Лекция 1 «Биохимия как предмет. Свойства, строение, классификация аминокислот и белков». Тема лекции: Для студентов 2-го курса лечебного и педиатрического факультетов Лектор: зав. кафедрой биохимии - Н.Г.Наумова План лекции Что изучает биохимия? Биохимия как предмет. История кафедра биохимии Ижевской медицинской академии. Белки. Определение белков и аминокислот. Классификации аминокислот. Болезни недостатка аминокислот. Строение аминокислот. Свойства аминокислот. Образование пептидной связи. Структуры белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная и четвертичная). 10. Физико-химические свойства белков. 11. Функции белков. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Биохимия – наука, изучающая химический состав живых организмов, химические реакции и процессы, лежащие в основе их жизнедеятельности. Медицинская биохимия – изучает молекулярные основы развития и функционирования здорового человеческого организма, молекулярные основы болезней, а также методы диагностики. В биохимии выделяют 3 раздела: 1. Статическая биохимия (изучает химический состав). 2. Динамическая биохимия (метаболизм). 3. Функциональная биохимия (изучает связь химических процессов с физиологическими функциями). История развития биохимии Современная биохимия как наука сложилась на рубеже XIX и XX веков. 1814 г. – Константин Сигизмундович Кирхгоф описал ферментативный процесс осахаривания (гидролиза) крахмала. 1839 г. – Юстус Либих выяснил, что в состав пищи входят белки, жиры, углеводы. 1863 г. – Александр Яковлевич Данилевский открыл кафедру биохимии при Казанском университете. 1880 г. – Николай Иванович Лунин – основоположник витаминологии. 1897 г. – Алексей Николаевич Бах – теория биологического окисления. 1908 г. – Александр Владимирович Палладин – теория тканевого дыхания. 1953 г. – Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон – модель строения ДНК. 1961 г. – Питер Митчелл – теория окислительного фосфорилирования. Основные достижения биохимии человека • • • • • • • • • • Определен химический состав клеток, тканей и целого организма. Выделены основные соединения, установлена их структура. Выяснены функции многих биомолекул. Центральное место принадлежит установлению факта, что ДНК – это генетический материал. Выделены главные органеллы клетки, установлены их основные функции. Показано, что почти все реакции, протекающие в клетках, катализируются ферментами, выявлены общие принципы механизмов их действия. Прослежены метаболические пути синтеза и распада основных биомолекул. Выяснены многие аспекты регуляции метаболизма. В общих чертах установлено, каким образом клетки запасают и используют энергию. Выяснены основные особенности строения и функционирования биомембран. Накоплено значительное количество данных о механизмах действия гормонов и витаминов. Установлены биохимические основы значительного числа заболеваний. 1 сентября 1933 года в Ижевске открылся медицинский институт. В 1934 году начала работу кафедра биохимии. Кафедра располагалась тогда на улице Горького в здании механического института и имела всего одну учебную комнату, лаборантскую и кабинет заведующего кафедрой. В 1938-1939 учебном году кафедра биохимии получила новое помещение: на 3 этаже главного (морфологического) корпуса ИГМИ - это были две учебные комнаты, две лаборантские комнаты, ассистентская и кабинет заведующего кафедрой. Первым заведующим кафедрой был к.б.н., доцент С.Н. Майоров (1935-1938 гг.) С 1940 по 1953 годы кафедрой заведовала кандидат биологических наук, доцент Капитолина Ивановна Русинова. В период Великой Отечественной войны Удмуртия стала одной из госпитальных баз глубокого тыла страны. Подавляющее число специализированных госпиталей и отделений находилось в Ижевске. Наличие здесь медицинского института с научными кафедрами и хорошо оснащенными клиническими базами, значительным числом профессоров, доцентов и опытных врачей-клиницистов, с одной стороны, и эвакуация на Урал крупных специалистов из Москвы - с другой, дали возможность организовать врачебную помощь должным образом. Курсы медицинских сестер перед отправкой на фронт (1941 г. Место съемки: г.