Лекція № 2. Хімія білків

Курс лекцій

З дисципліни біологічна хімія з біохімічними методами дослідження

Спеціальності: 5.12010201 "Лабораторна діагностика"

6.120101 "Сестринська справа"

Автор: викладач вищої категорії Терентьєва О.А.

Рецензент: викладач методів КЛД Бобощенко Л.І.

Розглянуто та схвалено на засіданні П(Ц)К санітарно-гігієнічних і лабораторно-діагностичних дисциплін

Протокол № ____ від ____________

Голова П(Ц)К ______О.А.Терентьєва

м.Херсон

2007 р.

Лекція № 1. ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ БІОХІМІЇ

План лекції

1. Предмет і завдання біохімії.

2. Коротка історія розвитку біохімії як науки.

3. Принципи уніфікації клініко-біохімічних методів дослідження.

4. Особливості біохімічних досліджень у клінічних та клініко-біохімічних лабораторіях.

5. Принципи біохімічної діагностики захворювань для визначення функціонального стану організму.

1. Предмет і завдання біохімії

Біохімія - наука про хімічний склад, властивості, обмін речовин і енергії в живих організмах, а коротше кажучи наука про хімію життя.

Основними завданнями біохімії є вивчення хімічного складу організму і структури речовин, з яких він складається, послідовності і взаємозв’язку реакцій хімічних перетворень, які характерні для живого організму і відрізняються від неживого.

Біохімія тісно пов’язана з другими науками. Наприклад, анатомія вивчає загальну будову організму, гістологія і цитологія дають уявлення про структуру клітин тканин. Сучасні методи досліджень такі, як електронна мікроскопія поглиблюють наші знання про структуру субклітинних фракцій, а іноді і окремих молекул, наприклад з використанням ізотопних методів стало можливим вивчення механізмів синтезу холестерину електрофоретичні методи дозволили вивчити склад білків та їх фракцій в різних тканинах, за допомогою спектрального налізу були відкриті фракції гемоглобіну.

Найбільш тісно біохімія пов’язана з фізіологією, що вивчає функціональний стан окремих клітин органів та організму в цілому. Але завдання і методи фізіології і біохімії відрізняються. Тісно пов'язана, біохімія з хімією, являю­чись її розділом, Всі живі об’єкти складаються з неживих молекул, підлягаючи всім фізичним законам, то біохімія нерозривно пов’язана з фізикою.

2. Коротка історія розвитку біохімії як науки

Вивчення проблем, що складають сучасну біохімію почалось кінці ХVIII століття, а як самостійна наука біохімія виділилась в кінці XIX століття. Але біохімічними процесами людство користувалось з глибокої давнини. Історію формування біохімії як науки можна роз­ділити на чотири періоди.

І період - з давніх часів до епохи Відродження людство використовувало окремі біохімічні процеси (технологів виго­товлення вина, пива, сиру, хліба, тютюну).

ІІ період характеризувався бурхливим накопиченням знань по хімії взагалі і хімії живої матерії. Цей період був періодом боротьби ох поглядів, ідеалістичного і матеріалістичного.

Основи матеріалістичних поглядів на існування живої матерії були закладені М.В. Ломоносовим, що відкрив закон зберігання маси речовин. Цим законом був написаний удар по ідеалізму. В цей час Шеєле, вивчаючи хімічний склад рослинних та тваринних організмів виділив винну, молочну, щавлеву, лимонну, яблучну кислоти, гліцерин, казеїн.

Революційними стали ідеї і праці великого російського вченого-хіміка Ф.М.Бутлерова, що створив теорію будови органічних сполук, відповідно якій атоми та молекули реально існують і хімічні властивості залежать від будов цих сполук. В 50-і роки ХІХ століття відомий французький фізіолог О.Бернар виділив з тканини печінки глікоген і показав, що він є єдиним джерелом накопичення глюкози в організмі.

ІІІ період в історії біохімії почався з другої половини XIX століття. В цей період біохімія виділилась як окрема наука, поглибились біохімічні дослідження на основі революційних відкриттів у фізиці та органічній хімії. До кінця XIX століття було зареєстровано і вивчено більше ніж 1000 природних і синтезованих органічних сполук.

Берцеліус створив основи вчення про каталіз, а наш співвітчиз­ник і основоположник вітчизняної біохімії О.Я.Данилевський, досліджуючи будову білків, сформулював ряд положень про первинну структуру білка, йому належить ідея про зворотність ферментативного каталізу. Він вперше здійснив ферментативний синтез білковоподібних речовин, розробив ряд методів очистки ферментів.

