. а) Карнозин. -Синтезируется из 2 аминокислот без участия рибосомы (ферментативный синтез) - в больших количествах содержится в скелетных мышцах - создает буферную емкость - устойчив к действию протеаз

б) Глутатион -Синтезируется из 3 аминокислот без участия рибосомы (ферментативный синтез) - В образовании пептидной связи участвует гамма- карбоксильная группа глутаминовой кислоты - принимает участие в окислительно- восстановительных реакциях - антиоксидант

в) Вазопрессин (антидиуретический гормон) - Стимулирует удержание воды - синтезируется из пептида-предшественника, который разрезается пептидазами в определенных участках

г) Окситоцин - стимулирует сокращение матки во время родов - синтезируется из пептида-предшественника, который разрезается пептидазами в определенных участках

д) Ангиотензин - вызывает сужение сосудов и повышение давления - синтезируется из пептида-предшественника, который разрезается пептидазами в определенных участках

д) Эндорфины -синтезируется из пептида-предшественника, который разрезается пептидазами в определенных участках -Снижает болевые ощущения -Регулирует настроение

Белки Линейная молекула белка, образующаяся при соединении аминокислот в цепь, является первичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычной нитью на которую навешено до нескольких сотен бусинок двадцати различных цветов (по числу аминокислот). Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы: ее способность изгибаться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя. Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровень организации.

Молекулярная масса и количество аминокислот в некоторых белках

Структура белка: показан реальный объем белка в пространстве лизоцим

α-спираль

β-складка

Пример третичной структуры: рибонуклеаза

Пример четвертичной структуры: гемоглобин

Посттрансляционные модификации аминокислот: гидроксилирование и фосфорилирование

Шапероны Фолдинг это сворачивание белков. Шапероны – белки, помогающие другим белкам правильно свернуться. Шапероны: 1. Препятствуют вновь синтезированным (еще не свернувшимся) белкам образовывать агрегаты. 2. Предоставляют возможность уже частично свернувшимся белкам завершить процесс сворачивания (с использованием энергии АТФ)

Болезни, связанные с нарушением сворачивания белков

Функции белков 1) Структурная Белки формируют вещество соединительной ткани – коллаген, эластин, кератин, протеогликаны. Непосредственно участвуют в построении мембран и цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) – спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелета эритроцитов), гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности), К данной функции можно отнести участие в создании органелл – рибосомы. 2) Ферментативная Все ферменты являются белками. Но вместе с тем, имеются экспериментальные данные о существовании рибозимов, т.е. рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитической активностью.

Функции белков 3) Гормональная Регуляцию и согласование обмена веществ в разных клетках организма осуществляют гормоны. Часть из них являются белками, например, инсулин и глюкагон. 4) Рецепторная Эта функция заключается в избирательном связывании гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток. 5) Транспортная Только белки осуществляют перенос веществ в крови, например, липопротеины (перенос жира), гемоглобин (транспорт кислорода), трансферрин (транспорт железа) или через мембраны - Na+,К+- АТФаза (противоположный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са 2+-АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки).

Функции белков 6) Резервная В качестве примера депо белка можно привести производство и накопление в яйце яичного альбумина. У животных и человека таких специализированных депо нет, но при длительном голодании используются белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканей и печени. 7) Сократительная Существует ряд внутриклеточных белков, предназначенных для изменения формы клетки и движения самой клетки или ее органелл (тубулин, актин, миозин). 8) Защитная Защитной функцией при инфекциях обладают иммуноглобулины крови, при повреждении тканей - белки свертывающей системы крови. Механическую защиту и поддержку клеток осуществляют протеогликаны.

Классификация белков по химическому составу По химическому составу все белки подразделяют на простые и сложные. Простые белки содержат в структуре только аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны, протамины). Сложные белки, кроме аминокислот, имеют небелковые компоненты (нуклеопротеины, фосфопротеины, металлопротеины, липопротеины, хромопротеины, гликопротеины).

Нативность белковой молекулы НАТИВНОСТЬ - это уникальный комплекс физических, физико-химических, химических и биологических свойств белковой молекулы, который принадлежит ей, когда молекула белка находится в естественном, природном (нативном) состоянии. Например: белок хрусталика глаза - кристаллин - обладает высокой прозрачностью только в нативном состоянии).

Физико-химические свойства белков Большинство белков гидрофильны. Однако белковые молекулы имеют очень большие размеры, поэтому белки не могут образовывать истинных растворов, а только коллоидные. Внешнее проявление этого - это эффект Тиндаля (или конус Тиндаля). Эффект Тиндаля вызывается рассеянием тонкого пучка света при прохождении через белковый раствор. Несмотря на большую величину, многие белковые молекулы не осаждаются в водных растворах. Чтобы осадить белок из раствора, надо лишить его факторов стабилизации: и заряда, и гидратной оболочки.

Физико-химические свойства белков Масса белков Заряд (изоэлектрическая точка) Форма молекулы Денатурация и ренатурация

Изоэлектрическая точка некоторых белков

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕЛКОВ -РАЗРУШЕНИЕ КЛЕТОК - ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ - ГЕЛЬ-ФИЛЬТРАЦИЯ - ХРОМАТОГРАФИЯ ПО СРОДСТВУ (АФФИННАЯ) - ТОНКОСЛОЙНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ - ЭЛЕКТРОФОРЕЗ

Гель- фильтрация

Определение молекулярной массы белка методом электрофореза

Методы разделения белков от низкомолекулярных соединений. Диализ

Спасибо за внимание!