(2) взаимосвязь функции белков от их прост

Министерство Здравоохранения Республики Узбекистан
Центр развития медицинского образования
Ташкентская Медицинская Академия
Кафедра: Биоорганической и биологической химий
Предмет: Биологическая химия
Тема: Взаимосвязь функции белков от их
пространственной структуры
Единая методическая система
(учебно – методические рекомендации
для студентов и преподавателей медицинских ВУЗов)
Ташкент 2010 г.
1
Составители: доцент Ходжаева М.Ю.
Рецензенты: Профессор Соатов Т.С. – зав. Кафедры биоорганической и
биологической химии ТашТМИ.
Доцент Шарипова П.А. – кафедра нормальной и патологической
физиологии и пат. Анатомии
Методические рекомендации утверждены на заседании ЦМК ТМА Протокол
№___
от «___»__________ 2010 г.
2
Тема: Взаимосвязь функции белков от их
пространственной структуры
1.
Место проведения занятия, оснащение
- Кафедра биоорганической и биологической химии учебной аудитории;
- Комплект реактивов;
- Комплект лабораторной посуды;
- Раздаточный материал;
- Тематические баннеры;
- Плакаты, схема, слайды;
- ТВ, мультимедиа, кодоскоп.
2.
Продолжительность занятия:
- 4 часа
3.
Цели занятия.
Уметь применять знания о структурном и функциональном многообразии
белков, об изменениях белкового состава органов и тканей в норме и при
болезнях, для объяснения нормальных функций организма и их нарушении при
патологиях.
Задачи:
Студент должен знать:
- Структурную организацию белков, значения полярности и заряда
аминокислот на построение вторичной и третичной структуры;
- значение третичной структуры при формировании конформации белка и
его активного центра;
- классификацию белков, их способность связываться с лигандами;
- изменение белкового состава организма при онтогенезе и болезнях;
Студент должен уметь:
Выполнять практические навыки – Количественное определение белка
биуретовым методом.
4.
Мотивация занятия
Биологическая активность и функции белков в первую очередь зависят от
их первичной структуры, порядка последовательности аминокислот,
полярности и заряда этих аминокислот, т.к. в первичной структуре заложена
вся информация о структурном образовании, а также физико-химических
свойствах белков. Знания о строении белков помогут более глубоко понять
функции и биологическую активность белков.
5.
Межпредметные и внутрипредметные связи.
3
Знания о белках закладываются при изучении биоорганической химии,
биологии, гистологии. Изучение белков необходимо для более глубокого
изучения предметов: патологическая физиология, фармакология, терапия,
стоматология и в дальнейшей деятельности врача общей практики.
6.
6.1.
Содержание занятия.
Теоретическая часть
Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из
ц-1,-аминокислот (которые являются мономерами) и. в некоторых случаях, из
модифицированных основных аминокислот (правда, модификации происходят
уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной
литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. Хотя на
первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков
«всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур,
па самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из
5 аминокислот оно составляет уже более 3миллионов, а цепочка из 100
аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130
вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных
остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации —
белками, хотя это деление весьма условно.
При образовании белка в результате взаимодействия а-аминогруппы (-NН2)
одной аминокислоты с а-карбоксильной группой (-СООН) другой
аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют С- и Nконцом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты
свободна: -СООН или - NН2. соответственно). При синтезе белка на рибосоме
новые аминокислоты присоединяются к С-концу, поэтому название пептида
или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с Nконца.
Последовательность аминокислот в белке соответствует информации,
содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена в виде
последовательности нуклеотидов, причём одной аминокислоте соответствует
одна или несколько последовательностей из трёх нуклеотидов —так
называемых триплетов или кодонов. То какая аминокислота соответствует
данному ко дону в мРНК определяется генетическим кодом, который может
несколько отличаться у разных организмов.
Сравнение аминокислотных последовательностей белков (в данном случае
гемоглобинов) из разных организмов позволяет определять участки, важные
для функционирования белков, а также эволюционную историю сравниваемых
видов
Уровни структуры белка
Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной
структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в
процессе фолдинга (от англ. folding), «сворачивание»). Трёхмерная структура
4
формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней.
