Добавить в коллекции Добавить в сохраненное
  1. Без категории
Загрузил Aziz

Часть I. Введение и белки. Стомат

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Рязанский государственный медицинский университет
имени академика И.П. Павлова»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
Кафедра биологической химии
Биохимия: вопросы и ответы
Часть I
Учебное пособие
для обучающихся по специальности
31.05.03 Стоматология
Рязань, 2026
УДК 577.1(075.8)
ББК 28.072
Б638
Рецензенты:
Составители:
О.В. Баковецкая, д-р биол. наук, проф., зав. кафедрой
биологии;
Т.Ю. Колосова, канд. хим. наук, доц. кафедры общей
химии
Матвеева И.В., канд. мед. наук, доцент кафедры
биологической химии;
Абаленихина Ю.В., д-р мед. наук, зав. кафедрой
биологической химии;
Рязанова Е.А., канд. биол. наук, доц. кафедры
биологической химии;
Марсянова Ю.А., канд. биол. наук, доц. кафедры
биологической химии;
Енгалычева М.Г., канд. мед. наук, доц. кафедры
биологической химии;
Аронова М.А., канд. пед. наук, доц. кафедры
биологической химии;
Захаров А.С., асс. кафедры биологической химии
Б638 Биохимия: вопросы и ответы. Часть I: учебное пособие для
обучающихся по специальности 31.05.01 Лечебное дело / сост.: И.В.
Матвеева, Ю.В Абаленихина, Е.А. Рязанова [и др.]; ФГБОУ ВО РязГМУ
Минздрава России. ‒ 3-е изд., испр. и доп., Рязань: ОТСиОП, 2026. ‒ 326 с.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по
специальности 31.05.01 Лечебное дело очной формы обучения.
Теоретический
материал
пособия
изложен
современным
биохимическим языком, системно, последовательно, без излишних
подробностей. Четкость определений делает его доступным для
понимания, краткая и доступная форма рассмотренных вопросов
поможет студентам подготовиться к занятиям, зачету и экзамену по
дисциплине «Биохимия».
УДК 577.1(075.8)
ББК 28.072
© ФГБОУ ВО РязГМУ Минздрава России, 2026
Оглавление
Введение в биохимию........................................................................ 4
(Матвеева И.В., Абаленихина Ю.В.)
Раздел 1. Строение и функции белков........................................... 9
(Абаленихина Ю.В., Матвеева И.В., Рязанова Е.А.)
Раздел 2. Ферменты ......................................................................... 85
(Абаленихина Ю.В., Рязанова Е.А., Енгалычева М.Г., Матвеева И.В.,
Марсянова Ю.А.)
Раздел 3. Биологические мембраны .......................................... 146
(Матвеева И.В., Абаленихина Ю.В., Марсянова Ю.А.)
Раздел 4. Биоэнергетика ............................................................... 160
(Матвеева И.В., Рязанова Е.А., Абаленихина Ю.В., Аронова М.А.)
Раздел 5. Обмен углеводов и его нарушения ........................... 189
(Матвеева И.В., Абаленихина Ю.В., Звягина В.И., Марсянова Ю.А.)
Раздел 6. Обмен липидов и его нарушения .............................. 248
(Матвеева И.В., Абаленихина Ю.В., Енгалычева М.Г., Марсянова Ю.А.,
Захаров А.С.)
Список литературы ......................................................................326
3
ВВЕДЕНИЕ В БИОХИМИЮ
Предмет и задачи биохимии
Биологическая химия – наука о структуре химических
веществ, входящих в состав живой материи, их превращений и
физико-химических
процессах,
лежащих
в
основе
жизнедеятельности. Биохимия является частью биологии,
охватывая те ее области, которые требуют для изучения процессов
жизнедеятельности физико-химических и химических подходов,
приемов и методов. Особенность биохимии вытекает из ее
названия, которое указывает на химическую сущность этой науки,
а также на значимость для нее функциональных (биологических)
исследований химических процессов.
Биохимия возникла на стыке смежных дисциплин
органической химии, изучающей химические свойства веществ, и
физиологии, изучающей функции живых организмов. Кроме
этого, биохимия тесно взаимосвязана с такими науками как
биология,
патологическая
физиология,
фармакология,
клиническая медицина. Биохимия лежит в основе молекулярной
биологии и биотехнологии.
Цель биохимии – изучение процессов жизнедеятельности,
понимание этих процессов на молекулярном уровне (общая
биохимия) и механизмов патогенеза различных заболеваний
(медицинская или клиническая биохимия).
Задачи биохимии:
выявить химические компоненты живых организмов
(строение, свойства биомолекул);
изучить метаболические процессы (совокупность
реакций), в которых химические компоненты участвуют:
оценить регуляцию метаболических процессов.
На основании этого биохимию выделяют:
статическую,
занимающуюся
преимущественно
анализом химического состава организмов;
динамическую,
изучающей
всю
совокупность
превращений веществ и энергии в организме;
4
функциональную,
исследующей
химические
процессы, лежащие в основе различных проявлений
жизнедеятельности;
регуляции, изучающей механизмы регуляции.
Методы биохимии
Для количественного изучения, определения структуры и
физико-химических свойств выделенных веществ используют
различные физические, физико-химические, химические методы
анализа, а также квантово-механические расчёты электронной
структуры выделенных соединений. Применение этих методов
должно сочетаться с приёмами, позволяющими сохранить
нативную структуру биологических веществ.
Наряду с методами химии, физикохимии (включая
применение меченых атомов), математики, физиологии,
используемых для изучения структуры, превращения и функции
биологических соединений, биохимия имеет свой собственный
метод исследования - метод ферментативного анализа. Он также
широко применяется в практической медицине, фармации и
различных отраслях науки и народного хозяйства.
Краткая история развития биохимии
Биохимия как самостоятельная наука возникла в XIX веке.
Выделяют 4 периода:
•
1 период – с древних времен до эпохи Возрождения (XV
век)
•
•
•
2 период – от эпохи Возрождения до XIX века
3 период – вторая половина XIX века до XX века
4 период – XX век по настоящее время
1 период – с древних времен до эпохи Возрождения (XV век).
Период практического использования биохимических процессов
без знания их теоретических основ.
Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980-1037) – крупнейший
ученый и врач Средневековья приводит в своем труде «Канон
врачебной науки» классификацию химических веществ,
5
применяемых в медицине, называет вещества, содержащиеся в
«соках организма» и в моче.
Развитие биохимии долгое время сдерживалось засильем
витализма – идеалистического учения о сущности жизни. По
представлениям виталистов, живая природа отличается от
неживой присутствием особой нематериальной «жизненной
силы», поэтому, считали они, вещества живых организмов не
могут быть синтезированы в лабораторных условиях.
2-й период (XV-XIX век) биохимия существует как раздел
физиологии. В этот период накапливаются биохимические знания
и начинает развиваться динамическое направление в биохимии.
В XVIII в. был сделан ряд важных открытий:
- М.В. Ломоносов открыл закон сохранения материи и
движения;
- Шееле, Пристли, Лавуазье открыли кислород и показали
необходимость его для дыхания человека и животных;
- Пристли, Инген-Хуз, Сенебье открыли фотосинтез;
- из живых объектов было выделено большое число
органических соединений – органические кислоты и спирты
(Шееле), мочевина (Руэлль)‚ холестерин (Конради) и др.
- Спалланцани исследовал влияние желудочного сока на
переваривание мяса у хищных птиц, доказал химическую
сущность этого процесса.
3-й период в истории биохимии, начинается со второй
половины XIX века, ознаменован выделением биохимии как
самостоятельной науки из физиологии.
Развитие методов органической химии в XIX в. существенно
ускорило развитие биохимии:
✓ В 20-30-е годы немецкий биохимик О. Варбург
выделил и изучил дыхательные ферменты (цитохромоксидаза,
флавиновые дегидрогеназы и др.).
✓ 1828 г. немецкий химик Вёлер синтезировал в
лаборатории мочевину из циановой кислоты и аммиака.
✓ 1863 г. в России было введено преподавание
медицинской химии. Первые кафедры были созданы на
медицинских
факультетах
Московского
университета,
6
Казанского, Харьковского и Киевского университетов. За рубежом
первая подобная кафедра была организована в Германии (1865);
✓
созданы первые учебники и руководства по
биологической (физиологической) химии в Германии Зимоном
(1842) и в России профессором Харьковского университета А. И.
Ходневым (1847).
✓ 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый
кофермент спиртового брожения – «козимазу», называемый в
наше время НАД. В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовал
-окисление жирных кислот.
✓ 1931
г.
В.А.
Энгельгардт
показал,
что
фосфорилирование сопряжено в процессе дыхания с
окислительными процессами.
✓ 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл
образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла
трикарбоновых кислот.
✓ 1938 г. А.Е. Браунштейн и М. Крицман впервые
описали реакции трансаминирования.
4 период – середина ХХ века по настоящее время:
✓ 1953 – Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель
двойной спирали строения ДНК.
✓ 1953
–
Ф.
Сэнгер
впервые
расшифровал
аминокислотную последовательность белка инсулина, состоящего
из 51 аминокислотного остатка.
✓ 1955-1960 – А.Н. Белозерский и его сотрудники,
исследовав нуклеотидный состав ДНК огромного числа
представителей
животных,
растений
и
бактерий,
охарактеризовали таксономическое и эволюционное значение
соотношения отдельных азотистых оснований в ДНК.
✓ 1959, 1960 – А. С. Спирин и П. Доти установили
вторичную и третичную структуру рибосомальной РНК.
✓ 1961 – М. Ниренберг расшифровал первую «букву»
кода белкового синтеза – триплет ДНК, соответствующий
фенилаланину.
7
✓ 1965-1967 – Р. Холли и независимо от него А.А. Баев
определили нуклеотидную последовательность транспортных
РНК.
✓ 1961 – П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую
теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.
✓ 1971 – в совместной работе двух лабораторий,
руководимых Ю.А. Овчинниковым и А. Е. Браунштейном,
установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы –
белка из 412 аминокислот.
✓ 1977 – Ф. Сенгер и сотрудники впервые полностью
расшифровали
первичную
структуру
молекулы
ДНК.
Фундаментальные
исследования
биохимических
свойств
нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК
(Нобелевская премия, 1980г).
✓ 1997 – П. Бойер, Д. Уокер выяснили энзимный
механизм, лежащий в основе синтеза аденозинфосфата.
✓ 2004
–
открытие
убиквитин-опосредованной
деградации белка.
✓ 2006 – Р. Корнберг провел исследования и работы в
области молекулярных основ транскрипции у эукариот.
✓ 2009 – В. Рамакришнан, Т. Стейц, А. Йонат
проведение исследований о структуре и функции рибосомы.
✓ 2012 – Р. Лефковиц, Б. Кобилка исследования
рецепторов, сопряженных с G-белками.
✓ 2015 – Т. Линдаль, П. Модрич, А. Санджар
механистические исследования репарации ДНК.
✓ 2020 – К. Северинов редактирование генома.
Биохимия – одна из наиболее динамично развивающихся
наук.
Проникновение в тайны живого, понимание сложнейших
процессов, необычайно легко осуществляемых живой природой,
открывает перед человечеством огромные перспективы.
Развитие представлений о белковых веществах
Представление о белках, как о классе соединений,
сформировалось в XVIII-XIX вв. В этот период из разнообразных
объектов живого мира были выделены вещества, обладающие
сходными свойствами: они образовывали вязкие, клейкие
8
растворы, свертывались при нагревании, при их высушивании
получалась роговидная масса, при "анализе огнем" ощущался
запах паленой шерсти или рога и выделялся аммиак. Беккари,
выделивший в 1728 году первое белковое вещество из пшеничной
муки, назвал его «клейковиной». Он же показал его сходство с
продуктами животного происхождения, а поскольку все эти
сходные свойства были известны для яичного белка, то новый
класс веществ получил название белков. Важную роль в изучении
структуры белков сыграло развитие методов их разложения
кислотами и пищеварительными соками. В 1820 г. А. Браконно
подвергал многочасовому действию серной кислоты кожу и
другие ткани животных, затем нейтрализовал смесь, получал
фильтрат, при выпаривании которого выпадали кристаллы
вещества, названного им гликоколом («клеевым сахаром»). Это
была первая аминокислота, выделенная из белков. В 1838 г., после
систематического изучения элементарного состава разных белков,
в которых были обнаружены углерод, водород, азот, кислород,
сера и фосфор, голландский химик и врач Г. Я. Мульдер
предложил первую теорию строения белков – теорию протеина.
Исходя из исследований элементного состава, Мульдер пришел к
выводу, что все белки содержат одну или несколько групп
(«радикалов») С40Н62N10O2, соединенных с серой или фосфором
или с тем и другим вместе. Он предложил для обозначения этой
группы термин «протеин». Дальнейшие исследования позволили к
концу XIX в. выделить из белков свыше десятка аминокислот.
А.Я. Данилевский первым предположил существование в белках
связей -NH-CO-, как в биурете, и в 1888 году выдвинул гипотезу
строения белка, получившую название «теории элементарных
рядов», а немецкий химик Э. Фишер, совместно с
Гофмейстером, получившим в 1890 г. кристаллический белок —
яичный альбумин, предложил в 1902 г. пептидную теорию
строения белков. В 1926 г. Д. Самнер выделил из семян канавалии
белок (фермент) уреазу в кристаллическом состоянии; Д. Нортроп
и М. Кунитц в 1930-1931 гг. получили кристаллы пепсина и
трипсина. В 1951 г. Полинг и Кори разработали модель
вторичной структуры белка, названной α-спиралью. В 1952 г.
Линдерстрём-Ланг предположил существование трех уровней
организации белковой молекулы: первичный, вторичный,
9
третичный. В 1953 г. Сенгер впервые расшифровал
последовательность аминокислот в инсулине. В 1956 г. Мур и
Стейн создали первый автоматический анализатор аминокислот.
В 1958 г. Кендрью и в 1959 г. Перутц расшифровали трехмерные
структуры белков - миоглобина и гемоглобина. В 1963 г. Цан
синтезировал природный белок инсулин. Первые структуры
белков, основанные на дифракции рентгеновских лучей на уровне
отдельных атомов, были получены в 1960-х годах и с помощью
ЯМР в 1980-х годах.
В XXI веке исследование белков перешло на качественно
новый уровень, когда исследуются не только индивидуальные
очищенные белки, но и одновременное изменение количества и
посттрансляционных модификаций большого числа белков
отдельных клеток, тканей или организмов. В 1997 году был
предложен термин «протеом» совокупность всех белков клетки. В
связи с этим была выделена отдельная наука «протеомика»
область молекулярной биологии, посвящённая идентификации и
количественному анализу белков. В организме человека белки
могут взаимодействовать между собой. Белок-белковые
взаимодействия – обладающие высокой специфичностью
физические контакты между двумя и более белками. Эти контакты
образуются в результате биохимических взаимодействий,
например, электростатических и гидрофобного эффекта. Белокбелковые взаимодействия участвуют в таких важных клеточных
процессах, как передача сигнала, клеточное общение,
транскрипция, репликация, мембранный транспорт. Нарушения
этих взаимодействий приводят ко многим заболеваниям, таким
как болезнь Альцгеймера и онкология. Не все белок-белковые
взаимодействия образуются раз и навсегда. Часть белков входит в
состав
стабильных
комплексов,
которые
являются
молекулярными
структурами
(АТФ-синтаза
или
цитохромоксидаза). Другие же белки собираются обратимо для
осуществления какой-либо временной функции (для активации
экспрессии генов в случае с транскрипционными факторами и
активаторами).