Російські вчені внесли великий вклад в формування біохімії, як окремої наукової дисципліни. Величезний вплив зробили роботи І.М. Сеченова, що вивчав фізіологію та біохімію дихання, вплив на ціпроцеси складу їжі, фізіологічного стану організму, температури і інших факторів.

М.В.Ненцкий створив першу в країні біохімічну лабораторію при Петербурзькому університеті. М.І. Лунін відкрив вітаміни, О.М.Бах створив теорію впливу атмосферного тиску на окисні процеси в організмі і утворен­ня перекісних сполук. К.А.Тимірязєв і його співробітники вивчали реакції фотосинтезу і мінерального обміну у рослин.

Ряд важливих робіт були виконані зарубіжними вченими. Еміль Фішер сформулював основні положення поліпептидної структури білків, закладеної дослідами О.Я.Данилевського. І. Бериліус і Є.Старлінг від­крили гормони. Функ виділив вітамін В₁, Саммер одержав перший фермент з бобів сої - уреазу.

Таким чином третій період є періодом становлення і розвитку біохімії як науки.

ІV період в історії розвитку біохімії бере свій початок з 40-50 років і характеризується активним використанням фізико-хімічних методів в біохімічних дослідженнях. Насамперед, це вивчення процесів молекулярних основ зберігання і передачі спадкової інформації, механізмів біосинтезу білку, розшифровки структури окремих білків та нуклеїнових кислот. До числа найважливіших досяг­нень цього періоду слід віднести встановлення моделі подвійної спіралі ДНК і спіралі РНК, розшифровку послідовності амінокислот в молекулі інсуліну А.Сенгером.

Знання біохімічних процесів, що протікають у здоровому організмі, дозволяє зрозуміти причину захворювань (їх етіологію), чітко зрозуміти порушення, що відбуваються при цьому в організмі (патогенез) і намітили шляхи одужання шляхом використання різноманітних речовин (лікування).

Клінічна біохімія – це прикладний розділ біохімії, який вивчає біохімічні процеси в організмі людини для оцінки стану здоров’я і з’ясування механізму розвитку хвороби і є окремим розділом клінічної лабораторної діагностики.

Клінічний потенціал лабораторної діагностики має три джерела. Патобіохімія і патофізіологія надають відомості про зміни хімічного та клінічного складу, головним чином, біологічних рідин при патологічних станах організму; фізика, хімія, біологія є джерелом методичних прийомів для виявлення і кількісного визначення компонентів біологічних рідин; тісна взаємодія з клінічною медициною дає можливість перевірити на практиці реальну діагностичну і прогностичну цінність теоретичних уявлень та аналітичну якість лабораторних методів дослідження. Раціональний вибір певних методів дозволяє будувати стратегію і тактику одержання лабораторної інформації про стан організму і використовувати її з метою діагностики, контролю за ефективністю лікування хворих, а в ряді випадків - і прогнозу.

3. Принципи уніфікації клініко-біохімічних методів дослідження

Серед великої кількості сучасних методів клінічної лабораторної діагностики розрізняють наступні групи методик: хіміко-мікроскопічні методи дослідження біологічних матеріалів (сечі, калу, мокроти та ін.); методи гематологічних досліджень; методи дослідження системи гемостазу, методи клінічної мікробіології; методи клінічної імунології та методи клінічної біохімії.

Завдання клінічної біохімії полягає не лише у виявленні патобіохімічних порушень, але й у визначенні функціонального стану організму в цілому, його компенсаторно-пристосувальних можливостей, деякі питання діагностики можуть вирішуватись лише завдяки клінічній біохімії, оскільки ряд захворювань, наприклад, уроджені хвороби, а також деякі інфекційні, наприклад, епідемічний гепатит, не мають експериментальної моделі. Призначення клініко-біохімічних досліджень:

1) рання діагностика захворювань;

2) постановка диференціального діагнозу;

3) визначення тяжкості перебігу і прогнозу захворювання;

4) контроль ефективності лікування і профілактики;

5) вивчення молекулярних механізмів розвитку хвороби.

Основними об’єктами клініко-біохімічних досліджень здебільшого є біологічні рідини:кров, плазма, сироватка, лімфа, рідше - інші рідини внутрішніх середовищ організму (спинномозкова рідина, внутрішньосуглобна рідина та ін.); використовуються також екскрети, такі як сеча, жовч, слина, шлунковий та кишковий сік, кал, піт, жіноче молоко, сім’яна рідина; шматочки тканин (біоптати), взяті під час хірургічних операцій або за допомогою спеціальних пристосувань.

