Химия простых и сложных белков
Введение
Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот.
Целью работы является самостоятельное изучение простых и сложных белков.
Для выполнения данной цели поставлены следующие задачи:
Описать краткую характеристику белков;
Привести классификацию белков;
Привести свойства и биологическую роль простых белков;
Дать характеристику аналогам азотистых оснований и нуклеотидов как лекарственных средств;
Рассмотреть, какую роль играют заменимые и незаменимые аминокислоты;
Сделать выводы о проделанной работе.
1 Основные представления о белках. Функции белков
Белки – наиболее важный компонент живой материи, это – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных между собой пептидной (-СО-NH-) связью.
Элементарный состав белков выглядит следующим образом:
С (углерод) – 50-55%;
О (кислород) – 21-24%;
N (азот) – 15-17% (≈ 16%);
Н (водород) – 6-8%;
S (сера)– 0-2%.
Азот - это постоянный компонент белков и по его количеству можно определить содержание белка в тканях.
Содержание белков в органах человека составляет в среднем 18…20% сырой массы ткани. В пересчете на сухой остаток - мышцы – до 80%, сердце – 60%, печень – 72%, легкие , селезенка – 82…84%.
Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов. Ниже мы рассмотрим основные и, в некотором смысле, уникальные биологические функции белков, которые необычны или только частично присущи другим классам биополимеров.
Каталитическая функция. К 1995 г. было идентифицировано более 3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов, называемых биологическими катализаторами, являются белками. Эта функция белков не ясна, но она определяет скорость химических реакций в биологических системах.
Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина - белком эритроцитов. Сывороточный альбумин участвует в транспорте липидов.
Ряд других сывороточных белков образуют комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.
Защитная функция. Основную защитную функцию в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белковых антител в ответ на прием внутрь бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков.
Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) в зависимости от типа межбелкового взаимодействия помогает распознавать и нейтрализовать биологический эффект антигенов. Защитная функция белков также проявляется в способности ряда белков плазмы крови, особенно фибриногена, коагулировать. Коагуляция фибриногена образует сгусток крови, который защищает от потери крови в случае травм.
Сократительная функция. Многие белковые вещества участвуют в сокращении и расслаблении мышц. Однако актиновые и миозин-специфичные белки мышечной ткани играют основную роль в этих жизненно важных процессах. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы клеточной активности (расхождение хромосом при митозе).
Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (поддерживающую) функцию, занимают первое место по количеству среди других белков организма человека. Среди них важную роль играют волокнистые белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в стенке сосудов и т. Д. Белковые комплексы с углеводами имеют большое значение для создания многих секретов: слизи, муцина и т. Д. В сочетании с липидами (в частности, фосфолипиды) белки участвуют в образовании клеточных биомембран.
Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется различными механизмами. Важное место в этой регуляции занимают гормоны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во многих других клетках организма. Многие гормоны представлены белками или полипептидами, например, гормонами гипофиза, поджелудочной железы и т. Д. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.
Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, которые являются источниками пищи для плода, например, яичные белки (овальбумин). Основной белок в молоке (казеин) также в основном играет пищевую роль. Несколько других белков используются в организме в качестве источника аминокислот, которые, в свою очередь, являются предшественниками биологически активных веществ, которые регулируют обменные процессы.
Вы можете назвать несколько других жизненно важных функций белков. Это, в частности, выражение генетической информации, генерация и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, которые поддерживают физиологический рН внутренней среды и т. д.
Из этого далеко не полного перечня основных функций белков видно, что эти биополимеры играют необычайную и разностороннюю роль в живом организме. Если мы пытаемся выяснить ключевую особенность, которая обеспечивает универсальность биологических функций белков, мы должны назвать способность белков быть строго селективными и специфически связываться с различными веществами.
В частности, эта высокая специфичность белков (сродство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антителами с антигенами, белками транспорта крови с переносимыми молекулами других веществ и т. д.
Это взаимодействие основано на принципе биоспецифического распознавания, кульминацией которого является связывание фермента с соответствующей молекулой субстрата, что способствует химической реакции.