10
Раздел 1
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ
1. Белки: определение, характерные признаки.
Биологические функции белков (с примерами).
Белки
–
это
азотсодержащие
полимерные
высокомолекулярные молекулы, мономерами которых являются
только 20 α-аминокислот.
Характерные особенности белков:
1. довольно постоянная доля азота (в среднем 16% от
сухой массы);
2. наличие
постоянных
структурных
звеньев
–
аминокислот;
3. пептидные связи между аминокислотами, с помощью
которых они соединяются в пептидные цепи;
4. большая молекулярная масса (от 4-5 тысяч до
нескольких миллионов дальтонов);
5. сложная структурная организация полипептидной цепи,
определяющая физико-химические и биологические свойства
белков.
Каждый белок в зависимости от его структуры выполняет
свойственную ему функцию:
Таблица 1.1.
Функции белков
Функция
Ферментативная
Гормональная
Рецепторная
Пример
гексокиназа – катализирует реакцию
фосфорилирования глюкозы до глюкозо6-фосфата
тиреотропный гормон – гормон,
участвующий в регуляции синтеза и
секреции йодтиронинов в щитовидной
железе
глюкагоновый рецептор, связывающий
гормон глюкагон на поверхности
клеточной мембраны в печени
11
Структурная
Генно-регуляторная
Иммунологическая
(защитная)
Механохимическая
(сократительная)
Трофическая
(резервная)
Субстратноэнергетическая
Транспортная
структурные
белки
митохондрий,
плазматических мембран и другие
гистоны – белки, участвующие в
регуляции репликации и частично
транскрипции участков ДНК.
иммуноглобулины A, M, G, система
комплемента
актин – двигает нити в миофибриллах
глютелины и проламины – запасной
материал семян пшеницы
1г белка, окисляясь до конечных
продуктов, дает 4,1 ккал энергии
миоглобин переносит кислород в
мышечной ткани;
Опорная
коллаген структурный элемент опорного
(механическая)
каркаса костной ткани, сухожилий
Гемостатическая
фибриноген белок сыворотки крови,
полимеризуется
в
виде
сетки,
составляющей структурную основу
тромба
Обезвреживающая
альбумины связывают соли тяжелых
(антитоксическая)
металлов
Токсигенная
ботулинический токсин – пептид,
выделяемый палочкой ботулизма
Когенетическая
ДНК-полимераза,
участвующая
в
репликации ДНК
Энерготрансформиру Н+-АТФ-синтаза участвует в синтезе
ющая
АТФ
Электроосмотическая Na+, K+-АТФаза, фермент участвующий
в создании разницы концентрации ионов
Na+, K+ и электрического заряда на
мембране клетки
12
2. Аминокислоты: определение, строение и функции.
Строение и классификации протеиногенных аминокислот.
Физико-химические свойства аминокислот и их применение в
медицине.
Аминокислоты – это органические соединения,
содержащие в своем составе одновременно кислотную
(карбоксильную) и аминогруппы.
Протеиногенные аминокислоты – это L-α-аминокислоты,
которые кодируются генетически и включаются в белки в
процессе их синтеза. Все многообразие белков выстроено из 20
протеиногенных аминокислот. Общий вид протеиногенных
аминокислот представлен на рисунке 1.1.
Рис. 1.1. Строение α-аминокислот
Классификации протеиногенных аминокислот.
1. По химическому строению бокового радикала:
а) алифатические незамещенные (глицин, аланин, валин,
лейцин, изолейцин);
б) алифатические замещенные
- гидроксиаминокислоты (серин, треонин)
- тиоаминокислоты (цистеин, метионин)
- карбоксиаминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая)
- амиды аминокислот (аспарагин, глутамин)
- диаминокислоты (лизин)
- гуанидиноаминокислоты (аргинин)
в) ароматические (фенилаланин, тирозин)
г) гетероциклические (триптофан, гистидин)
д) циклические иминокислоты (пролин)
13
2. По растворимости в воде:
а) Гидрофобные
(неполярные)
радикалы
не
взаимодействуют с молекулами воды (аланин, лейцин).
б) Гидрофильные
(полярные
заряженные
и
незаряженные) радикалы могут взаимодействовать с молекулами
воды при помощи водородных связей.
- нейтральные − серин, аспарагин;
- анионогенные (кислые) − аспартат, глутамат;
- катионогенные (основные) − лизин, аргинин, гистидин.
3. Электрохимическая, т.е. по кислотно-основным
свойствам аминокислот:
а) кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая);
б) основные аминокислоты (гистидин, аргинин, лизин);
в) нейтральные аминокислоты.
4. По возможности синтеза в организме:
а) заменимые − возможен синтез в организме человека в
достаточном количестве: аланин, серин, аспарагиновая кислота,
аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин, пролин, глицин;
б) незаменимые − не синтезируются в организме и должны
восполняться с пищей: триптофан, лейцин, фенилаланин,
метионин, изолейцин, валин, треонин, лизин;
в) условно заменимые − синтез в организме происходит из
незаменимых аминокислот (фенилаланина, метионина): тирозин,
цистеин;
г) частично заменимы аминокислоты − синтезируются в
малом количестве, что не может покрыть потребности организма
(более выражено в детском возрасте): гистидин, аргинин.
14
Таблица 1.1.
Классификация аминокислот
Аминокислота
Химическое строение
Глицин
H2N
CH
COOH
H
Аланин
H2N
CH
COOH
CH3
Валин
H2N
Лейцин
CH
H3C
CH3
H2N CH COOH
CH
COOH
CH2
H3C
Изолейцин
Фенилаланин
H2N
H2N
Структура
Радикал
Биологическое
значение
заменимая
алифатическая
незамещенная
алифатическая
незамещенная
алифатическая
незамещенная
неполярный,
гидрофобный
неполярный,
гидрофобный
неполярный,
гидрофобный
алифатическая
незамещенная
неполярный,
гидрофобный
незаменимая
алифатическая
незамещенная
неполярный,
гидрофобный
незаменимая
циклическая,
ароматическая
неполярный,
гидрофобный
незаменимая
заменимая
незаменимая
CH
CH3
CH
COOH
CH
CH3
CH2
CH3
CH
COOH
CH2
15
Тирозин
H2N
CH
циклическая,
ароматическая
COOH
CH2
полярный,
гидрофильный,
незаряженный
OH
Триптофан
H2N
CH
CH2
COOH
гетероциклическая неполярный,
гидрофобный
условно
заменимая
(синтезируется
из
фенилаланина)
*незаменимая у
детей
незаменимая
N
H
Гистидин
H2N
CH
H2C
COOH
H
N
N
Аспарагиновая
кислота
(аспартат)
H2N
CH
CH2
COOH
COOH
гетероциклическая полярный,
гидрофильный,
положительнозаряженный
(основный)
алифатическая,
полярный,
карбоксильная
гидрофильный,
отрицательнозаряженный
(кислый)
16
частично
заменимая
*незаменимая у
детей
заменимая
Глутаминовая
кислота
(глутамат)
H2N
CH
COOH
алифатическая,
карбоксильная
COOH
алифатическая,
аминная
COOH
алифатическая,
гуанидиновая
CH2
H2C
COOH
Лизин
H2N
CH
(CH 2)4
NH2
Аргинин
H2N
CH
(CH 2)3
NH
NH
C
NH2
Цистеин
H2N
CH
CH
полярный,
гидрофильный,
незаряженный
COOH
алифатическая,
серосодержащая
неполярный,
гидрофобный
CH2
H2C
условно
заменимая
(синтезируется
из метионина)
*незаменимая у
детей
незаменимая
алифатическая,
серосодержащая
SH
H2N
заменимая
COOH
CH2
Метионин
полярный,
гидрофильный,
отрицательнозаряженный
(кислый)
полярный,
гидрофильный,
положительнозаряженный
(основный)
полярный,
гидрофильный,
положительнозаряженный
(основный)
S
CH3
17
незаменимая
частично
заменимая
*незаменимая у
детей
Серин
H2N
CH
COOH
CH2
OH
Треонин
H2N
CH
COOH
CH
CH3
OH
Аспарагин
H2N
CH
COOH
CH2
Глутамин
H2N
CO
NH2
CH
COOH
(CH 2)2
Пролин
HN
H2C
CO
NH2
CH
COOH
CH2
CH2
алифатическая,
гидроксильная
полярный,
гидрофильный,
незаряженный
алифатическая,
полярный,
гидроксильная
гидрофильный,
незаряженный
алифатическая,
полярный,
амидная
гидрофильный,
незаряженный
алифатическая,
полярный,
амидная
гидрофильный,
незаряженный
гетероциклическая неполярный,
иминокислота
гидрофобный
18
заменимая
незаменимая
заменимая
заменимая
заменимая
Физико-химические свойства аминокислот
Кислотно-основные свойства аминокислот
Аминокислоты − это амфотерные соединения, то есть
вступают в реакцию и с кислотой, и со щелочью, что обусловлено
содержанием в составе молекулы двух противоположных по
свойствам функциональных групп: карбоксильной и аминной.
Поэтому в обычных условиях в водных растворах аминокислоты
находятся в виде биполярных ионов, или цвиттер-ионов,
образующихся в результате внутримолекулярного переноса
протона от кислотной карбоксильной группы к основной
аминогруппе (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Амфотерные свойства аминокислот
В соответствии с теорией кислот и оснований Бренстеда,
кислоты − это вещества способные отдать протон, а основания −
все те, кто способен его принять. Так, в водном растворе
карбоксильная группа проявляет свойства кислоты, являясь
донором протона, и превращается в -СОО-, а аминогруппа
проявляет основные свойства и является акцептором протона,
превращаясь в NH3+.
Заряд аминокислот зависит от рН раствора, от строения их
радикала и наличия в нем дополнительных функциональных
групп, обладающих основными или кислотными свойствами.
В сильно кислой среде все аминокислоты приобретают
положительный заряд, а в сильнощелочной – суммарно
отрицательный заряд.
Если суммарный заряд аминокислоты равен нулю, то она
находится в изоэлектрическом состоянии и не передвигается в
электрическом поле. Значение pH, при котором суммарный заряд
аминокислоты равен нулю, называет изоэлектрической точкой
(ИЭТ или рI).
Для нейтральных α-аминокислот значение ИЭТ лежит в
пределах (5,5- 6,3) вследствие большей способности к ионизации
19
карбоксильной группы. У кислых α-аминокислот (аспарагиновая и
глутаминовая кислоты) ИЭТ значительно ниже 7, например, для
глутаминовой кислоты pI=3,2. Для основных аминокислот (лизин,
гистидин, аргинин) ИЭТ находится в пределах рН ˃ 7.
Стереоизомерия аминокислот. Все протеиногенные
аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический атом
углерода и существуют в виде энантиомеров, относящихся к D- и
L-рядам. Различия между изомерами связаны с взаимным
расположением четырех замещающих групп, находящихся в
вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является
атом углерода в α-положении (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Стереоизомеры
В белках животных организмов представлены Lаминокислоты; D-аминокислоты в основном обнаруживаются в
пептидных веществах, образующихся в грибах и бактериях путём
нерибосомного синтеза.
Поскольку аминокислоты ассиметричные молекулы, то они
обладают оптической активностью. Аминокислота, которая
представлена одним стереоизомером, называется оптически
чистой. Выделяют левовращающие и правовращающие
аминокислоты.
Деление на L- и D-формы не соответствует делению на
право- и левовращающие. Для одних аминокислот L-формы (или
D-формы) являются правовращающими, для других –
левовращающими. Например, L-аланин – правовращающий, а Lфенилаланин – левовращающий. При смешивании L- и D-форм
одной аминокислоты образуется рацемическая смесь, не
обладающая оптической активностью.
Рацемизация − это превращение оптически чистого
активного
вещества
в
смесь
одинаковых
количеств
стереоизомеров, то есть из оптически чистой L-аминокислоты
20
образуются равные количества L- и D- изомеров. Увеличение
рацемизации можно увидеть при повышении температуры,
действии щелочей и кислот.
Использование для построения белков организма человека
только L-энантиомеров имеет важнейшее значение для
формирования пространственной структуры белков. С этим
непосредственно
связана
стереоспецифичность
действия
ферментов.
Применение аминокислот в медицине:
1. Отдельные аминокислоты
- глутаминовая кислота используется при заболеваниях
центральной нервной системы;
- глицин является нейромедиатором тормозного типа
действия, улучшает метаболические процессы в тканях мозга;
- метионин как донор метильных групп используется в
медицине в качестве липотропного средства;
- цистеин применяется в глазной практике.
2. Смесь отдельных аминокислот
- церебролизин содержит 18 аминокислот, применяется
при заболеваниях центральной нервной системы, при травмах
головного мозга
3. Полный набор аминокислот в виде белковых
гидролизатов используется как белковое питание.
3. Уровни структурной организации белковых молекул:
первичная, вторичная, третичная, четвертичная. Взаимосвязь
пеpвичной стpуктуpы и функции белка. Доменная структура
белков.
Выделяют 4 уровня структурной организации белковой
молекулы: первичный, вторичный, третичный, четвертичный.
Рис. 1.4. Строение полипептидной цепи
21
Первичная структура белка − это последовательность
чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
Пептидная связь формируется между α-карбоксильной
группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой.
Аминокислотный остаток, имеющий свободную αкарбоксильную группу, называется С-концевым, а имеющий
свободную α-аминогруппу − N-концевым.
Пептиды читаются и записываются с N-конца к С-концу.
При названии пептида все входящие в него аминокислоты
приобретают суффикс «ил», кроме С-концевого (например,
глутамилфенилаланилтреонин).
Пептидная связь является ковалентной и очень прочной,
может разрушаться только с помощью протеолитических
ферментов (пептидазы, пептидгидролазы).
Свойства пептидной связи:
Таблица 1.3.
Свойства пептидной связи
Копланарность – все атомы,
входящие в пептидную группу,
находятся в одной плоскости.
Способность существовать в двух
резонансных формах (кето- или
енольной) форме.
Транс-положение атомов
кислорода и водорода относительно
С-N связи.
Способность к образованию
водородных связей, причем каждая
из пептидных групп может
формировать две водородные связи.
22
Исключением является пептидная связь, образуемая
иминогруппой пролина, является исключением, т.к. формируется
только одна водородная связь, что сказывается на формировании
вторичной структуры белка.
