1.
Структурная организация.
1.Под
первичной структурой подразумевают
порядок,последовательность расположения
аминокислотных остатков в полипептидной
цепи.Полипептидная связь образуется
за счет альфа-карбоксильной группы одной
аминокислоты и аминогруппы другой к-ты.Зная
первичную стр-ру можно точно написать
стр-ную формулу белковой молекулы,если
она предстквлена одной полипептидной
цепью. Первым белком у которого была выявлена
1-ная стр-ра является-инсулин,содержащий
51аминокислотный осткток ,далее-иммуноглобулин,в
4-х полипептидных цепях которого насчитывается
1300 аминокислотных остатка.Молекула инсулина,состоящая
из 2-х цепей (А-21 и В-30 аминокислотных остатков),образуется
из своего предшественника-проинсулина
(84 аминокислотных остатка),представленного
одной полипептидной цепью,после отщепления
от него пептида,состоящего из 33 аминокислотных
остатков.Между цепями А и В и внутри А-цепи
инсулина образуются дисульфидные (-S-S-)
связи. 2.Под вторичной
стр-рой белка подрозумевают
конфигурацию полипептидной
цепи ,т.е.способ свертывания ,скручивания
полипептидной цепи
в спиральную или какую-
либо другую конфигурацию. Выделяют
2-е основные конфигурации: альфа-спираль
и бета-структуры.Альфаспираль (Полинг):закручивание
полипептидной цепи происходит по часовой
стрелке,что обусловлено L-аминокислотным
составом природных белков.Движущей силой
в возникновении альфа-спиралей (так же
как и бета-структур) является способность
аминокислот к образованию водородных
связей.В стр-ре альфа-спиралей открыт
ряд закономерностей:на каждый виток спирали
приходится 3,6 аминокислотных остатка.Не
все глобулярные белки спирализованы
на всем протяжении полипептидной цепи.В
молекуле белка альфа-спиральные участки
чередуются с линейными.Т.о. стабильность
2-ной стр-ры в основном обеспечивается
водородными связями. Связь образуется
при участии атома водорода находящегося
между 2-мя сильнооттрицательными атомами.Она
слабая,легко разрывается.Связь может
образовватся между водородом аминогруппы
одной пептидной связи и карбоксильной
группы другой.В альфа-спирали такая связь
образуется таким образом что каждая NH-группа
пептидной связи соединяется с 4-ой по
счету группой CO. 3.Третичная
структура.Под 3-ной стр-рой белка подразумевают
пространственную ориентацию полипептидной
спирали или способ укладки полипептидной
цепи в определенном объеме.Первым белком,3-ная
стр-ра которого была выяснена на основании
рентгенструктурного анализа,явился миоглобин
кашалота.Его молекулярная масса 16700,содержит
153 аминокислотных остатка,представленный
одной полипептидной цепью.Полипептидная
цепь миоглобина представлена в виде изогнутой
трубки,компактно уложенной вокруг гема(небелкового
компанента ,содержащего железо).Пространственная
стр-ра белков в сильной степени зависит
от рда факторов,в частности от ионной
силы и от pH р-ра,температуры и т.д.В стабилизации
пространственной стр-ры белков ,помимо
ковалентных связей(пептидные и дисульфидные
связи),основную роль играют т.н. нековалентные
связи.к ним относятся:межмолекулярные
Ван-дер-ваальсовы силы,взаимодействие
неполярных боковых радикалов,водородные
связи,электростатическое взаимодействие,гидрофобные
взаимодействия.Основной движущей силой
в возникновении 3-хмерной стр-ры является
взаимодействие радикалов аминокислот
с молекулами воды (неполярные гидрофобные
радикалы аминокислот как бы погружаются
внутрь белковой молекулы,а полярные радикалы
оказываются ориентированными в сторону
воды. 4.Четвертичная
структура.Под 4-ной стр-рой подразумевают
способ укладки в пространстве отдельных
полипептидных цепей ,обладающих одинаковой
(или разной) первичной,2-ной и 3-ной стр-рой,
и формирование единого в стр-рном
и функциональном отношениях макромолекулярного
образования.Многи функциональные белки
состоят из нескольких полипептидных
цепей,соедененных нековалентными связями.Каждая
отдельно взятая полипептидная связь,получившая
название протомера (или субъеденицы),чаще
всего не обладает биологической активностью.Эту
