Раздел 1. Характеристики, структура и содержание учебной дисциплины

«Химия белка» Раздел 1. Характеристики, структура и содержание учебной дисциплины
1.1. Цели и результаты изучения дисциплины
Все биологические процессы осуществляются при непременном участии белков. Они служат регуляторами генетической функции нуклеиновых кислот, катализируют все биосинтетические и метаболические процессы, ответственны за клеточные и внутриклеточные движения, осуществляют иммунологические функции, обеспечивают в комплексе с липидами активный транспорт метаболитов через клеточные мембраны и выполняют многие другие функции. Поэтому решение любой биологической проблемы неизбежно сталкивается с необходимостью изучения трехмерных структур белков, и на этой основе - их биологических функций. Однако понимание структурно-функциональных зависимостей невозможно без знания фундаментальных свойств белковых молекул и принципов их структурной организации. Изложению этих свойств и принципов посвящен базовый курс лекций "Химия белка".
1.2. Язык(и) обучения
Русский
1.3. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания учебной дисциплины (пререквизиты)
Студент должен владеть основными (базовыми) положениями органической химии, физической химии и биохимии
1.4. Перечень компетенций, формируемых при изучении дисциплины (с указанием кодов)
1.5. Знания, умения, навыки, осваиваемые обучающимся при изучении дисциплины
По результатам освоения студент должен знатьсовременные приемы анализа аминокислотного состава белка, классификацию и структурно-функциональные характеристики отдельных аминокислот, разнообразные химические модификации белков, используемые для изучения первичной структуры полипептидной цепи, сближенности различных аминокислотных остатков в активных центрах белков и их ближайшего окружения, локальные конформационные изменения при связывании с субстратом (ингибитором) и т. п.. Он должен усвоить приемы анализа основных уровней структурной организации белковых молекул (первичной, вторичных, супервторичных, доменных и модульных, третичных и четвертичных структур), а также факторов и сил, определяющих эти структуры и свертывание полипептидной цепи в нативную конформацию in vitro. Студент должен знать теоретические основы разнообразных химических, физических и физико-химических методов, используемых для изучения этих конформаций, должен ясно представлять типы трехмерных структур доменов глобулярных белков и соответствующую классификацию последних, модульную структуру белков и ее генетическую основу, типичные модули, обеспечивающие белок-ДНК и белок-белок взаимодействия. Наконец, он должен усвоить совокупность методов, позволяющих оценить основные физико-химические и электро-химические характеристики белковых молекул, а также понять процесс денатурации белка, его кинетику и термодинамику.
1.8. Структура и содержание учебной дисциплины
ВВЕДЕНИЕ. Определение понятия "белок". Значение белков в процессах жизнедеятельности животных и растительных клеток. Основные этапы истории белковой химии. Вклад отечественных ученых в развитие белковой химии. Практическое применение белковой химии в медицине, ферментативной промышленности, сельском хозяйстве. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БЕЛКА. Химические и ферментативные методы гидролиза белков и полипептидов. Промежуточные и конечные продукты гидролиза белков; оценка степени гидролиза. Фракционирование и определение аминокислот в белковых гидролизатах; методы распределительной и ионообменной хроматографии аминокислот (одноколоночные и двухколоночные). Газо-жидкостная хроматография аминокислот. Хроматография под высоким давлением. Общая характеристика аминокислот; классификация аминокислот; структурно-функциональная характеристика аминокислот. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ БЕЛКОВ. Основные особенности химических реакций белков, их теоретическая и практическая значимость, типы реагентов. Модификация белков функциональными реагентами типа R-0. Реакции на сульфгидрильные группы и дисульфидные связи. Реакции свободных аминогрупп белков: алкилирование, арилирование (ДНФБ, пепсилхлорид, дансилхлорид), ограниченная модификация аминогрупп, ацилирование, взаимодействие с формальдегидом. Этерификация карбоксильных групп спиртами и диазосоединениями; реакция с безводным гидразином. Реакции алифатических гидроксильных групп (фосфорилирование, взаимодействие с ДФФ). Реакции некоторых остатков аминокислот в молекуле белка (тирозина, триптофана, гистидина, метионина) и их значение. Модификация белков бифункциональными реагентами. Реагенты типа R-0-R или A-0-R для оценки сближенности аминокислотных остатков в молекуле. Введение негативной метки. Анализ ближайшего окружения аминокислотных остатков с помощью бифункциональных реагентов типа A-0-S или R-0-S. Спектральные смещения полос поглощения, "репортерная" группа, связывание флуоресцентных меток, метод спиновой метки. Химические и ферментативные методы определения N- и С-концевых аминокислот в белках и пептидах. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. Понятие первичной структуры белка. Основные этапы анализа первичной структуры. Определение числа полипептидных цепей в белковой молекуле, разъединение цепей. Изучение последовательности аминокислотных остатков в полипептидных цепях. Неполный кислотный гидролиз цепей; неспецифическое ферментативное расщепление. Специфический ферментативный гидролиз цепей трипсином, химотрипсином и другими узкоселекитивными протеиназами. Специфическое химическое расщепление пептидных связей по остаткам триптофана, тирозина и метионина. Разделение пептидных смесей [методами фингерпринта, ионообменной хроматографии и обратно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (офВЖХ)]. Определение аминокислотной последовательности в отдельных пептидах; применение газо-жидкостной хроматографии для разделения и анализа первичной структуры пептидов. Масс-спектрометрический анализ пептидов. Ступенчатая деградация пептидов по Эдману, жидкофазные, твердофазные и газофазные секвенаторы пептидов и белков. Определение местоположения каждого пептида в исходной полипептидной цепи. Определение числа и местоположения дисульфидных связей в белковой молекуле и "воспроизводство" ее первичной структуры. Определение аминокислотной последовательности белков путем анализа нуклеотидной последовательности соответствующих кДНК. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. Факторы и силы, определяющие вторичную структуру полипептидной цепи. Понятие вторичной структуры. Вращение по связям N-Сα, Сα-С¢ и С¢-N в полипептидном скелете и вторичная структура полипептидной цепи. Факторы и силы, которые контролируют вращение по связям цепи и ограничивают торсионные углы допустимыми угловыми областями. Сопряженность пептидной группы, делокализация p-электронов, конфигурация пептидной группы. Стерический контакт ковалентно-несвязанных атомов и области разрешенных значений торсионных углов φ и Y. Возможные комбинации торсионных углов и конформации полипептидных цепей (конформационные карты). Потенциальная энергия взаимодействия ковалентно-несвязанных атомов и энергия электростатических взаимодействий ковалентно-связанных атомов. Водородные связи основной цепи. Карты потенциальной энергии вторичных структур. Упорядоченное расположение основной цепи; полипептидная цепь ­ линейная группа (спираль); основные параметры спирали. α -спираль, ее основные характеристики и особенности. Иные спиральные конформации полипептидных цепей (310-спираль; p-спираль; полиглицин II; полипролин II; спирали коллагена). Деградированная спираль (b -структура), образуемая вытянутыми участками полипептидной цепи, ее основные особенности и характеристики. b -складчатые слои с параллельными и антипараллельными b -структурами; смешанные слои. Длина b -структуры; ширина слоя; скручивание b -листов. Реверсивные повороты полипептидной цепи (b -излом). Предсказание вторичной структуры полипептидной цепи. Свойства аминокислот, определяющие конформацию основной цепи в полиаминокислотах и фибриллярных белках. Вероятностный подход Чоу и Фасмана; конформационные параметры аминокислотных остатков. Аминокислоты, которые формируют, разрушают или индифферентны для a -спиральных и b -слоистых областей белков; вероятность появления любого остатка в различных позициях b -излома. Процедура предсказания a -спиральных участков, b -слоя и b -изломов. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ. Вторичные взаимодействия определяющие структуру белка. Потенциал Ван-дер Ваальса (дисперсионные силы притяжения; отталкивание электронных оболочек валентно-несвязанных атомов; электростатические взаимодействия ковалентно-связанных атомов; ионные взаимодействия). Водородные связи особого рода; природа, размеры, энергии взаимодействий; линейность связей и составляющих их диполей. Гидрофобные взаимодействия; свободная энергия и связывающая энергия полипептидной цепи. Полипептидная цепь в вакууме и в растворе. Структура воды, энтропийные силы растворителя и агрегация неполярных групп белка. Вторичные взаимодействия и трехмерная упаковка полипептидной цепи в плотную глобулу, роль первичной структуры. Дисульфидные связи, их особенности и роль в закреплении третичной структуры. «Ренгеноструктурный анализ третичной структуры». Пространственная решетка кристаллов. Закон Брегга. Оценка размеров и геометрии элементарной ячейки. Определение координат атомов в элементарной ячейке белка. Принцип изоморфного замещения и определения фазовых соотношений отдельных компонентов. Двумерный синтез Фурье, трехмерный синтез Фурье. Построение модели молекулы миоглобина при разрешении в 6 и 2 Å. Пространственные формулы белковых молекул, выявление новых уровней структурной организации. Супервторичная структура. Понятие сверхвторичных структур, их основные типы: суперспирализация α -цепей, βхβ -звено, сочетание двух последовательных βхβ -звеньев, β -зигзаг. Домены. Понятие домена, структурные и функциональные домены, локализация активных центров. Сочленения доменов, роль доменов в ферментативном катализе. Топологическое родство доменов с одинаковой функцией связывания, находящихся в различных белках (кофермент-сязывающие домены различных NАД-звисимых дегидрогеназ; ДНК-связывающие домены Сго белка, Lac и GAL репрессоров; CAP – типичный модульный белок). Гипотеза модульной структуры белка. Генетическая основа модульного строения белков. Белковые модули – частный вид доменов, которые соответствуют отдельным экзонам и которые непосредственно связаны с дупликацией, встраиванием и делецией последних. Модули внутриклеточных белков, обеспечивающие белок-ДНК взаимодействие. Модули внутри- и внеклеточных белков, обеспечивающие белок-белок взаимодействия. Третичные структуры доменов глобулярных белков и классификация последних. α -белки. Третичная структура миоглобина, взаимосвязь между третичной структурой и функцией белка. β -белки. Сложная топология полипептидной цепи, взаимодействие и скручивание слоев. (α+β)-белки; α/β -белки. Особенности чередования в них α -спиралей и β -участков полипептидной цепи и формирования β -слоев. Белки со смешанным β -слоем. "Неупорядочные белки". ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ. Мономерные и олигомерные белки. Понятие субъединиц и четвертичной структуры. Типы белков и физиологическая среда, в которой существует белок. Преимущества олигомерных белков, их основные характеристики. Самосборка субъединиц и образование олигомерных белков; молекулярная симметрия олигомерных белков. Олигомеры, содержащие гетерологические связи (циклическая симметрия олигомеров, спиральные структуры); изологические связи; парные взаимодействия. Олигомеры, содержащие как гетерологические, так и изологические связи. Олигомеры, содержащие субъединицы различных типов. Взаимосвязь между четвертичной структурой и функцией белковой молекулы (гемоглобин). ДЕНАТУРАЦИЯ БЕЛКОВ. Термодинамика и кинетика денатурации. Возможность существования промежуточных конформационных состояний; продуктивные и тупиковые интермедиаты. ВЕЛИЧИНА И ФОРМЫ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ. Основные характеристики белковой молекулы, устанавливаемые физико-химическими методами. Средние молекулярные веса, тип усреднений. Молекулярный вес и молекулярная масса. Причины ошибок в определениях величины и формы белковых молекул физико-химическими методами. Осмотическое давление белковых растворов и определение молекулярного веса. Влияние "эффективных объемов" молекул белка и величины рН на осмотическое давление белковых растворов. Коэффициенты диффузии и молекулярный вес белковых частиц. Определение "кажущегося" радиуса и соотношения полуосей молекулы по коэффициенту диффузии. Экспериментальные приемы определения коэффициента диффузии. Вязкость белковых растворов. Закон Стокса. Характеристика вязкости: относительная, удельная, характеристическая. Инкремент вязкости и его зависимость от формы молекулы. Характеристическая вязкость и молекулярный вес белковых частиц. Рассеяние света белковыми растворами. Отношение Рэлея. Связь между мутностью белкового раствора, интенсивностью светорассеяние и величиной молекулярного