Выделяют четыре уровня структуры белка[12]:
• Первичная структура
- последовательность аминокислот в
полипептидной цени. Важными особенностями первичной структуры являются
консервативные
мотивы -сочетания аминокислот, важных для функции белка.
Консервативные
мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно
предсказать функцию неизвестного белка.
• Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента
полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и
гидрофобными
взаимодействиями.
Ниже
приведены
некоторые
распространённые типы вторичной структуры белков:
• а-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток
составляют 3.6 аминокислотных остатка, спираль стабилизирована
водородными связями между Н и О пептидных групп, отстоящих друг от друга
на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров
аминокислот (L), хотя она может быть как левозакрученной так и
правозакрученной. в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают
'электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты. лизина, аргинина,
близкорасположенные аспарагин. серин, треонин и лейцин могут стерически
мешать образованию спирали, пролин вызываем изгиб цепи и также нарушает
а-спирали.
• B-листы (складчатые слои)- несколько зигзагообразных полипептидиых
цепей, в которых водородные связи образуются между относительно
удалёнными друг от друга в первичной структуре аминокислотами или
разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в acпирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны
(антипараллельная ориентация). Для образования B-листов важны небольшие
размеры R-групп аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин.
• п-спирали:
• 310-спирали;
• неупорядоченные фрагменты.
Разные способы изображения трёхмерной структуры белка на примере
фермента триозофосфатизомеразы. Слева - «палочковая» модель, с
изображением всех атомов и связей между ними; цветами показаны элементы.
В середине изображены структурные мотивы, а-спирали и В-листы. Справа
изображена контактная поверхность белка, па основании Ван-дер-Ваальсовых
радиусов атомов: цветами показаны особенности активности участков
Третичная структура
— пространственное строение полипептидной пени — взаимное
расположение
элементов
вторичной
структуры,
стабилизированное
взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В
стабилизации третичной структуры принимают участие:
5
• ковалентные связи (между двумя цистеинами дисульфидные мостики):
• ионные (электростатические) взаимодействия (между npoтивоположно
заряженными аминокислотными остатками):
• водородные связи;
• гидрофобные взаимодействия.
Белки разделяют на группы согласно их трёхмерной структуре. Например,
изображённый на картинке справа белок, триозофосфатизомераза, состоит из
восьми а-спиралей, расположенных на внешней поверхности структуры и
восьми параллельных В-слоёв внутри структуры. Белки с подобным
трёхмерным строением называются ав-баррелы (от англ. barrel — бочка) [1].
Четверичная структура
— субъединичная структура белка. Взаимное расположение нескольких
полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.
Также выделяют:
• Трёхмерную структуру белка - набор пространственных координат.
составляющих белок атомов.
• Субъединичную (доменную) структуру белка - последовательность
участков белка, имеющих известную функцию или определённую трёхмерную
структуру.
• Гидрофобное ядро, обеспечивающее сворачивание белка.
Образование и поддержание структуры белков в живых организмах
Способность белков восстанавливать правильную трёхмерную структуру
после денатурации позволила выдвинуть гипотезу о том. что вся информация о
конечной
структуре
белка
содержится
в
его
аминокислотной
последовательности. В настоящее время общепризнана теория о том, что в
результате эволюции стабильная конформация белка обладает минимальной
свободной энергией по сравнению с другими возможными конформациями
этого полипептида [13].
Тем не менее, в клетках существует группа белков, функция которых
обеспечение восстановления структуры белков после повреждения, а также
создание и диссоциация белковых комплексов. Эти белки называются
шаперопами. Концентрация многих шаперонов в клетке возрастает при резком
повышении температуры окружающей срезы поэтому они относятся к группе
lisp (англ. heat shock proteins - белки теплового шока)[14] Важность нормальной
работы шаперонов для функционирования организма может быть
проиллюстрирована на примере шаперона. а-кристаллина. входящею в состав
хрусталика глаза человека. Мутации в этом белке приводят к помутнению
хрусталика из-за анкетирования белков и. как результат, к катаракте[15].