Найпоширенішими об'єктами біохімічних досліджень є кров і сеча, зрідка аналізуються інші рідини і екскрети, а також тканини. Основні групи біохімічних показників, які визначаються в клініці, такі:

1) вміст макромолекул, мономерів і деяких продуктів їхнього обміну;

2) активність ферментів та ізоферментів;

3) вміст вітамінів, коферментів та продуктів їхнього обміну;

4) вміст води і мінеральних речовин;

5) вміст позаклітинних регуляторів метаболізму - гормонів, гістогормонів, медіаторів та продуктів їхнього обміну.

Прагнення до освоєння нових біохімічних методів дослідження зумовило практичне використання численних методів визначення одних і тих же біохімічних показників за допомогою різних методичних прийомів або безлічі варіантів однотипних методик з різними способами.

4. Особливості біохімічних досліджень у клінічних

та клініко-біохімічних лабораторіях

У наш час у роботі біохімічних лабораторій мають місце наступні три особливості:

1. Прагнення до багатоплановості комплексного обстеження хворого з використанням декількох найбільш інформативних для первинного виду патології біохімічних показників, так званих констеляцій. Як показує досвід багатьох лабораторій, використання констеляцій упорядковує працю лікарів - біохіміків і лаборантів, є зручним для клініцистів, скорочує діагностичний період обстеження хворого.

2. Динамічне спостереження й обстеження, тобто багаторазове визначення показників.

3. Широке використання функціональних навантажувальних проб.

Останнє зумовлено тим, що завдання клінічної біохімії полягає не тільки у виявленні патобіохімічних порушень, але й у визначенні функціонального стану окремих органів і регуляторних систем, а також оцінці їхніх компесаторно-пристосувальних можливостей.

5. Принципи біохімічної діагностики захворювань

для визначення функціонального стану організму

Сучасна клінічна біохімія спрямована до комплексної, багатосторонньої і динамічної оцінки патологічного процесу на системному рівні. Це досягається завдяки визначенню багатьох показників, які характеризують обмін білків, вуглеводів, ліпідів, активність ферментів, гормонів, медіаторів та інших біологічно активних речовин.

Особливості обміну речовин у органах і тканинах дозволяють виявити вибірково їх пошкодження, використовуючи для цього комплекс найбільш специфічних і найінформативніших тестів. Серед показників, які характеризують стан білкового обміну найчастіше досліджують вміст загального білка в сироватці крові, білкові фракції, різні осадові проби. Досліджуються також низькомолекулярні азотисті речовини: сечовина, сечова кислота, креатин, амінокислоти і пептиди, індикан сечі. Як показники вуглеводного обміну досліджуються глюкоза в крові й сечі, вуглеводні компоненти глюкопротеїдів, молочна кислота, сіалові кислоти, зв’язані з білками гексози тощо.

Показниками ліпідного обміну є рівень холестерину та його ефірів, триацилгліцеринів, ліпопротеїнів, неестерифікованих жирних кислот та ін. До неорганічних компонентів, рівень яких у біорідинах досліджують клініко-біохімічні лабораторії, належать: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, фосфор та фосфоровмісні речовини, хлор та ін. На відміну від показників, перелічених вище, для визначення яких використовується колориметрія, при визначенні рівня неорганічних елементів широкого використовуються інші фізико-хімічні методи.

Як клініко-біохімічні показники пігментного обміну досліджуються білірубін та його фракції в сироватці крові, порфірини, порфобіліноген, копропорфірин і уропорфірин у сечі.

Серед ферментів, які мають діагностичне значення, найчастіше визначаються в сироватці крові: амінотрансферази (АСТ і АЛТ), α-амілаза, глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа, креатинкіназа, сорбітолдегідрогеназа, лужна фосфатаза. Визначення концентрації гормонів у методичному відношенні є найбільш складним розділом клінічної біохімії. Цим займаються лише спеціальні лабораторії або відділення великих клінічних лабораторій, оскільки для їх виявлення необхідні певні умови, у тому числі, використання радіонуклідів.

Використовуються також колориметричні, хроматографічні і флюориметричні методи. Відносно доступним та досить інформативним є визначення таких показників: 17-кетостероїдів і 17-оксикортикостероїдів у сечі, адреналіну, норадреналіну, ванілінмигдальної кислоти в сечі, гістаміну та серотоніну в крові.

