Биохимия с основами молекулярной биологии

Литература к курсу биохимии
Основной
1. Основы биохимии / Под ред. А.А. Анисимова. М., 1986.
2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., 1982 – 2002.
3. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М., 2003.
4. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., 1985 – 2000.
5. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. М., 2003.
Дополнительный
1. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., 2002.
2. Ленинджер А. Биохимия. М., 1976, 1985
3. Филиппович Ю.Б. Биохимия белка и нуклеиновых кислот. М, 1976.

Биохимия – это наука о веществах, из которых построены живые организмы и о химических процессах, протекающих в них.
Биохимия – это часть биологии, охватывающая те ее области, которые требуют для изучения процессов жизнедеятельности применения физико-химических и химических подходов, приемов и методов.
Два этапа развития биохимии: СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ.
Статическая или описательная биохимия изучает состав живой материи, структуру и свойства выделяемых биологических соединений.
Динамическая биохимия исследует химические превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности.

Основные задачи биохимии:
исследование взаимосвязи строения веществ и их функций;
изучение превращения химических соединений и преобразования энергии в живом организме;
выявление молекулярных механизмов переноса генетической информации в живых организмах и т.д.

Открытия, подготовившие возникновение биохимии
1748 год – М.В. Ломоносов открыл закон сохранения материи и показал его применимость , как к живой, так и к неживой природе.
В том же веке был открыт кислород (Шееле и Пристли), и доказана необходимость его для дыхания человека и животных (Пристли , Лавуазье).
Был открыт фотосинтез (Пристли, Инген-Хуз, Сенебье).
Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980-1037) труд “Канон врачебной науки”.

История биохимии
В 1828 году немецкий химик Вёлер синтезировал в лаборатории мочевину из циановой кислоты и аммиака. 1828 год можно считать годом основания биохимии как науки.
Фридрих Вёлер
31.VII.1800 - 23.IX.1882
1814 г. российский академик К.С. Кирхгоф обнаружил фермент – амилазу в проросшем зерне.

1880г. – возникает учение о витаминах - начало которому положили работы русского ученого Н.И. Лунина
19 век – открытие аминокислот как составных компонентов белков –
Н.Э. Лясковский и А.Я. Данилевский
В 1869 году открытие ДНК
швейцарским ученым Джоаном Мишером
В 1863 году в России раньше - других европейских государств - было введено преподавание биологической (медицинской) химии.

В 20 веке биохимия достигла подлинного расцвета.
В 1902 году Эмиль Фишер с сотрудниками впервые осуществил искусственный синтез пептидов, разработал пептидную теорию строения белка.
3 мая 1922 г. на заседании Российского ботанического общества доложил существо своей теории происхождения жизни
Опарин А.И., 1894-1980
Академик В.А. Энгельгардт (1894-1984 гг.).
Академик Энгельгардт открыл явление окислительного фосфорилирования –
синтез а АТФ в митохондриях.
В 1953 году Уотсон и Крик открыли вторичную структуру ДНК, что позволило понять способ передачи наследственной информации.
2002 год - создана практически полная генетическая карта человека.

Особенности химического состава живой материи
Общая масса всех живых организмов, населяющих земной шар, 10 13 – 1015 тонн.
В организме человека и животных 76 элементов таблицы Д.И. Менделеева, которые по количественному содержанию делятся на 4 группы:
макробиогенные – O2, C, N2, H2, Ca, P (выше 99%),
олигобиогенные – K, Na, Cl2, S, Mg, Fe (от 0,1% до 1%)
микробиогенные – Zn, Mn, Cо, Cu, F, Br, I (менее 0,01% )
ультрамикробиогенные – остальные – (менее 10-4 – 10-6)

В организме человека содержится свыше 50 000 индивидуальных белков
Ферменты
Регуляторные белки
Рецепторные белки.
Транспортные белки
Структурные белки
Защитные белки
Сократительные белки

Аминокислоты – мономеры белковой молекулы
общая часть
радикал

Пролин – единственная иминокислота, у которой радикал которой связан как с
α-углеродным атомом, так и с аминогруппой

Стереохимия аминокислот

Аминокислоты изолейцин, треонин и 4-гидроксипролин имеют по два хиральных центра

Приняты три классификации аминокислот:
биологическая или физиологическая, т.е. по степени незаменимости для организма. Делят на заменимые, незаменимые (для человека восемь: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан) и полузаменимые – (для человека три: аргинин, тирозин, гистидин).
структурная, т.е. по строению бокового радикала;
электрохимическая – по кислотно-основным свойствам аминокислот;

Алифатические аминокислоты

Гидроксиаминокислоты

Аминокислоты, содержащие дополнительную карбоксильную группу (моноаминодикарбоновые)

Аминокислоты, содержащие дополнительную аминогруппу (диаминомонокарбоновые)