Первичная структура каждого индивидуального белка
закодирована
в
участке
ДНК,
то
есть
является
детерминированной.
В
организме
человека
каждый
индивидуальный белок имеет уникальную первичную структуру,
и именно она и будет определять пространственную укладку
линейной пептидной цепи в более компактную трехмерную
структуру, которая называется конформацией белка.
Изменения и состава последовательности аминокислотных
остатков приводят к возникновению аномальных белков с
измененными биологическими свойствами, что может приводить
к развитию молекулярной патологии. Известное генетическое
заболевание – серповидно-клеточная анемия обусловлено
присутствием в эритроцитах аномального гемоглобина S. В β-цепи
гемоглобина S в шестом положении находится валин, а в
гемоглобине А (нормальном) – глутаминовая кислота. Замена
гидрофильной аминокислоты на гидрофобную приводит к
уменьшению растворимости гемоглобина в 100 раз. В результате
этого эритроциты, несущие гемоглобин S, деформируются и
приобретают форму серпа, что приводит к нарушению их
функции. При низком парциальном давлении кислорода такой
23
гемоглобин выпадает в осадок, эритроциты быстро разрушаются в
селезенке, и возникает анемия.
Вторичная структура представляет собой способ укладки
полипептидной цепи в пространственную структуру, которая
образуется благодаря взаимодействию между пептидными
группами.
При этом конфигурация вторичных структур может быть
двух типов: α-спираль и β-структура.
α-Спираль − это тип вторичной структуры белка, который
имеет вид регулярной спирали, образующейся благодаря
водородным связям между атомами кислорода карбонильных
групп и водорода амидного азота 4-ой от него аминокислоты. В
результате на каждый виток спирали приходится 3,6
аминокислотных остатка.
Особенности α-спирали:
1. спиральная конфигурация полипептидной цепи,
имеющая винтовую симметрию;
2. образование водородных связей между пептидными
группами каждого первого и четвертого аминокислотных
остатков;
3. регулярность витков спирали;
4. равнозначность всех аминокислотных остатков в αспирали независимо от строения из боковых радикалов;
5. боковые радикалы аминокислот не участвуют в
образовании α-спирали, т.к. направлены от пептидного остова в
стороны.
Но некоторые радикалы могут нарушать формирования αспирали:
- объемные
радикалы
(метионин,
фенилаланин)
механически нарушают формирование α-спирали;
- радикалы, несущие одинаковые заряды, т.к. между
ними возникают электростатические силы отталкивания.
Остаток пролина, который имеет кольцевую структуру,
прерывает α-спираль, т.к. у атома азота отсутствует водород и
образовать водородную связь невозможно.
24
Пептидный остов в месте, где располагается пролин, имеет
форму изгиба или петли, т.к. связь между азотом и α-углеродным
атомом входит в состав цикла пролина.
β- Структура − это тип вторичной структуры белка,
формирующаяся между линейными областями пептидного остова
одной или нескольких полипептидных цепей, образуя складчатые
структуры.
Разновидности β-структуры:
- кросс-β-форма (короткая β-структура, β-петля) −
ограниченные
слоистые
участки,
образуемые
одной
полипептидной цепью белка. Водородные связи здесь образуются
между пептидными группа петель полипептидной цепи;
- полная β-структура − характерна для всей
полипептидной цепочки, которая имеет вытянутую форму и
удерживается межпептидными водородными связями между
смежными параллельными полипептидными цепями.
Если N- и C-концы взаимодействующих пептидных цепей
совпадают, то формируется параллельная β-структура. Если Nи C-концы противоположно направлены, то β-структура
антипараллельная (рис 1.5).
В β-структурах, в отличие от α-спирали, разрыв водородных
связей не вызывает удлинение полипептидной цепи.
В белках возможен переход от α-спирали к β-структуре и,
наоборот, за счет перестройки водородных связей. Вместо
регулярных
межпептидных
водородных
связей
вдоль
полипептидной цепи происходит раскручивание спирализованных
участков и замыкание водородных связей между вытянутыми
участками цепи. Такой переход можно наблюдать в кератине −
белке волос.
25
Рис. 1.5. β-структура
Нерегулярные вторичные структуры
При разрушении регулярной вторичной структуры белка
рвутся водородные связи, и полипептидная цепь принимает форму
беспорядочного клубка. К нерегулярным вторичным структурам
относятся: петли, изгибы, повороты полипептидной цепи,
имеющие меньшую регулярность укладки, чем описанные выше
α-спираль и β-структура.
Глобулярные белки по наличию в них α-спирали и βструктуры можно разделить на 4 категории:
1. белки, имеющие в своей структуре только α-спираль
(парамиозин, миоглобин, гемоглобин);
2. белки, имеющие в своей структуре α-спираль и βструктуру (триозофосфатизомераза и домен пируваткиназы);
3. белки, имеющие в своей структуре только β-структуру
(иммуноглобулины, фермент супероксиддисмутаза);
4. белки, в составе которых имеется незначительное
количество регулярных вторичных структур (белки богатые
цистеином, металлопротеины).
Супервторичная структура – это более высокий уровень
организации белковой молекулы, представленный комплексом
взаимодействующих между собой вторичных структур.
Таблица 1.4.
26
Характеристика супервторичных структур
Название
Характеристика
Каждая β-структура расположена
внутри и связана α-спиральным
участком цепи, находящимся на
поверхности. Характерна для
некоторых ферментов –
триозофосфатизомеразы,
пируваткиназы.
«α-спираль- Одна α-спираль более длинная и
располагается в большой борозде
поворот-αДНК, взаимодействует с
спираль»
определенной
последовательностью
нуклеотидов в молекуле ДНК;
более короткая располагается
поперек малой бороздки ДНК.
Характерна для прокариот.
«Цинковые Структура, характерная для
ДНК-связывающих белков.
пальцы»
Пальцеобразные петли участка
цепи полипептида (20
аминокислотных остатков), в
которых атом цинка имеет
четыре связи с остатками
цистеина и гистидина пептидной
цепи ДНК-связывающих белков.
Например, рецепторы
стероидных гормонов,
участвующие в регуляции
транскрипции.
«Лейциновая На взаимодействующих
полипептидных цепях имеется αзастежка»
спиральный участок,
содержащий 4 остатка лейцина,
которые взаимодействуют с
лейциновыми остатками другой
цепи с помощью гидрофобных
взаимодействий. необходим для
димеризации и связывания с
ДНК, например, в белкахфакторах транскрипции.
α/β-бочонок
27
Схематичное
изображение
Третичная структура белков – это тип конформации,
который образуется за счет взаимодействия между боковыми
радикалами аминокислот, располагающихся на значительном
расстоянии друг от друга в полипептидной цепи (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Третичная структура белка
Связи, участвующие в стабилизации третичной структуры,
можно разделить на сильные (ковалентные) и слабые.
1. К ковалентным связям относятся:
дисульфидные – образуются между -SH группами
боковых радикалов остатков цистеина;
изопептидные
(псевдопептидные)
–
между
аминогруппами боковых радикалов лизина, аргинина и СООНгруппами боковых радикалов аспарагиновой, глутаминовой
кислот;
- эфирные – между СООН-группой дикарбоновых
(аспарагиновой,
глутаминовой)
и
ОН-группой
гидроксиаминокислот (серина, треонина).
2. К полярным (слабым) связям относятся:
28
- водородные – возникают между гидрофильными
незаряженными группами (такими как -ОН, -СО, -NH2, -SH);
- ионные – образуются между разнозаряженными
группами боковых радикалов – NH3+ (лизина, аргинина) и СОО(аспарагиновой и глутаминовой кислот).
3. Неполярные (ван-дер-ваальсовы) связи возникают между
углеводородными радикалами аминокислот. Ван-дер-ваальсовы
связи способствуют формированию гидрофобного ядра из
неполярных радикалов аминокислот (аланин, валин, фенилаланин)
внутри белковой глобулы.
Конформация
третичной
структуры
определяется
свойствами боковых радикалов аминокислот, входящих в состав
полипептидной цепи. При укладке полипептидная цепь принимает
энергетически выгодную форму. Неполярные радикалы образуют
гидрофобное ядро, а полярные (гидрофильные) радикалы
располагаются на поверхности.
Белки с одинаковой первичной структурой, которые
находятся в одинаковых условиях, приобретают одинаковую,
характерную для данного индивидуального белка конформацию,
которая и определяет способность белка выполнять свои
биологические функции. Функционально активная конформация
белка − это нативная конформация.
Поскольку белки состоят из большого количества атомов,
которые находятся в постоянном движении, то возможен разрыв
одних слабых связей и образование других, что приводит к
небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной
цепи. Свойство белков варьировать свою конформацию в
результате разрыва одних и образования других слабых связей
называется конформационной лабильностью.
29
К белкам с третичной структурой относятся, например,
миоглобин − белок мышечной ткани, связывающий кислород, и
ферменты (трипсин, пепсин).
В процессе формирования третичной структуры в белке
образуется активный центр, который сформирован радикалами
аминокислот и имеет уникальное строение. Уникальность
активного центра зависит не только от химических свойств
формирующих его аминокислот, но и от точной взаимной
ориентации их в пространстве. В основе функционирования
белков лежит присоединение к нему другого вещества, которое
называют лигандом. Лигандами могут быть неорганические
(часто ионы металлов) и органические вещества, как низко-, так и
высокомолекулярные.
Строение активного центра комплементарно структуре
лиганда,
что
обеспечивает
высокую
специфичность
взаимодействия.
Помимо пространственного соответствия, в активном
центре должны быть функциональные группы, которые способны
образовывать различные связи, удерживающие лиганд в активном
центре.
Иногда, если содержание аминокислотных остатков более
200, то трехмерная структура полипептидной цепи формируется в
виде двух и более доменов.
Домен − участок полипептидной цепи, который в процессе
формирования
пространственной
структуры
приобрел
конформацию глобулярного белка.
Например, трипсин − протеолитический фермент, который
необходим для переваривания белков в тонком кишечнике, имеет
двухдоменное строение, а активный центр располагается в
бороздке между двумя доменами.
Четвертичная структура белков − организация
нескольких полипептидных цепей с третичной структурой
(протомеров) в единую функциональную молекулу белка.
Субъединица или протомер − одна полипептидная цепь,
имеющая третичную организацию.
30
Белок, содержащий в своем составе несколько протомеров,
называется олигомерным. Число протомеров может быть разным:
у гемоглобина − 4 субъединицы, у цитохромоксидазы − 13.
На
контактных
участках
отдельных
протомеров
олигомерных белков происходят процессы присоединения и
узнавания. Эти участки состоят из радикалов аминокислот,
которые обеспечивают уникальность и специфичность данной
поверхности. Специфичность связывания контактных участков
обеспечивается их комплементарностью (пространственное и
химическое соответствие взаимодействующих поверхностей).
Гидрофобные радикалы аминокислот чаще располагаются в
области контактных поверхностей, образуя гидрофобное ядро
олигомерного белка. А полярные (гидрофильные) радикалы
участвуют в образовании ионных, водородных связей, а иногда и
дисульфидных связей, которые прочно удерживают протомеры.
4. Физико-химические свойства белков. Высаливание.
Денатурация. Свойства денатурированного белка и области
применения. Ренатурация
Аминокислотный состав и пространственная организация
каждого белка определяет его физико-химические свойства. Белки
обладают кислотно-основными, буферными, коллоидными и
осмотическими свойствами.
1. Белки являются амфотерными соединениями, т.е.
сочетают в себе кислотные и основные свойства. Но придают
кислотные основные свойства белкам не α-амино и αкарбокисильные группы, как в аминокислотах.
Кислотные свойства белку придают аминокислоты,
имеющие дополнительные СООН-группы в своем составе
(аспарагиновая, глутаминовая).
Основные свойства белку придают аминокислоты,
имеющие функциональные группы с щелочными свойствами
(аргинин, лизин, гистидин).
Чем больше кислых аминокислот содержится в белке, тем
сильнее выражены его кислотные свойства. Чем больше входит в
состав основных аминокислот, тем ярче выражены основные
свойства.
31
2. Белок обладает буферными свойствами за счет своей
амфотерности, т.е. способностью связывать как кислые, так и
основные метаболиты, обеспечивая постоянную величину рН в
интервале значений, близких к физиологическим. Гемоглобиновая
буферная система является одной из мощнейших в организме.
3. Коллоидно-осмотические свойства белков. Как
известно, обычные коллоидные растворы устойчивы только в
присутствии стабилизатора, которые препятствует осаждению
коллоидов. Водные растворы белков являются устойчивыми и
равновесными, они со временем не осаждаются и не требуют
присутствия стабилизатора. Белковые растворы гомогенны, и их
можно отнести к истинным растворам, но высокая молекулярная
масса белков придает их растворам многие свойства коллоидных
систем:
- характерные оптические свойства. Растворы белков
обладают опалесценцией, т.е. при боковом освещении лучи света
в них становятся видимыми и образуют светящийся конус –
эффект Тиндаля. Белок в протоплазме клеток находится в виде
коллоидного раствора − золя;
- малая скорость диффузии. Диффузией называется
самопроизвольное перемещение молекул вещества внутри
раствора в соответствии с градиентом концентрации. Скорость
диффузии белков больше зависит от формы их молекулы
(глобулярные белки в водных растворах подвижнее, чем
фибриллярные). От диффузии белков зависит нормальное
функционирование клетки;
- неспособность проникать через полупроницаемые
мембраны. Белки не проходят через клеточные мембраны и
притягивают к себе воду, которая способна проникать через
мембрану как низкомолекулярное вещество. Этот процесс
называется диализом. Неспособность белков проникать через
полунепроницаемые мембраны вызывает явление осмоса, т.е.
перемещение воды через полунепроницаемую мембрану в
растворе белка. Если попытаться отделить раствор белка от воды
целлофановой мембраной, то молекулы воды продолжат
диффундировать в раствор белка, но при этом движение воды к
белку повышает в нем гидростатическое давление, которое
32
останавливает диффузию молекул воды. Следовательно, то
давление, или сила, которое следует приложить, чтобы остановить
осмотический ток воды, называется осмотическим давление. Чем
больше белок связывает молекул воды, тем больше у него
осмотическое давление. Осмотическое давление, обусловленное
белками, называется онкотическим давлением;
- высокая вязкость растворов. С увеличением
концентрации белка вязкость раствора повышается, поскольку
повышаются силы сцепления между молекулами белка. Растворы
фибриллярных белков более вязки, чем растворы глобулярных;
- способность к образованию гелей. Взаимодействие между
макромолекулами белка в растворе может привести к образованию
структурных сеток, внутри которых находятся захваченные
молекулы воды. Такие структурированные системы называются
гелями.
В
процессе
жизнедеятельности
организма
гелеобразование имеет важное значение. Например, коллагеновые
белки костей, сухожилий, хрящей обладают высокой прочностью,
упругостью и эластичностью, так как находятся в гелеобразном
состоянии.