6
Зависимость биологических функции от структурной организации.
Биологическая активность и функции белков зависят от структуры белка
(первичной, вторичной и третичной), т.к. информация о структуре белка
заложена в его первичной структуре, порядке последовательности аминокислот
в полипептидной цепи. Активный центр белка формируется в третичной
структуре, что обеспечивает его активность. При денатурации белка его
активность теряется. Если под действием различных факторов изменяется
конформация белка (третичная и четвертичная структура) изменяется и форма
активного центра вследствие чего белок или становится активнее или
ингибируется.
Изофункциональные белки
В живых организмах белки, выполняющие определенную функцию могут
иметь различное строение, эти белки носят название изофункциональных или
изобелков. Например, гемоглобин эритроцитов может иметь несколько форм; у
взрослого человека превалирует HbA (90% всего гемоглобина). Имеется HbF и
HbAa. Гемоглобин состоит из четырех субъединиц, является сложным белком,
в состав которого входит гем и белковая часть, которая представлена четырьмя
белками: α, β, γ, δ. Гемоглобин HbА содержит 2α и 2β цепи; HbF – 2α, 2γ цепи,
HbА2 – 2α и 2δ цепи. Все формы гемоглобина отличаются по первичной
структуре, но выполняют одинаковые функции, присоединяют кислород и
транспортируют его в органы и ткани. Они обладают различной активностью к
кислороду и HbF может отнимать кислород у HbА. Различные молекулярные
формы одного и того же белка в организме человека называют изобелками,
однако гемоглобин, например кролика, хотя и выполняет ту же функцию, не
является изобелком, они являются гомологическими белками.
Взаимосвязь белков с лигандами.
Белки – это высокоспецифические белки, т.е. они не могут вступать в
реакции с различными веществами из-за специфического строения их
активного центра. Вещество (субстрат) специфичный для данного белка (его
активного
центра)
называются
лигандами.
Лигандами
могут
и
низкомолекулярные, и высокомолекулярные вещества.
Классификация белков.
Белки делятся на два больших класса: простые и сложные. Простые белки
состоят только из остатков аминокислот. К ним относятся гистоны, протамины,
глютины, альбумины, тропные гормоны.
Сложные белки кроме белковой части, содержат небелковую часть: гемм,
липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Соответственно они называются:
гемоглоби, липопротеиды, гликопротеиды, нуклеопротеиды и т.п.
По форме белковой молекулы (в третичной стркуктуре) белки
подразделяются на: глобулярные – хорошо растворимые в воде
и
фибриллярные – не растворимые в воде.
7
Изменение белкового состава организма при онтогенезе и болезнях.
Белковый состав каждого органа зависит от выполняемых его функции.
Например: молекулы содержат белки, которые могут сокращаться. Печень
выполняет функции: синтез кетоновых тел, нуклеиновых кислот,
иммуноглобулинов, белков свертывания крови, обезвреживание ядовитых и
лекарственных веществ. При росте и развитии организма (онтогенез)
изменяется и белковый состав органов и тканей. Например, в эмбриогенезе в
печени отсутствуют многие ферменты и они начинают образовываться после
рождения ребенка.
Образование новых ферментов начинается при употреблении ребенком
материнского молоко. Другие ферменты образуются при переходе от
материнского молока к обычным продуктам. При онтогенезе изменяется
эзоферментный спектр ферментов. Например: в период эмбриогенеза в
организме встречаются только 2 изофермента из 5 фосфофруктокиназы. Таким
образом, при индивидуальном развитие (онтогенезе) свойственно изменение
форм ферментов.
При болезнях также наблюдается изменение форм ферментов. Примером
тому служат белки плазмы крови, которые имеют значение при постановке
диагноза.
Новые педагогические технологии применяемые на занятии.
Деловая игра «Мозговой штурм»
Методика проведения игры: для дискуссии выбирается одна тема.