Ижевск) В 1941 году, в период эвакуации, кафедра была возглавлена одним из ведущих биохимиков страны, доктором медицинских наук, академиком АН и АМН СССР Сергеем Евгеньевичем Севериным. Белки. Аминокислотный состав белков. Физико-химические свойства. Белки Белки – высокомолекулярные азотсодержащие биополимеры, построенные из α-аминокислот, соединенных друг с другом при помощи пептидных связей. Элементарный состав белков • Углерод – 52% • Кислород – 22% • Азот – 16% • Сера – 1% Аминокислоты - это органические вещества, содержащие карбоксильную и амино-группы. Общая формула α-аминокислоты α H2N СН СООН R В состав белков входят 20 разновидностей α, L-аминокислот. Классификации аминокислот 1) по полярности и заряду радикала (рациональная) Полярные (с гидрофильным радикалом) Положительно- Отрицательнозаряженные заряженные Незаряженные 1. Лизин 2. Аргинин 3. Гистидин 1. Глицин 2. Серин 3. Треонин 4. Тирозин 5. Цистеин 6. Аспарагин 7. Глутамин 1. Аспарагиновая кислота 2. Глутаминовая кислота Неполярные (с гидрофобным радикалом) 1. Аланин 2. Валин 3. Лейцин 4. Изолейцин 5. Пролин 6. Фенилаланин 7. Триптофан 8. Метионин 2) По числу карбоксильных групп и аминогрупп Нейтральные Основные Кислые 1 NH2 и 1 СООН группы 2 NH2 и 1 СООН группы 1 NH2 и 2 СООН группы 1) Глицин 2) Аланин 3) Валин 4) Лейцин 5) Изолейцин 6) Цистеин 7) Серин 8) Треонин и др. 1) Лизин 2) Орнитин 3) аргинин 1) Аспарагиновая кислота 2) Глутаминовая кислота 3) по строению радикала Алифатические Ароматические Гетероциклические Глицин Аланин Валин Лейцин Лизин Глутаминовая кислота Аспарагиновая Фенилаланин Тирозин Триптофан Гистидин Триптофан Пролин 4) По содержанию дополнительных функциональных групп Гидроксиаминокислоты Амиды аминокислот Серусодержащие АК Серин Треонин Тирозин Аспарагин Глутамин Цистеин Метионин 5) Биологическая классификация Заменимые 1. Глицин 2. Аланин 3. Серин 4. Аспарагиновая кислота 5. Глутаминовая кислота 6. Аспарагин 7. Глутамин 8. Пролин Условно заменимые 1. Цистеин 2. Тирозин Абсолютно незаменимые 1. Валин 2. Лейцин 3. Изолейцин 4. Треонин 5. Метионин 6. Лизин 7. Триптофан 8. Фенилаланин Условно незаменимые 1. Аргинин 2. Гистидин Болезни недостатка аминокислот • Недостаток триптофана - нарушение роста детей • Недостаток лизина - нарушение функций мозга • Недостаток гистидина - нарушение синтеза гемоглобина – анемии • Недостаток аргинина - атрофия семенников • Недостаток метионина - жировое перерождение печени, почек I. Полярные аминокислоты (с гидрофильным радикалом) 1) Положительнозаряженные аминокислоты H2N СН H2N СООН СН СООН (СН2)4 (СН2)3 NН2 NН H2N СН2 N C=NH NH2 Лизин СН N H Аргинин Гистидин 2) Отрицательнозаряженные аминокислоты H2N СН СООН СН2 СООН Аспарагиновая кислота H2N СН СООН (СН2)2 СООН Глутаминовая кислота СООН 3) Полярные незаряженные аминокислоты СН2 СООН H2N H2N СН СООН CH3 ОН Серин СН СООН СН2 SН Цистеин H2N СН СH2 ОН Тирозин СООН H2N СН СООН СH ОH СН2 Глицин H2N СН H2N Треонин СООН H2N СН СООН (СН2)2 СН2 СОNH2 СОNH2 Глутамин Аспарагин II. Неполярные аминокислоты (с гидрофобным радикалом) H2N СН СООН СН H2N СООН СН2 СH CH3 СH CH3 CH2 CH3 CH3 СООН CH3 Аланин Изолейцин Лейцин СН H2N H2N СН СООН СH CH3 СН H2N H2N СН СООН СООН (СН2)2 СH2 CH3 Валин S CH3 СН H2N Метионин Фенилаланин СН HN CH2 CH2 СН2 Пролин СH2 СООН N H Триптофан СООН Свойства аминокислот 1) Амфотерность аминокислот - способность аминокислоты проявлять как кислотные, так и осно́вные свойства. Кислотные свойства аминокислоты обусловлены наличием карбоксильной группы: H2N СН СООН + NaOH R Аминокислота H2N СН СООNa + Н2 О R Натриевая соль аминокислоты Основные свойства аминокислоты обусловлены наличием амино-группы: H2N СН СООН + HCl R Аминокислота + H 3N СН СООН Cl R Гидрохлорид аминокислоты - 2) Образование биполярного иона (цвиттер-иона) или внутренней соли а) нейтральные аминокислоты СН СООН H2N + СН H3N R СОО - 0 R аминокислота Цвиттер-ион б) кислые аминокислоты на примере аспарагиновой кислоты + H2N СН СООН + H3N СН СОО + Н СН2 СН2 СООН СОО - в) основные аминокислоты на примере лизина + H2N СН (СН2)4 NН2 СООН + НОН H3N СН (СН2)4 NН3+ СОО - + + ОН - Заряды моноаминомонокарбоновых аминокислот в разных средах на примере аланина (pI=6,02) Заряды моноаминодикарбоновых аминокислот в разных средах на примере глутаминовой кислоты (pI=3,22) Заряды диаминомонокарбоновых аминокислот в разных средах на примере лизина (pI=9,74) Пептиды Пептиды - это органические вещества, содержащие в своем составе от 2 до 10 аминокислотных остатка, соединенных пептидными связями Полипептиды - это органические вещества, содержащие