Лекции по "Биохимии"

1. Химический  состав живых организмов

Химический состав живых  организмов отличается большим разнообразием. Изучая его, нужно учитывать несколько  важных особенностей живых организмов. Общее количество живого вещества на планете оценивается цифрами 1013 -1014 тонн. В состав живых организмов входит 60 химических элементов. По концентрации их можно разделить на макроэлементы (содержатся в количествах более 0,001%): С, Н, О, N, S, К, Р, Са, Мg, С1, Nа, Fе, микроэлементы (составляют 0,001 -0,000001%): Zп, Си, В, Мо, Мп, Со и др. и ультрамикроэлементы (менее 0,000001%)- Нg, Аи, Аg и др. Если сравнить химический состав живых и неживых тел, можно заметить, что основу живых организмов составляет небольшое количество легких элементов, тогда как в неживой природе преобладают тяжелые Легкие элементы оказались более пригодными для построения живых тел, так как они образуют газообразные, жидкие или твердые, но хорошо растворимые в воде соединения, что очень важно для организма, так как обеспечивает высокую скорость химических реакций в нем. Атомы легких элементов невелики по размерам, их соединения образуют компактные, достаточно устойчивые к внешним воздействиям, легко проходящие через клеточные мембраны молекулы. Свойства этих атомов настолько многообразны, что из них можно построить почти все необходимые клетке вещества. Лишь когда возникает потребность в молекулах с какими-нибудь уникальными свойствами, используются атомы тяжелых элементов.

2. Аминокислотный состав белков

Белки — непериодические  полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров  белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут  ли аминокислоты синтезироваться в  организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые  аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать  в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного  состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки  состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Все аминокислоты содержат: 1) карбоксильную группу (–СООН), 2) аминогруппу (–NH2), 3) радикал или R-группу (остальная  часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот —  различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие  одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие  более одной аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной  карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.

Аминокислоты по строению являются органическими карбоновыми  кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен на аминогруппу.

Аминокислоты - это строительные блоки белковых молекул, но необходимость  их изучения кроется не только в  данной функции.

Несколько из них являются источником для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин), другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глутаминоваякислота).

Те или иные группы аминокислот  необходимы для синтеза пуриновых  и пиримидиновых оснований без  которых нет нуклеиновых кислот, используются  для синтеза низкомолекулярных  биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, ансерин и др.).

Аминокислота тирозин  целиком входит в состав гормонов щитовидной железы и мозгового вещества надпочечников.

С нарушением обмена аминокислот  связан ряд наследственных и приобретенных  заболеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, гомоцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др). Самым известным примером является фенилкетонурия.

Аминокислоты используются в качестве лекарств

Аминокислоты объединяют по разным признакам 

Аминокислоты – это  строительные блоки макромолекул белков. По строению они являются органическими  карбоновыми кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен  на аминогруппу. Таким образом, в  аминокислотах обязательно присутствует карбоксильная группа (СООН), аминогруппа (NH2), асимметричный атом углерода и  боковая цепь (радикал R). Именно строением  боковой цепи аминокислоты и отличаются друг от друга.

Классификация аминокислот

Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот  может быть различной, в зависимости  от выбранного качества аминокислот. Аминокислоты подразделяются:

1. В зависимости от положения  аминогруппы по отношению к  С2 (α-углеродный атом) на α-аминокислоты, β-аминокислоты и др.

2. По абсолютной конфигурации  молекулы на L- и D-стереоизомеры.

3. По оптической активности  в отношении плоскости поляризованного  света – на право- и левовращающие.

4. По участию аминокислот  в синтезе белков – протеиногенные и непротеиногенные.

5. По строению бокового  радикала – ароматические, алифатические,  содержащие дополнительные СООН- и NH2-группы.

6. По кислотно-основным  свойствам – нейтральные, кислые, основные.

7. По необходимости для  организма – заменимые и незаменимые.

Двадцать аминокислот  необходимы для синтеза белка 

Среди многообразия аминокислот  только 20 участвует во внутриклеточном  синтезе белков (протеиногенные аминокислоты). Также в организме человека обнаружено еще около 40 непротеиногенных аминокислот.

Все протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами. На их примере можно показать дополнительные способы классификации. Названия аминокислот обычно сокращаются до 3-х буквенного обозначения. Профессионалы в молекулярной биологии также используют однобуквенные символы для каждой аминокислоты.

По строению бокового радикала. Выделяют алифатические (аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, глицин), ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан), серусодержащие (цистеин, метионин), содержащие ОН-группу (серин, треонин, опять тирозин), содержащие дополнительную СООН-группу (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и дополнительную NH2-группу (лизин, аргинин, гистидин, также глутамин, аспарагин).

По полярности бокового радикала. Существуют неполярные аминокислоты (ароматические, алифатические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные).

По кислотно-основным свойствам. По кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и основные (лизин, аргинин, гистидин) аминокислоты.