Студенты высказывают свои мнения по данной теме. Выбирают секретаря.
Похожие мнения объединяются. На деловую игру отводится 7-10 минут. В
конце выделяются интересные высказывания, мысли и оцениваются. Этот
метод развивает речь, усиливает воображение и расширяет кругозор мышления
у студентов. На деловую игру отводится 30б из 100б. В конце занятия, баллы
полученные за деловую игру суммируются с текущими баллами студента.
6.2 Аналитическая часть.
1. При серновидно-клеточной анемии у больного наблюдается хроническая
кислородная недостаточность, что может привести к летальному исходу.
Объясните это на молекулярном уровне.
2. Чем объяснить высокую вязкость и коллоидные свойства сыворотки
крови?
3. Как объяснить факт уменьшения шерстяных вещей после стирки в
горячей воде и высушивания в электросушилке? Почему этого не происходит с
шелковыми тканями?
8
Тесты
1.
Укажите пять методов фракционирования белков?
А. высаливание
Б. хромотография
В. гель фильтрация
Г. ультрацентрофугирование
Д. электрофорез
З. осаждение алколоидами
И. осаждение солями тяжелых металлов
2. Укажите 5 методов хромотографии:
А. адсорбционная
Б. распределительная
В. ионообменная
Г. адгинтая
Д. гель
Ж. электрофоретическая
З. диализ
И. седиментационная
3. Укажите 3 свойства, теряемые белками при денатурации.
А. растворимость
Б. электрофоритическая подвижность
В. биологическая активность
Г. амфотерность
Д. первичная структура
4. Укажите 4 типа не ковалентных связей, стабилизирующих третичную
структуру.
А. электростатическое притяжение
Б. водородные
В. гидрофобные
Г. диполь-дикольные
Д. пептидные
Ж. дисульфидные
З. псевдопептидные
5. Укажите 4 вещества, входящие в состав гемоглобина.
А. 2 альфа цепи
Б. 2 бета цепи
В. 4 гема
Г. 4 атома железа
Д. 1 альфа цепь
Ж. 1 атом железа
З. 1 гем
6. Укажите 3 аминокислоты, входящие в состав глутамина.
А. глицин
Б. глутаминовая кислота
В. цистеин
9
Г. аланин
Д. серин
Ж. цистин
7. Укажите элементарный состав белка в пересчете на сухое вещество в
%
А. углерод 50-54
Б. кислород 21-23
В. водород 6,5-7,3
Г. азот 15-17
Д. сера 0,5
Ж. кислород 6,5-7
З. углерод 21-23
И. водород 15-17
8. Укажите 4 простых белка:
А. гистоны
Б. альбумины
В. глобулины
Г. проламины
Д. гликопротеины
Ж. липопротеины
З. гемоглобины
9. Укажите 2 ароматические кислоты:
А. фенилаланин
Б. тирозин
В. триптофан
Г. гистидин
Д. пролин
З. лейцин
10. Укажите 5 незаменимых аминокислот:
А. валин
Б. метионин
В. триптофан
Г. фенилаланин
Д. треонин
З. серин
И. гистидин
К. тирозин
10
6.3 Практическая часть.
Количественное определение белка биуретовым методом.
№
Мероприятия
Выполнено
Не выполнено
1.
Берем 4 пробирки
5
0
2.
В первую очередь
наливаем 1мл 5,0%
раствора яичного
белка
10
0
10
0
10
0
10
0
10
0
15
0
10
0
10
0
10
0
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Во вторую пробирку
наливаем 1мл 1,0%
раствора яичного
белка
В третью пробирку
1мл 1,5% раствора
яичного белка
В четвертую
пробирку 1мл
раствора белка с
неизвестной
концентрацией
В каждую пробирку
приливаем по 4мл
9. биуретового реактива
10. (NaO + CuSo4)
После переливания
растворы все 4х
пробирок
колоримитрируют на
фэке с зеленым
светофильтром
Контрольный раствор
(биуретовой) так же
коллориметрируем
По калибровочному
графику находят
концентрацию
11
неизвестного
раствора
Результаты работы
заносят в рабочую
тетрадь.
