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).
Скачать

это наука о химических основах жизнедеятельности. В составе