способность белок преобретает при определенном
способе пространственного обьединения
входящих в его состав протомеров.Олигомерные
белки чаще построены из четного числа
протомеров с молекулярными массами в
пределах от нескольких тысяч до 100000 дальтон.В
частности,молекула гемоглобина состоит
из 2-х одинаковых альфа- и 2-х бета-полипептидных
цепей,т.е.представляет собой тетрамер.Многие
ферменты также обладают 4-ной.стр-ой(Пр.фосфорилаза).Основными
силами,стабилизирующими 4-ную стр-ру,являются
нековалентные связи между контактными
площадками протомеров,которые взаимодействуют
друг сдругом по типу комплементарности.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
БЕЛКОВ Наиболее характерными физико-химическими
свойствами белков являются высокая вязкость
растворов, незначительная диффузия, способность
к набуханию в больших пределах, оптическая
активность, подвижность в электрическом
поле, низкое осмотическое давление и
высокое онкотическое давление, способность
к поглощению УФ-лучей при 280 нм.Белки,
как и аминокислоты, амфотерны благодаря
наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для
них характерны все свойства кислот и
оснований. В зависимости от реакции среды
и соотношения кислых и основных аминокислот
белки в растворе несут или отрицательный,
или положительный заряд, перемещаясь
к аноду или катоду. Белки обладают гидрофильными
свойствами. Растворы белков имеют очень
низкое осмотическое давление, высокую
вязкость и незначительную способность
к диффузии. Белки способны к набуханию
в очень больших пределах. Молекулы белка
не способны проникать через полупроницаемые
искусственные мембраны, а также биомембраны
растительных и животных тканей. Белки
относятся к высокомолекулярным соединениям,
в состав которых входят сотни и даже тысячи
аминокислотных остатков, объединенных
в макромолекулярную структуру. Молекулярная
масса белков колеблется от 6000 (нижний
предел) до 1000000 и выше в зависимости от
количества отдельных полипептидных цепей
в составе единой молекулярной структуры
белка. Такие полипептидные цепи получили
название субъединиц. Аминокислотный
состав и последовательность аминокислот
выяснены для многих тысяч белков. На практике
наиболее часто используются методы седиментационного
анализа, гель-хроматография и гель-электрофорез.
Обычно вычисляют молекулярную массу
по скорости седиментации молекул белка
или седиментационному равновесию диффузии.
Денатурация белков
Под влиянием различных физических и химических
факторов белки подвергаются свертыванию
и выпадают в осадок, теряя нативные свойства.
Таким образом, под денатурацией следует
понимать нарушение общего плана уникальной
структуры нативной молекулы белка, преимущественно
ее третичной структуры, приводящее к
потере характерных для нее свойств. Внешние
проявления денатурации сводятся к потере
растворимости,особенно в изоэлектрической
точке, повышению вязкости белковых растворов,
увеличению количества свободных функциональных
SH-групп и изменению характера рассеивания
рентгеновских лучей. Наиболее характерным
признаком денатурации является резкое
снижение или полная потеря белком его
биологической.Изоэлектрическая
и изоионная точки белков
В изоэлектрической точке суммарный заряд
белков, обладающих амфотерными свойствами,
равен нулю и белки не перемещаются в электрическом
поле. Зная аминокислотный состав белка,
можно приближенно определить изоэлектрическую
точку является характерной константой
белков.Изоэлектрическая точка большинства
белков животных тканей лежит в пределах
от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о частичном
преобладании кислых аминокислот. ФУНКЦИИ
БЕЛКОВ Каталитическая
функция Большинство известных в настоящее
время ферментов, называемых биологическими
катализаторами, является белками. Эта
функция белков определяет скорость химических
реакций в биологических системах. Транспортная
функция. Дыхательная функция крови,
в частности перенос кислорода, осуществляется
молекулами гемоглобина —белка эритроцитов.
