это наука о химических основах жизнедеятельности. В составе
advertisement
МАЯНСКАЯ НАИЛЯ НАЗИБОВНА ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ БИОХИМИИ Биологическая химия (биохимия) это наука о химических основах жизнедеятельности. В составе живой клетки нет ничего, кроме атомов и молекул. Поэтому другими словами биологическую химию можно охарактеризовать, как науку о химической структуре и превращениях молекул, составляющих живое. • Понятие "жизнь" биохимия характеризует как макромолекулярную систему, осуществляющую регулируемый обмен веществ и энергии, а также самовоспроизведение. • Основой всего живого является клетка. Клетка, в свою очередь содержит набор субклеточных структур. Каждая из этих структур имеет определенный молекулярный состав и выполняет строго определенные функции, которые и обеспечивают жизнь клетки и всего организма в целом. Мембрана, Митохондрии Ядро, •Рибосомы, Аппарат Гольджи; •Цитоплазма; •Лизосомы. • Все молекулы клетки можно свести к трем группам: • 1) Макромолекулы (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты); • 2) Низкомолекулярные биологически активные органические соединения; • 3) Минеральные вещества. • Задачи биохимии и сводятся к изучению строения и функций этих молекул, органелл, клеток и всего организма в целом. • клиническая биохимия изучает. любые отклонения в структуре или химических превращениях молекул, которые могут лежать в основе самых разнообразных болезней. Можно сказать так: Любое заболевание, чем бы оно ни вызывалось и где бы не локализовалось, в своей основе имеет нарушение химической структуры и биохимических процессов • Какое отношение имеет биохимия к заболеваниям полости рта? Нужно ли знать стоматологу все тонкости биохимических процессов, протекающих в целом организме? Может быть можно ограничиться изучением химизма одних зубов? • Все биохимические процессы, протекающие в целом организме, имеют место и в полости рта. • Развитие заболевания в полости рта происходит по одним и тем же законам, что и в целом организме. • Кроме того, неотложные состояния, которые могут возникнуть у стоматологического пациента также заставляют врача стоматолога знать как общую биохимию, так и клиническую биохимию. • Биохимия аминокислот (АК) • Общая формула аминокислот : • NH2-CH-COOH • R • В природе существует огромное количество аминокислот, однако в белках обнаружены только 20 из них, причем одни и те же 20 L-α-аминокислот присутствуют в белковых молекулах всех форм жизни растений, животных и микроорганизмов. • Одна из аминокислот – пролин – на самом деле не аминокислота, а иминокислота и содержит NH –группу. • Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи, называются аминокислотными остатками. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ В составе белковой молекулы аминокислоты придают ей свои характерные черты: растворимость в воде и способность к ионизации. Растворимость аминокислот обусловлена их полярными свойствами. Полярными являются в аминокислотах электроотрицательные атомы: O, N и, в меньшей степени, – S. В радикалах аминокислот физико-химические свойства двойственны, т.е. есть и гидрофильные и гидрофобные атомы, что расширяет их роль в функционировании белков. • Второе важнейшее свойство – способность аминокислот к электролитической диссоциации (ионизации). • Благодаря наличию карбоксильной группы происходит диссоциация по типу кислоты с образованием аниона и освобождением протона в среду. • Аминогруппа диссоциирует по типу основания, - путем присоединения протона из водной среды с образованием катиона (положительный заряд на атоме азота). • Таким образом аминокислоты амфотерны, т.е. Способны диссоциировать и по типу кислоты и по типу основания. • Однако, некоторые аминокислоты в составе радикала могут содержать добавочную карбоксильную группу (как глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота), в этом случае при их растворении происходит подкисление среды. • В противоположность этому другие аминокислоты (лизин, аргинин, гистидин) в составе радикала имеют дополнительные аминогруппы и при растворении пребывают в форме катиона КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ по химическому строению радикалов I. Аминокислоты с алифатическими радикалами: Глицин, Аланин, Валин, Лейцин и Изолейцин Алифатические аминокислоты, содержащие в радикале дополнительную функциональную