2 Классификация белков
Гармоничная система наименования и классификации белков еще не разработана. Традиционная классификация белков по группам, основанная скорее на случайных показателях (физико-химические свойства, форма молекул, расположение и происхождение, аминокислотный состав), больше не полностью соответствует возросшему уровню знаний об их структуре и функциях.
Из огромного количества природных белков структура и функции расшифрованы для относительно небольшого числа (не более нескольких сотен), и поэтому структура и функции белков пока не могут служить основой для их рациональной классификации. Только для группы белков, обладающих способностью катализировать химические реакции, то есть в ферментах была разработана гармоничная система номенклатуры и классификации, основанная на типах катализируемых химических реакций и химической природе реакционноспособных веществ.
В соответствии с функциональным принципом различают 12 главных классов белков:
каталитически активные белки (ферменты);
белки-гормоны (хотя есть и стероидные гормоны);
белки-регуляторы активности генома;
защитные белки (антитела, белки свертывающей и антисвертывающей систем крови);
токсические белки;
транспортные белки;
мембранные белки;
сократительные белки;
рецепторные белки;
белки-ингибиторы ферментов;
белки вирусной оболочки;
белки с иными функциями.
Предпринимались также попытки классифицировать белки на основе характеристик вторичной и третичной структуры. В соответствии с этим различают α-, β-, α+β- и α/β-белки. α-Белки содержат только α-спирали (не менее 60%), β-белки – только β-структуры (не менее двух антипараллельных цепей), α+β-белки – те и другие структуры в пределах одной полипептидной цепи (пример – молекулы лизоцима), а класс α/β-белков содержит множество α- и β-структур, чередующихся вдоль полипептидной цепи или домена. Домены создаются объединением и чередованием α-спиралей и β-слоев, между которыми открываются более рыхлые структуры [1].
Учитывая необходимость для студента-медика тщательно ознакомиться с определенными группами белков, которые могут быть изучены в их будущей профессиональной деятельности (например, белки крови), мы даем старую классификацию белков с кратким описанием новых данных о структуре, Состав и характеристики отдельных представителей. Согласно этой классификации, обширный класс белковых веществ делится на простые и сложные белки в зависимости от химического состава.
Простые белки состоят из аминокислотных остатков и после гидролиза разлагаются только на свободные аминокислоты, соответственно.
Сложные белки – это двухкомпонентные белки, которые состоят из какого-либо простого белка и небелкового компонента, называемого простетической группой. Во время гидролиза сложных белков, помимо свободных аминокислот, выделяются небелковые части или продукты их распада.
Простые белки в свою очередь делятся на основании некоторых условно выбранных критериев на ряд подгрупп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и др.
Классификация сложных белков основана на химической природе входящего в их состав небелкового компонента.
В зависимости от типа компонента сложные белки делятся на
1) гликопротеиды (добавочная часть - углевод)
2) липопротеиды (липиды)
3) фосфопротеиды (содержат остатки фосфорной кислоты - к этой группе относится казеин молока)
4) хромопротеиды (неорганическая часть например, гем у гемоглобина) Данная классификация относится в целом к белкам, а простетические группы и коферменты (в их роли выступают витамины) содержат сложные ферменты.
По физико – химическим свойствам белки делят на:
а) фибрилярные белки – имеют упорядоченную и правильную структуру (повторяемость в пространстве одинаковых участков молекулы)
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Они образуют огромные агрегаты и агрегаты молекулярной массы (фибриллы).
Например, коллаген, масса которого составляет около 30% от общего количества тканевых белков. Коллаген является основным белком в межклеточном пространстве, хряще, сухожилиях, костях, зубах (с точки зрения питания, он является худшим белком, поскольку содержит мало незаменимых аминокислот). Коллаген отличается высоким содержанием глицина (35%), аланина (11%), пролина и оксипролина (21%). Белок имеет трехцепочечную спиральну структуру, обладает большой механической прочностью (у тропо-коллагена – прочность такая же как и у стальной проволоки).
б) глобулярные белки – имеют глобулярную структуру, водорастворимые, гидрофильные. Структура этих белков наименее регулярная (повторяемая) [2].