У керівництвах, присвячених використанню біохімічних методів дослідження в клініці, поряд з описом методик, характерних тому чи іншому виду обміну, містяться данні про обмінні зміни при різних формах патології. Наприклад, біохімічні показники при захворюваннях печінки, хворобі Боткіна, гіпертонічній хворобі, атеросклерозі, інфаркті міокарду, ревматизмі, недостатності кровообігу, інфекційних захворюваннях різної етіології.

Кожне захворювання або патологічний стан організму характеризуються сукупністю біохімічних порушень які відображають різні функції органів і систем організму. Наприклад, при діагностиці цукрового діабету спочатку визначається вміст глюкози, кетонових тіл у крові та сечі, а кінцевий діагноз встановлюється за концентрацією інсуліну в крові.

Одним з раціональних шляхів діагностики, зокрема при захворюваннях печінки, може бути використання принципу синдромів, тобто сукупності біохімічних порушень, які характеризують ту чи іншу функцію печінки. Так, виділяють наступні біохімічні показники дегенерації, реактивних змін і холестазу. При дегенерації найбільш показовим є методи визначення активності трансаміназ АЛТ, АСТ. Для реактивних змін найбільш інформативними є тимолова проба, а для холестазу - білірубін, активність лужної фосфатази. Надзвичайно велике діагностичне значення має визначення в динаміці активності ферментів у крові ц при інфаркті міокарду: лактатдегідрогенази (ЛДГ), креатинфосфокензи (КФК), аспартатамінотрансферази (АСТ). Ступінь підвищення активності залежить від розмірів інфарктного осередку. Вже в перші години після інфаркту активність КФК підвищується і досягає максимум через 24 години. Дещо пізніше підвищується активність АСТ і ЛДГ.

Контрольні запитання до теми

1. Що вивчає біохімія? Які завдання вона вирішує?

2. Про що свідчать показники обміну речовин в біологічних рідинах?

3. Яку міждисциплінарну інтеграцію має біохімія?

4. Яке значення мають біохімічні дослідження в медицині?

5. Які біологічні матеріали з організму людини використовуються для проведення біохімічних досліджень?

6. Чим зумовлений вибір біохімічних тестів?

7. Яка кількісна оцінка показників біохімічних досліджень?

Лекція № 2. ХІМІЯ БІЛКІВ

План

1. Загальна характеристика білків та їх значення в організмі.

2. Елементарний склад білків.

3. Амінокислоти – класифікація, властивості, біологічна роль у складі білків.

4. Структури білків.

5. Фізико-хімічні властивості білків.

6. Класифікація білків. Прості білки та їх представники, склад, біологічна роль в організмі.

7. Складні білки, їх представники, склад, біологічна роль в організмі.

8. Гемоглобін, його види і значення в організмі.

1. Загальна характеристика білків та їх значення в організмі

Білки є найбільш важливими органічними сполуками, що входять до складу живих організмів. Ще в минулому столітті, вивчаючи склад різних тваринних і рослинних організмів, вчені виділили речовини, які за своїми властивостями нагадують білок яйця. Так, при нагріванні вони звертаються. Це і дало ім назву білки. Підкреслючи головне значення їх в організмі, Н.Мудлер у 1838 році назвав їх протеїнами (від грецького слова перший – protos). Білки присутьні в кожній молекулі, в будь-якій її частині. В кількісному співвідношенні, вони займають І місце серед всіх макромолекул, що знаходяться в жівій клітині. В організмі їх 40-50% по масі. Значення білків для життя було відмічено Ф. Енгельсом. Він дав визначення життю, як форми існування білкових молекул.

Тому білкам можна дати таке визначення. Білки – це великий клас органічних азотовмісних сполук, що присутні в кожній клітині організму і забезпечують процеси їх життєдіяльності.

Біологічне значення білків

Білки в організмі виконують важливі функції життєдіяльності.

Каталітична функція – одна з основних функцій білків. Вісі хімічні реакції, шо відбуваються в організмі людини, каталізуються ферментами. По своїй хімічній природі ферменти є білками.

Структурна функція – білки складають приблизно 1/5 частину або 20% маси тіла. В м’язах і печінці знаходиться 22% білків, в мозку – 11%, а в жировій тканині – 6%. Білки відрізняються не тільки по кількості, а й по структурі та функціях. В крові, наприклад, присутні альбуміни та глобуліни, що представляють по формі шарики, молекули білку м’язів міозину витягнуті в довги нитки (фібрили). Основу волосся і нігтів складає керотин - білок жорсткої структури. Гемоглобін має складну структуру і транспортує кисень до органів, таканин і СО₂ в легені.

