Ваш конспект

Введение в биологическую химию

Ключевые тезисы:

• Биологическая химия изучает химический состав живых организмов и превращения веществ, связанные с их жизнедеятельностью.
• Это фундаментальная дисциплина, лежащая в основе медицины.
• Основные объекты изучения — белки, ферменты, нуклеиновые кислоты и процессы метаболизма.

Организационные моменты

• Для изучения рекомендован учебник под редакцией Северина.
• Материалы (презентации, планы, методички) доступны на образовательном портале и сайте кафедры.
• Важно задавать вопросы на лекциях и практических занятиях.

Что такое биологическая химия?

Биологическая химия — это наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их взаимопревращения и связь этих процессов с деятельностью клеток, тканей, органов и организма в целом.

Главные задачи биохимии:

1. Установление связи между структурой и функцией химических компонентов живого.
2. Выявление закономерностей обмена веществ и энергии.

Исследования проводятся на разных уровнях: организменном, органном, клеточном и молекулярном.

Разделы биохимии

1. По объекту исследования: биохимия человека и животных, растений, микроорганизмов.
2. По направлению:
   • Статическая: изучает состав, строение и свойства химических компонентов (белки, ферменты, нуклеиновые кислоты).
   • Динамическая: изучает превращения веществ, обменные процессы (метаболизм).
   • Функциональная: изучает влияние структуры веществ на функционирование клеток, тканей и органов.
3. Медицинская биохимия:
   • Изучает молекулярные основы здоровья и болезней.
   • Включает клиническую биохимию (методы диагностики и лечения).
   • Изучает биохимическую экологию (влияние внешней среды).

Химический состав живых организмов

Основные элементы: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, а также макро- и микроэлементы (железо, кальций и др.).

Главные органические молекулы — белки.

Белки: строение и свойства

Общая характеристика белков

Белки — это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Они содержат основную часть азота в организме.

Функции белков:

1. Структурная — основа клеток и тканей.
2. Каталитическая — ферменты (катализаторы белковой природы).
3. Транспортная — перенос веществ (гемоглобин, альбумины).
4. Регуляторная — многие гормоны (инсулин, гормон роста).
5. Защитная — антитела (иммуноглобулины), факторы свёртывания крови.
6. Сократительная — актин, миозин.
7. Питательная — источник аминокислот.
8. Энергетическая — используется организмом в крайнем случае.

Аминокислоты — мономеры белков

• В состав белков входит 20 стандартных аминокислот.
• Особенности: это альфа-аминокислоты (аминогруппа в α-положении) и обладают оптической активностью (кроме глицина).
• Пролин — единственная иминокислота (содержит иминогруппу).

Классификация аминокислот:

• По незаменимости: 8 незаменимых для взрослых (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин). Для детей добавляются аргинин и гистидин (всего 10).
• По полярности радикала: полярные и неполярные.
• По функциональным группам: моноаминомонокарбоновые, диаминомонокарбоновые и др.

Специфические (модифицированные) аминокислоты в белках:

• Гидроксипролин и гидроксилизин — в коллагене.
• Йодированные тирозины — в тиреоглобулине.
• Гамма-карбоксиглутаминовая кислота — в факторах свёртывания крови.

Свойства аминокислот и образование пептидной связи

• Амфотерность: в водной среде существуют в виде цвиттер-ионов (имеют и положительный, и отрицательный заряд).
• Оптическая активность.
• Взаимодействие: аминокислоты соединяются пептидной связью (амидная связь между карбоксильной и аминогруппой).
• Пептидный остов — повторяющаяся структура (-NH-CH-CO-)n.
• Качественная реакция: биуретовая реакция на пептидную связь.

Условное деление:

• Олигопептиды: 2-20 аминокислот.
• Полипептиды: 20-50 аминокислот.
• Белки: >50 аминокислот (например, инсулин — 51 аминокислота).

Физико-химические свойства белков

1. Высокая молекулярная масса (>6000 Да, дальтон).
2. Амфотерность (зависит от аминокислотного состава и pH среды).
3. Оптическая активность.
4. Подвижность в электрическом поле (электрофорез).
5. Растворимость (лучше в слабых солевых растворах).
6. Высокая вязкость и способность к набуханию.
7. Низкое осмотическое и высокое онкотическое давление.
8. Способность к светорассеянию.
9. Поглощение УФ-лучей (~260-280 нм).
10. Способность к осаждению:
    • Обратимое — высаливание.
    • Необратимое — денатурация.

Заряд белка и изоэлектрическая точка

Заряд белка определяется:

1. Аминокислотным составом (наличием заряженных радикалов).
2. pH среды.

Изоэлектрическая точка (pI) — это значение pH среды, при котором суммарный заряд белковой молекулы равен нулю.

• В кислой среде (pH < pI) белок заряжен положительно.
• В щелочной среде (pH > pI) белок заряжен отрицательно.

Факторы стабилизации белков в растворе

1. Заряд молекулы.
2. Гидратная оболочка (ориентация диполей воды вокруг заряженных групп белка).

Методы выделения и очистки белков

Последовательность:

1. Гомогенизация — разрушение ткани и клеток (механически, ультразвуком, замораживанием).
2. Эстракция — перевод белков в раствор (солевые растворы, сахароза, глицерин).
3. Фракционирование — разделение смеси белков.
4. Очистка от низкомолекулярных примесей (кристаллизация, диализ).
5. Проверка чистоты и активности.

Методы фракционирования (разделения) белков:

• Седиментация (центрифугирование) — по молекулярной массе.
• Высаливание — осаждение солями (например, (NH₄)₂SO₄ для разделения альбуминов и глобулинов).
• Электрофорез — разделение в электрическом поле по заряду.
• Хроматография — разделение между подвижной и неподвижной фазами:
  • Гель-хроматография (гель-фильтрация): разделение по размеру/массе. Также используется для очистки и определения молекулярной массы.
  • Аффинная хроматография: высокоспецифичное разделение с использованием лигандов (веществ, специфически связывающихся с данным белком).

Методы очистки и анализа:

• Диализ — очистка от низкомолекулярных примесей через полупроницаемую мембрану.
• Определение молекулярной массы: гель-хроматография, ультрацентрифугирование, расчёт по аминокислотному составу.

Типы связей в белковых молекулах

1. Ковалентные связи:
   • Пептидная связь — прочная, разрушается при гидролизе.
   • Дисульфидная связь (-S-S-) — образуется между остатками цистеина, стабилизирует структуру (есть в инсулине, иммуноглобулинах).
2. Нековалентные связи (взаимодействия):
   • Водородная связь — слабая, образуется между электроотрицательными атомами (O, N). Стабилизирует вторичную структуру.
   • Ионная (электростатическая) связь — между заряженными группами радикалов (например, Lys⁺ и Asp⁻).
   • Гидрофобные взаимодействия — силы Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами, выталкиваемыми в водной среде внутрь молекулы.

Структурная организация белков

Существует четыре уровня структурной организации.

Первичная структура

Первичная структура — это линейная последовательность аминокислотных остатков в поли