В транспорте липидов принимают участие
альбумины сыворотки крови. Ряд других
сывороточных белков образует комплексы
с жирами, медью, железом, тироксином, витамином
А и другими соединениями, обеспечивая
их доставку в соответствующие органы-мишени.
Защитная функция.
Основную функцию защиты в организме выполняет
иммунная система, которая обеспечивает
синтез специфических защитных белков-антител
в ответ на поступление в организм бактерий,
токсинов, вирусов или чужеродных белков.
Высокая специфичность взаимодействия
антител с антигенами (чужеродными веществами)
по типу белок-белковое взаимодействие
способствует узнаванию и нейтрализации
биологического действия антигенов. Защитная
функция белков проявляется и в способности
ряда белков плазмы крови, в частности
фибриногена, к свертыванию. В результате
свертывания фибриногена образуется сгусток
крови, предохраняющий от потери крови
при ранениях. Сократительная
функция. В акте мышечного сокращения
и расслабления участвует множество белковых
веществ. Однако главную роль в этих жизненно
важных процессах играют актин и миозин-специфические
белки мышечной ткани. Сократительная
функция присуща не только мышечным белкам,
но и белкам цитоскелета, что обеспечивает
тончайшие процессы жизнедеятельности
клеток. Структурная
функция. Белки, выполняющие структурную
(опорную) функцию. Среди них важнейшую
роль играют фибриллярные белки, в частности
коллаген в соединительной ткани, кератин
в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой
стенке и др. Большое значение имеют комплексы
белков с углеводами в формировании ряда
секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе
с липидами белки участвуют в образовании
биомембран клеток. Гормональная
функция. Ряд гормонов представлен белками
или полипептидами, например гормоны гипофиза,
поджелудочной железы и др. Некоторые
гормоны являются производными аминокислот.
Питательная функция.
Эту функцию выполняют так называемые
резервные белки, являющиеся источниками
питания для плода, например белки яйца
(овальбумины). Основной белок молока (казеин)
также выполняет главным образом питательную
функцию. Можно назвать еще некоторые
другие жизненно важные функции белков.
Это, в частности, экспрессия генетической
информации, генерирование и передача
нервных импульсов, способность поддерживать
онкотическое давление в клетках и крови,
буферные свойства, поддерживающие физиологическое
значение рН внутренней среды, и др.
2.
ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ(Ф) Ферменты(энзимы)-
высокоспециализированный класс веществ
белковой природы, используемый живыми
организмами химических реакций(синтез,
распад и взаимопревращение химических
соединений). Большинство природных ферментов
относится к классу сложных белков. Св-ва
ферментов:
1.не
расходуются в процессе катализа
2.катализируют
реакции соответствующие зак-нам
термодинамики.Пр.АТФ→АДФ+Фн
3.не
смещают химическое равновесие
4.высокая
эффективность (большая чем др.катализаторов)
5.высокая
специфичность
6.действуют
в мягких условиях (рН близкая
к нейтральной,Т=37)
7.при
гидролизе расподаются на аминокислоты.Существуют
простые-пепсин,трепсин,уреаза;сложные
(содержат еще и белковый компонент(кофактор)).Стрра:апофермент(полипептидная
часть фермента),простетическая группа-интегральная
часть фермента и с ней связывается кофактор,кофермент-дополнительная
группа легко отделяемая от апофермента.
