Тема: Предмет и задачи биохимии. Строение и функции белков (занятия 1-5).
Цель:изучить строение белковых молекул как важнейших макромолекул живых систем, их физико-химические свойства. Усвоить, что уникальная структура белков лежит в основе их функционирования. Усвоить предмет и задачи биохимии.
Значение темы. Биохимия изучает химические основы жизнедеятельности, т.е. химические процессы, обеспечивающие существование живого организма. Жизнь с позиций биохимии макромолекулярная система, для которой характерны способность к воспроизведению, строго регулируемому обмену веществ и энергии. Основная структурная единица всех форм жизни – клетка, при большом разнообразии их объединяет наличие обязательных надмолекулярных образований, которые необходимы для реализации воспроизведения и обмена: мембраны, митохондрии, ядро, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи (функции их вспомнить из курса цитологии). При изучении химического состава организма обнаружено множество органических молекул, главную роль среди которых играют макромолекулы - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды; низкомолекулярные органические биологически активные вещества и минеральные вещества. Предмет биохимии – строение во взаимодействии с функциями молекул и надмолекулярных образований, свойственных живому; механизмы извлечения из внешней среды соединений, необходимых для обеспечения обмена веществ и энергии; механизмы превращения биомолекул и регуляция этих превращений; механизмы высвобождения, трансформации и использования энергии; механизмы самовоспроизведения. Частный раздел биохимии – клиническая биохимия - изучает нарушения химических процессов жизнедеятельности и методы их выявления для устранения или коррекции.
Белки выполняют в клетке приоритетные функции. В основе их функционирования лежит способность специфично связываться с молекулами (лигандами), что обусловлено их уникальной конформацией. Конформация определяется первичной структурой, которая для каждого индивидуального белка закодирована в генах, нарушение последовательности аминокислот при биосинтезе белка приводит к развитию молекулярной патологии – наследственным болезням. Изменение конформации белковой молекулы приводит к изменению их функций, а следовательно может быть причиной патологических состояний.
Занятие 1. Предмет и содержание биологической химии. Правила работы в биохимической лаборатории.
Цель занятия:Усвоитьпредмет и задачи биохимии. Ознакомиться с принципами методов, используемых в современных исследованиях. Ознакомиться с элементами техники безопасности при работе в химической лаборатории, с приемами самостоятельной работы в процессе изучения дисциплины.
Студент должен знать:
1. Предмет и содержание биологической химии.
2. Приемы техники безопасности при работе с электроприборами, с агрессивными химическими соединениями.
3. Как оказать помощь подвергшимся электротравме, воздействию агрессивными химическими соединениями, как вести себя при возникновении пожароопасной ситуации.
4. Принципы основных методов, используемых в современных исследованиях.
5. Ознакомиться с принципами организации аудиторной и самостоятельной работы при изучении биохимии.
Занятие 2. Свойства и функции аминокислот – структурных единиц белков. Цветные реакции, обнаруживающие белки и аминокислоты.
Цель занятия: Изучить общую характеристику белков. Изучить структуру, классификацию и свойства протеиногенных аминокислот. Овладеть простейшими приемами обнаружения белков и аминокислот в биологических средах.
Студент должен знать:
1. Обязательные признаки живой системы.
2. Определение понятия «Белковая молекула», общие свойства и функции.
3. Основные свойства аминокислот как структурных единиц белковых молекул. Основной вид связи в молекуле белка.
4. Классификацию и номенклатуру, структурные формулы протеиногенных аминокислот.
Студент должен уметь:
1. Изобразить общую структурную формулу протеиногенной аминокислоты.
2. Изобразить структурные формулы всех протеиногенных аминокислот.
3. Различать 20 протеиногенных аминокислот среди других, не участвующих в построении белковых молекул.
4. Определить заряд аминокислот при растворении их в средах с различными значениями рН. Прогнозировать растворимость аминокислот.
5. Изобразить формулы конкретных ди-, трипептидов.
6. Выполнить цветные реакции, которые позволяют обнаружить белок и аминокислоты в биоматериалах.
Студент должен получить представление:
1. О классификации аминокислот по их роли в организме;
2.О роли дефицита аминокислот в возникновении некоторых патологических состояниях;
3. О принципах, на которых основаны современные методы разделения и идентификации аминокислот.
Сведения из базовых дисциплинах, необходимые для изучения темы:
1. Аминокислоты как производные органических кислот, классификация последних;
2. Строение и свойства пептидной связи;
3. Реакции гидролиза, условия их осуществления.
Задания для самоподготовки:
Изучите материал темы в соответствии с целевыми вопросами («студент должен знать») и письменно выполните следующие задания:
1. «Собирите» из приведенных фрагментов наиболее полное определение белковой молекулы: 1. разветвленный полимер; 2. гетерополимер, включающий остатки аминокислот и углеводов; 3. линейный полимер из аминокислот; 4. линейный полимер или сополимер из аминокислот, соединенных пептидными связями; 5. линейный полимер, отличающийся плоской структурой; 6. полимер, характеризующийся трехмерной пространственной организацией; 7. полимер с периодическим включением в цепь остатков жирных кислот; 8. полимер или сополимер, состоящий из аминокислот, в котором различают три уровня организации и для которого характерна способность объединяться в надмолекулярные образования – четвертичный уровень организации.
2. Напишите общую формулу протеиногенной аминокислоты. Подчеркните группу, которая определяет принадлежность аминокислоты к протеиногенным. Усвойте, что все аминокислоты отличаются строением радикала.
