Что такое гидролиз в биохимии
Проблема гидролиза белков и ее практическая реализация с давних пор привлекают внимание исследователей. На основе гидролиза белков получают различные препараты, широко применяемые в практике: как кровезаменители и для парентерального питания в медицине; для компенсации белкового дефицита, повышения резистентности и улучшения развития молодняка животных в ветеринарии; как источник аминокислот и пептидов для бактериальных и культуральных питательных сред в биотехнологии; в пищевой промышленности, парфюмерии. Качество и свойства белковых гидролизатов, предназначенных для различного применения, обусловлены исходным сырьем, способом гидролиза и последующей обработкой полученного продукта.
Варьирование способов получения белковых гидролизатов позволяет получать продукты с заданными свойствами. В зависимости от содержания аминокислот и наличия полипептидов в диапазоне соответствующей молекулярной массы может быть определена область наиболее эффективного использования гидролизатов. К белковым гидролизатам, получаемым для различных целей, предъявляются разные требования, зависящие в первую очередь от состава гидролизата. Так, в медицине желательно применение гидролизатов, содержащих 15. 20% свободных аминокислот; в ветеринарной практике для повышения естественной резистентности молодняка преимущественным является содержание в гидролизатах пептидов (70. 80%); для пищевых целей важными являются органолептические свойства получаемых продуктов. Но основным требованием при использовании белковых гидролизатов в различных областях является сбалансированность по аминокислотному составу.
При кислотном гидролизе достигается большая глубина расщепления белка и исключается возможность бактериального загрязнения гидролизата. Это особенно важно в медицине, где гидролизаты применяются, в основном, парентерально и необходимо исключить анафилактогенность, пирогенность и другие нежелательные последствия. В медицинской практике широко применяются кислотные гидролизаты: аминокровин, гидролизин Л-103, ЦОЛИПК, инфузамин, геммос и другие.
Недостатком кислотного гидролиза является полное разрушение триптофана, частичное оксиаминокислот (серина и треонина), дезаминирование амидных связей аспарагина и глутамина с образованием аммиачного азота, разрушение витаминов, а также образование гуминовых веществ, отделение которых затруднительно. Кроме того, при нейтрализации кислотных гидролизатов образуется большое количество солей: хлоридов или сульфатов. Последние являются особенно токсичными для организма. Поэтому кислотные гидролизаты нуждаются в последующей очистке, для чего в производстве обычно используется ионообменная хроматография.
Во избежание разрушения лабильных аминокислот в процессе получения кислотных гидролизатов, некоторые исследователи использовали мягкие режимы гидролиза в атмосфере инертного газа, а также добавляли к реакционной смеси антиоксиданты, тиоспирты или производные индола. Кислотный и щелочной гидролиз имеют, кроме указанных, еще существенные ограничения, связанные с реактивностью среды, что приводит к быстрой коррозии оборудования и вызывает необходимость соблюдения жестких требований техники безопасности для операторов. Таким образом, технология кислотного гидролиза достаточно трудоемка и требует использования сложной аппаратуры (ионообменные колонки, ультрамембраны и т.п.) и дополнительных этапов очистки получаемых препаратов.
Проведены исследования по разработке электрохимической ферментативной технологии получения гидролизатов. Использование этой технологии позволяет исключить из процесса применение кислот и щелочей, т. к. рН среды обеспечивается в результате электролиза обрабатываемой среды, содержащей незначительное количество соли. Это, в свою очередь, позволяет автоматизировать процесс и обеспечить более тонкий и оперативный контроль технологических параметров.
Таким образом, по сравнению с химическими технологиями ферментативный способ получения гидролизатов обладает существенными достоинствами, главными из которых являются: доступность и простота проведения, незначительная энергозатратность и экологическая безопасность.
ГИДРОЛИЗ
Гидролиз (греч. hydor вода + lysis разложение) — разложение веществ, проходящее с обязательным участием воды и протекающее по схеме: AB + H—OH → АН + ВОН.