При диссоциации между простетической
группай и полипептидной цепью-ковалентная
связь.Простетическая группа и кофермент
являются переносчиками электронов водорода,NH2,
СOOH. Активный центр (АЦ) –комбинация аминокислотных
остатков в молекуле фермента обеспечивающих
взаимодействие с молекулой субстрата.и
прямое участие в акте катализа. В активном
центре различают каталитический центр,
непосредственно вступающий в химическое
взаимодействие с субстратом, и связывающий
центр который обеспечивает специфическое
сродство к субстрату и формирование его
комплекса с ферментом. Аллостерический
центр- участок молекулы фермента, с которым
связываются определенные, обычно низкомолекулярные,
вещества , молекулы которых отличаются
по структуре от субстратов. Присоединение
эффектора - изменяет третичную и четвертичную
структуру молекулы фермента и соответственно
конфигурацию активного центра. Аллостерические
ферменты-активность контролируется состоянием
активных,аллостерических центров;наличие
в молекуле нескольких активных центров
и нескольких аллостерических регуляторных
центров. МЕХАНИЗМ
ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
При энзиматическом катализе фермент
Е соединяется со своим субстратом S, образуя
нестойкий промежуточный фермент-субстратный
комплекс ES, который в конце реакции распадается
с освобождением фермента и продуктов
реакции Р.В процессе реакции различают
несколько стадий: присоединение молекулы
субстрата к ферменту, преобразование
первичного промежуточного соединения
в один или несколько последовательных
(переходных) комплексов и протекающее
в одну или несколько стадий отделение
конечных продуктов реакции от фермента.
В реакциях
анаболизма, например А +
В —> АВ, фермент может соединяться
как с
одним, так и с другим субстратом
или обоими субстратами:
В реакциях
катаболизма, например АВ —> А + В:
Энергия
активации-это энергия необхадимая для
достижения активированного состояния.(тот
избыток энергии которым они должны обладать
чтобы вступить в реакцию.
Модель
Э. Фишера «ключ-замок»:если фермент
в активном центре содержит
кофермент,
то предполагается образование тройного
комплекса .
Модель
Д. Кошленда “рука-перчатка” была
разработана теория «индуцированного
соответ-
ствия»,
допускающая высокую конформационную
лабильность молекулы
белка-ферментаи
гибкость и подвижность активного
центра
Факторы
определяющие каталитическую эффективность
Ф. 1.Сближение и ориентация (Ф связывает
S т.о.что атакуемая им связь находится
близко от каталитической группы ,S преобретает
определенную ориентацию). 2.Напряжение
и деформация.(присоединение S вызывает
конформационные изменения фермента и
деформацию S. 3.Кислотно-основной катализ.
В активном центре Ф находятся аминокислотные
остатки-доноры или акцепторы протонов,ускоряющих
реакцию. Пр.доноры СООН,NH3,SH:акцепторы-NH2,S-,COO-.
4.Ковалентный катализ с образованием
ковалентных промежуточных продуктов.
Кинетика ферментативных
реакций Занимается исследованием закономерностей
влияния химической природы реагирующих
веществ (ферментов, субстратов) и условий
их взаимодействия (концентрация, рН среды,
температуры, присутствие активаторов
или ингибиторов) на скорость ферментативной
реакции. Цель:получение информации для
выяснения молекулярного механизма действия
фермента. Скорость любой хим. р-ции выражает
изменение концентрации субстрата(S) или
продукта реакции в еденицу времени- V=ΔC/t
График
влияния [S] на V р-ции.
а - реакция
первого порядка (при [S] < Кm скорость
реакции пропорциональна концентрации
субстрата); б - реакция смешанного порядка;
в - реакция нулевого порядка, когда v =
Vmax и скорость реакции не зависит от концентрации
субстрата
Рис.
