Биохимия и ее задачи

Биохимия и ее задачи

Биохимия – это наука о структуре веществ, входящих в состав живого организма, их превращениях и физико-химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности.

Биохимия является одной из фундаментальных дисциплин  медицины и биологии. Она занимается познанием живого на уровне макромолекул. Биохимия – это результат интеграции биологии и химии.

 

Разделы биохимии:

1. статическая  (биоорганическая химия);

2. динамическая (изучает превращение веществ);

3. функциональная (изучает физико-химические процессы).

Выделяют разделы  биохимии в зависимости от объекта  изучения: биохимия животных, микроорганизмов, растений, человека, клиническая биохимия и т.д.

 

Основные задачи биохимии:

1. изучение процессов  биокатализа;

2. изучение строения  и функций нуклеиновых кислот;

3. изучение молекулярных  механизмов наследственности;

4. изучение строения, обмена белков;

5. изучение превращения  углеводов;

6. изучение процессов  обмена липидов;

7. изучение роли  биорегуляторов (гормоны, нейромедиаторы);

8. изучение роли витаминов и минеральных веществ.

 

Значение  БХ для медицины:

1. необходима для понимания  сущности заболевания (патогенеза), его механизма. Пр.: сахарный диабет  в результате недостатка инсулина, атеросклероз – нарушение обмена  липопротеинов, опухолевый рост – функционирование онкогенов;

2. необходима  для диагностики заболеваний.  Пр.: биохимический анализ крови,  мочи. Определяется:

а) количество субстрата (уровень метаболита);

б) активность фермента;

в) количество биорегуляторов (гормонов и нейропептидов);

В диагностике заболеваний используются различные методы: радио-иммуный анализ, иммуно-ферментный анализ, введение ДНК-зондов для выявления чужеродной ДНК, дефектов ДНК, онкогенов. Также позволяет выявить предрасположенность к заболеваниям;

3. разработка  новых лекарственных препаратов;

4. необходима  для профилактики заболеваний.  Пр.: рахит – в результате недостатка  витамина D, цинга – витамина С.

Белки и их биологическая  роль

Белок (протеины) – protos – предшествующий всему, первичный, наиглавнейший, определяющий всё остальное.

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепи с помощью пептидных связей и имеющих сложную структурную организацию.

Основные отличительные признаки белков:

1. содержат азота больше, чем другие вещества (16%). Так, 1г азота содержится в 6,25г белка;

2. состоят из  альфа-аминокислот L-ряда;

3. наличие пептидных  связей;

4. большая молекулярная  масса (от 4-5 тыс. дальтон до  нескольких млн.);

5. имеют сложную  структурную организацию;

6. белки составляют 25% сырой ткани и 45-50% сухой ткани.

 

Биологическая роль белков:

1. каталитическая (выполняют ферменты);

2. структурная,  т.е. белки являются основным  компонентом клеточных структур;

3. регуляторная (выполняют белки-гормоны);

4. рецепторная, т.е. рецепторы клеточных мембран имеют белковую природу;

5. транспортная  – белки участвуют в транспорте  липидов, токсических веществ,  кислорода и т.д.;

6. опорная –  выполняет белок коллаген;

7. энергетическая. Заключается  в том, что при окислении 1г белка выделяется 17,6 кДж (4,1ккал) энергии;

8. сократительная  – её выполняют белки актин  и миозин;

9. генно-регуляторная  – её выполняют белки гистоны,  участвуя в регуляции репликации;

10. имуннологическая  – её выполняют белки антитела;

11. гемостатическая – участвуют в свёртывании крови, препятствуют кровотечению;

12. антитоксическая,  т.е. белки связывают многие  токсические вещества (особенно  соли тяжёлых металлов) и препятствуют  развитию интоксикации в организме.

 

Физико-химические свойства белков:

Структура белка  определяет его свойства. Существует несколько групп свойств.