Реакции Гидролиза подвергаются самые различные вещества.
Процессы ферментативного Гидролиза играют важнейшую роль в пищеварении (см.) и тканевом обмене веществ всех живых организмов. Высокомолекулярные вещества, гидролизуясь до низкомолекулярных продуктов (аминокислоты, глюкоза и т. п.), всасываются из кишечника, переносятся в различные ткани, где подвергаются дальнейшим превращениям.
Наибольшее практическое значение имеют: Г. солей, при к-ром соль обратимо распадается на соответствующую к-ту и основание; Г. органических полимеров (белков, полисахаридов и т. п.), обычно идущий в присутствии биол, катализатора; Г. жиров и других веществ, являющихся по своей природе эфирами, обычно проводящийся в щелочной среде и называемый омылением (см.).
Гидролиз биологически важных веществ (белки, полисахариды, нуклеиновые к-ты, жиры, фосфорные эфиры и др.) может протекать только в присутствии специфических биол, катализаторов-ферментов, объединяемых под общим названием гидролаз (см.), или при нагревании с к-тами и щелочами, неспецифически катализирующими Г.
Реакции Гидролиза широко применяются в промышленности и в лабораторной практике для получения аминокислот, простых сахаров и ряда других продуктов из природных высокомолекулярных полимеров (белков, клетчатки).
Библиография: Збарский Б. И., Иванов И. И. и Мардашев G. Р. Биологическая химия, М., 1972; Фичини Ж., Ламброзо-Бадер Н. и Денезе Ж.-К. Основы физической химии, пер. с франц., М., 1972, библиогр.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГИДРОЛИЗА В ПРОЦЕССАХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА
Гидролиз (греч. hydor «вода» + lysis «разложение») — сольволиз водой. Это химическая реакция взаимодействия вещества с водой, при которой происходит разложение этого вещества и воды с образованием новых соединений. [4] Разложение веществ протекает по схеме:
Гидролиз происходит в присутствии катализатора. Реакции гидролиза подвергаются самые различные вещества. При пищеварении ферменты катализируют гидролиз углеводов, белков и жиров, и образуются молекулы, которые легко усваиваются организмом. Живые организмы осуществляют гидролиз различных органических веществ в ходе реакций катаболизма при участии ферментов. В ходе гидролиза при участии пищеварительных ферментов белки расщепляются на аминокислоты, жиры — на глицерин и жирные кислоты, полисахариды (крахмал и целлюлоза) — на моносахариды (на глюкозу), нуклеиновые кислоты — на свободные нуклеотиды. Гидролизу подвержены химические соединения различных классов (соли, углеводы, белки, эфиры, жиры и др.). Гидролиз важен для процессов, происходящих в живых организмах, например, регулирования концентрации водородных ионов, ферментативного гидролиза макромолекул.
Рассмотрим основные реакции гидролиза, протекающие в организме.
Белковые вещества составляют огромный класс органических, то есть углеродистых, а именно углеродисто азотистых соединений, встречаемых в каждом организме. Без белков или их составных частей – аминокислот – не может быть обеспечено воспроизводство основных структурных элементов органов и тканей, а также образование ряда важнейших веществ (например, ферментов и гормонов). Белки пищи прежде, чем быть использованы для построения тканей тела, предварительно расщепляются. Организмом используется для питания не сам пищевой белок, а его структурные элементы – аминокислоты и, может быть, частично простейшие пептиды, из которых затем в клетках синтезируются специфические для данного вида организма белковые вещества.
Каждый вид организма, каждый орган и каждая ткань содержат свои характерные белки, и при усвоении чужеродных белков пищи организм прежде всего лишает их видовой специфичности. Перед тем, как быть усвоенными белки должны быть разложены на индифферентный материал. Разложение белковых веществ на более простые, способные всасываться в кровь через стенки кишечника, осуществляется в пищеварительных органов человека и животных путем последовательного гидролиза под действием ряда ферментов. В полости рта белки никаким изменениям не подвергаются, так как в состав слюны необходимые для этого протеолитические ферменты не входят. Переваривание белков начинается в желудке.