4.12. Теоретический график за-
Для того
чтобы сместить равновесие вправо надо
↑[S]
Кривая
описывается уравнением Михаэлиса–Ментен,
выражающее количественное
соотношение
между концентрацией субстрата
и скоростью ферментативной
реакции:
где v
– наблюдаемая скорость реакции при данной
концентрации субстрата
[S];
KS – константа диссоциации фермент-субстратного
комплекса, моль/л;
Vmax
– максимальная скорость реакции при
полном насыщении фермента субстратом.
Из уравнения Михаэлиса–Ментен следует,
что при высокой концентрации субстрата
и низком значении KS скорость реакции
является максимальной, При низкой концентрации
субстрата скорость реакции оказывается
пропорциональной концентрации субстрата
в каждый данный момент (реакция первого
порядка).Для определения численного значения
Кm обычно находят ту концентрацию субстрата,
при которой скорость ферментативной
реакции v составляет половину от максимальной
Vmax, т.е. если v =
1/2 Vmaх.
разделив
обе части уравнения на Vmах,
получим
или Кm
+ [S] = 2[S], откуда Km = [S].
Таким
образом, константа Михаэлиса численно
равна концентрации
субстрата
(моль/л), при которой скорость данной
ферментативной реакции
составляет
половину от максимальной.
.
То
Или
то после
преобразования получаем уравнение:
Уравнения
Лайнуивера–Бэрка.
Это уравнение
прямой линии: у
= ах + b. Если теперь в соответствии
с этим уравнением построить график в
координатах 1/v (y) от l/[S] (x),
то получим прямую линию тангенс угла
наклона который будет равен величине
Km/Vmax; отрезок, отсекаемый прямой
от оси ординат, представляет собой l/Vmax
(обратная величина максимальной скорости).
Если продолжить прямую линию за ось ординат,
тогда на абсциссе отсекается отрезок,
соответствующий обратной величине константы
Михаэлиса – 1/Кm. Таким образом, величину
Кm можно вычислить из данных наклона
прямой и длины отрезка, отсекаемого от
оси ординат, или из длины отрезка, отсекаемого
от оси абсцисс в области отрицательных
значений.
3.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ
В молекуле
ДНК углевод представлен дезоксирибозой,
а в молекуле РНК – рибозой, отсюда их
названия: дезоксирибонуклеиновая (ДНК)
и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. Кроме
того, они содержат фосфорную кислоту,
по два пуриновых(А,Г) и по два пиримидиновых
основания(Ц,Т,У); различия только в пиримидиновых
основаниях: в ДНК содержится тимин, а
в РНК –урацил.
В составе
нуклеиновых кислот встречаются
три главных пиримидиновых основания:
цитозин, урацил и тимин.
Помимо
главных пиримидиновых оснований,
в составе нуклеиновых кислот открыты
минорные пиримидиновые основания, 5-метил-
и 5-оксиметилцитозин, дигидроурацил. Два
пуриновых основания, постоянно встречающихся
в гидролизатах нуклеиновых кислот, имеют
следующее строение:
Аденин
Гуанин
К минорным
нуклеозидам пуринового ряда, обнаруживаемым
в составе ДНК и РНК, относятся инозин.
Cвойство свободных азотистых оснований
–существование в двух таутомерных формах,
в частности лактим- и лактамной формах.
В составе нуклеиновых кислот все оксипроизводные
пуринов и пиримидинов находятся в лактамной
форме.
Содержание
ДНК в клетках постоянно и
исчисляется несколькими пикограммами.
На долю РНК приходится около 5–10% от общей
массы клетки Выделяют три главных вида
РНК: матричную
(информационную) – мРНК, РНК; рибосомную
– рРНК, и транс-
портную
– тРНК. СТРУКТУРА
НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Правило Э. Чаргаффа.
1) молярная
доля пуринов равна молярной
доле пиримидинов:
2) количество
аденина и цитозина равно количеству
гуанина и тимина:
3) количество
аденина равно количеству тимина,
а количество гуанина равно количеству
цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно
4) существенным
для характеристики вида (таксономическое
значение) оказался так называемый коэффициент
специфичности, отражающий отношение
Структурными
единицами нуклеиновых кислот являются
мономерные молекулы – мононуклеотиды.