веса, "эффективный объем" и мутность белкового раствора. Коэффициент дисимметрии и размеры белковых частиц. Экспериментальные приемы оценки интенсивности светорассеяния. Двойное лучепреломление в потоке. Оценка степени ориентации белковых частиц; угол χ, его связь с коэффициентом вращательной диффузии и вращательным коэффициентом трения. Зависимость последнего от соотношения осей молекулы. Связь между средневесовым молекулярным весом, двойным лучепреломлением и углом χ. Аналитическое ультрацентрифугирование. Метод скорости седиментации и определение молекулярных весов белковых частиц. Константы седиметации, расчет константы седиментации для стандартных условий. Метод седиментационного равновесия, определения молекулярных весов. Хроматография белков на молекулярных ситах как один из приемов оценки молекулярного веса. Основные параметры гелей; объем элюции и объем разделения; коэффициент разделения и константа доступности; эффективность разделения. Определение молекулярного веса белка гель-хроматографией на колонках и тонкослойной хроматографией в гелях. ЭЛЕКТРОХИМИЯ БЕЛКОВ. Доказательства дипольного строения аминокислот. Константы диссоциации амино- и карбоксильных групп. Изоэлектрическая точка; изоточки различных аминокислот. Полярные группы белковой молекулы, соединение с водородными ионами. Изоэлектрическая и изоионная точки белка. Влияние нейтральных солей на изоионную точку белка. Определение ионогенных групп белка с помощью электрометрического титрования. Анализ кривых титрования белков кислотами и щелочами. Трудности интерпретации кривых титрования. Диэлектрические постоянные растворов белков и аминокислот. Инкремент диэлектрической постоянной, его связь с дипольным моментом и распределением полярных групп в белковой молекуле. Зависимость диэлектрической постоянной от частоты поля; время релаксации, объем, радиус и соотношение полуосей белковой молекулы. Диэлектрический инкремент и индуцированные диполи. Электрофорез белков в жидкой среде. Границы раздела и градиент показателя преломления. Кривые градиента показателя преломления и способы их регистрации. Электрофоретическая подвижность и ζ-потенциал белковых частицы. Экспериментальное определение электрофоретической подвижности. Электрофорез белков в полиакриламидном геле. Характеристики геля: содержание мономеров и размер пор. Зависимость между концентрацией мономеров и логарифмом относительной электрофоретической подвижности белка (график Фергюсона). Электрофоретическая подвижность в геле, коэффициенты трения и диффузии белковой молекулы. Лимитирующий размер пор и размер белковой молекулы. Графики Фергюсона для молекул различных (одинаковых) размеров, обладающих одинаковым (различным) зарядом. Графики Фергюсона и определение молекулярного веса белков. Диск-электрофорез белков в полиакриламидном геле. Эффект концентрирования; регулирующая функция Кольрауша; система ведущих и замыкающих ионов. Характеристика условий, необходимых для создания суженной стартовой зоны. Примеры эффекта концентрирования. Определение молекулярного веса белков диск-электрофорезом в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия. Изоэлектрическое фокусирование. Амфолиты-носители и требование к ним. Изоэлектрическое фокусирование в градиенте плотности сахарозы и в гелях полиакриламида. Изотахофорез; амфолиты-носители в качестве спейсеров. Электрофорез в градиенте концентрации полиакриламидного геля. Двумерный электрофорез в полиакриламидном геле. ГИДРАТАЦИЯ И РАСТВОРИМОСТЬ БЕЛКОВ. Гидратация и свойства гидратной воды. Гидратация сухих белков. Динамика процесса и количество прочно связанной воды. Гидратация белков в растворе. Оценка степени гидратации путем определения плотности гидратированной белковой молекулы. Парциальный удельный объем белка; "кажущийся" удельный объем и нерастворяющий объем. Рентгеновский метод оценки количества гидратной вода. Растворимость белков. Влияние солей, рН и температуры на растворимость белков. Растворимость и способность белков образовывать комплексы с различными полиионами.
Раздел 2. Обеспечение учебной дисциплины
2.1. Методическое обеспечение учебной дисциплины
2.1.1.	Методическое обеспечение аудиторной работы
	Иллюстративный материал (схемы, таблицы, рисунки) на слайдах, диапозитивах большого формата и их ксерокопии для индивидуального использования студентами. Мультимедийные презентации по темам лекционного курса.