В желудочно-кишечном тракте пищевые белки распадаются на аминокислоты при участи пищеварительных протеолитических ферментов – пептидогидролаз. Эта группа ферментов различающихся по субстратной специфичности: каждый из этих ферментов предпочтительно (т.е. с наибольшей скоростью) гидролизует пептидные связи (рис.1), образованные определёнными аминокислотами.
В результате совместного действия всех пищеварительных пептидогидролаз белки пищи полностью распадаются на аминокислоты. Таким путём организм получает мономеры для синтеза собственных белков.
Переваривание белков завершается в верхнем отделе тонкого кишечника под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника. После каталитического образования в проферментах активного центра и отщепления части молекул, эти белки превращаются соответственно в ферменты: Трипсин, Химотрипсин, Карбопептидазы А и В и Эластазу.
Трипсин, Химотрипсин и Эластаза – эндопептидазы – гидролизуют связи, лежащие ближе к середине полипептидной цепи. Продуктами их действия являются, в основном, пептиды, но образуется и ряд аминокислот.
Карбопептидазы – экзопептидазы. Они гидролизуют пептидную связь, образованную концевым аминокислотным остатком. Карбопептидаза А отщепляет преимущественно концевые аминокислоты с гидрофобным радикалом, а карбоксипептидаза В – остатки лизина и аргинина.
Последний этап переваривания происходит при участии ферментов, синтезируемых клетками кишечника – аминопептидаз и дипептидаз. Первые отщепляют концевые аминокислоты от пептидов, вторые гидролизуют дипептиды.
Таким образом, переваривание пищевых белков – суть, последовательность реакций гидролиза, катализирующегося рядом ферментов.
Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры при действии гликозид – ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей (рис.2) в полисахаридах.
Переваривание начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент амилаза (α
1,4 – гликозидаза), расщепляющая α
1,4 гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости пребывает недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично. Основным же местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает амилаза в составе сока поджелудочной железы. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах, поэтому основным продуктом действия кишечной амилазы является дисахарид мальтоза.
Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала соединены 1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Кроме того, с пищей в организм поступают дисахариды сахароза и лактоза (рис.3),
которые гидролизуются специфическими гликозидазами – мальтозой, изомальтозой (рис.4), лактозой и сахарозой соответственно.
Продукты полного гидролиза углеводов – глюкоза, галактоза и фруктоза – через клетки кишечника поступают в кровь.
В двенадцатиперстную кишку поступает желчь и сок поджелудочной железы, необходимые для переваривания жиров. В соке поджелудочной железы содержится фермент липаза, катализирующий гидролиз сложноэфирной связи в триацилглицеринах. Поскольку жиры нерастворимы в водных средах, а липаза нерастворима в жирах, гидролиз происходит лишь на поверхности раздела этих фаз и, следовательно, скорость переваривания зависит от площади этой поверхности.
Под действием липазы идёт гидролиз жиров, в ходе которого жирные кислоты отщепляются от триацилглицерина одна за другой, сначала от α-углеродных атомов, потом – от β-углеродного атома (рис. 6)
Образующиеся в процессе переваривания пищи вещества-мономеры, вступают в ряд реакций. Во многих из них они окисляются, и энергия, выделяющаяся при этом окислении, используется для синтеза АТФ из АДФ – основного процесса аккумулирования энергии в живых организмах. Эта энергия необходима для роста и нормального функционирования организма.
Гидролиз одних фосфатов приводит к высвобождению несколько большей энергии, чем гидролиз АТФ, других – меньшей.