Аминокислоты, содержащие дополнительную группу – CO-NH2

Серосодержащие аминокислоты

Ароматические аминокислоты

Гетероциклические аминокислоты

Декарбоксилирование аминокислот, с образованием биогенных аминов

Дезаминирование аминокислот с образованием кетокислот

Образование амидов аминокислот

Образование дисульфидной связи

Образование пептидной связи

Свойства пептидной связи

Взаимное расположение плоскостей пептидных групп в полипептидной цепи

Вторичная структура белков
α-спираль

Вторичная структура белков
β-складчатый слой

Третичная структура белков
Пространственная структура миоглобина

Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка
1 - ионные связи; 2 - водородные связи; 3 - гидрофобные связи;
4 - дисульфидные связи

Комбинации вторичных
структур часто называют супервторичной или надвторичной структурой
β-сэндвич
β-бочонок
β-изгиб
α-спираль—поворот—α-спираль
Лейциновая застежка-молния

1. α-белки – белки, состоящие главным образом из α-спиралей, которые обычно образуют общее гидрофобное ядро (22%);
2. β-белки состоят в основном из β -цепей, сгруппированных в β -листы, стабилизированные множеством водородных связей. Эти белки обычно имеют несколько слоёв с общим гидрофобным ядром (16%);
3. α / β-белки, которые состоят из перемежающихся α - и β-структур (примерно 15%).
4. α + β-белки, в которых также присутствуют как α -, так и β-структуры, но в отличии от α / β-белков, в этой категории разные вторичные структуры пространственно удалены друг от друга.
По наличию α-спиралей и β-структур глобулярные белки могут быть разделены на четыре категории:

Четвертичная структура белков
Субъединичная структура глутаминсинтетазы.

Различают четыре уровня молекулярной организации белка:
•Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
•Вторичная структура – укладка участков полипептидной цепи в регулярные структуры, α-спирали и b-складчатые структуры (или b-пластинки).
•Третичная структура – укладка полипептидной цепи, включая α -спирали, β-пластинки и неупорядоченные полипептидные петли, в более или менее компактное образование, которое может либо само по себе быть белковой глобулой, либо входить в состав более сложной глобулы в качестве субъединицы.
•Четвертичная структура – белковая глобула, состоящая из нескольких полипептидных цепей. Каждая такая цепь образует в составе глобулы относительно обособленную структуру, называемую субъединицей.

Нативный белок – белок, находящийся в природном состоянии, сохраняющий структуру, присущую ему в живой клетке.
Денатурация белка – потеря нативной конформации за счет разрыва большого количества связей, сопровождающийся утратой специфической функции.
Ренатурация белка – восстановление нативной структуры.
Гидролиз белка связан с разрывом пептидных связей, т.е. приводит к разрушению первичной структуры белка.

Физико-химические свойства белков
Гидрофильность, способность образовывать коллоидные растворы.
Растворы белков имеют низкое осмотическое давление и высокую вязкость.
Способность к светорассеянию (количественное определение белков методом нефелометрии).
Способность к поглощению УФ-лучей при 280 нм (используется для количественного определения белков)
Молекулы белка не способны проникать через полупроницаемые искусственные мембраны, а также биомембраны растительных и животных тканей.
Белки амфотерны благодаря наличию свободных NH2- и СООН-групп. Для них характерны все свойства кислот и оснований.

Методы выделения и очистки белков
дробление биологического материала и разрушение клеточных мембран;
фракционирование органелл, содержащих те или иные белки;
экстракция белков (перевод их в растворённое состояние);
разделение смеси белков на индивидуальные белки.

Методы очистки белков
Грубое фракционирование:
Очистка белков избирательной денатурацией
Высаливание
Осаждение в изоэлектрической точке

Методы тонкого фракционирования: хроматография

Методы тонкого фракционирования:
гель-фильтрация
(гель-проникающая хроматография)

Методы тонкого фракционирования: ионообменная хроматография

Методы тонкого фракционирования:электрофорез

В 1958г. была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина» (Biochem J. 1951 September; 49(4): 463–481 ).
Ф. Сенгер
В 1980г. часть Нобелевской премии по химии «за вклад в установлении основных последовательностей в нуклеиновых кислотах»

Определение аминокислотного состава белков: аминокислотный анализатор. Деградация по Сенгеру
1-фтор-2,4-динитробензол (FDNB)
FDNB- производное аминокислоты
Современный аминокислотный анализатор

•Автоматическая процедура последовательного отщепления и идентификации N-концевых аминокислот в виде их фенилтиогидантоиновых производных (деградация по Эдману)
Следующий подход предложил В.Эдман (1967)

Классификация белков
по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);
по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);
по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);
по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.);
по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.);
по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);
по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);
по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);
по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Классификация белков по форме молекул
глобулярные
соотношение продольной и поперечной осей не превышает 1:10, а чаще составляет 1:3 или 1:4;
хорошо растворимы в воде.
Гемоглобин, миоглобин
фибриллярные.
соотношение продольной и поперечной осей составляет более 1:10;
высокая регулярность структуры;
большинство плохо растворимы в воде.
Коллаген, кератин, фиброин шелка, фибриноген

Классификация белков по функциям
Ферменты.
Регуляторные белки (инсулин, кальмодуллин, ДНК-связывающие белки).
Транспортные белки (альбумин сыворотки крови, гемоглобин).
Структурные белки (коллаген, эластин).
Защитные белки (иммуноглобулины, фибриноген, токсины бактерий).
Сократительные белки (актин, миозин, тубулин).
Рецепторные белки
и др….

Классификация белков по химическому составу
Простые
Состоят только из аминокислот
Сложные
Содержат кроме аминокислот еще небелковые компоненты
Небелковая часть – простетическая группа

Простые белки
Альбумины - глобулярные белки 40-70кДа, растворимы в воде.
Глобулины - нейтральные глобулярные белки св.150кДа, нерастворимы в воде, но растворимы в слабых солевых растворах.
Проламины и глютелины – кислые белки растительного происхождения от 20 до 145кДа, растворимы в 70%-ном этанолее; в составе много аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Протамины и гистоны – оснóвные белки (в составе много аргинина и лизина), М.м. не выше 10кДа. Не содержат триптофана, растворимы в разбавленных кислотах (0,2М HСl ), осаждаются аммиаком и этанолом
Протеиноиды (склеропротеины) - плотноупакованные белки, нерастворимые в воде и большинстве растворителей; в состав входит 12-13 типов аминокислот.

Сложные белки
Гликопротеины (содержат углеводы).
Липопротеины (содержат липиды).
Фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту).
Хромопротеины (содержат окрашенную простетическую группу).
Металлопротеины (содержат ионы различных металлов).
Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

Гликопротеины
Содержат от 1 до 30 % углеводов (моносахариды, их ацетил-амино-производные, дезоксисахариды, нейраминовые и сиаловые кислоты).
большинство белков на внешней поверхности животных клеток (рецепторы);
большая часть синтезируемых клеточных белков (интерфероны);
большая часть белков плазмы крови (кроме альбуминов):
иммуноглобулины;
групповые вещества крови;
фибриноген, протромбин;
гаптоглобин, трансферрин;
церулоплазмин;
мембранные ферменты;
гормоны (гонадотропин, кортикотропин).

Протеогликаны
Содержат до 95% углеводов.
Простетическая группа представлена высокомолекулярными гетерополисахаридами (гиалуроновой и хондроитиновой кислотами, гепарином…).
Основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани (могут составлять до 30% сухой массы ткани).
Компоненты плазматических мембран клеток.
Участвуют в формировании тургора различных тканей и др.

Хромопротеины
(от греч. chroma – краска)
Простетическая группа – окрашенный компонент:
гемопротеины или железопорфирины (простетическая группа – гем, содержащий железо(II)),
магнийпорфирины (простетическая группа – гем, содержащий магний)
флавопротеины (содержат производные изоаллоксазина).

Гемопротеины
эритроциты, заполненные гемоглобином,
мышечные клетки, имеющие миоглобин,
клетки печени из-за высокого содержания в них цитохрома Р450.
дыхание,
транспорт кислорода и диоксида углерода,
окислительно-восстановительные реакции…
Гем гемоглобина

Четветричная структура гемоглобина

Расположение гема и O2 в активном центре миоглобина и протомеров гемоглобина

Магнийпорфирины
Простетическая группа содержит тетрапиррольные кольца и структурно близка гему.
Комплекс с Mg 2+
Участвует в осуществлении фотосинтеза.

Флавопротеины
Простетическая группа – производные изоаллоксазина
Входят в состав оксидоредуктаз — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в клетке. Некоторые флавопротеины содержат ионы металлов.
Играют важную роль в биоэнергетике клетки.

Липопротеины
Простетическая группа – липиды:
нейтральные жиры,
свободные жирные кислоты,
фосфолипиды,
стерины и др.
Входят в состав клеточных мембран, миелиновой оболочки нервных волокон и т.п. (структурированные фосфолипиды).
В свободном виде – в плазме крови (транспорт триацилглицеридов и холестерина).

Нуклеопротеины
Дезоксирибонуклео-протеины (ДНП)
Простетическая группа – ДНК.
Входят в состав хроматина (5 классов гистонов и негистоновые белки).
Защитная, структурная, регуляторная и ферментативная функции
Рибонуклеопротеины (РНП)
Простетическая группа – РНК.
Нуклеопротеидные комплексы рибосомальных РНК (рРНП).
Малые ядерные рибонуклеопротеиды (мяРНП).
Матричные рибонуклеопротеиды (мРНП) –информосомы.

Фосфопротеины
Простетическая группа - остатки фосфорной кислоты, соединенные с белковой частью сложноэфирными связями через гидрокси-группы серина и треонина.
Источник энергетического и пластического материала.
казеиноген молока (1% фосфорной кислоты); вителлин, вителлинин и фосвитин, из желтка куриного яйца; овальбумин, открытый в белке куриного яйца; ихтулин, содержащийся в икре рыб, и др.