Конспект

Биологическая химия: введение и химия белков

Ключевые тезисы

• Биологическая химия — наука о химической природе веществ живых организмов и их превращениях.
• Белки — главные органические молекулы организма, выполняющие множество функций.
• Структура и свойства белков определяются их аминокислотным составом и уровнями структурной организации.
• Методы выделения и изучения белков основаны на их физико-химических свойствах.

Организационные моменты и определение предмета

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

Главные задачи биохимии:

• Установление связи между структурой и биологической функцией химических компонентов живого.
• Выявление основных закономерностей обмена веществ и энергии.

Разделы биохимии:

• 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.
• Медицинская — изучает молекулярные основы здоровья и болезней, методы биохимической диагностики и лечения.

Химический состав живых организмов

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

Главные органические молекулы — белки.
Белки — высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Основная часть азота в организме содержится в белках и аминокислотах.

Функции белков

1. Структурная — основа клеток и тканей.
2. Каталитическая — ферменты (белки-катализаторы).
3. Транспортная — перенос веществ (гемоглобин, альбумины).
4. Регуляторная — многие гормоны (инсулин).
5. Защитная — иммуноглобулины (антитела), факторы свёртывания крови.
6. Сократительная — белки мышечного сокращения (актин, миозин).
7. Питательная — источник аминокислот.
8. Энергетическая — источник энергии в крайних случаях.

Строение белков: от аминокислот к полимерам

Аминокислоты — мономеры белков.
Известно около 20 стандартных аминокислот, входящих в состав белков человека. Их особенности:

• Это альфа-аминокислоты.
• Обладают оптической активностью (кроме глицина).

Классификация аминокислот:

• По незаменимости: заменимые и незаменимые (8 для взрослых, 10 для детей — добавляются аргинин и гистидин).
• По полярности радикала: неполярные (гидрофобные), полярные незаряженные, отрицательно заряженные, положительно заряженные.

Свойства аминокислот:

• Амфотерность (обладают и кислотными, и основными свойствами).
• В водной среде существуют в виде цвиттер-ионов (имеют и положительный, и отрицательный заряд).

Образование пептидов и белков
Аминокислоты соединяются пептидной связью (прочная амидная связь). Повторяющийся фрагмент образует пептидный остов.

• N-конец — аминогруппа.
• C-конец — карбоксильная группа.

Условное деление:

• Пептиды (олигопептиды): 2–20 аминокислот.
• Полипептиды: 20–50 аминокислот.
• Белки: более 50 аминокислот (например, инсулин — 51 аминокислота).

Физико-химические свойства белков

1. Высокая молекулярная масса (>6000 Да, дальтон).
2. Амфотерность (способность проявлять кислотные и основные свойства).
3. Оптическая активность.
4. Подвижность в электрическом поле (зависит от заряда молекулы).
5. Растворимость (лучше в слабых солевых растворах).
6. Высокая вязкость растворов, 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.

Заряд белка зависит от двух факторов:

1. Аминокислотного состава (наличие заряженных радикалов).
2. pH среды.
   • В кислой среде белки заряжаются положительно.
   • В щелочной среде — отрицательно.

Изоэлектрическая точка (pI) — значение pH среды, при котором суммарный заряд молекулы белка равен нулю. В этой точке белок наименее стабилен и может выпадать в осадок.

Факторы стабилизации белка в растворе:

1. Заряд молекулы.
2. Гидратная оболочка (окружение диполями воды).

Виды осаждения белков:

• Обратимое (высаливание) — белок можно вернуть в раствор.
• Необратимое (денатурация) — белок теряет нативную структуру и функцию.

Методы выделения и очистки белков

Последовательность:

1. Гомогенизация — разрушение ткани и клеток.
2. Экстракция — перевод белков в растворённое состояние.
3. Фракционирование — разделение смеси белков.
4. Очистка и кристаллизация — удаление низкомолекулярных примесей.
5. Проверка чистоты и активности.

Методы фракционирования (основаны на свойствах белков):

• Седиментация (центрифугирование) — по молекулярной массе.
• Высаливание — обратимое осаждение солями (например, разделение альбуминов и глобулинов сульфатом аммония).
• Электрофорез — разделение в электрическом поле по заряду и размеру.
• Хроматография — разделение между подвижной и неподвижной фазами.
  • Гель-хроматография (гель-фильтрация) — по размеру молекул (также для очистки и определения молекулярной массы).
  • Аффинная хроматография — высокоспецифичное разделение с использованием специфических лигандов.

Методы очистки от примесей:

• Диализ — основан на неспособности белков проходить через полупроницаемую мембрану.

Определение молекулярной массы белка:

• Методом гель-хроматографии.
• Методом ультрацентрифугирования.
• Расчётом по известному аминокислотному составу.

Типы связей в белковых молекулах

Ковалентные связи:

• Пептидная связь — прочная, разрушается только при гидролизе.
• Дисульфидная связь (-S-S-) — образуется между остатками цистеина, играет роль в стабилизации структуры (например, в инсулине).

Нековалентные связи (взаимодействия):

• Водородная связь — слабая, образуется между электроотрицательными атомами (O, N), стабилизирует вторичную структуру.
• Ионная связь — электростатическое взаимодействие между заряженными группами радикалов.
• Гидрофобные взаимодействия — слабые силы Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами, стремящимися "спрятаться" от воды.

Структурная организация белков

1. Первичная структура — линейная последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Определяется генетически и обуславливает все последующие уровни организации, свойства и функции белка.
   Пример: Замена одной аминокислоты в гемоглобине приводит к серповидно-клеточной анемии.

2. Вторичная структура — пространственная укладка полипептидной цепи за счёт водородных связей между функциональными группами пептидного остова (C=O и N-H).

   • α-спираль — правосторонняя спираль, один виток — 3.6 аминокислотных остатка.
   • β-складчатый слой (β-лист) — "гармошка", может быть параллельным и антипараллельным.
   • Нерегулярный клубок — участки без регулярной укладки.

Супервторичная структура (мотивы) — характерные сочетания элементов вторичной структуры:

• α-β-бочонок
• "Лейциновая застёжка-молния"
• "Цинковый палец"

Третичная и четвертичная структуры будут рассмотрены на следующей лекции.

Выводы

• Биологическая химия — фундаментальная основа медицины.
• Белки — ключевые биополимеры, разнообразие функций которых определяется их сложной структурой, формирующейся из последовательности аминокислот.