Рассмотренные примеры доказывают огромную роль гидролиза в процессах жизнедеятельности организма. На нём основываются процессы питания и выделения, поддержания гомеостаза (постоянства среды) и перераспределения энергии. Без этого процесса не было бы возможным усвоение пищевых продуктов, так как высасываться в кишечнике способны только относительно небольшие молекулы. Образующиеся в процессе переваривания пищи вещества-мономеры, вступают в ряд реакций. Во многих из них они окисляются, и энергия, выделяющаяся при этом окислении, используется для синтеза АТФ из АДФ – основного процесса аккумулирования энергии в живых организмах. Эта энергия необходима для роста и нормального функционирования организма. Человек получает её как за счёт многостадийного процесса окисления пищи – белков, жиров и углеводов, так и за счёт гидролиза некоторых сложных эфиров, амидов, пептидов и гликозидов. Гидролиз – также основа синтеза мочевины.
Биохимии в практической деятельности врача
Физико-химические свойства белков, их роль в жизнедеятельности организмов. Гидролиз белков, его промежуточные и конечные продукты. Хроматографическое разделение аминокислот. Схема гидролиза нуклеопротеинов и методы, применяемые при изучении их строения.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.09.2017 |
| Размер файла | 236,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Тема: Введение в предмет. Физико-химические свойства белков.
Особая роль в жизнедеятельности живых организмов принадлежит белкам. От родителей детям передается генетическая информация о специфической структуре и функциях всех белков данного организма. Синтезированные белки выполняют многообразные функции: ускоряют химические реакции, выполняют транспортную, структурную, защитную функции, участвуют в передаче сигналов от одних клеток другим и таким образом реализуют наследственную информацию.
Учебные и воспитательные цели:
— Общая цель занятия:
1. Привить знания о строении и биологической роли белков и умение применять их в практической медицине.
2. Научить использовать знания о физико-химических свойствах белков для определения наличия белка в биологических жидкостях.
— Частные цели занятия:
1. Уметь определять наличие белка в биологических жидкостях.
2. Овладеть методиками проведения высаливания и денатурации белков.
2. Основные вопросы темы:
2.1 Что такое биохимия, цели и задачи, стоящие перед ней. Место биохимии среди других наук
Значение биохимии в практической деятельности врача.
Главной целью биологической химии является формирование системных знаний о закономерностях и химическом строении основных веществ организма и молекулярных основах биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма в норме и патологии.
Исторически сложились три этапа развития биохимии. Статическая биохимия изучает состав, структуру и свойства выделяемых биологических соединений.
Главная задача биохимии состоит в том, чтобы достичь полного понимания на молекулярном уровне природы химических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток. Для её решения необходимо выделить из клеток многочисленные соединения, определить их структуру и установить их функции. (В качестве примера можно указать на многочисленные исследования, направленные на выяснение основ мышечного сокращения и ряда сходных процессов.) В итоге удалось выяснить ряд аспектов молекулярных основ мышечного сокращения.
Динамическая биохимия исследует превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности.
Функциональный этап связан с изучением связи химических процессов с физиологическими функциями.
2.2 Методы исследований, применяемые в медицине
Между биохимией и медициной имеется широкая двусторонняя связь. Благодаря биохимическим исследованиям удалось ответить на многие вопросы, связанные с развитием заболеваний, а изучение причин и хода развития некоторых заболеваний привело к созданию новых областей биохимии.
Примерная последовательность при выделении из биологического материала такова:
4. Анализ (реэкстракция, термообработка, диализ, седиментация, электрофорез, изоэлектрическое фокусирование в градиенте рН, хроматография).
С различными отдельными методами исследования мы будем более подробно знакомиться по мере изучения определённых тем.
2.4 Физико-химические свойства белков: молекулярная масса, изоэлектрическая точка, растворимость, осаждаемость
Аминокислотный состав и пространственная организация каждого белка в отдельности различны. Они обладают амфотерными, буферными, коллоидными и осмотическими свойствами.
Молекулярная масса белков колеблется от 6000(нижний предел) до 1000000 и выше в зависимости от количества полипептидных цепей в составе единой молекулярной структуры белка.
Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5,5 до 7,0. В изоэлектрической точке суммарный заряд белков равен нулю и белки не перемещаются в электрическом поле, наименее устойчивы в растворе и легко выпадают в осадок.
Стабильность растворам белков придают заряд белковой молекулы и гидратная оболочка. Между зарядом белка и гидратацией существует тесная связь: чем больше полярных аминокислот в белке, тем больше связывается воды. Некоторые белки гидратируются сильнее, а растворяются хуже. Например, коллаген связывает воды больше, чем многие хорошо растворимые глобулярные белки, но не растворим в воде.
2.5 Понятие о высаливании, высаливающие факторы, механизм, обратимость, применение в медицине
Процесс осаждения белков нейтральными солями (высокие концентрации солей щелочных и щелочноземельных металлов) называется высаливанием. Механизм состоит в том, что добавляемые анионы и катионы солевого раствора снимают гидратную оболочку белков и заряд, являющие факторами устойчивости.
Характерной особенностью белков, полученных высаливанием, является сохранение ими нативных биологических свойств после удаления соли. Высаливание белков является обратимой реакцией, так как осадок белка может вновь раствориться после уменьшения концентрации солей путем диализа или разведением водой.
Высаливание широко используется для разделения и очистки белков в научно-исследовательской работе и медицинской практике.
2.6 Понятие о денатурации, факторы, вызывающие денатурацию, механизм, обратимость, применение реакций осаждения белка для его обнаружения в биологических жидкостях
Разрушение структуры белка и потеря им своих нативных свойств (биологических, физико-химических) называется денатурацией. Осажденный денатурированный белок, в отличие от белка, осажденного путём высаливания, утрачивает свои нативные свойства. Денатурирующие факторы делятся на:
1) физические (температура, радиация, ультрафиолетовое излучение)
2) механические (вибрация и т.д.)
3) химические (концентрированные кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов и т.д.)
При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна ренатурация белка с полным восстановлением исходной трехмерной структуры и нативных свойств его молекулы.
Денатурация используется для определения белка в моче при заболеваниях почек (пиелонефрите), мочевого пузыря (цистите), предстательной железы (простатите), а также при отравлении солями тяжелых металлов.
2.7 Аминокислоты — структурные компоненты белков
Установлено, что при гидролизе чистого белка, не содержащего примесей, освобождается 20 различных б- аминокислот. б- Аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один водородный атом, у б- углерода, замещен на аминогруппу (-NH2), например:
2.8 Цветные реакции на белки и аминокислоты
3. Задание к занятию №2.
Тема: Строение простых белков.
Особая роль в жизнедеятельности живых организмов принадлежит белкам. От родителей детям передается генетическая информация о специфической структуре и функциях всех белков данного организма. Синтезированные белки выполняют многообразные функции: ускоряют химические реакции, выполняют транспортную, структурную, защитную функции, участвуют в передаче сигналов от одних клеток другим и таким образом реализуют наследственную информацию.
Учебные и воспитательные цели:
— Общая цель занятия: привить знания о структурной организации белковой молекулы.
— Частные цели занятия: иметь представления о проведении кислотного гидролиза белков и хроматографическом разделении аминокислот на бумаге.
4.1 Гидролиз белков, промежуточные и конечные продукты гидролиза, условия проведения, недостатки отдельных видов гидролиза
4.2 Хроматографическое разделение аминокислот. Виды хроматографии, их значение
В зависимости от природы адсорбента и механизма разделения веществ хроматографию подразделяют на несколько видов: адсорбционная, распределительная; ионообменная, осадочная, диффузионная. Различают хроматографические методы анализа и по технике выполнения их: колоночная и плоскостная (на бумаге или в тонком слое). В зависимости от агрегатного состояния фаз хроматографию подразделяют на газовую, жидкостную и газожидкостную. Различают виды хроматографии и по направлению движения растворителя (подвижной фазы): восходящая, нисходящая, одномерная, двухмерная и радиальная.