I. Электрохимические свойства белков:

1. белки - амфотерные  полиэлектролиты (амфолиты). Это  достигается за счет наличия  концевых СОО^- и NH₃⁺ групп, а также ионогенных групп боковых радикалов (ГЛУ, АСП, ЛИЗ, АРГ, ГИС)

2. буферность  белков (поддержка рН среды). При  физиологических значениях рН  буферные свойства ограничены  и обусловлены наличием кислотных  и основных групп. Наибольшим  буферным действием обладает  гистидин, которого много в гемоглобине, за счет чего последний является мощным буфером крови;

3. наличие заряда  в белковой молекуле. Обусловлено  соотношением кислых и основных  АК, а также ионизацией бокового  радикала. Степень ионизации зависит  от рН среды. Так, если среда  кислая, то ионизация СООН групп заторможена и белок приобретает «+» заряд. В щелочной среде заторможена ионизация NH₂ групп и белок заряжается «--».

Изоэлектрическое  состояние белка наступает, когда  заряд белковой молекулы равен 0, а  рН среды, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой (рI). Она определяется соотношением кислых и основных радикалов. У большей части белков цитоплазмы рI меньше 7, т.е. эти белки кислые; у ядерных белков больше 7, т.е. они основные.

Наличие заряда используется для разделения белков с помощью электрофореза –  движения белков в электрическом  поле. Наличие заряда обусловливает  устойчивость в растворе. В изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы  и выпадают в осадок.

 

II. Коллоидные свойства.

Растворы белков чаще всего достаточно устойчивы. Хорошая  растворимость приближает растворы белков к истинным растворам, но высокая  молекулярная масса придает им свойства коллоидных систем:

1. способность  рассеивать свет (опалисценция). Наблюдается помутнение при боковом освещении - эффект Тиндаля [рис. рассеивающегося луча]. Используется в световой микроскопии (нефелометрии);

2. малая скорость  диффузии;

3. высокая вязкость  растворов белков;

4. неспособность  белков проникать через полупроницаемые мембраны (явление осмоса). На этом основан диализ – очищение белков;

5. способность белковых  растворов образовывать гель. Наиболее  выражено у фибриллярных белков.

 

III. Гидрофильные свойства.

Белки хорошо связываются  водой, обусловлено наличием полярных гидрофильных групп. Вода может проникать в белок и связываться с его гидрофильными группами, вызывая его набухание. Также возможно образование гидратной оболочки. 100г белка связывают 30-35г воды.

 

IV. Растворимость белков.

Чем больше полярных групп содержит белок, тем больше он растворим. Глобулярные белки растворяются лучше. Растворимость белков зависит от 2-х факторов:

- наличия заряда;

- образования  гидратной оболочки.

Чтобы осадить  белок, необходимо ликвидировать эти 2 фактора. Осаждение белков с помощью нейтральных солей называется высаливание – обратимое осаждение. После удаления высаливающегося фактора белок сохраняет все свои свойства.

 

V. Денатурация.

Под действием  внешних факторов нарушается высшие уровни (вторичный, третичный, четвертичный) структурной организации белков с сохранением первичной структуры. При этом белок теряет свои нативные свойства. При денатурации разрываются связи, удерживающие высшие структурные организации. Денатурацию вызывают физические и химические факторы: давление, температура, механическое воздействие, ультразвук, ионизирующее излучение, кислоты, щёлочи, органические растворители, соли тяжёлых металлов. При кратковременном воздействии денатурирующих факторов возможна ренатурация.

 

 

Классификация белков

В настоящее время насчитывается ~5 млн. белков. Их пытались классифицировать по физико-химическим свойствам, например по растворимости, плотности, форме молекул (глобулярные и фибриллярные), локализации и происхождению, АК-составу, биологической роли. Однако все эти классификации не соответствуют тем знаниям о белках, которые известны на сегодняшний день.

В основе классификации  лежит химический состав белка. По этому  признаку все белки делят на простые и сложные.

Простые белки – это белки, образованные только полипептидными цепями, состоящие только из АК-ных остатков.

Сложные белки имеют две части: белковая или пептидная построена из АК-ных остатков, и небелковая (простетическая) часть.

К простым белкам относят: гистоны, протамины, альбумины, глобулины, глютелины, проламины и протеноиды (склеропротеины).

К сложным белкам относят: хромопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины, углевод-белковые и  липид-белковые комплексы.

Связь белковой части с небелковой может быть ковалентной, ионной и др.

Характеристика простых  белков

В основе классификации (создана в 1908г.) лежит растворимость белков. По этому признаку выделяют:

I. гистоны и протамины, растворимые в солевых растворах. Они относятся к низкомолекулярным белкам (M<5 000 дальтон, Да). В своем составе эти белки содержат большое количество диаминомонокарбоновых кислот (аргинина и лизина). В водной среде они имеют «+» заряд, изоэлектрическая точка (ИЭТ) лежит в области pH 9-12 (щелочная среда).