в) мембранные белки – “живут” в мембранах, являются частично или полностью гидрофобными, имеют более или менее правильную структуру.
По генам, которые отвечают за структуру белков. Это наиболее современная классификация белков. В таблице приведена классификация белков – цитохромов Р-450 по классификации соответствующих генов - суперсемейство генов цитохрома P-450.
В таблице 1 представлена классификация белков по генам.
Таблица 1 – Классификация белков по генам
Cуперсемейство Р 450
Семейство
1 2 3
Подсемейств
1А, 1В… 2А, 2В, 2С, 2D, 2E и др. 3А, 3В, 4А. 7, 11. 17…51
Отдельные белки
1А1, 1В1
1А2, 2А1 2В1 2С9
2А2 2В6 2С19 3А1
3А4
3 Простые белки: альбумины, глобулины, гистоны, протамины, их свойства и биологическая роль
Простые белки - это белки, которые состоят из остатков α-аминокислот и распадаются только на аминокислоты во время гидролиза. Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин).
Простые белки по растворимости в воде и солевых растворах условно подразделяются на несколько групп: протамины, гистоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины.
3.1 Протамины и гистоны
Гистоны и протамины являются простыми белками, они состоят только из аминокислотных остатков. Гистоны и протамины называются ядерными белками. Эта группа белков отличается рядом характерных физико-химических свойств, особенностью аминокислотного состава и представлена в основном белками с небольшой молекулярной массой.
Протамины обладают выраженными основными свойствами, обусловленными наличием в их составе от 60 до 85% аргинина. Так, сальмин, выделенный из молок семги, состоит на 85% из аргинина. Высоким содержанием аргинина отличается другой хорошо изученный белок – клупеин, выделенный из молок сельди: из 30 аминокислот в нем на долю аргинина приходится 21 остаток.
Расшифрована первичная структура клупеина. Протамины хорошо растворимы в воде, изоэлектрическая точка их водных растворов находится в щелочной среде. Согласно современным представлениям, протамины, скорее всего, являются пептидами, а не белками, поскольку их молекулярная масса не превышает 5000. Они составляют белковый компонент в структуре ряда сложных белков.
Гистоны также являются белками основного характера. В их состав входят лизин и аргинин, содержание которых, однако, не превышает 20…30%. Существует пять различных типов гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Гистоны находятся в основном в ядрах клеток, являются оструктурным компонентом хроматина и необходимы для регуляции экспрессии генов.
Молекулярная масса гистонов намного выше, чем нижняя граница молекулярной массы белков. Гистоны в основном обнаруживаются в ядрах клеток животных и растений, где они играют важную роль в структуре хроматина (нитевидный комплекс ДНК, гистонов и других белков). Они поддерживают скопление ДНК. И регулировать синтез белка в организме. Гистоны проникают в клетки эндокринных желез, лейкоциты, эритроциты.
3.2 Альбумины и глобулины
Эти белки относятся к белкам, широко распространенным в органах и тканях животных. Наиболее богаты ими белки сыворотки крови, молока, яичный белок, мышцы и др. В плазме крови человека в норме содержится около 7% белков, представленных преимущественно альбуминами и глобулинами. Альбумины и глобулины – это глобулярные белки, различающиеся по растворимости (табл. 2).
Таблица 2 – Растворимость альбуминов и глобулинов
Растворитель Альбумины Глобулины
Дистиллированная вода
Слабые солевые растворы NaCl
Насыщенный раствор Na2SO4 Насыщенный раствор NaCl
Полунасыщенный раствор (NH4)2SO4 Насыщенный раствор (NH4)2SO4 Растворимы
»
»
»
»
Нерастворимы Нерастворимы
Растворимы
Нерастворимы
»
»
»
Следует отметить, что само определение «альбумин» и «глобулин» основано на их растворимости в дистиллированной воде и частично насыщенном растворе (NH4)2SO4. Однако данные приведены в таблице. 1, глобулины растворимы только в разбавленных солевых растворах.