Довольно точным и доступным является метод распределительной хроматографии на бумаге (модификация адсорбционной хроматографии). При этом методе в качестве адсорбента используют специальную фильтровальную бумагу. Хроматографию проводят в закрытой камере, чтобы избежать испарения растворителя. Разделение смеси аминокислот методом распределительной хроматографии на бумаге используют для определения аминокислотного состава белка, для качественного и количественного определения аминокислот в биологических жидкостях и тканях. Этот метод позволяет выделить отдельные вещества из небольшого количества сложной смеси.
Зависимость биологических свойств белка от особенностей строения белковой молекулы. Химические связи, участвующие в формированиии поддержании уровней структурной организации белка (пептидная, водородная, дисульфидная и др.)
Белки имеют 4 уровня структурной организации.
б-спираль имеет винтовую симметрию:
а) ход спирали стабилизируется водородными связями между пептидными группами каждого 1-го и 4-го остатка аминокислот.
б) регулярность витков спирали.
в) равнозначность всех аминокислотных остатков независимо от строения их боковых радикалов.
г) боковые радикалы не участвуют в образовании б-спирали.
Очень много в б-спирали цистеина. Благодаря своей SH-группе он может образовать дисульфидные связи между витками спирали.
Другой тип вторичной структуры называется в-структурой. Этот вид обнаружен в белках волос, мышц, ногтей и других фибриллярных белках. Состав таких полипептидных цепей имеет складчатую структуру. Её стабилизируют водородные связи между пептидными группировками отдельных участков цепи, чаще двух или нескольких полипептидных цепей, расположенных параллельно. В в-складчатых слоях отсутствуют S-S-связи (в этих участках нет цистеина). Боковые радикалы выступают наружу по обе стороны складчатого слоя.
в-структура образуется только при наличии в составе цепей определенных аминокислот, в частности, аланина и глицина. В молекулах многих нативных белков одновременно присутствует б-спиральные участки и в-складчатые слои.
Стабилизируют эту структуру 4 типа внутримолекулярных связей:
4- гидрофобные ван-дер-ваальсовые взаимодействия между неполярными боковыми радикалами аминокислот.
По форме третичной структуры белки делят на глобулярные (ферменты, транспортные белки, антитела, гормоны) и фибриллярные (структурные) (кератин волос, ногтей; коллаген соединительной ткани, эластин связок; миозин и актин мышечной ткани).
Третичная структура определяет нативные свойства белка.
При приобретённых протеинопатиях первичная структура не нарушена, а изменяется количество белка, его распределение в тканях или нарушается функция белка в связи с изменением условий в клетке (нарушение синтеза внутреннего фактора Касла).
4.6 Белки классифицируются на простые и сложные
Простые белки построены из остатков аминокислот и при гидролизе распадаются соответственно только на свободные аминокислоты.
К простым белкам относят гистоны, протамины, альбумины, глобулины.
Альбумины и глобулины относятся к белкам, широко распространенным в органах и тканях животных.
Протамины значительно отличаются аминокислотным составом и структурой, обладают резко выраженными основными свойствами из-за большого (80%) содержания аргинина. Их молекулярная масса не превышает 5000. Они, как и гистоны, поликатионные белки и связываются с ДНК в хроматине спермиев.
Тема: Строение и биологическая роль сложных белков.
Учебные и воспитательные цели:
Общая цель: привить знания о строении и биологической роли нуклеопротеинов и умение применять их в практической медицине.
Частные цели: овладеть методом кислотного гидролиза нуклеопротеинов и уметь определять продукты их гидролиза; овладеть биуретовым методом определения общего белка в сыворотке крови.