2.1.2.	Методическое обеспечение самостоятельной работы
	Преподаватель предоставляет темы для самостоятельных работ (темы рефератов) и указывает соответствующие литературные источники и базы данных в Интернет-ресурсах
2.1.3.	Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации по дисциплине (контрольно-измерительные материалы)
	Примеры контрольных вопросов в билетах, выносимых для аттестации на экзамене: Билет 1: 1. Модификация белков бифункциональными реагентами типа R-O-S. 2. Домены белковой молекулы; Модульная гипотеза строения белка. 3. Масс-спектрометрический метод анализа первичной структуры пептидов. Разрешающая способность метода. Билет 2: 1. Термодинамика денатурации. 2. Гидрофобные взаимодействия в молекуле белка. 3. Метод седиментационного равновесия.
2.2. Кадровое обеспечение учебной дисциплины
2.2.1.	Требования к образованию и (или) квалификации штатных преподавателей и иных лиц, допущенных к преподаванию дисциплины
	Образование – высшее, специальность – биолог-биохимик, степень – кандидат (доктор) биологических наук. Квалификация – знания и методический опыт в области белковой химии, преподавательский стаж не менее 5 лет
2.2.2.	Требования к обеспеченности учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
	Нет
2.2.3.	Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества учебного процесса
	Программа курса лекций «Химия белка»
2.3. Материально-техническое обеспечение учебной дисциплины
2.3.1.	Требования к аудиториям (помещениям, местам) для проведения занятий
	Оснащение оборудованием для мультимедийных презентаций.
2.3.2.	Требования к аудиторному оборудованию, в том числе к неспециализированному компьютерному оборудованию и программному обеспечению общего пользования
	Слайд-проектор, графопроектор, мультимедийный проектор, экран, доска
2.3.3.	Требования к специализированному оборудованию
	Ксерокс, сканер, цветной принтер или Многофункциональное лазерное устройство (МФУ), совмещающее перечисленные возможности
2.3.4.	Требования к специализированному программному обеспечению
	Лицензионные компьютерные программы, необходимые для презентаций и 3D-показов, антивирусная защита оборудования с ПО
2.3.5.	Требования к перечню и объёму расходных материалов
	бумага формата А4, 80 г/м^2– 2 пач., прозрачки для ч/б и цветной печати – 2 пач., флеш-накопители 4 Gb, картриджи для цветного принтера или расходные материалы для МФУ
2.4. Информационное обеспечение учебной дисциплины
2.4.1.	Список обязательной литературы
	1. Степанов В.М. Проблема белка. I, II том. Под редакцией академика Иванова В.Т., М., «Наука». 1995. 1996. (т.1, ч. II, гл.8, 9; т.2, гл. 2, 3, 7, 9, 11, 14). 2. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков. Под редакцией академика Спирина А.С., М., «Высшая школа», 1996. (гл. 4-9). 3. Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков. Под редакцией проф. Попова Е.М., М., «Мир», 1982. (гл. 1-6, 8). 4. Maypep Г. Диск-электрофорез. Теория и практика электрофореза в полиакриламидном геле. М., «Мир», 1971. (гл. 1). 5. Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот. Электрофорез и ультрацентрифугирование. М., «Наука», 1981. (ч. I, гл. 1-3; ч. II, гл. 1-6). 6. Остерман Л.А. Исследование биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлектрофорезом и радиоизотопными методами. М., «Наука», 1983. (ч. I, II). Остерман Л.А. Хроматография белков и нуклеиновых кислот. М., «Наука», 1985. (гл. 1-5, 7-8).
2.4.2.	Список дополнительной литературы
	1. Добрецов Г.Е., Владимиров Ю.А. Исследования белков и мембран с помощью флюоресцентных зондов. // Успехи биологической химии, т. XVI, с.116., М., 1975. 2. Лихтенштейн Г.И. Исследования структуры и функции белков методом парамагнитных меток. // Успехи биологической химии, т. XII, с.З. М., 1971.
2.4.3.	Перечень иных информационных источников
	Интернет-ресурсы

Дата добавления: 2015-08-27