. Это продукты полимеризации мононуклеотидов,
число и последовательность расположения
которых в цепях ДНК и РНК определяются
в строгом соответствии с программой,
заложенной в молекуле матрицы . Мононуклеотиды
состоят из трех специфических компонентов:
азотистого основания, углевода и фосфорной
кислоты. Соединения азотистого основания
и углевода -нуклеозид. Нуклеозиды
содержат пуриновое или пиримидиновое
основание, соединенное с углеводом N-гликозидной
связью. Мононуклеотиды, присоединяя еще
один остаток фосфата, образуют фосфоангидридную
связь и превращаются в нуклеозиддифосфаты
(АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ и ТДФ). Писоединяя еще
один остаток фосфата, образуют нуклеозидтрифосфаты
(АТФ, ГТФ,УТФ, ЦТФ и ТТФ). Функция нуклеозидтрифосфатов
- участие в биоэнергетике всех живых организмов.
В организме существкет два типа фосфорных
эфиров нуклеотидов:1. когда фосфат связывает
2 атома кислорода пентозного остатка
в одном и том же нуклеотиде 2.когда фосфатный
мостик объединяет два разных мононуклеотида.
Первичная структура
нуклеиновых кислот
Под первичной структурой нуклеиновых
кислот понимают порядок, последовательностьрасположения
мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи
ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется
3',5'-фосфодиэфирными связями. К настоящему
времени удалось определить первичную
структуру почти всех тРНК, ряда молекул
5S рРНК, 16S рРНК E.coli, вирусных РНК, в состав
которых входят сотни и тысячи нуклеотидных
остатков. Все клеточные РНК в основном
состоят из одноцепочечной полинуклеотидной
цепи: 5'-Г–У–Г–Ц–А–А–...–У–Ц–Г–Ц–Ц–А–3'
Полинуклеотидная цепь молекулы РНК имеет
на одном конце свободный монофосфорный
эфир,на противоположном конце цепи такой
фосфат отсутствует, а содержится нуклеотид
со свободными 2'- и 3'-гидроксильными группами.
О первичной структуре ДНК судят по распределению
минорных оснований и обнаружению
в ДНК и определению последовательности
палиндромов. Вторичная
структура нуклеиновых
кислот В соответствии с моделью Дж.
Уотсона и Ф. Крика, предложенной в 1953 г.
молекула ДНК состоит из двух цепей, образуя
правовращающую спираль, в которую обе
полинуклеотидные цепи закручены вокруг
одной и той же оси. Удерживаются цепи
благодаря водородным связям, образующимся
между их азотистыми основаниями. Обе
цепи поли нуклеотидов в биспиральной
молекуле ДНК имеют строго определенное
пространственное расположение, при котором
азотистые основания находятся внутри,
а фосфорильные и углеводные компоненты
– снаружи. В биспиральной молекуле ДНК
основания уложены парами: пурин из одной
цепи и пиримидин из другой в соответствии
с правилами Чаргаффа (пары аденин–тимин
и гуанин–цитозин). Избирательность взаимодействия
пар А–Т и Г–Ц принято выражать термином
«комплементарность», а соответствующие
азотистые основания называют комплементарными.
Стабильность А–Т оснований обеспечивается
двумя водородными связями, а пар Г–Ц
– тремя. Обе цепи в молекуле ДНК имеют
противоположную полярность. Конфигурация
двойной спирали ДНК сильно меняется в
зависимости от количественного содержания
воды и ионной силы окружающей среды. Существовует
6 форм ДНК, названных А-, В-, С-, D-, Е- и Z-формами.
Третичная структура нуклеиновых кислот
Двойная спираль ДНК на