6. Основные вопросы темы
6.1 Нуклеопротеины. Схема гидролиза нуклеопротеинов
Схему гидролиза нуклеопротеинов можно представить следующим образом:
6.2 Нуклеиновые кислоты, биологическая роль
6.3 Химическое строение нуклеотидов
6.4 Структуры нуклеиновых кислот
Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется 3′,5′-фосфодиэфирными связями.
1) молярная масса пуринов равна молярной массе пиримидинов
2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:
3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.
Менее охарактеризована вторичная структура матричных и рибосомных РНК. Относительно вторичной структуры тРНК наиболее вероятной представляется модель, предложенная Р. Холли, плоское изображение которой напоминает клеверный лист. Во всех тРНК есть участки, взаимодействующие с рибосомами, места для связывания с аминокислотами и ферментами, а также специфическая последовательность трех нуклеотидов (триплет), называемая антикодоном, которая оказывается комплементарной тринуклеотидной последовательности мРНК (кодону), кодирующей включение в белковую молекулу определенной аминокислоты.
Третичная структура нуклеиновых кислот.
Исследования молекул ДНК при помощи физических (в частности, кристаллографических) и физико-химических методов показали, что двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы. Оказалось также, что линейная ДНК может образоваться из кольцевой формы или существовать как таковая в природе. Образование кольцевой формы молекулы ДНК у бактерий или в митохондриях клеток животных часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Известно, что суперспиральная (суперскрученная) структура обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме: вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой форме, в хромосоме человека молекула ДНК настолько плотно упакована, что ее длина составляет 5 нм. Обычно в ДНК встречаются положительные и отрицательные супервитки, образованные за счет скручивания по часовой (правосторонней) или против часовой стрелки двойной спирали. Образование подобных супервитков катализируется специфическими ферментами, получившими название топоизомераз. Подобные суперспирали соединяются с белками (гистонами), упакованными в бороздках, обеспечивая тем самым стабильность третичной структуры ДНК.
Данные о структуре тРНК свидетельствуют о том, что нативные молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, которая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большой компактностью за счет складывания различных частей молекулы. Третичная структура РНК в растворе в зависимости от ионной силы, температуры и рН среды может быть представлена компактной палочкой, компактным клубком; развернутой цепью.
В настоящее время получены доказательства значимости ван-дер-ваальсовых (диполь-дипольных и лондоновских) связей между азотистыми основаниями в стабилизации общей пространственной конфигурации нуклеиновых кислот.
белок гидролиз аминокислота нуклеопротеин
6.5 Методы, применяемые при изучении строения нуклеопротеинов
При изучении химического состава и строения нуклеиновых кислот перед исследователем всегда стоит задача выделения их из биологических объектов.
7. Лабораторно-практическая работа
7.2 Определение белка в сыворотке крови биуретовым методом
Принцип метода. Метод основан на образовании окрашенных комплексных соединений меди при взаимодействии пептидных группировок молекул белков с биуретовым реактивом.
Рабочий биуретовый реактив
Пробу перемешивают и оставляют при комнатной температуре на 30 минут. По истечении времени измеряют оптическую плотность опытной пробы на фотоэлектрокалориметре при длине волны 540 нм.
Расчет концентрации белка производится по следующей формуле:
С= Еоп/ Ек х 80 г/л; Ек= 0,40
Задание к занятию №4.
Тема: Строение и биологическая роль сложных белков.
Учебные и воспитательные цели:
Общая цель занятия: привить знания о строении и биологической роли гемопротеинов, гликопротеинов, фосфопротеинов и др.
Частные цели: уметь проводить гидролиз муцина, казеина; овладеть методом определения сиаловых кислот в сыворотке крови.
9. Основные вопросы темы
9.1 Классификация сложных белков
Сложные белки содержат два компонента: белковую и небелковую части, называемые простетической группой. В зависимости от характера этой группы различают: хромопротеины, нуклеопротеины, металлопротеины, фосфопротеины, гликопротеины, липопротеины.
