Значение биохимии для врача

В 10 – 13 вв. в Европе с развитием алхимии стал накапливаться материал о составе органических соединений.

В 14 - 17 вв. получила развитие ядрохимия. Важнейшим представителем был Парацельс. Он предположил, что в основе всех заболеваний лежит нарушение хода химических реакций и что лечить их надо тоже химическими веществами.

Ядрохимия дала много практического для медицины. Кроме этого ятрохимия поддерживала виталистические взгляды.

В 17 – 18 вв. широкое признание получила теория, которая объясняла процессы горения выделением из горящего тела особого невесомого вещества и была опровергнута Ломоносовым и Лавуазье, которые открыли закон сохранения энергии.

В 1828 г. Вёлер впервые синтезировал мочевину.

В 1839 г. Либих выяснил, что в состав пищи входят белки, жиры, углеводы.

В 1861 г. Бертло полцчил жиры.

В 1847 г. Ходнев издал первый учебник биохимии, а в 1864 г. Данилевским была основана кафедра биохимии.

В 1903 г. было введено понятие «биохимия».

До 20-х годов получила развитие биохимия углеводов и липидов.

30-е годы - биохимия втаминов и гормонов.

40-50-е годы – биохимия ДНК, РНК, белков.

3. БЕЛКИ –это ВМС, состоящие из аминокислот (всего 20) и имеющие 4 уровня структурной органи –

зации, а в настоящее время выделяют еще и пятый уровень.

Белки – основа жизни, главная молекула жизни. Если ДНК является своеобразным информационным чертежом организма, то белок - это материал, средство, при помощи которого по этому чертежу построен организм.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

O O

// //

HN2 – CH – C – N – CH – C – N – CH – COOH

\ \ \ \ \

R H R H R

Первичная структура - ожерелье, состоящее из пластически соединенных ассиметричных атомов. Эта структура упорядочена, так как углы наклона плоскостей постоянны. Первичная структура имеет ряд особенностей:

1. Ее стабильность обусловлена ковалентными пептидными связями, возможно участие небольшого числа дисульфидных связей.

2. В полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные комбинации аминокислот.

3. Каждый индивидуальный белок является уникальной первичной структурой и замены аминокислот приводят к изменению физикохимических и биологических функций.

4. В некоторых ферментах, обладающих близкими свойствами встречаются сходные последовательности аминокислот (в частности активных центров).

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА - конфигурация полипепидной цепи, то есть наибольшее свертывание поли – пептидной цепи в спиральную конформацию. Причем это протекает не хаотично, а в соответствии с про – граммой, заложенной в первичной структуре белка. Это определяется прежде всего строением пептид – ной связи.

//

лактам C – N - p,П- сопряжение

\

H

Атомы С и Nнаходятся в одной плоскости, а атом Н и радикал в плоскости, которая лежит под углом 109*28 предыдущей. Расстояние между атомами С и N = 0,132 нм, оно является промежуточным между одинарной и двойной связью. Это создаёт предпосылки для лактам-лактимных превращений.

OH

/

лактим - С = H

То есть благодаря р,П- сопряжению возникает двесвязанность между атомами С и N, эта форма более реакционноспособна.

Так как возникла двойная связь, то вращение затрудняется и формируется водородная связь, что приводит к возникновению спиральной конформации полипептидной цепи. Незаменимые аминокислоты гидрофобны. Они входят в состав мембран, без которых клетка не живёт и механизм действия гидрофобных ядов сводится к тому, что они, встраиваясь в мембраны, разрушают их (прежде всего мозг).

На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатков. Аминокислоты располагаются таким образом, что 1-ая аминокислота находится под 4-ой, 2-ая - под 5-ой и т. д. Это а -спираль, она может быть право- и левозакрученной. Причём степень закрученности зависит от длины радикалов. В молекуле белка а- спиральные участки чередуются с линейными. Стабильность вторичной структуры в основном обес –

печивается водородными связями. Водородные связи включают не только электростатические силы притя – жения между атомами О и Н, но и электронные связи такого же типа, как в ряде комплексных соединений. Водородные связи намного слабее ковалентных, но их число очень велико, что и обеспечивает жёсткость а -спирали. Существует также в - конформация вторичной структуры (в фибриллярных белках, белках волос, мышц). В этом случае две или более полипептидных цепей, расположены параллельно и содержат иминокислоты. Между этими цепями точно образуются водородные связи, но в том месте, где есть иминогруппы, водородные связи не образуются и происходит излом, поэтому в – конформация имеет складчатую форму (в виде шифера). Белки в - спирали выполняют в основном опорную функцию, противостоят сжатию и растяжению. В природе существуют белки, строение которых не соответствует ни а - ни в- структуре (полигены). Некоторые белки имеют в своей структуре сочетание а – и в –

спирали.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА – пространственная ориентация полипептидной цепи в определённом объёме

(в трёхмерном пространстве). Иными словами, третичная структура показывает, каким образом полипептидная цепь, ввёрнутая частично или целиком в спираль, располагается в пространстве. Укладка полипептидной цепи в трёхмерном пространстве происходит за счёт радикалов. Как правило, в центре третичной структуры гидрофобные радикалы: лей, илей, вал, ала. Однако для мембранных белков это правило не действует. Пространственная структура белка зависит рН раствора, t, давления, линейной силы. Стабильность третичной структуры обусловлена помимо ковалентных связей ещё и нековалентными (электростатическими, линейными силами, гидрофобными взаимодействиями, дисульфидными связями). Тре –

тичная структура белка возникает совершенно автоматически и полностью детерминирована первичной структурой (размером, формой и полярностью радикалов аминокислотных остатков).