группу: Серин, Треонин, Аспарагиновая кислота, Глутаминовая кислота, Аспарагин, Глутамин, Лизин, Аргинин, Цистеин, Метионин. III. Аминокислоты, содержащие ароматический радикал: Фенилаланин, Тирозин. IV. Аминокислоты с гетероциклическими радикалами: Триптофан, Гистидин. V. Иминокислота: Пролин II. R-CH-COOH NH2 основные типы реакций: I. Реакции по аминогруппе – дезаминирование; II. Реакции по карбоксильной группе 1)декарбоксилирование, 2)образование аминоациладенилатов; III. Реакции по радикалу – окислительно-восстановительные реакции. • ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ • Нингидриновая реакция на α-аминокислоты основана на том, что бесцветный нингидрин, реагируя с аминокислотой, конденсируется в виде димера с образованием пигмента красно-фиолетового цвета. Интенсивность окраски может служить для измерения концентрации α-аминокислот. • Цистеин может выявляться с помощью реакции Фоля, специфичной на SH-группу. • МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ • Ионообменная хроматография производится с помощью колонок, заполненных катионообменной смолой. В колонку вносят смесь аминокислот в кислой среде (рН 3,0), где аминокислоты в основном представляют катионы, т.е. несут положительный заряд. Положительно заряженные аминокислоты присоединяются к отрицательно заряженным частицам смолы. Высвобождение аминокислот из колонки осуществляют вымыванием их буферным раствором с увеличивающейся ионной силой, т.е. с увеличением концентрации NaCl. Структура белка: Фундаментальную роль в формировании и поддержании структуры и функций живых организмов играют белки, включающие в себя 20 различных аминокислот. Аминокислоты связаны между собой в пептидной цепи через карбоксильную группу одной аминокислоты и аминогруппу другой. Аминокислоты расположены в определенной последовательности, которая называется первичной структурой белка. Кроме того есть и другие связи. Дисульфидная связь (-S-S-)образуется между сульфгидрильными группами в составе радикала двух молекул цистеина, если такие группы окажутся достаточно близко расположенными в пространстве. Такой тип связи обозначают термином «дисульфидный мостик». Примером может служить дисульфидная связь в молекуле гормона инсулина: • Нековалентные связи (слабые типы связей) – это не химические соединения атомов, а некие физико-химические взаимодействия. Так, водородная связь чаще всего возникает между пептидными группами. • Ионная связь – это взаимное притяжение разноименно заряженных молекул. • Гидрофобное взаимодействие возникает между неполярными структурами, их назвают силами Ван дер Ваальса. Вторичная структура Белков представлена α-спиралью с большим количеством водородных связей. Третичная структура Показана на примере молекулы миоглобина. Четвертичная структура у белков образуется при наличии более чем одной полипептидной цепи • СВОЙСТВА БЕЛКОВ Форма молекул характеризуется • 1) соотношением осей белковой молекулы. По данным ультрацентрифугирования и других методов исследования белков были выделены глобулярные (шарообразные) белки и белки фибриллярные (нитевидные). • 2) Молекулярная масса белков колеблется от 10 кДа до 100 кДа (для одноцепочечных белков) и от 50 до 1000 и более кДа (для большинства многоцепочечных белков). • 3) Амфолитная природа белковой молекулы зависит от наличия кислых и основных групп в боковых цепях и от их распределения. В кислой области рН молекулы белка несут основной, в щелочной области – отрицательный заряд. • Значение рН, при котором положительный и отрицательный заряды уравновешиваются, называют изоэлектрической точкой • 4). Растворимость белков зависит от рН раствора, природы растворителя (его диэлектрической проницаемости) концентрации электролита, т.е. от ионной силы и вида противоиона и, естественно, от структуры данного белка. • • Хорошо растворимы глобулярные белки, значительно хуже – фибриллярные. • При низкой ионной силе ионы повышают растворимость белка, нейтрализуя его заряженные группы. • При высокой ионной силе ионы способствуют осаждению белков (так называемое высаливание белков). • Денатурация белка - следствие разрыва слабых связей, ведущего к разрушению вторичной и третичной структур. • Молекула денатурированного белка неупорядоченная. Как правило, денатурация белка необратима, но в некоторых случаях после удаления денатурирующего агента может произойти «ренатурация» – т.