в своем составе более 10 аминокислотных остатка, соединенных пептидными связями. Образование пептидов = = _ H2N СН2 Н СН2 Н (СН2)4 СООН α H- N СН СООН _ О α H- N СН С ОН + О α СН С ОН + NН2 Аспарагиновая к-та SH Лизин Цистеин Пептидные связи О N СН2 Н (СН2)4 СООН СН С NН2 N _ СН С _ H2N = = О СН СООН Н СН2 SH Трипептид: аспартиллизилцистеин + 2 Н2О Строение белковых молекул Первичная структура – линейное последовательное расположение аминокислотных остатков, связанных между собой пептидными связями. R1 Н = СН С N R2 Н СН С R2 … N _ N _ N-конец СН С _ H2N О = О = О Н СН СООН Rn С-конец Пептидные связи Первичная структура белка • уникальна и детерминирована генетически • придает белку видовую специфичность • определяет дальнейшую структурную организацию Вторичная структураэто расположение в пространстве одной полипептидной цепи в виде альфа-спирали или бетаструктуры, стабилизированной при помощи водородных связей между пептидными группировками. Третичная структура это расположение в пространстве одной полипептидной цепи, стабилизированной связями между радикалами аминокислот: • дисульфидными, • водородными, • ионными, • ван-дер-ваальсовыми силами, • гидрофобными взаимодействиями. Четвертичная структураЭто расположение в пространстве нескольких полипептидных цепей, соединенных между собой нековалентными межрадикальными связями. В итоге образуется единая функциональная система. Каждая отдельная цепь называется протомером (субъединицей). • Белок, состоящий из протомеров, называется олигомерным белком (н-р: гемоглобин). • Структуры белковых молекул Структура Определение Связи, стабилизирующие структуру Первичная Порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи Пептидные Вторичная Пространственное расположение полипептидной цепи в виде α-спирали или βскладчатости Водородные между амидными группировками Третичная Пространственное расположение одной αспирализованной полипептидной цепи в виде глобулы (клубочка) или фибриллы (нити) Между радикалами аминокислот: а) водородные; б) дисульфидные; в) ионные; г) гидрофобные Четвертичная Пространственное расположение нескольких полипептидных цепей с образованием единой функциональной системы Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия Схема Физико-химические свойства белков 1) Наличие высокой молекулярной массы (>5000 Да) 2) Амфотерность - обусловлена наличием свободных амино- и карбоксильных групп в радикалах аминокислот. 3) Изоэлектрическая точка (рI) – значение рН раствора, при котором суммарный заряд молекулы белка равен нулю, т.е. белок находится в изоэлектрическом состоянии. рI белка зависит от соотношения свободных амино- и карбоксильных групп в молекуле белка: Если число –NH2 > -COOH, то рI > 7 Если число –NH2 < -COOH, то рI < 7 В изоэлектрическом состоянии белок выпадает в осадок! 4) Растворимость в воде Факторы, стабилизирующие белки в растворе: а) заряд молекулы б) гидратная оболочка Зависит от количества гидрофильных групп в составе радикалов аминокислот: -СООН -NН2 -ОН -SН 5) Наличие определенной формы белковых молекул Глобулярные Фибриллярные 6) осаждаемость Обратимое осаждение белок лишается гидратной оболочки, но не теряет способности растворяться вновь в воде после удаления осаждающего фактора. Высаливание – обратимое осаждение белка солями щелочных и щелочно-земельных металлов и (NH4)2SO4 Необратимое осаждение (денатурация) Денатурация – любое негидролитическое нарушение уникальной структуры белка, приводящее к потере физических, химических и биологических свойств. При денатурации нарушаются все структуры, кроме первичной. Денатурирующие факторы: высокая температура, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, алкалоиды, разные виды излучения. Функции белков 1. Структурная (коллаген, эластин, кератин) 2. Сократительная (актин, миозин и др.) 3. Транспортная (альбумины, глобулины, трансферрин и др.) 4. Защитная (иммуноглобулины) 5. Питательная (казеин, овоальбумин) 6. Гормональная или регуляторная (инсулин) 7. Каталитическая или ферментативная (пепсин, амилаза, липаза и др.) 8. Энергетическая (1 г белка дает 4,1 ккал) Контрольные вопросы и задания по лекции 1. Записать материал лекции в отдельную лекционную тетрадь. 2. Выучить формулы 20-ти аминокислот. 3. Написать образование пептида из аминокислот: глицина, аргинина и метионина. Написать название этого пептида.