Основной движущей силой в возникновении треичной структуры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды. При этом полярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы вталкиваютя внутрь белковой молекулы, образуя там «сухие» зоны, в то время как полярные гидрофильные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная конформация молекуы в целом и она стабилизируется. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией.

Третичную структуру имеют гемоглобин, пепсин, трипсин, хемотрипсин, карбонгидраза. Причём все свой –

свойства этих белков связаны с сохраностью их третичной стуктуры и поэтому называется нативной конформацией. Любые воздействия, приводящие к нарушению этой конформации сопровождается полной или частичной потерей белком биологических свойств.

4. ДЕНАТУРАЦИЯ.Под влиянием различных физических и химическх факторов белки подвергаются свёртыванию и выпадают в осадок, теряя свои нативные свойства. Денатурация – это изменение общего плана (конформации) уникальной структуры нативной молекулы белка, приводящее к потере биологических функций и физико- хмических свойств (растворимости).

Факторы, вызывающие денатурацию:

1. Температура (большинство белков денатурирует при нагревании до 60 градусов).

2. Ионизирующее излучение.

3. Химические факторы:

а) концентрированные кислоты и щёлочи;

б) водоотнимающие растворы;

в) тяжёлые металлы;

г) гемолитические яды.

МЕХАНИЗМ ДЕНАТУРАЦИИ.

В основе денатурации лежит освобождение энергии, которое возникает в результате разрушения связей (в основном водородных, дисульфидных). Пептидные связи не затрагиваются, поэтому первичная структура сохраняется. При этом происходит освобождение гидрофобных участков и понижается растворимость, так как гидрофобные участки взаимодействуют друг с другом. За счёт дополнительной энергии образуются случайные беспорядочные структуры. При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующего агента возможна РЕНАТУРАЦИЯбелка с полным восстановлением исходной структуры и нативных свойств.

ПРИЗНАКИ ДЕНАТУРАЦИИ:

1. снижение растворимости, особенно в ИЭТ, и вязкости белковых растворов;

2. освобждение функциональных СН - групп;

3. изменение характера рассеивания рентгеновских лучей;

4. снижение или потеря биологической активности (каталитической, антигенной, гормональной).

Состояние, близкое к денатурации, наблюдается при взаимодействии антитела с антигеном.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕНАТУРАЦИИ:

1. используя процесс денатурации в мягких условиях, его используют для получения и хранения ферментов в низких температурах.

2. явление денатурации используют в пищевой промышлености (для получения яичного порошка, консервов).

3. в медицине денатурацию используют для осаждения чужеродных белков, при ожогах, обморо –

жениях.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА. ОЛИГОМЕРЫ. ПОЛИФЕРМЕНТНЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Под четвертичной структурой белка понимают способ укладки в пространстве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной и третичной структурой, и формирование единого макромолекулярного образования в структурном и функциоанльном отношении.

Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, которая называется протомером, чаще всего не обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает при объединении с другими протомерами. Образовавшуюся при этом молекулу называют мультимером. Мультимерные белки чаще всего построены из чётного числа протомеров. Функционально активная часть мультимера называется субъеденицей.

В частности молекула белка глобина состоит из 2- а и 2-в субъедениц, каждая из которых состоит из двух одинаковых а- и в – полипептидных цепей соответственно. То есть молекула гемоглобина состоит из 4 –х

полипептидных цепей, каждая из которых окружает группу гема.

При определённых условиях (в присутствии мочевины) или при сдвиге рН молекула гемоглобина обратимо диссоциируют на 2 –а и 2-в полипептидных цепи. После удаления мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы. Это возможно благодаря информации, заложенной в первичной структуре. То есть последовательность аминокислот содержит в себе информацию, которая реализуется на всех уровнях структурной организаци белка. Наиболее изученным мультемерным ферментом является ЛДГ, содержащий два типа полипептидных цепей: Н – сердечный и М - мышечный тип, и состоящий из 4-х субъединиц. Этот фермент, благодаря различным сочетанием субъедениц может существовать в 5- ти формах. Такие ферменты называются изоферментами.

ПЯТЫЙ УРОВЕНЬорганизации представлен в виде ферментных комплексов, которые катализируют цепной и метаболический путь. Эти комплексы называются метаболонами, они чаще связаны с клеточными мембранами.

Стабильность четвертичной структуры обусловлена ковалентными связями между контактными площадками протомеров, которые взаимодействуют друг с другом по принципу комплементарности. Так, например, в гемоглобине каждая субъеденица имеет 4 контактные поверхности для связывания с гемом, 3 – для связывания с другими протомерами.

В последние 11 лет была сформулирована теория доменной структуры белка. Домен – это функциональный модуль, рабочая поверхность отдельного белка. То есть белок – это полифункциональный модуль, состоящий из нескольких доменов. Было установлено, что белки выполняющие одну и ту же функцию, но выделенные из разных веществ, имеют сходное строение. Домены друг относительно друга могут смещаться благодаря “ гибкости” белковой молекулы. Смещение происходит под действием температуры, факторов внешней среды, фосфорилирования, метилирования, и это отражается на свойствах и функциях белка.

Изучение третичной структуры показало, что все белки делятся на 5 групп, принадлежность к которым определяется отношнием а – структуры и в-конформации:

1) а-а-спираль

2) в-в-спираль

3),4),5) – различные модификации а- спирали и в-конформации

Методом комплексного моделирования было установлено, что любой белок в физиологических условиях имеет свою конформацию, которая постоянно меняется с частотой 10, то есть белковая молекула пульсирует, дышит. Все уникальные способности белка возможны благодаря биоёмкости биосинтеза белка. Это лежит в основе продолжительности жизни белка.