е. восстановление вторичной и третичной структур, а следовательно, и свойств. •К • • • • денатурирующим агентам относятся: а) высокие температуры, вызывающие разрыв водородных и гидрофобных связей; б) кислоты и основания (нарушение электростатических связей); в) органические растворители (нарушение преимущественно гидрофобных связей); г) мочевина и гуанидин (нарушение водородных связей). • К денатурирующим агентам относятся также детергенты, соли тяжелых металлов, ультрафиолетовое и другие виды излучений. • Денатурация не нарушает ковалентных связей, но повышает их доступность для других факторов, в частности для ферментов. •П Е Р Е Р Ы В • КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ А) Классификация белков по форме молекул По форме молекул белки делятся на 2 группы: глобулярные и фибриллярные К глобулярным относятся белки, у которых соотношение продольной и поперечной осей не превышает 1:10, а чаще это 1:3 или 1:4. Фибриллярные белки имеют вытянутую, нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10. • Б) Классификация белков по химическому строению • 1) Простые белки – содержат в своем составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. • 2) Сложные белки, кроме полипептидных цепей, содержат в своем составе небелковую часть, которая может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами. • Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы. • Название простетической группы может дать название всей группе белков. Так, белки, соединенные с гемом, носят название гемопротеины. • Сюда относятся гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза и пероксидаза. • Фосфорная кислота фосфопротеинам дает название • Белки, присоединившие углеводные остатки, называются гликопротеинами. • Это многие белки крови, а также рецепторные белки клеточных поверхностей. • Белки в комплексе с липидами называются липопротеинами, в комплексе с металлами – металлопротеинами. • Сложный белок, состоящий из белковой (апопротеин) и простетической группы, называется холопротеин. В 60-х годах 19-го столетия Мишер выделил из ядер вещество кислотной природы, которое он сначала назвал нуклеин, а впоследствии нуклеиновой кислотой. Биологическая функция этого вещества оставалась неизвестной еще в течение почти столетия, и только в 40-х годах прошлого века Эвери, Маклеод и Маккарти установили, что нуклеиновая кислота, собственно ДНК, ответственна за передачу и хранение наследственной информации. • А с 1953 г., когда Уотсон и Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК, биохимия и биология начали отсчет новой эры. • В каждом живом организме присутствуют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). • Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, репликации, рекомбинации и передаче генетической информации. • Короче, именно нуклеиновые кислоты определяют вид, форму, состав и т.д. живой клетки и ее функции. • Вся программа химических процессов (не только биосинтеза белка, но вообще всех) в организме записана в специальном хранилище генетической информации - ДНК. • Структура ДНК и РНК – способ «записи информации». • СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ • Все нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, хотя их размер сильно варьирует. Наименьшая молярная масса у транспортной РНК и составляет – 25000. тогда как отдельные молекулы ДНК обладают молярной массой от 1млн до 1 млрд. • И РНК и ДНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют также полинуклеотидами. • Азотистые основания комплементарны друг к другу: • АДЕНИН – ТИМИН ГУАНИН – ЦИТОЗИН • Каждый нуклеотид содержит три химически различных компонента: неорганический фосфат (Р), моносахарид (S) и остаток пурина или пиримидина, называемый азотистым основанием (NB). • Последовательность пар оснований в цепи может быть какой угодно, именно это свойство и определяет специфичность каждого данного участка ДНК или гена. Геном совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом. Кроме того, в молекулу ДНК входят остатки дезоксирибозы и фосфатные группы, которые расположены снаружи от оснований и выполняют структурную роль Эти составные части соединены друг с другом в следующем порядке: фосфат--остаток моносахарида-азотистое основание. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом одного и фосфатом другого нуклеотида. Поскольку в нуклеотиде остаток моносахарида и фосфат соединены эфирной связью, то при образовании полинуклеотидной цепи связь S-P-S называют фосфодиэфирной. • Азотистые основания не участвуют в образовании никаких других ковалентных связей, помимо связывающих их с остатками моносахаридов сахарофосфатной цепи. Именно последовательность азотистых оснований вдоль сахарофосфатной цепи определяет уникальную структуру и функциональную индивидуальность молекул ДНК и РНК. Термины нуклеотидная последовательность и последовательность азотистых оснований взаимозаменяемы. • В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые – Аденин (А), Гуанин (G) и пиримидиновые – Цитозин (C), Тимин (Т) и Урацил (U). • Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой (в составе ДНК). • Пентозу соединяет с основанием Nгликозидная связь, образованная с С1атомом пентозы (рибозы и дезоксирибозы) и N1-атомом пиримидина или N9-атомом пурина. • Нуклеиновые кислоты по своему строению относят к классу линейных полимеров. • В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (C). • В ДНК - аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (C). • Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) Первичная структура ДНК – порядок чередования дезоксирибонуклеотидмонофосфатов (дНМФ) в полинуклеотидной цепи. Каждая фосфатная группа в полинуклеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5’-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3’- и 5’-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3’,5’фосфодиэфирной. Вторичная структура ДНК. В 1953 г Дж.Уотсоном и Ф.Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя антипараллельными полинуклеотидными цепями. На каждый виток спирали приходится примерно 10 пар нуклеотидов. • Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счет водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями Аденином (А) и Тимином (Т) (две связи) и между Гуанином (G) и цитозином (C) (три связи). • Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности второй цепи. • Азотистые основания взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина. Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК) Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, но она упакована в ядре, диаметр которого в миллионы раз меньше. Чтобы расположить ДНК в ядре клетки, должна быть сформирована очень компактная структура. Для этого существуют специальные белки: гистоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином. • СТРУКТУРА РНК • Живые клетки содержат три типа РНК, выполняющих определенные функции: информационную (или матричную) – мРНК, • транспортную - тРНК • и рибосомную – рРНК. Первичная структура РНК – порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нуклеотиды связаны между собой 3’,5’-фосфодиэфирными связями. • Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОНгруппа 5’-углеродного атома, на другом конце – ОН-группа 3’-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5’- и • 3’-концами цепи РНК. • Вторичная структура РНК. • Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки», за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. • Третичная структура РНК • Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путем взамодействия спирализованных элементов вторичной структуры. • Третичная структура РНК стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например, ионами Mg2+, связывающимися не только с фосфатными группами, но и с основаниями. • Матричные (мРНК) или • (Информационные – иРНК) • Первичная структура всех мРНК, независимо от уникальности их кодирующей последовательности, имеет одинаковое строение 5’– и 3’концов. Так, на 5’– конце присутствует модифицированный нуклеотид • 7-метилгуанозин-5’-трифосфат (кэп). • Несколько десятков нуклеотидов отделяют кэп от инициирующего кодона, обычно это триплет –AUG-. За кодирующим участком следует один из терминирующих кодонов - UAG-, -UUA-, -UAG-. • На 3’-конце большинства мРНК присутствует последовательность нуклеотидов из 100-200 аденозинмонофосфатных остатков. • Рибосомальные РНК (рРНК) • Рибосомальные РНК имеют многочисленные спирализованные участки. Различают рРНК – 5S, 5,8S, 28S, 18S (S – коэффициент седиментации). • Рибосомальные РНК содержат несколько модифицированных нуклеотидов, чаще всего это метилированные производные азотистых оснований или рибозы (2’метилрибоза).