Гидратация белков – это связывание молекул воды с
белком. Молекулы воды, являясь диполем, электростатически
взаимодействуют с полярными (имеющими заряд) боковыми
аминокислотными радикалами, образуя гидратную оболочку. Чем
больше в белке полярных (заряженных) аминокислотных
остатков, тем лучше растворимость белка.
Таким образом, растворимость белка зависит от величины
заряда и гидратной оболочки.
Высаливание – это процесс осаждения белков
нейтральными солевыми растворами. И это используется для
избирательного
осаждения
разных
белков,
т.е.
их
фракционирования.
Характерной
особенностью
белков,
полученных высаливанием, является сохранение ими нативных
биологических свойств после удаления соли.
Механизм высаливания состоит в том, что добавляемые
анионы и катионы солевого раствора снимают гидратную
оболочку белков, являющуюся одним из факторов его
устойчивости. Одновременно происходит и нейтрализация
33
зарядов белка ионами соли, что также способствует осаждению
белков.
Способность к высаливанию наиболее выражена у анионов
солей. По силе высаливающего действия анионы и катионы
располагаются в следующие ряды:
SO42- > C6H5O73- > CH3COO- > Cl- > NO3- > Br- > I- > CNS𝐿𝑖+ > 𝑁𝑎+ > 𝐾+ > 𝑅𝑏+ > 𝐶𝑠+
Эти
ряды
называются
лиотропными.
Сильным
высаливающим эффектом в этом ряду обладают сульфаты. На
практике для высаливания белков чаще всего применяют сульфат
натрия и аммония. Кроме солей, белки осаждают органическими
водоотнимающими средствами (этанол, ацетон, метанол и др.).
Высаливание широко используют для разделения и очистки
белков, поскольку многие белки различаются по размеру
гидратной оболочки и величине зарядов. Для каждого из них
имеется своя зона высаливания, т. е. концентрация соли,
позволяющая дегидратировать и осадить белок. После удаления
высаливающего агента белок сохраняет все свои природные
свойства и функции.
Денатурация – явление, при котором белок под действием
денатурирующих агентов теряет свои нативные физикохимические и биологические свойства за счет разрыва связей в
четвертичной, третичной, вторичной структуре с сохранением
первичной структуры.
Денатурирующие агенты делятся на физические и
химические. К физическим относятся температура (свыше 600С
или низкие температуры), давление, ультразвуковое и
ионизирующее излучение, механическое воздействие.
К химическим агентам относятся кислоты и щелочи,
органические растворители (спирт, ацетон), соли тяжелых
металлов (ртуть, цинк, медь), некоторые амиды (мочевина).
Механизм действия денатурирующих агентов различен:
спирты разрушают гидрофобные и водородные связи, соли
тяжелых металлов образуют нерастворимые соли с белками.
34
В медицине денатурирующие агенты используют для
стерилизации медицинского оборудования в автоклавах с
помощью высоких температур и давления; в качестве
антисептических средств для обработки поверхностей (хлорамин).
Свойства денатурированных белков:
1. увеличение числа реактивных функциональных групп.
Это становится возможным при раскручивании полипептидной
цепи, т.к. функциональные группы (-COOH, -SH, -OH) боковых
радикалов в нативной молекуле обычно находятся внутри
молекулы и участвуют в образовании связи.;
2. уменьшение растворимости и осаждение белка. Связано с
потерей гидратной оболочки, с развертыванием гидрофобных
радикалов и нейтрализацией полярных групп;
3. изменение конфигурации молекулы;
4. потеря биологической активности вследствие нарушения
нативной структуры;
5. более легкое расщепление протеолитическими
ферментами по сравнению с нативным белком.
Ренатурация – процесс восстановления физикохимических и биологических свойств денатурированного белка.
Этот процесс был описан в опыте с ферментом
рибонуклеазой и мочевиной. Обработка рибонуклеазы мочевиной,
которая разрывает водородные связи, и β-меркаптоэтанолом,
который разрывает дисульфидные связи, приводит к денатурации
и потере ее активности. Удаление же денатурирующих агентов
диализом приводит к восстановлению нативной структуры
рибонуклеазы.
Этот опыт показывает, что в первичной структуре белка уже
заложена информация о его конформации и биологической
функции, что позволяет белку восстановить свою нативную
структуру после денатурации.
5. Понятие о простых и сложных белках. Гистоны,
альбумины, глобулины: характеристика и биологическая
роль.
По структурным признакам белки принято делить на две
большие группы: простые белки, которые состоят из
35
полипептидной цепи, и сложные белки, которые, кроме
аминокислот, содержат небелковые (простетические) группы.
К простым белкам относятся: альбумины, глобулины,
гистоны.
Гистоны – это тканевые белки с молекулярной массой 1121 кДа, обладающие выраженными основными свойствами из-за
большого содержания лизина и аргинина. Гистоны имеют
третичную структуру. У человека различают пять основных видов
гистонов: H1, H2а, H2b, H3 и H4 (классификация основана на
соотношении аминокислот лизина и аргинина в их составе).
Гистоны, имеющие положительно заряженные молекулы,
образуют ионные связи с отрицательно заряженными
фосфатными группами, которые расположены на внешней
стороне двойной спирали ДНК.
Гистоны H2а, H2b, H3и H4 образуют октамерный комплекс –
нуклеосомный кор, молекула ДНК накручивает на него, образуя
нуклеосому. ДНК, которая связывает нуклеосомные частицы,
называется линкерной. Молекулы гистонов H1 связываются с
ДНК в линкерных участках и защищают их от действия нуклеаз.
Главные функции гистонов – структурная и регуляторная.
Структурная функция заключается в том, что гистоны
участвуют в стабилизации пространственной структуры ДНК.
Регуляторная функция состоит в способности блокировать
передачу генетической информации от ДНК к РНК
(транскрипция).
Альбумины и глобулины – это глобулярные белки,
широко распространенные в организме человека. Большое их
содержание в плазме крови и других тканях организма (табл. 1.5).
Разделить альбумины и глобулины можно с помощью
электрофореза, так как они обладают разной электрофоретической
подвижностью. Наибольшей скоростью обладают альбумины, при
этом глобулины делятся на три электрофоретические фракции: αглобулины (α1, α2), β-глобулины (β1, β2), γ-глобулины.
Протеинограмма – процентное распределение белков
сыворотки крови (см. вопрос 8).
При многих заболеваниях часто изменяется процентное
соотношение отдельных белковых фракций, при этом общее
36
содержание белка в сыворотке крови может оставаться в пределах
нормы. Такое состояние носит название «диспротеинемия».
В клинической практике может встретиться и определение
альбумино-глобулинового коэффициента (А/Г), референсное
значение которого – 2,5 до 3,5. Повышение или понижение А/Г
может свидетельствовать о том или ином патологическом
состоянии.
37
Таблица 1.5.
Сравнительная характеристика альбуминов и глобулинов
Характеристика
Молекулярная масса
Место синтез
Альбумины
15-70 тыс. Да
Печень
Растворимость
В воде, солевых растворах
Содержание в плазме 35-60 г/л
крови
Кислотно-основные
Кислые (большое содержание глутамата)
свойства
Высаливание
Сильногидратированные, 100% насыщ. р-р соли
Функции
1. Транспортная (переносят различные химические
вещества – билирубин, желчные кислоты, Са2+,
некоторые лекарственные препараты)
2.
Создание
и
поддержание
коллоидноосмотического (онкотического) давления и рН
крови
3. Обезвреживающая (благодаря функциональным
группам аминокислот, альбумины связывают
токсические соединения – тяжелые металлы,
алкалоиды)
4. Резервная. Альбумины являются важнейшим
резервом белка в организме
38
Глобулины
100-140 тыс. Да
В основном в печени, а также
селезенка, тимус
Нерастворимы
в
воде,
растворимы в слабых солевых
растворах
25-35 г/л
Слабокислые, нейтральные
Слабогидратированные,
50%
насыщ. р-р соли
1.
Транспортная
(перенос
металлов, гормонов и других
органических веществ
2. Защитная функция связана со
структурой
γ-глобулинов
(антител)
3. Поддержание онкотического
давления и рН, но в меньшей
степени, чем альбумины
6. Сложные белки: определение, классификация.
Гликопротеины: строение, свойства и функции
Сложные белки состоят из белковой части (апопротеина) и
небелковой части (простетической группы).
В зависимости от строения простетической группы сложные
белки делятся на 6 групп:
- углевод-белковые комплексы (гликопротеины и
протеогликаны);
- липид-белковые
комплексы
(липопротеины
и
протеолипиды);
- фосфопротеины;
- нуклеопротеины;
- кофакторпротеины;
- металлопротеины.
Гликопротеины – это сложные белки, содержащие
гетерополисахаридные цепи нерегулярного строения. На долю
белка приходится 80-90% массы молекулы.
В состав углеводной части могут входить разные
моносахара:
- галактоза;
- глюкоза;
- манноза;
- N-ацетилглюкозамин;
- N-ацетилгалактозамин;
- N-ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота.
К белку углеводная часть присоединяется ковалентной
связью, которая бывает двух видов (рис. 1.11):
- О-гликозидная связь (образуется за счет ОН- группы
серина или треонина);
- N-гликозидная связь (образуется за счет амидной группы
аспарагина).
39
Рис. 1.11. Виды гликозидных связей в молекуле гликопротеина
Наличие углеводного компонента придает белковой
молекуле важные отличительные свойства:
1) термостабильность – устойчивость к воздействию
высоких или низких температур;
2) устойчивость к действию протеолитических
ферментов. Например, внутренний фактор Кастла, необходимый
для транспорта витамина В12 в клетки кишечника, является
гликопротеином,
поэтому
он
устойчив
к
действию
пищеварительных протеиназ. Если его углеводная часть
разрушается, то он быстро переваривается;
3) высокая специфичность – способность узнавать и быть
узнанными.
Функции гликопротеинов:
1. структурная (гликопротеины клеточных мембран,
коллаген, эластин, костный матрикс, фибрин);
2. гормональная (фоллитропин, лютропин, тиреотропин);
3. ферментативная (холинэстераза, аденилатциклаза);
4. транспортная (трансферрин, гаптоглобин, транскортин);
5. защитная, «смазочная» (муцин слюны, гликопротеины
слизистых секретов, например, желудка);
6. иммунологическая (иммуноглобулины, антигены
гистосовместимости, комплемент, интерферон; гликофорин –
белок эритроцитарных мембран – определяет группу крови
(АВО));
7. рецепторная:
а) рецепторы гормонов, например, инсулина, тиреотропина;
б) рецепторы, распознающие места клеточных контактов.
Например, фибронектин, белок плазматической мембраны,
40
обеспечивает связывание однотипных клеток друг с другом.
Эти механизмы узнавания участвуют в таких процессах, как
гистогенез и морфогенез.
Следует
различать
понятия
гликопротеины
и
гликированные (гликозилированные) белки. В гликопротеинах
углеводная часть присоединяется ферментативным путем и
необходима для нормального функционирования молекулы. А в
гликированных белках углеводная часть присоединяется
нефермерментативно, нарушая функционирование белков. Такое
возможно при избыточном содержании глюкозы в крови
(сахарный диабет). Например, гликирование гемоглобина
повышает его сродство к кислороду, что приводит к развитию
тканевой гипоксии.
7. Сложные белки: определение, классификация.
Фосфопротеины: строение, свойства, функции.
Сложные белки: определение, классификация (см. вопрос
№11).
Фосфопротеины – это сложные белки, в которых остаток
фосфорной кислоты соединен эфирной связью с гидроксильной
группой серина, треонина и реже тирозина.
Присоединение фосфорной кислоты (фосфорилирование
белков)
осуществляют
протеинкиназы,
придавая
ему
дополнительный отрицательный заряд, изменяют конформацию
белковой молекулы и ее функцию.
Одни ферменты при фосфорилировании активируются
(например, гликогенфосфорилаза), другие – становятся
неактивными (например, гликогенсинтаза). Изменение активности
фермента, вызванное фосфорилированием, обратимо (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Пример реакции фосфорилирования
Отщепление остатка фосфорной кислоты осуществляется
ферментами протеинфосфатазами, а процесс называется
дефосфорилированием (рис. 1.13).
41
Рис. 1.13. Пример реакции дефосфорилирования
Примеры
изменение
активности
ферментов
фосфорилировании и дефосфорилировании (рис. 1.14).
при
Рис. 1.14. Примеры изменения активности ферментов путем
фосфорилирования/дефосфорилирования
Процессы
фосфорилирования /
дефосфорилирования
регулируются гормонами: глюкагон активирует протеинкиназу, а
значит и фосфорилирование белков, инсулин, наоборот, повышает
активность протеинфосфатазы, а значит – дефосфорилирование
белков.
Таким образом, фосфорилирование белков является одним
из основных способов регуляции метаболической активности
клетки.
8. Сложные белки: определение, классификация.
Липопротеины: характеристика, биологические функции
Сложные белки: определение, классификация (см. вопрос
№11).
Липопротеины (ЛП) – растворимые в воде комплексе,
состоящие из белковой части (аполипопротеина) и простетической
группы – липида (рис. 1.15).
42
Рис. 1.15. Строение липопротеина
Наружная часть (оболочка) представлена полярными
соединениями (гидрофильными и амфифильными): белки,
фосфолипиды, свободный холестерин. В центре частицы
находятся эфиры холестерина, триацилглицирины (ТАГ), образуя
гидрофобное ядро.
Классификация липопротеинов:
1) по электрофоретической подвижности (чем больше белка
и меньше размер, тем выше скорость): хиломикроны, пре-β-ЛП
(ЛПОНП), β-ЛП (ЛПНП), α-ЛП (ЛПВП) (рис 1.16).
Рис. 1.16. Электрофоретическая подвижность липопротеинов
2) по величине плотности (чем больше липидов, тем ниже
плотность и тем быстрее они всплывают при центрифугировании)
их можно разделить на 5 основных типов липопротеинов:
хиломикроны, липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП),
липопротеины промежуточной плотности (ЛППП), липопротеины
низкой плотности (ЛПНП), липопротеины высокой плотности
(ЛПВП).
Таблица 1.6.
43
Сравнительная характеристика липопротеинов
Состав
Хиломикроны ЛПОНП ЛПНП ЛПВП
Апопротеин
2%
10%
25%
50%
Триглицериды
90%
60%
10%
3%
Холестерин
5%
15%
55%
20%
Другие липиды 3%
15%
10%
25%
Характеристика липопротеинов.
1) Хиломикроны (ХМ) – самые большие по размеру.
Представляют собой капли триацилглицеринов, окруженных
очень тонким слоем белка. Синтезируются в слизистой тонкого
кишечника во время пищеварения и транспортируют пищевые
липиды (экзогенные липиды, в основном ТАГ) из кишечника через
лимфу в кровь. Большой размер ХМ не позволяет им проникать
через стенки кровеносных капилляров. Маркерный белок – апоВ48.
2) ЛПОНП (пре-β-липопротеины) синтезируются в клетках
печени и транспортируют ТАГ (эндогенные липиды, в основном
ТАГ) из печени в кровь. Маркерный белок – апоВ-100.
3) ЛППП – промежуточная форма превращения ЛПОНП в
ЛПНП под действием фермента липопротеинлипазы (ЛПЛ). ЛПЛ
разрушает ТАГ на глицерин (свободно перемещается по крови) и
свободные жирные кислоты (транспортируются альбуминами).
4) ЛПНП – (β-липопротеины) содержат 60-70% всего
холестерина плазмы крови и доставляют его к клеткам
периферических тканей, где он используется для синтеза
стероидов и построения мембран. Эту фракцию липопротеинов
называют атерогенной. Повышение ЛПНП ведет к развитию
атеросклероза. Маркерный белок – апоВ-100.
Синтезируются в плазме крови из ЛПОНП и ЛППП. (рис.
1.17)
44
Рис. 1.17. Синтез ЛПНП из ЛПОНП
5) ЛПВП (α-липопротеины). Предшественники ЛПВП
образуются преимущественно в печени и, в отличие от других ЛП,
содержат почти 50% белка, маркерными являются апоА-I и апоАII. ЛПВП называют антиатерогенной фракцией, так как
предотвращают накопление избытка холестерина в клетках,
перенося его в печень, т.е. играют роль уборщиков свободного
холестерина, избыток которого они собирают с поверхности
периферических клеток. На поверхности ЛПВП работает
специальный фермент лецитин-холестерин-ацилтрансфераза
(ЛХАТ).
Эфир холестерин погружается в ядро ЛПВП, а в оболочке
освобождается место для следующей молекулы ХС.
9. Гемпротеины: общая характеристика. Миоглобин:
структура и функция
Гемпротеины – сложные белки, которые относятся к
окрашенным кофакторпротеинам (хромопротеинам), состоящие
из небелковой части – гема и белковой – глобина.
Гемпротеины можно разделить на неферментативные
(гемоглобин, миоглобин) и ферментативные (цитохромы,
каталаза, пероксидаза).
Простетическая группа гемпротеинов представлена гемом.
Гем – лиганд, включающий в себя порфириновое кольцо и
ион Fe2+. Порфириновое кольцо является производным
тетрапиррольного соединения – порфирина, который состоит из
четырех замещенных пирролов, соединенных между собой
метиленовыми мостиками. Незамещенный порфирин называется
порфином. В молекуле гема порфин представлен в виде
протопорфирина IX, содержащего четыре метильные группы, две
45
винильные группы и два остатка пропионовой кислоты.
Протопорфирин, присоединяя железо, превращается в гем.
Железо в геме находится в восстановленном состоянии и
имеет степень окисления +2 и координационное число «6».
Железо связывается с порфириновым кольцом двумя
координационными, двумя ковалентными связями. Из двух
неиспользованных координационных связей одна идет на
соединение с белком, а вторая – на соединение с лигандами (рис.
1.18).
Рис. 1.18. Строение гема IX
Миоглобин – сложный белок, состоящие из белковой
(апомиоглобин) и небелковой части (гем). Миоглобин имеет
третичную организацию белковой молекулы.
Первичная
структура
апомиоглобина
представлена
полипептидной последовательностью, состоящей из 153
аминокислотных остатков, которая уложена во вторичной
структуре в 8 α-спиралей. α-Спирали обозначаются латинскими
46
буквами от А до Н. Третичная структура представлена компактной
глобулой.
Гем присоединяется к апомиоглобину в активном центре, в
который входят гидрофобные радикалы аминокислот и 2 остатка
гистидина (Гис Е7 и Гис F8). Остатки гистидина играют важную
роль в функционировании миоглобина. Гис F8 связывается
координационной связью с атомом железа в геме. Гис Е7 не
связывается с гемом, но обеспечивает правильную ориентацию и
присоединение кислорода к миоглобину.
Миоглобин – белок, локализующийся в красных мышцах, в
особенности в миокарде. Миоглобин запасает кислород для
аэробного митохондриального окисления при интенсивной
физической работе и транспортирует О2 внутриклеточно к
митохондриям, восполняя временную нехватку кислорода.
Оксигенирование миоглобина в мышцах происходит
быстро, даже при низком парциальном давлении (20 мм.рт.ст.).
Сродство к О2 у миоглобина выше, чем у гемоглобина. При
интенсивной физической работе, приводящей к дефициту
кислорода, оксимиоглобин переносит его к митохондриям и
отдает кислород в матрикс. В матриксе митохондрий присутствует
фермент цитохромоксидаза, имеющий еще большее сродство к О2,
чем у миоглобина, и использующий кислород в качестве
акцептора электронов, таким образом, дыхательная цепь
функционирует нормально и создаются условия для синтеза АТФ.
10. Гемоглобин: структура и функции. Производные
гемоглобина. Типы гемоглобина. Гликированный гемоглобин
Гемоглобин имеет 4 уровня организации белковой
молекулы и первые 3 сходны с миоглобином (рис. 1.19).
Первичная
структура представлена полипептидной
последовательностью. У гемоглобина взрослого человека – это две
α-цепи и две β-цепи. Они различаются по длине и структуре
полипептидной цепи: α-цепи содержат по 141 аминокислотному
остатку, β-цепи – по 146.
Третичная структура представляет собой глобулу с
гидрофобным ядром и центром связывания с гемом.
47
Рис. 1.19. Строение гемоглобина
Гем (см. вопрос 14).
Четвертичная структура гемоглобина похожа на тетраэдр.
Субъединицы располагаются попарно.
Между разнородными субъединицами, т. е. между альфа1субъединицей, с одной стороны, и бета1-, бета2-субъединицами –
с другой очень много ван-дер-ваальсовых связей. Такие же связи
удерживают вместе альфа2- и бета2-субъединицы. Связи между
субъединицами одного типа имеют ионный (солевой) характер. Но
число их непостоянно и зависит от числа присоединившихся к
гему молекул кислорода.
Производные гемоглобина:
Молекула гемоглобина может взаимодействовать с
различными лигандами (рис. 1.20).
• Гемоглобин, связанный с кислородом, называется
оксигемоглобином.
• Гемоглобин, не связанный с кислородом, называется
дезоксигемоглобином.
• Гемоглобин, связанный с СО (угарным газом),
называется карбоксигемоглобином. Гемоглобин после связывания
с СО не способен переносить кислород, т.к. сродство гемоглобина
к угарному газу в 300 раз выше, чем к кислороду.
48
• При отравлении парами нитробензола, окислами азота,
а также при поступлении в организм других окислителей
образуется метгемоглобин, при этом Fe2+ переходит в Fe3+. Эта
форма гемоглобина не способна переносить кислород, а реакция
перехода в метгемоглобин необратима.
• Метгемоглобин
может
связывать
цианиды
с
образованием цианметгемоглобина. Это свойство метгемоглобина
используется при лечении отравлений цианидами.
• Связывание гемоглобина с углекислым газом приводит
к образованию карбгемоглобина, но углекислый газ связывается
не с гемом, а с NH2-группой глобина.
Рис. 1.20. Производные гемоглобина
Типы гемоглобина:
- физиологические образуются на разных этапах
нормального развития организма;
- аномальные образуются вследствие нарушений
последовательности аминокислот в глобине физиологических
типов гемоглобина.
Физиологические типы гемоглобина
1. Эмбриональный гемоглобин (HbP) синтезируется в
раннем эмбриогенезе с 3-4 по 12-14 недели беременности в очагах
кроветворения желточного мешка эмбриона. Выделяют несколько
49
видов эмбрионального гемоглобина: Говер-1 – (4ε (эпсилон) цепи),
Говер-2 – 2α и 2ε цепи, Портланд (2ζ (дзета) и 2γ цепи).
2. Фетальный гемоглобин (HbF) – синтезируется в печени и
костном мозге плода с 12 недели беременности и до рождения
плода. Состоит из 2 α и 2 γ цепей. Фетальный гемоглобин является
основным типом гемоглобина у плода и составляет к моменту
рождения 70-80% всего гемоглобина. Имеет более высокое
сродство к кислороду по сравнению с гемоглобином А.
3. Гемоглобин А (HbA) – главный тип гемоглобина
взрослого человека, составляющий до 98% от общего. Состоит из
2 α и 2 β цепей. Начинает синтезироваться уже 6-8 недели
беременности, но до 36 недели, его концентрация составляет 510%.
4. Гемоглобин А2 (HbА2) – содержится в организме
взрослого человека в меньшей концентрации, но обладает
большим сродством гемоглобина к кислороду, чем гемоглобин А1,
состоит из 2 α и 2 δ цепей.
При старении эритроцитов появляется в небольших
количествах НЬА3, у которого имеются изменения в строении
бета-цепей.
Аномальные типы гемоглобина
1. Гемоглобин S (HbS) – образуется у больных с серповидноклеточной анемией. В гемоглобине S глутаминовая кислота в 6-й
позиции β-цепи глобина замещена на валин. В результате
растворимость гемоглобина снижается и молекулы гемоглобина
начинают слипаться, деформируя эритроциты, что приводит к
образованию аномальных эритроцитов в виде серпа. Такие
эритроциты не проходят через капилляры тканей, они часто
тромбируют сосуды и создают гипоксию. Снижается
растворимость
2. Гемоглобин Барта – состоит из 4 γ-цепей.
3. Талассемия. Для талассемий характерно снижение
синтеза α-цепей гемоглобина (α-талассемия) или β-цепей (βталассемия). Это приводит к нарушению эритропоэза, гемолизу и
тяжелым анемиям.
Концентрация гемоглобина в норме в крови взрослых
людей: у женщин – 120 -140 г/л, у мужчин – 130 – 160 г/л.
Функции гемоглобина:
50
1. перенос кислорода из легких к периферическим органам
и тканям;
2. участие в переносе углекислого газа и протонов водорода
из тканей в легкие для выведения из организма;
3. участвует в поддержании постоянства pH, входя в состав
гемоглобиновой буферной системы.
11. Функционирование олигомерных белков на примере
гемоглобина.
Регуляция
связывания
кислорода
с
гемоглобином в тканях
Кислород связывается с протомерами гемоглобина через
железо, которое соединено с 4 атомами азота пиррольных колец и
атомом азота Гис F8 белковой части протомера. Связывание
кислорода с оставшейся координационной связью железа
происходит по другую сторону от плоскости гема. Гис Е 7
обеспечивает оптимальные условия. Присоединение кислорода к
атому железа одного протомера вызывает его перемещение в
плоскость гема, за ним перемещаются остаток Гис F8 и
полипептидная цепь (рис. 1.21).
Рис. 1.21. Изменение формы субъединиц гемоглобина при
присоединении и отщеплении кислорода
Так как протомер связан с остальными протомерами, а белки
обладают
конформационной
лабильностью,
происходит
изменение конформации всего белка. Конформационные
изменения, произошедшие в других протомерах, облегчают
присоединение следующей молекулы кислорода, что вызывает
новые конформационные изменения в белке и ускорение
51
связывания следующей молекулы кислорода. Четвертая молекула
кислорода присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче первой.
Изменение
конформации
(а,
следовательно,
и
функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка
при присоединении лиганда только к одному из них носит
название кооперативные изменения конформации протомеров
(рис. 1.22).
Рис. 1.22. Схема кооперативного взаимодействия субъединиц
гемоглобина
Дезоксиформа гемоглобина обозначается как Т-форма,
напряженная (англ. tense), она обладает существенно более низким
сродством к кислороду. Оксигенированная форма, или R-форма
(англ. relaxed), обладает высоким сродством к кислороду.
Высокое парциальное давление СО2, образующееся в тканях
в результате метаболических процессов, способствует отдаче О2
тканям. Часть СО2 диффундирует в эритроциты, где,
взаимодействуя с водой, под влиянием фермента карбоангидразы,
превращается в угольную кислоту (Н2СО3), которая диссоциирует
на Н+ и НСО3-. Образующиеся протоны водорода понижают рН в
эритроците и, присоединяясь к оксигемоглобину, изменяют его
конформацию, способствуя дезоксигенации (отдаче кислорода)
(рис. 1.23). Увеличение освобождения кислорода гемоглобином в
зависимости от концентрации протонов водорода называется
эффектом Бора.
52
Рис. 1.23. Проявление эффекта Бора
В капиллярах легких высокое парциальное давление
кислорода приводит к оксигенированию гемоглобина и удалению
протонов водорода, что смещает реакцию в сторону образования
CO2 и выведению его из организма.
Роль 2,3-дифосфоглицерата
2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в
реакциях, получивших название шунт Раппопорта.
2,3-дифосфоглицерат располагается в центральной полости
тетрамера дезоксигемоглобина и связывается с β-цепями, образуя
поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих βцепей, также аминогруппами радикалов лизина и гистидина.
Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении
сродства гемоглобина к кислороду, что имеет особенное значение
при подъеме на высоту и при нехватке кислорода во вдыхаемом
воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в
легких не нарушается, так как концентрация его относительно
высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача
кислорода возрастает в 2 раза.
Таким образом, гемоглобин может присоединять к
специфическим участкам различные лиганды: О2, СО2, Н+ и 2,3бифосфоглицерат. Все эти факторы воздействуют на
конформацию гемоглобина, что позволяет ему регулировать
обеспечение кислородом тканей по их потребности в нем, а также
участвовать в поддержании кислотно-основного равновесия в
организме.
12. Нуклеопротеины, нуклеиновые кислоты: общая
характеристика, строение и биологические функции. Физикохимические свойства нуклеиновых кислот
Нуклеопротеины – сложные белки, состоящие из белковой
и небелковой части – нуклеиновой кислоты. Составляют основную
часть клеточного ядра. Они легко выделяются из тканей богатых
ядерным веществом (семенники, сперматозоиды). Они является не
только структурными элементами клетки, её ядра и цитоплазмы,
но и выполняют важнейшие специфические функции в живом
53
организме. Деление клеток, биосинтез белков, передача
наследственной информации тесно связаны с нуклеопротеинами,
в частности с входящими в ее состав нуклеиновыми кислотами.
Нуклеиновые
кислоты
(ДНК
и
РНК)
–
высокомолекулярные соединения, построенные из большого
числа мононуклеотидов, обладающие сложной пространственной
структурой и осуществляющие хранение и реализацию
наследственной информации.
Нуклеотид состоит из трех компонентов: пуринового или
пиримидинового азотистого основания, сахара (рибозы или
дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.
Нуклеозид – это азотистое основания, соединенное с
пентозой.
Азотистые основания нуклеиновых кислот делятся по
химическому строению на две группы – пуриновые и
пиримидиновые. К пуриновым относятся аденин и гуанин (рис.
1.24); к пиримидиновым – цитозин, урацил и тимин (рис. 1.25).
Рис. 1.24. Пуриновые основания
Рис. 1.25. Пиримидиновые основания
54
В ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин, а в РНК —
все те же основания, за исключением тимина, который заменен
урацилом.
Важной особенностью их является способность к лактамлактимной таутомерии (рис. 1.26).
Рис. 1.26. Лактам-лактимная таутомерия
Выделяют так же минорные азотистые основания, входящие
в состав нуклеиновых кислот (рис. 1.27).
Рис. 1.27. Минорные основания
Нуклеозиды
Вещества, в которых азотистые основания соединены с
пентозой, называются нуклеозидами. Нуклеозиды относятся к Nгликозидам. У них атом С-1 пентозы связан с N-9 пурина или N-1
пиримидина. В зависимости от типа пентозы различают два вида
нуклеозидов — дезоксирибонуклеозиды, содержащие 2дезоксирибозу, и рибонуклеозиды, содержащие рибозу.
55
Нуклеотиды
Нуклеотиды
представляют
собой
соединения
соответствующего типа нуклеозида с фосфорной кислотой. Они
также делятся на рибонуклеотиды, содержащие рибозу, и
дезоксирибонуклеотиды, содержащие 2'-дезоксирибозу. Ниже
приведено строение адениловых нуклеотидов.
Рис. 1.28. Строение нуклеозида и нуклеотида
Производные нуклеотидов
Среди производных нуклеотидов можно выделить
циклические нуклеотиды, которые являются вторичными
посредниками гормонов и участвуют в регуляции обмена веществ
в клетке. Большая группа производных нуклеотидов служит
коферментами различных ферментов, участвуя в многочисленных
реакциях превращения веществ (рис. 1.29).
56
Рис. 1.29. Производные нуклеотидов
Пуриновые
Физико-химические свойства нуклеиновых кислот
Для нуклеиновых кислот характерны коллоидные и
осмотические свойства, высокая вязкость и плотность растворов,
оптические свойства, способность к денатурации.
Таблица 1.7.
Номенклатура азотистых оснований
АЗОТИСТОЕ
ОСНОВАНИЕ
АДЕНИН
НУКЛЕОЗИД (+рибоза/
НУКЛЕОТИД (+фосфат)
дезоксирибоза)
АДЕНОЗИН*
АДЕНОЗИНмонофосфат
(АМФ)*; дифосфат (АДФ);
трифосфат (АТФ).
ГУАНИН
ГУАНОЗИН
ГУАНОЗИНмонофосфат
(ГМФ),…
ГИПОКСАНТИН
ИНОЗИН
ИНОЗИНмонофосфат (ИМФ),…
57
Пиримидиновые
УРАЦИЛ
УРИДИН
УРИДИНмонофосфат (УМФ),…
ЦИТОЗИН
ЦИТИДИН
ЦИТИДИНмонофосфат
(ЦМФ),…
ТИМИН
ТИМИДИН
ТИМИДИНмонофосфат
(ТМФ),…
* – если сахар дезоксирибоза – дезоксиАДЕНОЗИН, дАМФ.
1.
Коллоидные
свойства
типичны
для
всех
высокомолекулярных соединений. При растворении нуклеиновые
кислоты набухают и образуют вязкие растворы типа коллоидов.
Гидрофильность их зависит в основном от фосфатов.
Растворимость двуспиральных нуклеиновых кислот хуже, чем
односпиральных.
2. Денатурация и ренатурация. Денатурация – свойство,
присущее
тем
макромолекулам,
которые
имеют
пространственную организацию. Денатурация вызывается
нагреванием, воздействием химических веществ, которые
разрывают
водородные
и
ван-дер-ваальсовы
связи,
стабилизирующие
вторичную
и
третичную
структуру
нуклеиновых кислот. Например, нагревание ДНК приводит к
разделению двойной спирали на одиночные цепи, т. е.
наблюдается переход «спираль-клубок». При медленном
охлаждении цепи вновь воссоединяются по принципу
комплементарности. Образуется нативная двойная спираль ДНК.
Это явление называется ренатурацией. При быстром охлаждении
ренатурация не происходит.
Характерно изменение оптической активности нуклеиновых
кислот, сопровождающее их денатурацию и ренатурацию.
Спиральные (организованные) участки нуклеиновых кислот
вращают плоскость поляризованного света, т. е. оптически
активны, а разрушение спиральных участков сводит на нет
оптическую
активность
нуклеиновых
кислот.
Однако
интенсивность поглощения света природной нуклеиновой
кислоты значительно ниже, чем смеси ее же нуклеотидов,
полученных, например, при гидролизе этой нуклеиновой кислоты,
или одиночных цепей. Причиной является структурная
организация ДНК и РНК, которая вызывает классический эффект
58
– снижение оптической плотности. Это явление получило
название гипохромного эффекта. Он максимально выражен у
нуклеиновых кислот, имеющих спиральные структуры (например,
у ДНК).
3. Молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот. На
способности нуклеиновых кислот ренатурировать после
денатурации основан чрезвычайно важный метод определения
степени гомологичности, или родственности, нуклеиновых
кислот. Его называют молекулярной гибридизацией. В его основе
лежит комплементарное спаривание одноцепочечных участков
нуклеиновых кислот.
Этот метод позволяет обнаружить:
1. Сходства и различие первичной структуры разных
образцов нуклеиновых кислот
2. Различие ДНК, выделенных из организмов разных видов
3. Идентичность ДНК всех органов и тканей одного
организма.
4. Полицемеразная цепная реакция.
Полимеразная цепная реакция – метод получения
множества копий определенных фрагментов ДНК (генов) в
биологическом образце. Сущность ПЦР как метода молекулярной
биологии
заключается
в
многократном
избирательном
копировании определённого гена (участка ДНК) при помощи
специальных ферментов в условиях in vitro.
13. Структурная организация и функции ДНК.
Хроматин. Репликация
В ДНК входят 4 типа азотистых оснований: аденин (А),
тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц); сахар дезоксирибоза, остатки
фосфорной кислоты. Связь между нуклеотидами образуется с
участием 3'-ОН-группы одного нуклеотида и 5'-остатком
фосфорной кислоты другого (3'–5'-фосфодиэфирная связь). В
результате молекула полинуклеотида приобретает направленность
– у нее есть 3'-конец и 5'-конец.
Под первичной структурой ДНК понимают линейную
последовательность нуклеотидов, связанных между собой 3', 5' –
фосфодиэфирной связью (рис. 1.30).
59
Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик
предложили модель пространственной структуры ДНК в виде
правозакрученной двойной спирали, построенной по принципам
комплементарности (А – Т, Г – Ц) и антипараллельности (3'-концу
одной цепи соответствует 5'-конец другой) (рис. 1.31).
Рис. 1.30. Фрагмент первичной структуры ДНК
60
Рис. 1.31. Фрагмент вторичной структуры ДНК
Чаргафф в 1949 г. установил важные закономерности,
касающиеся отдельных оснований ДНК. Эти закономерности
называют правилами Чаргаффа:
1. сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме
пиримидиновых нуклеотидов, т.е. А+Г=Ц+Т(У) = 1;
2. содержание аденина равно содержанию тимина: А=Т;
3. содержание гуанина равно содержанию цитозина: Г=Ц;
4. количество аденина и цитозина равно количеству гуанина
и тимина: А+Ц=Г+Т;
5. изменчивы только суммы А+Т и Г+Ц. Если А+Т>Г+Ц, то
это AT-тип ДНК; если Г+Ц>А+Т, то это ГЦ-тип ДНК.
Структурная организация ДНК в хромосомах
Третичная структура ДНК образуется только в комплексе
с белками хромосом и служит для компактной упаковки ДНК в
ядре. На первом уровне образуется нуклеосомная нить, которая
формируется при взаимодействии ДНК с белками – гистонами.
Нуклеосома содержит 8 молекул гистонов (по 2 каждого вида,
кроме Н1), на них накручен отрезок двуспиральной ДНК (за счет
остатков фосфорной кислоты, заряд «-»). Связь между ними
61
ионная. Свободные от контакта с белками участки ДНК
называются линкерными. Их длина различна. Эти участки либо
свободны, либо связаны с гистоном Н1. Гистоны в клетках могут
подвергаться модификации (фосфорилированию, метилированию,
ацетилированию и т.д.). Это приводит к изменению их
способности взаимодействовать с ДНК, что является одним из
механизмов регуляции транскрипции генов.
В результате нуклеосомной организации хроматина двойная
спираль ДНК укорачивается примерно в 7 раз.
Рис. 1.32. Сводная схема структурной организации ДНК
в хромосомах
Вторичным уровнем пространственной организации
хромосом является образование из нуклеосомной нити
хроматиновой фибриллы (волокна), что обеспечивает уменьшение
размеров ДНК еще в 6-7 раз.
Третичный уровень организации хромосом обусловлен
укладкой хроматинового волокна в петли. В этом процессе
принимают участие негистоновые белки. В результате такой
упаковки линейные размеры ДНК уменьшаются примерно в 200
раз.
Биологическая роль ДНК:
• Хранение генетической информации о структуре белка
(благодаря генетическому коду и способности к репарации).
• Воспроизведение и передача генетической информации в
поколениях клеток и организмов (в результате репликации).
62
• Реализация генетической информации (в результате
транскрипции и последующей трансляции).
Репликация ДНК у эукариотов
Репликация – процесс удвоения молекулы ДНК.
Репликацию делят на четыре этапа: инициация (образование
репликативной вилки), элонгация (синтез новых цепей),
исключение праймеров, терминация (завершение синтеза двух
дочерних цепей ДНК).
Репликация ДНК происходит по полуконсервативному
механизму, при котором двойная спираль ДНК расплетается, и
каждая из цепей ДНК служит матрицей для синтеза новой цепи. В
результате репликации образуются две дочерние молекулы ДНК,
каждая из которых содержит одну родительскую цепь ДНК и одну
новосинтезированную, т.е. дочернюю цепь.
Под действием ДНК-хеликазы происходит разрыв
водородных связей между комплементарными основаниями в
двойной спирали ДНК. К каждой цепи ДНК присоединяются SSBбелки (ДНК-связывающие белки), которые препятствуют
обратному соединению цепей ДНК. Образуется репликативная
вилка.
Цепи родительской ДНК антипараллельны: одна цепь имеет
направление 5'→3', другая – 3'→5'. Синтезируются обе цепи ДНК
в направлении 5'→3'.
Одна цепь ДНК синтезируется в направлении движения
репликативной вилки, поэтому синтезируется непрерывно (ее
называют непрерывно синтезируемой или ведущей цепью или
лидирующей цепью).
Другая цепь (отстающая) образуется в направлении,
противоположном движению репликативной вилки, ее синтез идет
короткими фрагментами, их назвали фрагментами Оказаки по
имени японского исследователя, который их впервые обнаружил.
ДНК-полимераза α начинает синтез лидирующей цепи и
каждого фрагмента Оказаки: ДНК-полимераза α синтезирует
праймер – фрагмент РНК, состоящий из 8-10 рибонуклеотидов, к
которому присоединяет дезоксирибонуклеотиды (50).
63
Продолжает синтез лидирующей цепи ДНК-полимераза δ,
дальнейший синтез фрагментов Оказаки происходит с участием
ДНК-полимеразы ε.
ДНК-полимераза β расщепляет праймеры, состоящие из
рибонуклеотидов, и достраивает фрагменты Оказаки из
дезоксирибонуклеотидов в направлении 5'→3'.
Фрагменты
Оказаки
соединяются
в
единую
полинуклеотидную цепь под действием ДНК-лигазы.
Каждая родительская (матричная) цепь образует с новой
цепью двойную спираль ДНК. В результате репликации
образуются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК.
14. Структурная организация и биологические функции
мРНК, микроРНК. Транскрипция, процессинг пре-РНК
В РНК входят 4 типа азотистых оснований: аденин (А),
урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц); сахар рибоза, остатки
фосфорной кислоты.
В цитоплазме клеток присутствует несколько типов РНК:
транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК),
рибосомальные РНК (рРНК). Выделяют также гяРНК
(гетерогенная ядерная РНК), мяРНК (малая ядерная РНК),
микроPНК.
Первичная структура РНК представляет собой линейную
последовательность нуклеотидов, связанных между собой 3', 5' –
фосфодиэфирной связью. Гидроксильная группа у 2'- углеродного
атома рибозы делает молекулу РНК нестабильной.
Вторичная структура РНК образуется в результате
спирализации отдельных участков одной полинуклеотидной цепи
РНК. Эти спирализованные участки еще называют «шпильками».
В этих участках между комплементарными азотистыми
основаниями (А-У, Г-Ц) могут возникать водородные связи.
Третичная структура РНК компактна и упорядочена
благодаря дополнительным водородным связям между
нуклеотидами, которые располагаются достаточно удаленно друг
от друга. В стабилизации третичной структуры РНК принимают
участие ионы двухвалентных металлов, например, Mg2+.
Информационная (матричная, мРНК) при биосинтезе
белка на рибосомах выполняет функцию матрицы, содержащей
64
информацию
об
аминокислотной
последовательности
полипептидной цепи. Синтезируется в ядре на матрице ДНК
(транскрипция), выходит в цитоплазму и направляется к месту
синтеза белка – рибосомам. Кодовым элементом мРНК является
триплет нуклеотидов, называемый кодоном. Каждый кодон
соответствует определенной аминокислоте.
В первичной структуре мРНК последовательно находятся:
- на 5'-конце 7-метил-гуанозин-5'-трифосфат («кэп»),
- некодирующие нуклеотиды,
- инициирующий кодон АУГ,
- кодоны, несущие информацию об аминокислотах,
- терминирующий кодон (УГА, УУА или УАГ)
- на 3´-конце полиА-последовательность.
Каждая мРНК имеет уникальную последовательность
нуклеотидов.
Вторичная структура мРНК – изогнутая цепь, а третичная
подобна нити, намотанной на катушку, роль которой играет
особый транспортный белок – информофер.
МикроРНК представляют собой короткие (около 18–25
нуклеотидов) эндогенные некодирующие РНК, которые играют
ключевую роль в посттранскрипционной регуляции экспрессии
генов у эукариот. Механизм их действия заключается в
комплементарном спаривании с матричной РНК (мРНК) в составе
РНК-индуцируемого комплекса выключения гена (RISC), что
приводит либо к ингибированию трансляции, либо к деградации
мРНК-мишени в зависимости от степени комплементарности.
Несмотря на то, что миРНК кодируют менее 2% генома человека,
они регулируют активность более 60% белок-кодирующих генов,
участвуя в дифференцировке клеток, апоптозе, пролиферации и
развитии. Для клинической медицины особый интерес
представляет их роль в патогенезе онкологических заболеваний
(как онкосупрессоры или онкогены), сердечно-сосудистой
патологии и нейродегенеративных процессов, что делает их
перспективными
биомаркерами
и
мишенями
для
терапевтического воздействия.
65
Транскрипция (биосинтез РНК)
Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции
выделяют 5 необходимых элементов:
матрица – одна из цепей ДНК;
субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ,
АТФ);
источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ;
ферменты – ДНК-зависимые РНК-полимеразы, которые
состоят из 5 субъединиц – 2α, β, β‫׳‬, σ. РНК-полимераза I
синтезирует пре-рРНК (45S), РНК-полимераза II – пре-мРНК,
РНК-полимераза III – пре-тРНК и 5S рРНК;
белковые факторы транскрипции.
Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который
называется транскриптон, с одного края он ограничен промотором
(начало), с другого – терминатором (конец). Выделяют три стадии
транскрипции: инициация, элонгация и терминация.
Синтез РНК всегда идет в направлении 5´→3´
комплементарно матрице.
Начинается транскрипция с присоединения белка ТАТАфактор к ТАТА-боксу (нуклеотидная последовательность
промотора – начального участка транскриптона). К комплексу
ТАТА-фактор/ТАТА-бокс присоединяется РНК-полимераза и
факторы инициации транскрипции. Образуется транскрипционная вилка.
РНК-полимераза движется вдоль матричной цепи ДНК и
синтезирует РНК из свободных рибонуклеотидов. Когда РНКполимераза синтезирует олигонуклеотид, состоящий из 8-10
нуклеотидов, σ-субъединица отделяется от РНК-полимеразы.
Вместо
σ-субъединицы
к
молекуле
фермента
присоединяются факторы элонгации транскрипции. Синтез
полинуклеотидной цепи РНК продолжается. По мере
продвижения РНК-полимеразы по матрице впереди фермента
происходит расплетение, позади – восстановление двойной
спирали ДНК. При раскручивании ДНК в области окончания
транскрипции фактор терминации взаимодействует с сайтом
терминации и синтез РНК завершается. Продукт транскрипции –
пре-РНК и РНК-полимераза отщепляются от матрицы.
66
Продуктом транскрипции является точная копия участка
ДНК, так называемый первичный транскрипт или пре-мРНК. Изза мозаичной структуры генов пре-мРНК включают в себя
информативные (экзоны) и неинформативные (интроны) участки.
Поэтому новосинтезированные РНК подвергаются процессингу
(созреванию).
Процессинг пре-мРНК состоит из нескольких этапов.
1. Кэпирование (100% мРНК) – к 5'-концу присоединяется
модифицированный нуклеотид 7-метилгуанозин-5'-трифосфат
(кэп);
2. Полиаденилирование (~95% мРНК) – к 3'-концу
присоединяется
большое
количество
остатков
АМФ
(полиадениловый фрагмент);
3. Сплайсинг (~95% мРНК) – вырезание копий интронов из
пре-мРНК и сшивание копий экзонов с образованием мРНК.
Сплайсингу подвергаются только полиаденилированные мРНК.
4. Редактирование – точечные вставки/делеции, а также
химические модификации нуклеотидов путем метилирования,
дезаминирования и др.. Например, дезаминирование цитидина с
образование уридина в белке апо-В приводит к возникновению
стоп-кодона, преждевременному завершению трансляции и
синтезу более короткой формы белка апо-B48.
Процессинг
пре-рРНК
включает
химическую
модификацию (метилирование пентоз, изомеризация уридинов,
метилирование и ацетилирование азотистых оснований) и
разрезание пре-рРНК (45S-рРНК) на более мелкие формы,
которые уже непосредственно участвуют в формировании
рибосомы (5,8S-рРНК, 18S-рРНК и 28S-рРНК).
15. Структурная организация и биологические функции
тРНК. Рекогниция.
Транспортная РНК (тРНК) участвует в активировании,
транспорте аминокислот и построении полипептидной цепи на
рибосомах (считывает информацию с мРНК).
В состав нуклеотидов тРНК входят минорные основания
(дигидроурацил, метилированные основания: 1-метиладенин, 2метиладенин, 1-метилгуанин, 7-метилгуанин, 5-метилцитозин, 5оксиметилцитозин и др.). тРНК содержит также нуклеозиды и
67
нуклеотиды
своеобразного
строения:
псевдоуридин
и
неогуаниловая кислота. В псевдоуридине С-1´-атом рибозы
соединен с С-5-атомом урацила. В неогуаниловой кислоте Nгликозидная связь образуется между N-1-атомом гуанина и С-1´атомом рибозы. Минорные основания выполняют 2 функции:
делают тРНК более устойчивой к действию нуклеаз и
препятствуют
спирализации
определенных
участков
в
полинуклеотидной цепи тРНК, т.к. не могут участвовать в
образовании комплементарных пар.
В связи с этим во вторичной структуре тРНК имеются
отдельные участки, которые участвуют в образовании водородных
связей между комплементарными азотистыми основаниями, и
участки, которые не участвуют в образовании водородных связей.
В результате формируется структура в виде «клеверного листа»
(рис. 1.33), в которой имеются линейные участки и петли:
1. Акцепторный участок (конец), состоящий из четырех
линейно расположенных нуклеотидов, три из которых имеют во
всех типах тРНК одинаковую последовательность – ЦЦА.
Гидроксил 3'-ОН аденозина свободен. К нему присоединяется
карбоксильной группой аминокислота, отсюда и название этого
участка тРНК – акцепторный. Связанную с 3'-гидроксильной
группой аденозина аминокислоту тРНК доставляет к рибосомам,
где происходит синтез белка.
2. Антикодоновая петля, обычно образуемая семью
нуклеотидами. Она содержит специфический для каждой тРНК
триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Антикодон тРНК
по принципу комплементарности спаривается с кодоном мРНК.
Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок
расположения аминокислот в полипептидной цепи во время
сборки ее в рибосомах.
3. Псевдоуридиловая петля (или ТrрС-петля), состоящая
из семи нуклеотидов и обязательно содержащая остаток
псевдоуридиловой кислоты. Предполагают, что псевдоуридиловая
петля участвует в связывании тРНК с рибосомой.
4. Дигидроуридиновая, или D-петля, состоящая обычно из
8-12 нуклеотидных остатков, среди которых обязательно имеется
несколько остатков дигидроуридина. Считают, что D-петля
68
необходима для связывания с аминоацил-тРНК-синтетазой,
которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК.
5. Добавочная петля, которая варьирует по размерам и
составу нуклеотидов у разных тРНК.
Рис. 1.33. Строение тРНК
Третичная структура тРНК имеет уже форму не клеверного
листа, а локтевого сгиба, так как лепестки петель клеверного листа
заворачиваются
на
тело
молекулы,
удерживаясь
дополнительными ван-дер-ваальсовыми связями.
Минорные основания в составе нуклеотидов тРНК
выполняют 2 функции: делают тРНК более устойчивыми к
действию нуклеаз и поддерживают определенную третичную
структуру молекулы; препятствуют спирализации определенных
участков в полипептидной цепи тРНК.
Процессинг пре-тРНК:
1. Удаление лидерной последовательности на 5'-конце.
2. Формирование антикодоновой петли путем сплайсинга и
удаления интрона в средней части пре-тРНК.
3. Формирование на 3'-конце последовательности ЦЦА. Для
этого у одних пре-тРНК с 3'-конца удаляются лишние нуклеотиды
до «обнажения» триплета ЦЦА, у других идет присоединение этой
последовательности.
4. Модификация отдельных нуклеотидов: восстановление
уридина в дигидроуридин, изомеризация с образованием
псевдоуридина, метилирование (метилуридин), дезаминирование
69
аденозина в инозин с последующим метилированием в
метилинозин.
Роль тРНК в трансляции. В белок-синтезирующей
системе тРНК выполняет следующие три важные функции:
а) акцепторную (с помощью специфического фермента
аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяет на акцепторном
конце своей молекулы соответствующую аминокислоту, в
результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК);
б) транспортную (доставляет аминокислоту в форме
аминоацил-тРНК в рибосому для включения её в растущую
полипептидную цепь);
в) адапторную (с помощью своего антикодона
специфически взаимодействует с комплементарным ему кодоном
мРНК
и
таким
образом
обеспечивает
необходимую
последовательность включения аминокислот в синтезируемую
полипептидную цепь в соответствии с программой, заданной
мРНК). Благодаря адапторной функции, тРНК «дешифрует»
генетический код в РНК-матрице и переводит его в
аминокислотный код белка. Реализация всех этих функций
возможна благодаря уникальной структуре молекул тРНК.
Трансляция (биосинтез белка)
В биосинтезе белка участвуют следующие компоненты:
1. мРНК как генетическая матрица, содержащая
информацию о порядке чередования аминокислот в
полипептидной цепи;
2. аминокислоты как структурный материал для сборки
полипептидной цепи (требуются в активированной форме);
3. тРНК для считывания информации с мРНК, узнавания и
транспорта аминокислот;
4. рибосомы
как
молекулярные
машины
для
последовательного соединения аминокислот в полипептидную
цепь;
5. АТФ, ГТФ в качестве источников энергии;
6. специальные ферменты;
7. некоторые ионы как кофакторы (Мg2+, К+);
8. белковые факторы, участвующие на различных этапах
трансляции.
70
Этапы трансляции
В трансляции выделяют два этапа, имеющих разную
локализацию в клетке:
1. рекогниция (узнавание аминокислот) – в цитоплазме;
2. собственно биосинтез белка – на рибосомах.
Рекогниция
В ходе рекогниции аминокислота соединяется со своей
тРНК и образуется аминоацил-тРНК – активированная форма
аминокислоты (рис. 1.34).
Рис. 1.34. Рекогниция
Процесс узнавания тРНК и аминокислоты осуществляется
при помощи специальных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз
(АРСазы), которые обладают высокой специфичностью по
отношению к аминокислоте и соответствующей ей тРНК. В
структуре АРСаз выделяют 4 участка: три центра связывания для
аминокислоты, тРНК и АТФ, соответственно, которые
обеспечивают синтез аминоацил-тРНК, и гидролитический
участок, необходимый для удаления активированной по ошибке
аминокислоты.
Рекогниция протекает в две стадии:
1) Аминокислота + АТФ → Аминоацил-АМФ + H4P2O7
2) Аминоацил-АМФ + тРНК → Аминоацил-тРНК + АМФ
На первой стадии происходит активация аминокислоты, на
второй – перенос активированной аминокислоты на
соответствующую ей тРНК. Ионы Мg2+ играют роль кофактора в
71
этой реакции.
В ходе рекогниции аминокислота присоединяется к тРНК с
антикодоном, комплементарным кодону мРНК, который несет
информацию о данной аминокислоте.
Рибосомальная РНК (рРНК) выполняет структурную
функцию – является компонентом рибосом. Рибосома состоит из
двух субчастиц – малой и большой, каждая из которых образована
рРНК и белками.
У эукариот существуют четыре типа рРНК – 5S-, 5,8S- и
28S-рРНК входят в состав большой субчастицы рибосом; 18SрРНК входит в состав малой субчастицы рибосом. При этом 5SрРНК синтезируется отдельно, а большая прерибосомная 45SрРНК расщепляется специфичными нуклеазами с образованием
5,8S-рРНК, 18S-рРНК и 28S-рРНК. У прокариот молекулы рРНК
иные по своим свойствам (5S-, 16S-, 23S-рРНК), что является
основой изобретения и использования ряда антибиотиков в
медицине. Вторичная структура рРНК имеет форму в виде
спиральных участков, соединенных изогнутой одиночной цепью.
Третичная структура рРНК является скелетом рибосомы, она
имеет форму или палочки, или клубка. Снаружи на нее
нанизываются белки белоксинтезирующих органелл рибосом.
Синтез белка на рибосомах
«Чтение» генетической информации, содержащейся в
мРНК, идет в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Образование
полипептидной цепи происходит в направлении от N-конца к Сконцу. В нерабочем состоянии субчастицы рибосом разомкнуты.
Синтез белка на рибосомах (рис. 1.35) происходит в три этапа:
инициация, элонгация, терминация.
Инициация
мРНК связывается с малой субчастицей рибосом,
инициирующей аминоацил-тРНК, ГТФ и белковыми факторами
инициации. Затем к этому комплексу присоединяется большая
субчастица рибосом. Происходит гидролиз ГТФ и отщепляются
белковые факторы инициации. Формируются аминоацильный (А)
и пептидильный (П) центры рибосомы. Инициирующая
аминоацил-тРНК (метионил-тРНК у эукариотов) связывается
72
своим антикодоном с инициирующим кодоном мРНК (АУГ или
ГУГ) в П-центре рибосомы.
Элонгация
В элонгации выделяют следующие этапы:
а) связывание аминоацил-тРНК: следующая аминоацилтРНК связывается своим антикодоном с кодоном мРНК (по
принципу комплементарности) в А-центре рибосомы. На
связывание аминоацил-тРНК расходуется энергия одной
молекулы ГТФ.
б) транспептидация: при транспептидации происходит
перенос инициирующей аминокислоты (метионина у эукариотов)
на α-аминогруппу аминоацил-тРНК, расположенную в А-центре, с
образованием пептидной связи. В А-центре теперь находиться
дипептидил- тРНК, П-центр освобождается.
в) транслокация: происходит перемещение рибосомы
относительно мРНК на один кодон по направлению к 3′-концу.
Дипептидил-тРНК при этом перемещается из А-центра в П-центр.
Освободившийся А-центр может присоединять аминоацил-тРНК,
соответствующую следующему кодону мРНК. На транслокацию
расходуется энергия еще одной молекулы ГТФ.
Дальнейшее удлинение полипептидной цепи происходит
путем повторения трех этапов элонгации до достижения
рибосомой терминирующего кодона мРНК.
Терминация
К терминирующему кодону (УАА, УГА, или УАГ)
присоединяются белковые факторы терминации, синтез
полипептидной цепи завершается и происходит гидролитическое
отщепление полипептидной цепи от тРНК. Рибосома
диссоциирует на субчастицы.
73
Рис. 1.35. Трансляция
Фолдинг белков. Шапероны: характеристика и
функциональная роль. Процессинг белков.
Приобретение белком нативной конформации непреложное
условие его активации. Модификации белков – фолдинг и
процессинг – начинаются или сразу после трансляции, или еще до
ее окончания, т.е. пост- и котрансляционно. Некоторым белкам
для активации достаточно только фолдинга, другие же белки
«созревают» в несколько этапов, сочетая не один вид
модификации. Модификации оказывают различные эффекты на
белки: регулируют продолжительность их существования в
клетке, ферментативную активность, взаимодействия с другими
белками и т.д..
Фолдинг – сворачивание полипептидной цепи из
развернутой конформации в правильную нативную структуру.
Это физико-химический процесс, в результате которого белки
приобретают характерные только для них пространственную
укладку и функции. Пространственная структура нативного
состояния белка запрограммирована в его первичной структуре.
Для многих белков, имеющих высокую молекулярную массу и
74
сложную пространственную структуру, фолдинг протекает при
участии шаперонов.
Шапероны − специальная группа белков, главная функция
которых состоит в восстановлении нативной структуры белков.
Среди шаперонов различают конститутивные белки,
синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки
организма и индуцибельные, синтез которых в нормальных
условиях идёт слабо, но при стрессовых воздействиях на клетку
резко увеличивается, например, «белки теплового шока», синтез
которых отмечают практически во всех клетках, которые
подвергаются любым стрессовым воздействиям. Название «белки
теплового шока» возникло в результате того, что впервые эти
белки были обнаружены в клетках, которые подвергались
воздействию высокой температуры.
Классификация шаперонов (Ш) осуществляется в
соответствии с их молекулярной массой:
- высокомолекулярные − от 100 до 110 кДа;
- Ш-90 − от 83 до 90 кДа;
- Ш-70 − от 66 до 78 кДа;
- Ш-60 − от 60 до 66 кДа;
- Ш-40 − от 38 до 45 кДа;
- Низкомолекулярные − от15до30 кДа.
Шапероны-70 − высококонсервативны и способны
защищать белки от температурной инактивации, восстанавливать
конформацию и активность частично денатурированных белков.
Шапероны-60 имеют доменное строение и функционируют
в виде олигомерных белков, состоящих из 14 субъединиц. Каждый
протомер Ш-60 состоит из трех доменов: апикальный, с большим
количеством гидрофобных радикалов, которые обращены в
полость кольца, промежуточный и экваториальный (имеет участок
связывания с АТФ и обладает АТФ-азной активностью, т.е.
способен гидролизовать АТФ). Этот шапероновый комплекс
имеет высокое сродство к белкам, поверхности которых
обогащены гидрофобными радикалами. Попадая в полость
комплекса, белок взаимодействует с гидрофобными радикалами в
апикальном домене Ш-60. В специфической среде шаперонового
комплекса происходит подбор единственной правильной
75
конформации
белка.
Формирование
конформации
и
высвобождение белка протекает с затратой энергии АТФ.
Функции шаперонов:
1.
Обеспечение
правильной
укладки
(фолдинга)
новосинтезированных белков;
2. Контроль за ренатурацией. При действии самых разных
факторов (высокой температуры, облучения и т.д.) белки могут
терять свою нативную конформацию, т.е. частично или полностью
денатурировать. Считают, что шапероны могут присоединяться к
таким белкам и способствовать их ренатурации;
3. Участие во внутриклеточном транспорте белков: в
частности, в лизосомы (для стареющих белков) и в митохондрии
(для новосинтезированных белков);
4. Поддержание ряда белков в определенной конформации,
в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В таком виде
шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его
сворачивания. Примером может служить локализующийся в
цитоплазме белковый рецептор к глюкокортикоидным гормонам.
В отсутствии гормонов рецептор связан с комплексом шаперонов.
В таком состоянии у рецептора закрыта специальная зона (ядерная
метка), которая необходима для проникновения белка внутрь ядра.
После связывания глюкокортикоидов белки шапероны
диссоциируют, фолдинг завершается, и ядерная метка оказывается
на поверхности. Поэтому рецептор проникает в ядро и связывается
с определенным участком ДНК.
В настоящее время в медицине изучение фолдинга белков и
шаперонов является актуальным. Например, выявлено, что
кратковременное воздействие стрессовых факторов увеличивает
выработку белков теплового шока, что повышает устойчивость к
длительным стрессовым воздействиям. Интерес представляют и
заболевания, связанные с нарушением фолдинга белков: болезнь
Альцгеймера, прионовые болезни – болезнь Крейтцфельда-Якоба,
фатальная семейная бессонница.
Предполагается, что причиной возникновения прионных
болезней – это изменение пространственной укладки
полипептидной цепи, которая сворачивается настолько плотно,
что белок становится недоступным для разрушения протеиназами.
Накопление дефектного белка в клетках нервной системы
76
приводит к автономной нейропатии и нарушению когнитивных
функций. Установлено, что прионные болезни могут
распространяться как инфекционные. При попадании в клетку
дефектного белка нормальные белки также изменяют свою
конформацию.
Процессинг – это химическая модификация белка:
фрагментирование (частичный протеолиз, удаление N-концевого
остатка метионина), образование производных аминокислотных
остатков (изомеризация, йодирование, карбоксилирование,
гидроксилирование, метилирование и др.), присоединение других
белков и пептидов (убиквитинирование, SUMO-илирование и др.)
и присоединение небелковых компонентов (фосфорилирование,
гликозилирование, ацетилирование и др.).
Частичный
протеолиз.
Белки,
подвергающиеся
частичному протеолизу, первоначально синтезируются в виде
молекул-предшественников, не обладающих функциональной
активностью. С помощью специфических ферментов протеаз
белки фрагментируются. Удаление части полипептидной цепи
приводит к образованию активных молекул. Некоторые белкипредшественники расщепляются в ЭР или аппарате Гольджи,
другие – после секреции. Например, трипсиноген превращается в
активный трипсин после секреции в тонкий кишечник. Белковопептидные гормоны (например, инсулин и глюкагон) образуются
из препрогормонов: первоначально N-концевой сигнальный
пептид молекулы-предшественника удаляется в ЭР в процессе
синтеза белка и образуется неактивный прогормон; затем
прогормон в секреторных гранулах, формирующихся в аппарате
Гольджи, подвергается действию протеаз и превращается в
активный гормон.
Так как в синтезе белков участвуют только 20 аминокислот,
которые за это и получили название протеиногенных, такая
модификация, как образование производных аминокислотных
остатков повышает разнообразие их структур, а, следовательно,
расширяются свойства и функции всей молекулы белка. Так, в
тиреоглобулине во время синтеза гормонов щитовидной железы
йодируются остатки тирозина (см. раздел Гормоны); в факторах
свёртывания крови карбоксилируются остатки глутамата, что
повышает их способность связывать ионы Ca2+ (см. раздел
77
Витамины); в цепях проколлагена гидроксилируются остатки
пролина и лизина, а в эластине 4 остатка лизина образуют сшивки
– десмозин и изодесмозин (см. раздел Биохимия соединительной
ткани).
Присоединение других белков и пептидов. Например,
убиквитинирование
–
ферментативное
присоединение
небольшого белка убиквитина (одного или нескольких) к остаткам
лизина в белке-субстрате. В зависимости от позиции
аминокислоты, к которой присоединяется убиквитин, такая
модификация может изменять активность белка или запускать
протеолиз (см. раздел Обмен азотосодержащих соединений и его
нарушения).
Присоединение небелковых компонентов. Некоторые
белки могут активироваться или инактивироваться в результате
присоединения различных небелковых компонентов. Первым
было открыто и описано ещё в 1906 году фосфорилирование,
являющееся
наиболее
распространённой
модификацией.
Фосфорилирование белков осуществляется по гидроксильным
группам серина, треонина и, реже, тирозина протеинкиназами,
тогда
как
дефосфорилирование
катализируют
фосфопротеинфосфатазы (см. вопрос №7). Белки, входящие в
состав плазматических мембран, или секретирующиеся из клеток,
подвергаются
гликозилированию.
Углеводные
цепи
присоединяются по гидроксильным группам серина или треонина
(О-гликозилирование) либо аспарагина (N-гликозилирование).
Последовательное
наращивание
углеводного
фрагмента
происходит в ЭР и аппарате Гольджи (см. вопрос №6).
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Методы выделения индивидуальных белков, основанные на их
физико-химических свойствах
I. Методы разрушения тканей
1.
Гомогенизация
солей, помещают в стеклянный
биологического
материала.
сосуд (гомогенизатор) с пестиком.
Ткань, находящуюся в буферном
Вращающийся пестик измельчает и
растворе
с
определённым
растирает ткань о притёртые стенки
значением рН и концентрации
сосуда (рис. 1.7).
78
Рис. 1.7. Гомогенизация биологического материала
2. Метод замораживания и
оттаивания ткани. В результате
попеременного замораживания и
оттаивания
образующиеся
кристаллы
льда
разрушают
оболочки
клеток.
После
разрушения ткани нерастворимые
части
осаждают
центрифугированием.
Последующее центрифугирование
гомогената с разной скоростью
позволяет получить отдельные
фракции, содержащие клеточные
ядра, митохондрии и другие
органеллы, а также надосадочную
жидкость, в которой находятся
растворимые белки цитозоля.
3. Экстракция белков,
связанных с мембраной, и
разрушение олигомерных белков
на протомеры.
Если искомый белок прочно
связан с какими-либо структурами
клетки, его необходимо перевести в
раствор. Так, для разрушения
гидрофобных
взаимодействий
между белками и липидами
мембран в раствор добавляют
детергенты (тритон Х-100 и др.).
4. Удаление из раствора
небелковых веществ. Небелковые
вещества можно удалить из
раствора, используя их физикохимические свойства. Например,
липиды легко удалить из раствора
путем
добавления
ацетона,
нуклеиновые кислоты осаждают
путем добавления стрептомицина.
II. Методы очистки белков.
1. Электрофорез. Метод
различных носителях: бумаге,
основан на том, что при
крахмальном
геле,
определённом значении рН и
полиакриламидном геле. В отличие
ионной силы раствора белки
от электрофореза на бумаге, где
движутся в электрическом поле со
скорость
движения
белков
скоростью, пропорциональной их
пропорциональна
только
их
суммарному
заряду.
Белки,
суммарному
заряду,
в
имеющие
суммарный
полиакриламидном геле скорость
отрицательный заряд, двигаются к
движения белков пропорциональна
аноду (+), а положительнои их молекулярным массам.
заряженные белки – к катоду (-).
В
норме
содержание
Электрофорез
проводят
на
белковых фракций в процентном
79
отношении от содержания общего
белка следующее:
- α1-глобулина – 4,1-6,3%,
- α2-глобулина – 6,7-10,4%,
- β-глобулина – 8,2-13,6%,
- γ-глобулина – 14,9-20,5%,
- альбумина – 40-60%.
При
различных
патологических
состояниях
происходит
изменение
протеинограммы.
Острый
воспалительный
процесс
характеризуется
уменьшением
содержания
альбуминов
и
возрастанием
количества
αглобулинов; а в более поздние
сроки – увеличением концентрации
γ-глобулинов. Для хронического
воспаления
более
типично
выраженное повышение уровня α2и γ-глобулинов и умеренное
снижение альбуминов в сыворотке
крови.
При
злокачественных
новообразованиях резко снижается
содержание
альбуминов
с
одновременным
существенным
увеличением всех глобулиновых
фракций.
Поражения
печени
(гепатиты,
цирроз)
сопровождаются
снижением
альбуминов,
которые
синтезируются в печеночной ткани,
и относительным увеличением γглобулинов.
Вследствие увеличения IgA,
происходящего при некоторых
формах
цирроза
печени,
отмечается слияние β- и γ-фракций.
Методом
электрофореза
может
быть
выявлена
недостаточность α1-антитрипсина.
Этот белок является основным
компонентом
полосы
α1глобулинов и у пациентов с
недостаточностью
α1антитрипсина (гомозиготных) эта
полоса
может
быть
очень
неотчетливой, но у гетерозиготных
пациентов полоса может казаться
нормальной.
Пример
изменения
протеинограммы при различных
патологиях (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Пример протеинограмм при различных состояниях
а – в норме; б – при бисальбуминемии; в – при нефротическом синдроме; г
– при циррозе печени; д – при гипо-γ-глобулинемии; е – при гипер-γ-
80
глобулинемии; ж – при дефиците α1-антитрипсина
При
электрофорезе
иммуноглобулины ведут себя в
большей степени как γ-глобулины,
хотя IgA и IgM могут двигаться с βили α2-глобулинами. Поскольку
концентрация IgG в нормальной
плазме существенно превышает
содержание
других
иммуноглобулинов, полоса γглобулинов,
получаемая
при
электрофорезе
нормальной
сыворотки, в значительной степени
представлена IgG. Уменьшение или
увеличение
концентрации
иммуноглобулинов в плазме могут
иметь как физиологический, так и
патологический характер.
2. Хроматография. Гельфильтрация,
или
метод
молекулярных
сит.
Для
разделения
белков
часто
используют хроматографические
методы,
основанные
на
распределении веществ между
двумя фазами, одна из которых
подвижная, а другая неподвижная.
В основу хроматографических
методов
положены
разные
принципы:
гель-фильтрации,
ионного
обмена,
адсорбции,
биологического сродства.
Метод разделения белков с
помощью
гель-фильтрационной
хроматографии основан на том, что
вещества,
отличающиеся
молекулярной массой, по-разному
распределяются
между
не
подвижной и подвижной фазами
(рис. 1.9). Хроматографическая
колонка заполняется гранулами
Аффинная хроматография, или
хроматография по сродству
пористого вещества (сефадекс,
агароза и др.). В структуре
полисахарида
образуются
поперечные связи и формируются
гранулы с «порами», через которые
легко
проходят
вода
и
низкомолекулярные вещества. В
зависимости от условий можно
формировать гранулы с разной
величиной «пор».
Неподвижная
фаза
–
жидкость внутри гранул, в которую
способны
проникать
низкомолекулярные вещества и
белки с небольшой молекулярной
массой. Смесь белков, нанесённую
на хроматографическую колонку,
вымывают (элюируют), пропуская
через
колонку
растворитель.
Вместе с фронтом растворителя
движутся и самые крупные
молекулы.
Более мелкие молекулы
диффундируют внутрь гранул
сефадекса и на некоторое время
попадают в неподвижную фазу, в
результате чего их движение
задерживается.
Величина пор
определяет
размер
молекул,
способных
проникать
внутрь
гранул. Так как гелевая структура
сефадекса легко деформируется
под давлением, гели стали заменять
более
жёсткими
матрицами
(сефактил,
тойоперл),
представляющими
сферические
гранулы с разными размерами пор.
Выбор размеров пор в гранулах
зависит от целей хроматографии.
Это наиболее специфичный
метод выделения индивидуальных
81
белков,
основанный
на
избирательном
взаимодействии
белков
с
лигандами,
прикреплёнными
(иммобилизированными)
к
твёрдому носителю (рис. 1.10). В
качестве лиганда может быть
использован
субстрат
или
кофермент, если выделяют какойлибо фермент, антигены для
выделения антител и т.д.. Через
колонку,
заполненную
иммобилизованным
лигандом,
пропускают раствор, содержащий
смесь
белков.
К
лиганду
присоединяется только белок,
специфично взаимодействующий
с ним; все остальные белки
выходят с элюатом. Белок,
адсорбированный на колонке,
можно
снять,
промыв
его
раствором
с
изменённым
значением pH или изменённой
ионной силой. В некоторых
случаях
используют
раствор
детергента,
разрывающий
гидрофобные связи между белком
и
лигандом.
Аффинная
хроматография
отличается
высокой избирательностью и
помогает очистить выделяемый
белок в тысячи раз.
82
Рис. 1.9. Гель-фильтрация
Рис. 1.10. Аффинная хроматография
83
Похожие документы
Тест по биосинтезу белка: репликация, транскрипция, трансляция
Тест по биосинтезу белка: репликация, транскрипция, трансляция
Раскрытие структуры белка: научный обзор
Раскрытие структуры белка: научный обзор
ДНК: структура и функции нуклеиновых кислот
ДНК: структура и функции нуклеиновых кислот
Ассимиляция белков в ЖКТ
Ассимиляция белков в ЖКТ
Скачать