100
0
7. Методы контроля знаний, квалификация.
- устно
- письменно
- ситуационные задачи
- тесты
8. Критерий оценки текущего контроля.
Успеваемость
№
(%)
1.
96-100
Оценка
Уровень знаний студента
Отлично
Студент полностью ответил на все
вопросы, заданные преподавателем.
Полностью может объяснить
классификацию, строение и роль
липидов в организме.
Самостоятельно может объяснить
переваривание, всасывание и
ресинтез в стенке кишечника
липидов, может опьянить, роль
желчных кислот в этом
процессе.
Знает роль липопротеинов и
липопрогеинлипазы. Самостоятельно
подводит итоги и принимает
решения, творчески мыслит.
Правильно и творчески принимает
решения ситуационных задач, ответ
обосновывает.
Творчески принимает участие в
интерактивных методах обучения,
делает правильные и обоснованные
выводы. Активно участвует в
лабораторных работах,
«5»
12
2.
91-95
Отлично
«5»
3.
86-90
Отлично
«5»
4.
81-85,9
Хорошо
самостоятельно делает вывод.
Может подготовить показательный
реферат высокого уровня. используя
современную информацию или
литературу последних лет или до 7-10
информации из Интернета
Студент правильно и точно
отвечает на заданные вопросы
преподавателя. Знает строение,
классификацию и роль липидов.
Самостоятельно подводит итоги и
принимает решения, творчески
мыслит о функции дипопротеинов и
липопротеинлипазы.
На ситуационные задачи дается
точный ответ, понимает его смысл. В
интерактивных играх участвует
активно и творчески.
Может подготовить показательный
реферат высокого уровня, используя
современную информацию или
литературу последних лет или до 7-10
информации из Интернета.
Использует набранные знания во
время занятия для выполнения
лабораторных работ.
Студент отвечает на все вопросы,
заданные преподавателем. Знает роль
и функции липидов. Самостоятельно
и логически мыслит о его значении.
На ситуационные задачи отвечает с
помощью преподавателя, но знает его
предназначение. В интерактивных
играх участвует активно и творчески.
Может подготовить показательный
реферат высокого уровня, используя
современную информацию или
литературу последних лет или до 7-10
информации из Интернета.
Использует набранные знания во
время занятия для выполнения
лабораторных работ.
Студент отвечает на все вопросы,
заданные преподавателем. Знает
13
5.
78-80
«4»
строение и функции, а также
переваривание и всасывание липидов.
Полностью отвечает на вопросы
ситуационных задач. Активно
участвует в интерактивных играх.
Может подготовить показательный
реферат высокого уровня. используя
современную информацию или
литературу последних лет, или 5-6
информации из Интернета.
Использует набранные знания во
время занятия для выполнения
лабораторных работ.
Хорошо
Студент отвечает на все вопросы,
заданные преподавателем. Знает
строение и функции, а также
переваривание и всасывание липидов.
При ответе на вопросы ситуационных
задач затрудняется. Активно и
творчески подходит к участию в
интерактивных играх.
Может подготовить показательный
реферат, используя современную
информацию или литературу
последних лет или 3-4 информации из
Интернета.
Может выполнить лабораторные
работы.
«4»
6.
71-75
Хорошо
«4»
Студент отвечает не на все
вопросы, заданные преподавателем.
Может объяснить строение и
функции, а также переваривание и
всасывание липидов, но при этом
допускает ошибки.
Отвечает на вопросы
ситуационных задач, но не понимает
его смысла. Участвует в
интерактивных играх.
Может подготовить показательный
реферат, используя современную
информацию или литературу
последних лет или 1-2 информации из
Интернета.
Знает
очередность
14
выполнения лабораторных работ.
Студент не полностью отвечает на
вопросы заданные преподавателем.
Затрудняется при ответе на вопросы
ситуационных задач.
Пассивно участвует в
интерактивных играх. Не понимает
смысл о роли и строении липидов.