Различную растворимость альбуминов и глобулинов сыворотки крови ранее широко использовалась в клинической практике для их фракционирования и количественного определения.
Качественный состав и содержание сывороточных белков в настоящее время определяют с помощью электрофореза на бумаге и в полиакриламидном геле в небольшом количестве сыворотки крови.
Альбумины и глобулины отличаются друг от друга также по молекулярной массе – соответственно 40000…70000 и 150000 и более.
Альбумины: обнаружены во многих тканях (главным образом в цитоплазме клеток, в мышцах – миоальбумины; в молоке – лактальбумины; нервная ткань – содержит нейроальбумины, высокое содержание в сыворотке крови – 40…50 г/л), имеют сходные свойства.
Из сыворотки крови выделяли не только чистый альбумин, но также определяли первичную структуру только его полипептидной цепи (575 аминокислотных остатков). Альбумин имеет относительно низкую изоэлектрическую точку (4,7) и высокий отрицательный заряд при рН 8,6, благодаря чему он мигрирует с высокой скоростью в электрическом поле к аноду.
Считается, что примерно 75...80% осмотического давления сывороточных белков составляет альбумин; Кроме того, основной функцией из них является транспорт жирных кислот. Однако точная функция альбумина не совсем ясна. Есть случаи, когда некоторым людям действительно не хватает альбумина в крови (врожденная аномалия), но они практически здоровы.
Глобулины, представленные фракцией α1, содержатся в крови в целом вместе с билирубином и липопротеинами высокой плотности. Глобулины, которые мигрируют во время электрофореза в виде фракции α2, содержат глобулин и неизвестный гликопротеин. β-глобулины содержат ряд функционально важных белков, в частности трансферрин, белок, ответственный за транспорт железа. Церулоплазмин, белок, переносящий ионы меди, связан с той же фракцией.
Отсутствие этого белка приводит к развитию гепатоцеребральной дистрофии, при которой наблюдается интоксикация организма свободными ионами меди. В основе заболевания лежит врожденный дефицит синтеза церулоплазмина. Наконец, фракция β-глобулина содержит протромбин, который является предшественником тромбина, белка, ответственного за превращение фибриногена крови в фибрин во время свертывания крови.
Фракция γ-глобулинов является наиболее гетерогенной. Известно множество антител, различающихся первичной структурой. Электрофоретически они открываются главным образом в γ-глобулиновой и частично в β2-глобулиновой фракциях.
4 Аналоги азотистых оснований и нуклеотидов в качестве лекарственных средств
В медицинской практике, в частности в онкологии, широко используются синтетические аналоги азотсодержащих оснований, а также нуклеозидов и нуклеотидов. Эти аналоги, которые имеют небольшие модификации в структуре основания или углевода и которые интегрируются в соответствующие клеточные компоненты, обладают выраженным цитотоксическим действием.
К наиболее распространенным лекарственным препаратам – аналогам пуриновых и пиримидиновых оснований (и соответствующим нуклеотидам) относятся 5-фторурацил, 6-тио- и 6-меркаптопурин, 8-азагуанин, 6-азауридин и 6-азацитидин, а также 5-йодпроизводное дезоксиуридина [4].
х использование основано на роли нуклеотидов в качестве компонентов нуклеиновых кислот, которые определяют функции клеток, такие же важные, как рост и деление. Этап репликации ДНК требуется для деления. Это означает, что предшественники нуклеиновых кислот - нормальные пуриновые и пиримидиновые дезоксирибонуклеотиды - должны быть легко доступны.
Пациентам дают аналогичные препараты, которые имеют такие изменения в структуре гетероциклического или углеводного остатка молекулы, которые после включения соединения в соответствующие клеточные компоненты вызывают выраженные цитотоксические эффекты. Эти эффекты являются либо результатом ингибирования определенных ферментов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот, либо связаны с искажением структуры ДНК при встраивании аналога. На последнем принципе основано действие 5-фтор- или 5-иод-производных урацила или дезоксиуридина.
Первый является аналогом тимина, второй — тимидина (рис.1). Широко используются в клинике также 6-тиогуанин и 6-меркаптопурин
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