По незаменимости. По необходимости для организма выделяют такие, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей – незаменимые аминокислоты (лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин, триптофан, треонин, лизин, метионин). К заменимым относят такие аминокислоты, углеродный скелет которых образуется в реакциях метаболизма и способен каким-либо образом получить аминогруппу с образованием сответствующей аминокислоты. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (аргинин, гистидин), т.е.их синтез происходит в недостаточном количестве, особенно это касается детей.

Свойства аминокислот

Физические свойства. Аминокислоты – твердые кристаллические вещества с высокой т.пл., при плавлении  разлагаются. Хорошо растворимы в воде, водные растворы электропроводны. Эти  свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот существуют в виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе.

Химические свойства. Аминокислоты проявляют свойства оснований за счет аминогруппы и свойства кислот за счет карбоксильной группы, т.е. являются амфотерными соединениями. Подобно аминам, они реагируют с кислотами с образованием солей аммония:

H2N–CH2–COOH + HCl ® Cl- [H3N–CH2–COOH]+

Как карбоновые кислоты они  образуют функциональные производные:

а) соли

H2N–CH2–COOH + NaOH ® H2N–CH2–COO- Na+ + H2O

б) сложные эфиры

Кроме того, возможно взаимодействие амино- и карбоксильной групп как внутри одной молекулы (внутримолекулярная реакция), так и принадлежащих разным молекулам (межмолекулярная реакция).

Практическое значение имеет  внутримолекулярное взаимодействие функциональных групп e-аминокапроновой кислоты, в  результате которого образуется e-капролактам (полупродукт для получения капрона):

Межмолекулярное взаимодействие a-аминокислот приводит к образованию  пептидов. При взаимодействии двух a-аминокислот образуется дипептид.

Межмолекулярное взаимодействие трех a-аминокислот приводит к образованию  трипептида и т.д. Фрагменты молекул аминокислот, образующие пептидную цепь, называются аминокислотными остатками, а связь CO–NH - пептидной связью.

6. Биосинтез белка

        В  обмене веществ организма ведущая  роль принадлежит белкам и  нуклеиновым кислотам. Белковые  вещества составляют основу всех  жизненно важных структур клетки, они входят в состав цитоплазмы. Белки обладают необычайно высокой  реакционной способностью. Они наделены  каталитическими функциями, т.  е. являются ферментами, поэтому  белки определяют направление,  скорость и теснейшую согласованность,  сопряженность всех реакций обмена  веществ.  Ведущая роль белков  в явлениях жизни связана с  богатством и разнообразием их  химических функций, с исключительной  способностью к различным превращениям  и взаимодействиям с другими  простыми и сложными веществами, входящими в состав цитоплазмы.  Нуклеиновые кислоты входят в  состав важнейшего органа клетки  — ядра, а также цитоплазмы, рибосом,  митохондрий и т. д. Нуклеиновые  кислоты играют важную, первостепенную  роль в наследственности, изменчивости  организма, в синтезе белка.

        Процесс  синтеза белка является очень  сложным многоступенчатым процессом.  Совершается он в специальных  органеллах — рибосомах. В  клетке содержится большое количество  рибосом. Например, у кишечной  палочки их около 20 000.

        Молекулы  белков по существу представляют  собой полипептидные цепочки,  составленные из отдельных аминокислот.  Но аминокислоты недостаточно  активны, чтобы соединиться между  собой самостоятельно. Поэтому, прежде  чем соединиться друг с другом  и образовать молекулу белка,  аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под  действием особых ферментов. Причем  каждая аминокислота имеет свой, специфически настроенный на  нее фермент. Источником энергии  для этого (как и для многих  процессов в клетке) служит аденозинтрифосфат (АТФ).В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК. Важным является то, что каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК. Она находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому. Поэтому такая РНК и получила название транспортной.

        Следовательно,  в рибосому поступают различные  активированные аминокислоты, соединенные  со своими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот (рис. 13 А и Б).

 

        Возникает  вопрос: от чего зависит порядок  связывания между собой отдельных  аминокислот? Ведь именно этот  порядок и определяет, какой белок  будет синтезирован в рибосоме, так как от порядка расположения  аминокислот в белке зависит  его специфика. В клетке содержится  более 2000 различных по строению  и свойствам специфических белков.

        Оказывается,  что одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок, тот или иной фермент (так как ферменты являются белками). Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника, той формы РНК, которая получила название матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК). Информационная РНК синтезируется в ядре иод влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК. Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план — в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок.Молекула информационной РНК поступает в рибосому и как бы прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту. Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так далее, до тех пор пока не будет считана вся цепочка и-РНК и пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит иэ рибосомы. Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом — полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации: синтез на ДНК  как на матрице и-РНК (транскрипция) и синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция), универсальны для всех живых существ. Однако временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.  У организмов, обладающих па стоящим ядром (животные, растения), транскрипция и трансля ция строго разделены в пространстве и времепи: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану (рис. 13 А). Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка— рибосомам. Лишь после этого паступает следующий этап — трансляция.