Затрудняется объяснить роль
желчной кислоты в переваривании и
всасывании и липидов.
7.
66-70,9
Удовлетворительно «3»
8.
61-65
Удовлетворительно «3»
Студент не полностью отвечает на
вопросы, заданные преподавателем
по теме. Объясняет строении,
переваривание и всасывание липидов
с помощью преподавателя.
Не понимает его смысла.
Затрудняется отвечать на вопросы
ситуационных задач, не понимает его
смысла.
Затрудняется в подведении итогов
лабораторных работ.
9.
55-60
Удовлетворительно «3»
Студент не полностью отвечает на
вопросы, заданные преподавателем.
Самостоятельно и логически не
понимает строения, переваривание и
всасывание липидов и его роль.
Не может ответить на вопросы
ситуационных задач. Не может
объяснить очередность проведения
лабораторных работ.
1
0.
0-54
Удовлетворительно «3»
Студент не знает темы, затрудняется
в выполнении лабораторных работ.
9. Хронологическая карта знаний
№
Этапы занятия
Форма
занятия
1. Вступительное слово преподавателя
15
Продолжительность
(180 мин)
(обоснование темы).
5
2. Обсуждение темы лабораторного
занятия, определение исходного
уровня знаний студентов с
применением новых педагогических
технологии.
Опрос,
объяснение,
обсуждение
50
3. Подведение итогов обсуждения.
10
4. Представление студентам наглядных
пособий, дать объяснения и указания
для практического занятия.
52
5. Самостоятельная работа но усвоению
практических навыков.
Выполнение
лабораторно
й работы
6. Контроль усвоения теоретической
части занятия, обсуждение результатов
практической работы, их оформление,
оценка деятельности группы.
соответственно достигнутым целям
Устный
вопрос,
решение
тестов,
проверка
оформления
эксперимент
альной
работы в
тетради,
групповое
обсуждение
результатов
занятия
7. Выводы преподавателя об итогах
занятия, оценка деятельности каждого
студента по 100 бальной системе и их
оглашение. Объявление задания на
следующее занятие (комплект
вопросов).
Информация
, вопросы
для
самостоятел
ьной
55
25
10
подготовки
10.Контрольные вопросы.
1. Что называют вторичной и третичной структурой белка?
2. Что собой представляет активный центр белка?
3. Какие формы белковой молекулы присущи для третичной структуры?
16
4. Как вы объясните зависимость биологической активности белка от его
структурной организации?
5. Дайте определение изобелкам.
6. Что такое лиганд и какая его связь с белками?
7. Как классифицируют белки?
10.Литература
Основная
1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия, 2004
2. Николаев А.Я. Биологическая химия, 2004
3. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М. Руководство к занятиям по
биологической химии.
4. Алейникова Т.Л., Рубцова Г.В. Руководство к практическим занятиям
по биологической химии. 1998
5. Султанов Р.Г., Холмухамедова Н.М. . Руководство к практическим
занятиям по биологической химии. 1996 (узб)
6. Sabirov R.A., Abrorov A.A., Inoytova F.H., Aripov A.N. Biologik kimyo.
2007
Дополнительная
1. Ленинджер А. Биохимия, 1,2,3, том 1990
2. Мецлер Д. Биохимия, 1,2,3, том 1980
3. Страйер Л. Биохимия, 1,2,3 том 1985
4. Строев Е.А. Биохимия, 1986
5. Уайти и др. Биохимия, 1981
6. Султанов Р.Г., Ибрагимов У.К. Сборник биохимических показателей
организма человека, 1995
7. Хорст А. Молекулярная основы патогенеза болезней, 1982
8. Кольман Я., Рем К. Г. Наглядная биохимия, 2000
9. Информационно технические средства: кинофильмы, электронные
учебники, компьютер, кодоскоп, слайды, раздаточные материалы.
10.www.tma.uzsi.net
11.Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. Северин Е.С.,
Николаев А.Я., 2002
12.Биохимия Северин Е.С., 2004
17