9.2 Хромопротеины. Гемопротеины, химическое строение гемоглобина, миоглобина. Аномальные гемоглобины
Хромопротеины. Их подклассом являются гемопротеины, к которым относятся гемоглобин (Нb), миоглобин, цитохромы, каталаза.
Образование карбгемоглобина используется для выведения СО2 из тканей к легким. Этим путем выводится 10-15% СО2.
Гемоглобины могут различаться по белковой части, в связи с этим существуют физиологические и аномальные типы Нb.
Физиологические типы гемоглобинов отличаются друг от друга набором полипептидных цепей. Различают гемоглобины взрослых Нb А1 (96%), Нb А2 (2-3%), состоящий из 4 субъединиц: двух б-цепей и двух д-цепей. Известен, кроме того, фетальный гемоглобин (гемоглобин новорожденных), обозначаемый HbF и состоящий из двух б-цепей и двух г-цепей (1-2%). Нb А2 и Нb F обладают большим сродством к кислороду, чем Нb А1.
Общая группа заболеваний, связанная с Нb, носит название гемоглобинозов. Различают среди них гемоглобинопатии, например серповидноклеточная анемия, когда происходит замена при синтезе в-цепи в 6-ом положение глутаминовой кислоты на валин в в-цепях молекулы гемоглобина S. Эритроциты приобретает форму серпа, понижается сродство к О2. Болезнь протекает остро, и дети, гомозиготные по мутатному гену, часто умирают в детском возрасте.
Миоглобин имеет третичную структуру и представляет собой одну цепь Нb (153 аминокислоты). В отличие от Нb он в 5 раз быстрее связывает О2. Кривая насыщения имеет вид гиперболы. В этом кроется большой биологический смысл, поскольку миоглобин находится в глубине мышечной ткани (где низкое парциальное давление О2). Связывая О2, миоглобин создает кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку О2.
9.3 Гликозилированный гемоглобин. Гликозилированные белки
Гликозилирование гемоглобина идет в 2 этапа:
1. Глюкоза неферментативно соединяется своей карбонильной группой с N-концевым остатком бета-цепей валина. Эта стадия обратима.
2. Гликозилированный гемоглобин подвергается переустройству с образованием кетоамина. Эта стадия необратимая.
Известно, что эритроциты больных сахарным диабетом содержат процент минорного компонента Нb, так называемый гликозилированный Нb (Нb А1с).
Поражение сердечно-сосудистой системы является клиническим проявлением сахарного диабета. Микроангиопатия является причиной инвалидности и смерти больных. В возникновении микроангиопатий определенную роль играет гликозилирование белков, что приводит к возникновению нефро- и ретинопатии (катаракта, нарушение функции почек)
Коллаген составляет основу базальных мембран капилляров. Повышенное содержание гликозилированного коллагена ведет к уменьшению его эластичности, растворимости, к преждевременному старению, развитию контрактур. В почках такие изменения приводят к запустению клубочков и хронической почечной недостаточности.
Гликозилированные липопротеины, накапливаясь в сосудистой стенке, приводят к развитию гиперхолестеринемии и липидной инфильтрации. Они служат основой атером, происходит нарушение сосудистого тонуса, что приводит к атеросклерозу.
9.4 Гликопротеины. Химическое строение, биологическая роль
Гликопротеины классифицируются на истинные и протеогликаны. Моносахариды, связанные с конкретным белком, могут быть разными: это может быть глюкоза, фруктоза, манноза, глюкозамин, галактозамин, фруктозамин, сиаловая кислота и др. Те или иные моносахариды, связанные с белком, изменяют биохимические и иммунологические свойства белка, его пространственную конфигурацию и др. Важным частным случаем является связывание белков с сиаловой кислотой, приводящее к формированию сиалогликопротеинов.
Протеогликаны- высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозаминогликанов (гетерополисахаридов) (90-95%), напр. гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты. Они образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани, выполняя «смазочную» функцию, что объясняется их способностью связывать большое количество воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.
Гликопротеины выполняют разнообразные функции:
