1. Метаболизм, способы образования АТФ в организме. Метаболизм – это совокупность окислительных реакций и химических процессов, которые протекают в живых организмах. В ходе метаболизма образуется энергия, которая необходима любому живому существу. У детей: + баланс, протекает более интенсивно, характерно несовершенство систем. Метаболизм представлен катаболизмом и анаболизмом. Катаболизм – расщепление химических компонентов с выделением энергии – экзергонические реакции. Анаболизм – реакции синтеза с затратой энергии – эндергонические реакции. Этапы катаболизма: 1) специфическое превращение в мономеры – аминокислоты, моносахариды, глицерин, жирные кислоты. 2) образование унифицированных продуктов – ПВК и АцКоА (моносахариды через ПВК). 3) АцКоА в ЦТК образуется СО2, вода; 3НАДН, которые в дых цепи дают воду и 3 АТФ; ФАД Н2, который в дых цепи дает воду и 2 АТФ.
Образование АТФ в процессе метаболизма идет двумя путями – окислительного и субстратного фосфорилирования. (дых цепь ЦТК гликолиз). Возникновение макроэргической связи в момент окисления субстрата с дальнейшей активацией неорганического фосфата и его переносом на АДФ с образованием АТФ называют субстратным фосфорилированием(10% всей энергии). Реакцией субстратного фосфорилирования являются две реакции гликолиза – окисление 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту, и окисление 2-фосфоглицериновой кислоты в 2-фосфоэнолпировиноградную кислоту; а также одна реакция ЦТК - окисление сукцинил-КоА в янтарную кислоту. Основная масса АТФ образуется путем окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования окисляемый субстрат участия не принимает, а активирование неорганического фосфата сопряжено с переносом электронов и протонов водорода с коферментов дегидрогеназ (принимающих участие в окислении субстрата) к молекулярному кислороду. Сопряжение окисления с фосфорилированием АДФ и последующим образованием АТФ называют окислительным фосфорилированием. Процессы сопряжения окисления и фосфорилирования идут в дых цепи.
2. Свойства белков, их биологическая роль. Методы очистки и разделения.Свойства белков: 1) кислото-основные и электролитические свойства. Белки – это амфотерные соединения. R-COOH+OH-àR-COO-+H2O R-NH2+H+àR-CH3+. Величина и знак заряда определяется соотношением а/к и рН раствора. То значение рН, при котором суммарный заряд белка равен 0 называется изоэлектрической точкой. В этом состоянии белок характеризуется: минимальной устойчивостью и вязкостью в растворе, отсутствует подвижность в электрическом поле, максимальная способность к осаждению. При сдвиге рН белок приобретает заряд, растворимость и подвижность в электрическом поле. Изоэлектрическая точка используется для разделения белков. 2) кислото-основные свойства используют для их разделения – электрофорез белков плазмы крови. Буферные свойства кислот – связаны с амфотерностью – кислые компоненты нейтрализуются основными, и наоборот. Т.О. поддерживается стабильное значение рН. 3) коллоидно-осмотические свойства. Белки – гидрофильные коллоиды, это придают полярные а/к-ты. При растворении белков в воде образуется гидратная оболочка. Гидрофильные коллоиды связывают большое количество воды и набухают. Образуются жидкости и золи, гели – форма и упругость тканей. Коллоидные свойства белков: а) способность к светорассеиванию – образуется конус Тиндаля б) высокая вязкость в) малая скорость диффузии г) диализ– белки не проходят через полупроницаемую мембрану, легко проходит вода и низкомолекулярные соединения, а белки задерживаются – т.к. действует почечный фильтр. Факторы устойчивости белков: заряд и гидратная оболочка. При их потере белок осаждается. Высаливание – обратимое осаждение белков – разрушение гидратной оболочки. В зависимости от гидрофильности белков они осаждаются при разных концентрациях солей – фракционное высаливание – глобулины при 50% насыщение (NH4)2SO4, альбумины при 100% насыщении. Функции белков: 1) структурная 2) каталитическая – ферменты 3) регуляторная – гормоны 4) двигательная – работа мышц, движение цитоплазмы 5) транспорт – белки плазмы крови – гемоглобин и миоглобин 6) защитная – иммуноглобулины, система комплиментов, система свертывания крови 7) опорная – сухожилия, сочленения 8) регуляторная – узнавание клеток – гликопротеины, содержат углеводный компонент 9) энергетическая.
Использование гидролиза для определения химических свойств белка, ренгеноструктурный анализ, электронная микроскопия.
3. Денатурация белка. Изменение конфигурации белковых молекул.Денатурация – нарушение нативной пространственной структуры белка, приводящее к потере или уменьшению растворимости, утрата специфической биологической активности, изменению ряда физико-химических свойств. Денатурация не сопровождается разрывом пептидных связей, т.е. не разрушается первичная структура, а связи оказываются снаружи и все изменяется. Свойства денатурированного белка: 1) повышается число реактивных групп, т.к. появляются ранее скрытные группы 2) понижается растворимость, белок может выпасть в осадок (при потере факторов устойчивости: заряд и гидратная оболочка) 3) изменяется конфигурация 4) изменяется биологическая активность 5) легко расщепляется протеолитическими ферментами. Факторы приводящие к денатурации белка:1) физические – температура, УФ облучение, ультразвук, гаммаоблучение, стерилизация 2) химические реагенты: концентрированные кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов.
4. Амфотерные свойства белков, изоэлектрическая точка.Белки – это амфотерные соединения. R-COOH+OH-àR-COO-+H2O R-NH2+H+àR-CH3+. Величина и знак заряда определяется соотношением а/к и рН раствора. То значение рН, при котором суммарный заряд белка равен 0, т.е. + равен -, называется изоэлектрической точкой (РI). Белки в изоэлектрическом состоянии характеризуется: минимальной устойчивостью и вязкостью в растворе, отсутствует подвижность в электрическом поле, максимальная способность к осаждению. При сдвиге рН белок приобретает заряд, растворимость и подвижность в электрическом поле. При сдвиге рН белок становится или катионом и движется к катоду, или анионом и движется к аноду.
5. Молекулярная масса белков, форма и размеры белковой молекулы. Методы их определения.Белки относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят множество а/к-ных остатков, объединенных в макромолекулярную структуру. Молекулярная масса белков колеблется от 6000 до 1000000 Да и выше. Поскольку а/к-ный состав и последовательность а/к выяснены для многих белков, стало возможным вычисление химическим путем их молекулярной массы с высокой точностью. Основными методами определения молекулярной массы являются физико-химические методы (гравиметрические, осмометрические, вискозиметрические, электрофоретические, оптические и другие). Из них практически наиболее часто используются методы седиментационного анализа, гель-хроматографии и электрофореза. Метод седиментационного анализа проводят в ультрацентрифугах, вычисляют молекулярную массу по скорости седиментации молекул белка или седиментационному равновесию. Метод гель-хроматографии, кроме простоты и быстроты, имеет еще то преимущество, что не требует выделения белка в чистом виде, т.к. примеси других белков не мешают определению молекулярной массы. При применении метода диск-электрофореза в полиакриламидном геле для определения молекулярной массы белков также строят график зависимости между логарифмом молекулярной массы калибровочных белков и подвижностью белковых частиц в полиакриламидном геле, а затем, определив подвижность исследуемого белка, по графику находят его массу. О величине и форме белковых молекул раньше судили по данным ультрацентрифугирования, двойного лучепреломления и диффузии. Эти данные указывали на существование в природе глобулярных (шарообразных) и фибриллярных (нитевидных) белков. В настоящее время общие представления о форме белковых молекул в основном подтвердились. Благодаря применению методов сканирующей микроскопии и рентгеноструктурного анализа удалось в деталях расшифровать не только полную пространственную структуру, соответственно форму, но и степень асимметрии белковых молекул во всех трех измерениях. Не только физико-химические, но и биологические свойства белков (в свободном или связанном друг с другом или с другими биополимерами состоянии) определяются их пространственной структурой.
6. Гидролиз белков.Гидролиз – расщепление пептидной связи при участии молекулы воды. Пептидная связь + ОН-Н à NH2 + COOH. Гидролиз идет постепенно и ступенчато: белок à полипептид à олигопептид à дипептиды à а/к. Гидролиз можно остановить на любой стадии, изменив одно из условий. Химический гидролиз бывает Н+ - кислотный, ОН- - щелочной. Условия химического гидролиза: 1) использование концентрированной кислоты и щелочи 25-30% (5-12 нормальностей) 2) высокая температура 100-1100С 3) 10-12 часов – 96 часов 4) объем кислоты и щелочи превышает в 5 раз объем гидролизуемого белка. Недостатки химического гидролиза: 1) разрушается ряд а/к – цистеин, триптофан 2) при щелочном гидролизе происходит рацимезация а/к из L в D ряд – не усваивается живыми организмами. Использование гидролизатов: 1) для установления структуры белка 2) в медицине используется аминолизин – кровезаменитель, который получается только кислотным гидролизом 3) питание больных после полостных операций. Ферментативный гидролиз– для этих целей чаще используется трипсин. Условияферментативного гидролиза: поднятие температуры тела, несколько суток. Недостаток ферментативного гидролиза:1) очень дорого 2) 36-370С 3) годен только для первичной структуры 4) стерильные 5) заселение вторичной микрофлоры. Качественные методы исследования глубины гидролиза, для этого используют цветные реакции. Биуретовая реакция + при наличии 2х и более пептидных связей – гидролиз пошел не до конца. Положительная Нингидриновая реакция (на свободные а/к) – гидролиз пошел до конца. Количественные методы исследования глубины гидролиза – Формольное титрование.
Наличие аминного азота в цельном белке 1-10% в неполном гидролизате 10-75%, в полном 70-90%, а в среднем 80%. Аминный азот входит в группу NH2 в альфа положение рядом с карбоксильной группой.
7. Аминокислотыявляются структурной единицей белков. 20 а/к являются протеиногенными, они определяют разнообразие структуры белков, при строгой специфичность ее у каждого конкретного белка. Замена даже одной а/к может привести к развитию молекулярной болезни (замена глутаминовой кислоты на валин в структуре гемоглобина лежит в основе серповидно-клеточной анемии. Аминокислотный состав белка определяет заряд его молекулы и кислотно-основные свойства. Функциональные группы а/к формируют активный центр ферментов, играют важную роль в образовании фермент-субстратного комплекса и принимают участие в ферментативном катализе. Аминокислоты – производные карбоновых кислот, в которых атом водорода у альфа-углеродного атома замещен на аминогруппу (пропионовая кислотаàаланин). В структуру а/к входит радикальная группа, карбоксильная группа, альфа-углеродный атом и аминогруппа. Если аминогруппа расположена слева от хирального атома углерода, то эту а/к относят к L-ряду. Наиболее стабильной конформацией вторичной структуры белков является а-спираль (ее образует аланин, лейцин, тирозин, гистидин, валин, и не образуют серин, глутамат лизин, глицин). На основании особенностей строения радикальных групп все а/к делятся на три группы: 1)алифатические (нециклические а/к)а) моноаминомонокарбоновые а/к – глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин; оксиаминокислоты, содержащие ОН-группу – серин, треонин; а/к, содержащие амидную группу – аспарагин, глутамин; серусодержащие а/к – цистеин, митионин. в) моноаминдикарбоновые а/к – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. с) диаминомонокарбоновые а/к – лизин, аргинин. 2) ароматические а/к, содержащие бензольное кольцо – фенилаланин, тирозин, триптофан. 3) гетероциклические а/к – гистидин, пролин.
На основе принципа полярности радикальных групп, т.е. способности их к взаимодействию с водой, все а/к подразделяют на четыре основных класса: 1)а/к с неполярными, или гидрофобными радикальными группами – аланин, валин, лейцин, фенилаланин, триптофан. 2) а/к с полярными, незаряженными радикальными группами – глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин. 3) а/к с отрицательно заряженными радикальными группами – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. 4) а/к с положительно заряженными радикальными группами – лизин, аргинин, гистидин.
8. Уровни структуры белка. Первичная структура белка: последовательность а/к в полипептидной цепи соединенные пептидной связью (ковалентная). Последовательность а/к, их количество, лежат в основе первичной структуры белка, в которой заложена информация о последующих уровнях структуры и биологических функциях белка. Вторичная структура белка: 1) а-спираль имеет жесткие параметры – правозакрученная спираль, шаг спирали между двумя витками 3,6 а/к, высота 0,54 нм, конформация повторяется через 5 витков или 18 а/к, многочисленные Н связи между группами NH и С-О от первой к четвертой а/к-те. 2) бета структура – слоисто-складчатая, удерживается водородными связями, пептидные цепи располагаются антипараллельно. 3) неупорядоченная нерегулярная структура – а+в структуры – перекрест где встречаются а/ альфа и бета. Третичная структура белка: упаковка полипептидной цепи в пространстве. 1) в фибриллярных белках – коллаген и эластин – 3 а-спираль, бета слой (актин, миозин) 2) в глобулярных белках – все три типа вторичных структур. Два типа связи в третичной структуре: 1) ковалентная – пептидная и дисульфидная 2) слабые связи – многочисленные водородные связи, ионные взаимодействия. Упаковка идет таким образом, что гидрофобные связи находятся ниже (по типу жирной капли) – легко разрываются при изменении рН, температуры, ионов. Четвертичная структура– это ассоциация 4х субъединиц, которые определенным образом ориентированны в пространстве относительно друг друга. Для того чтобы Нb удерживался в форме тетрамера возникают связи между одинаковыми полипептидными цепочками, а также между разными полипептидными цепочками. Субъединицы расположены в пространстве таким образом, что в центре Нb образуется центральная полость (впадина), в которой находятся 2,3-дифосфоглицириновая кислота. По мере присоединения кислорода к молекуле гемоглобина конформация четвертичной структуры меняется, при этом альфа цепи сближаются, бета расходятся, т.о. молекула Нb как бы дышит Присоединяется одна молекула кислорода к первой субъединице, что приводит к конформационным изменениям других субъединиц.
9. Классификация белков. По форме молекулы: 1) глобулярные – форма шара, хорошо растворимы в воде, имеет гидроксильную группу, окружена гидратной оболочкой (ферменты, гормоны, защитные белки); 2) фибриллярные – волокнистая структура, не растворимы в воде (коллаген, эластин, креатин).
По структуре: I – простые– состоят только из а/к 1) альбумины(поддерживают онкотическое и осмотическое давление, транспорт жирных кислот) и глобулины (транспорт липидов, гормонов, витаминов, защитная функция) 2) протамины (выражены основные свойства, 80% аргинина, хорошо растворимы в воде, PI находится в щелочной среде) и гистоны(много лизина и аргинина, регулируют метаболическую активность генома) 3) проламины и глютелины – белки растительного происхождения – семена злаков, растворяются в водном растворе этанола, содержат 20% глутаминовой кислоты и 15% пролина 4) протеиноиды – белки костей, хрящей, волос, ногтей, не перевариваются под действием ферментов ЖКТ, имеют фибриллярную структуру, не растворяется в водных растворах, не пригодные для питания.
II – сложные – состоят из белковой (а/к) и небелковой части, они связаны ковалентно-гетерополярной или координационной связью 1) нуклеопротеиды – небелковой частью является нуклеиновая кислота, если это ДНК, дезоксирибонуклеиды, если РНК – рибонуклеины 2) фосфопротеиды– казеин, вителлин, вителлинин, фосвитин, овальбумин, ихтулин – осуществляют питание зародыша и новорожденного; фосфорная кислота связана сложной эфирной связью с белковой частью 3) гликопротеины – простерические группы представлены углеводами и их производными, которые прочно связаны с белковой частью, и гликозаминогликанами (гиалуроновая и хондроитинсерная кислоты); различают собственно гликопротеины (95% белка, 5% углеводный компонент – тиреотропный и фолликулостимулирующий гормон) и протеогликаны (5% белка, 95.5 гликозаминогликана) 4) Липопротеины – простерическая группа представлена липидом, входят в состав клеточной мембраны, митохондрий и микросом, а также присутствует в свободном состоянии в плазме крови; делятся на высокой плотности – ЛПВП (холестерин из тканей в печень), низкой – ЛПНП (холестерин в ткани), очень низкой – ЛПОНП и хилоникроны (транспортируют триглицериды). Связь между липидом и белком нековалентная. 5) металлопротеины – в активном центре нах-ся металл – ферритин, трансферрин, гемосидерин. 6) хромопротеины – состоят из белковой части и окрашенного небелкового компонента: а) флавопротеины – в качестве простерической группы – ФМН и ФАД б) ретинальпротеины – витамин А в) гемопротеины – небелковая часть – гем, различают ферментные (цитохромы, каталаза, пероксидаза) и неферментные (гемоглобин и миоглобин).
10. Нуклеопротеидыэто сложные белки, которые состоят из белковой и небелковой части. Небелковая часть – простерическая группа, представленная нуклеиновой кислотой. В природе обнаружено два типа нуклеопротеидов, отличающихся друг от друга по составу, размерам, физико-химическим свойствам: дезоксирибонуклеопротеиды ДНП и рибонуклеопротеиды РНП. У РНП углевод представлен рибозой, у ДНП дезоксирибозой. ДНП локализованы преимущественно в ядре, а РНП в цитоплазме. Белковая часть ДНП представлена 5 классами гистонов, различающихся по размерам, а/к составу: Н1 – богатые лизином; Н2А – богатые аргинином и лизином; Н2В – умеренно богатые аргинином и лизином; Н3 – богатые аргинином; Н4 – богатые глицином и аргинином. В различных нуклеопротеидах количество нуклеиновой кислоты колеблется в пределах от 40 до 65%. В вирусных нуклеопротеидах 2-5% (вирус собачей мазайки РНК 2%). Выделение нуклеиновых кислот – фенольный метод – происходит денатурация белка, центрифугирование, водную среду осаждают на холоде, нуклеиновые кислоты выпадают в осадок.
Процессы образования конечных продуктов обмена простых белков.
Аминокислота R-CH-NH2-COOH окисляется до NH3 (обезвреживается и превращается в мочевину, которая выводится с мочой) и R-C=O-COOH à CO2 + R- COOH à бета окисление до АцКоА à ЦТК à АТФ + Н2О + СО2
Распад пиримидиновых азотистых оснований.
Судьба бета-аланина:1) трасаминирование и образуется альфа-аланин 2) путь полного окисления 3) идет на синтез карнозина и ансерина – это дипептиды, кот находятся в мышцах и увеличивают амплитуду сокращений в период утомления мышц. Бета-аминоизобутират окиляется до конечных продуктов или в небольшом количестве выводится с мочой, при лейкимии это количество увеличивается за счет повышенного распада клеток.