3. Заполните таблицу: Классификация аминокислот по химическому строению
| Название класса аминокислот | Название аминокислот (формулы изучить) |
| I. Аминокислоты с алифатическим радикалом | |
| II. Аминокислоты, содержащие в радикале дополнительную функциональную группу: окси – карбокси- амино- тио- | |
| III. Ам-ты, содержащие ароматический радикал | |
| IV. Аминокислоты с гетероциклическим радикалом | |
| V. Иминокислоты |
4. Напишите структурными формулами трипептид, образованный из глицина, аланина и серина. Дайте полное название и краткое обозначение. Подчеркните пептидную связь. Обозначьте №-концевую и С-концевую аминокислоты. Запишите схему реакции гидролиза этого трипептида.
5. Запишите формулы и названия аминокислот с полярными положительно заряженными радикалами.
6. Запишите формулы и названия аминокислот с полярными отрицательно заряженными радикалами.
7. Запишите формулы валина и аспарагиновой кислоты. Сравните степень их растворимости. Подчеркните фрагмент молекулы, который определяет степень растворимости аминокислот.
Аудиторная работа
Лабораторная работа (цветные реакции, обнаруживающие белок и аминокислоты)
1. Биуретовая реакцияоткрывает в белке пептидную связь(-СО-NН-),образующуюся в результате взаимодействия карбоксильной и аминогруппы альфа-аминокислот при отнятия воды. Название реакции происходит от производного мочевины – биурета, имеющие группировки, характерные для белковой молекулы. (-СО- NН-).
Химизм реакции: при добавлении сернокислой меди в сильно основной раствор белка образуются комплексные соединения меди, окрашенные в красно-фиолетовый или сине-фиолетовый цвет.
Ход работы: к 5 каплям раствора белка добавить 3 капли 10%-ого раствора едкого натрия и 1 каплю 1%-ого раствора сернокислой меди, смешать – появляется сине-фиолетовое окрашивание.
2. Нингидриновая реакциявыявляет a-аминогруппы: растворы белка, a-аминокислот и пептидов при нагревании с нингидрином приобретают фиолетовое окрашивание.
Ход работы: К 5 каплям раствора белка добавить 5 капель 0,1% -ого раствора нингидрина, кипятить 1-2 мин – появляется розово-фиолетовое или сине-фиолетовое окрашивание.
3. Ксантопротеиновая реакцияоткрывает в белках циклические аминокислоты. Большинство растворов белков при нагревании с концентрированной азотной кислотой приобретают желтое окрашивание, переходящее в оранжевое при подщелачивании.
Химизм: Реакция обусловлена нитрованием бензольного кольца соответствующих аминокислот с образованием нитросоединений желтого цвета.
Ход работы: К 5 каплям раствора белка добавить 3 капли концентрированной азотной кислоты и осторожно кипятить. Появляющийся осадок белка окрашивается в желтый цвет. После охлаждения прилить по каплям 10%-ный раствор едкого натрия до появления оранжевого окрашивания.
4. Реакция Миллонаоткрывает в белках циклическую аминокислоту тирозин, имеющую фенольную группировку, которая, взаимодействуя с реактивом Миллона (смесь азотнокислых солей закиси и окиси ртути в концентрированной азотной кислоте), образует ртутную соль красного цвета. Белки, не содержащие тирозина, этой реакцией не обнаруживаются. При избытке реактива Миллона появление окраски (красного цвета) может быть замаскировано ксантопротеиновой реакцией за счет азотной кислоты.
Ход работы: К 5 каплям раствора белка прилить 3 капли реактива Миллона – появляется осадок белка, который при осторожном нагревании окрашивается в кирпично-красный цвет.
6. Реакция Фоляпозволяет обнаружить в белке аминокислоты (цистин и цистеин), содержащие непрочно связанную серу.
Химизм: при кипячении белка со щелочью цистин и цистеин теряют серу в виде сероводорода, который со свинцом образует черный или серый осадок сернистого свинца (реактив Фоля состоит из 5%-ого раствора уксуснокислого свинца и избытка 10%-ого раствора едкого натра).
Ход работы: К 5 каплям раствора белка прилить 5 капель реактива Фоля, нагреть до кипения и оставить на 1 или 2 мин – появляется бурый или черный осадок сернистого свинца.
После выполнения проб каждому студенту необходимо индивидуально проделать следующее: в пробе жидкости, полученной у преподавателя, установить наличие белка или аминокислот (при обнаружении аминокислот определить тип). Письменно аргументируйте результат исследования.
Дайте письменно обоснованные ответы на следующие вопросы:
1. Исследуемая биологическая жидкость при нагревании с нингидрином приобретает фиолетовое окрашивание. Содержатся ли в исследуемой жидкости белки?
2. Можно ли установить присутствие свободных аминокислот в растворе белка, располагая реактивами только для нингидриновой пробы?
3. Будет ли положительной биуретовая реакция с раствором белка после длительного кипячения в присутствии серной кислоты?
4. Будет ли положительной биуретовая реакция с раствором белка после кратковременного нагревания?
5. Выберите из представленных аминокислот протеиногенную:
а. R- CH(NH 2 )-CH 2 –CH2 –COOH .б. R- CH 2- CH (NH 2 ) –CH2 –COOH
в. R- CH 2-CH 2 –CH (NH 2) –COOH
6. Определите суммарный заряд молекул аминокислот, представленных в таблице, при различных значениях рН и заполните таблицу:
| Название аминокислоты | суммарный заряд молекулы | ||
| рН 7,0 | рН 3,0 | рН 11,0 | |
| асп лиз ала |
Сравните Ваши ответы с эталонными ответами. Выявите с помощью лекций и учебника причину Ваших ошибок.