Основные  функции протаминов и гистонов:

1. структурная,  т.е. они поддерживают пространственную организацию ДНК и входят в состав ДНП.

2. регуляторная - гистоны регулируют процесс  транскрипции.

Протамины имеют  меньшую молекулярную массу, чем  гистоны; они содержат больше аргинина (до 85%). Происхождение протаминов: сальмин  выделен из молок лососевых рыб, скумбрин – скумбрии.

 

II. Альбумины и глобулины. Это наиболее важные белки плазмы крови (составляют 60%). Содержание альбумина 35-50 г/л, глобулина 20-30 г/л. По форме молекулы это глобулярные белки.

Альбумины растворимы как в воде, так и в солевых растворах, имеют M 40-70 кД (килодальтон, т.е. тысяч дальтон). Особенностью АК-состава является повышенное содержание глутаминовой, аспарагиновой кислот, следовательно в водном растворе эти белки имеют «-» заряд. ИЭТ лежит в пределах pH 4,7 в кислой среде.

В организме  альбумины выполняют следующие  функции:

1. транспортная  – переносят метаболиты, лекарственные  вещества, ВЖК (высшие жирные к-ты), холестерины, гормоны, желчные  пигменты, ионы Ca²⁺ и др.

2. поддержание  онкотического давления, т.к. осмотическое давление крови на ~75-80% обеспечивается за счет альбуминов.

Глобулины плохо растворимы в воде, но хорошо в солевых растворах. Имеют большую M до 150 кД. Проявляют либо слабовыраженные кислотные, либо нейтральные свойства. ИЭТ лежит в пределах pH 6-7,3.

В норме содержание альбуминов и глобулинов лежит в определенной пропорции – альбумино-глобулиновый или белковый коэффициент: К=А/Г»1,5-2,3. Определение АГК имеет диагностическое значение, т.к. при патологиях оно меняется. Например, при инфекционных заболеваниях увеличивается содержание глобулина, АГК уменьшается; при патологии почек нарушается их фильтрационная способность, количество альбуминов уменьшается, следовательно, АГК также падает. Чтобы определить белковый коэффициент необходимо отнести содержание альбумина к содержанию глобулина.

Методы разделения (фракционирования) белков

1. Высаливание – разделение на основе различной растворимости альбуминов и глобулинов. Осаждение белков обычно производят сульфатом аммония (NH₄)₂SO₄. В насыщенном растворе этого реактива осаждаются альбумины, а в полунасыщенном – глобулины.

2. Электрофорез – разделение белков при движении в электрическом поле за счет разности их заряда.

Основные белки сыворотки  крови делятся на несколько фракций. Быстрее всех движутся к аноду альбумины – это гомогенная фракция. Глобулины делятся на 4 фракции: a₁, a₂, b, g [рис. альбуминов и 4-х глобулинов и как они движутся к аноду].

В крови определяется общий белок. Нормальное общее содержание белка, но изменено соотношение его  фракций – диспротенемия. При инфекционных заболеваниях увеличивается содержание gg-глобулиновой фракции. При заболеваниях почек снижается содержание альбуминовой фракции, но увеличивается содержание aa₂ и bb глобулинов. Также наблюдается парапротеинемия – появление патологических белков, например при некоторых онкологических заболеваниях.

 

III. Проламины и глютелины. Это основные растительные белки. Они не растворяются ни в водных растворах, ни в свободном этаноле, но растворяются в 65% растворе этанола. По АК-составу присутствует глутамин (до 25%), пролин (до 15%). В кукурузе содержится зеин, в ячмене – гордеин, в пшенице – глиадин.

 

IV. Протеиноиды (склеропротеины). Они не растворяются ни в воде, ни в солевых растворах. Это фибриллярные белки опорных тканей. Входят в состав сухожилий, костной, хрящевой тканей и др. К ним относятся: кератины – белки волос, ногтей; коллагены – белки соединительной ткани; эластины – белки, входящие в состав связок. Особенностью АК-состава является повышенное содержание аланина, глицина, пролина. Имеется оксипролин. Эти белки составляют 25-33% от всех белков в организме.