Енергетична функція – при повному розпаді одного грама булку виділяється 17,5 кдж енергії, шо вказує на здатність приймати участь в забезпеченні організму енергією. Але білки використовуються тільки тоді, коли недостатньо жирів та вуглеводів, або вони вже використані.

Транспотрна функція – група білків крові має здатність взаємодіяти з різними сполуками і транспортувати їх. Білками транспотрується нерозчинні в воді речовини, іони металів, гази або токсичні речовини (білірубін, жирні кислоти, продукти гниття білків в товстому кишечнику). Наприклад, гемоглобін транспортує кисень, трансферин - переносить залізо, ретинол – доставляє клітинам вітамін “А”.

Захисна функція – в ході еволюції організми виробили різноманітні захисні речовини. Шкіра захищає організм від різких коливань температури навколишнього середовища, сонячної радіації. Для захисту організм виробляє антитіла, які сповільнюють патогенну дію мікроорганізмів. По своїй природі антитіла є білками.

Регуляторна функція – гормони, являючись білками, приймають участь в регуляції різноманітних процесів в організмі. До них відносяться гормони гіпофізу, підшлункової залози, паращитовидної залози. Також білки приймають участь в процесах передачі спадковості. Білки підтримують онкотичний тиск, входять до складу буферних систем, впливають на кислотно-лужний баланс організму.

2. Елементарний склад білків

Білки є складними сполуками – полімерами, які складаються з простих мономерів. Клінічний аналіз показав, що наявність у всіх білках вуглецю 50-55%, водню – 6-7%, кисню – 21-23%, азоту – 15-17%, сірки – 0,2-0,3%.

В складі окремих білків були виявлені фосфор, йод, залізо, мідь і багато інших макро- та мікроелементів.

Тільки вміст азоту постійний – 16%, а вміст інших елементів може змінюватися.

Для визначення хімічної природи мономерів білку необхідно білок розбити на мономери і з’ясувати їх хімічну природу. Білок розділяють за допомогою гідролізу – кип’ятіння білка з сильними мінеральними кислотами протягом довгого часу. Природу виділених мономерів з’ясували за допомогою різноманітних хімічних реакцій. В результаті було встановлено, що мономерами білквів є амінокислоти.

3. Амінокислоти – класифікація, властивості,

біологічна роль у складі білків

В різноманітних об’єктах природи було знайденодо 200 різноманітних амінокислот. В організмі людини їх приблизно 60, а в склад білків входить тільки 20. Амінокислоти – це органічні кислоти, у яких атом водню α-вуглецю заміщений на аміногрупу NН₂.

Загальна формула:

R │ H – C – NH₂ │ COOH

В складі всіх амінокислот є функціональні групи – СН₂, NН₂, - СООН, а білкові ланцюги амінокислот різноманітні, хімічна природа радикалів різномианітна: від атома водню до циклічних сполук. Радикали визначають стуктурні і функціональні особливості амінокислот.

Якщо біля α–вуглецю всі валентності заміщені різними групами, то такий атом називають асиметричним, а амінокислота буде оптично активною, тобто здатною повертати площину поляризованого світла і мати стериоізомери. Наприклад, в природі існує L-аланін

CH3 │ H – C – NH2 │ COOH

CH3 │ H2N – C – H │ COOH

Д-аланін L-аланін

Всі природні амінокислоти L-ряду.

Амінокислоти в водному розчині знаходяться в іонізованому вигляді за рахунок дисоціації груп СООН і NН₂, а також функціональніх груп, що входять до складу радікалів. Вони мають амфотерні властивості і можуть виступати як донори, так і акцептори протонів.

Амінокислоти в залежності від стурктури поділяють на декілька груп: ациклічні, що не мають в своєму складі циклічних групіровок.Їх розділяють на моноамінокарбонові, моноамінодикарбонові, диаміномонокарбонові.

Моноамінокарбонові мають в своєму складі 1аміно і 1 карбоксильну групу. В водному розчині вони нейтральні. До них належить гліцин, аланін, серин, треонін, метионін.

Гліцин - Н │ H₂N – C – COOH │ Н (скорочено глі)

Гліцин не є оптично активним, тому що відсутній асиметричний атом вуглецю. Гліцин приймає участь в синтезі нуклеїнових кислот, жовчних кислот, гема, необхідний для знезараження в печінці токсичних речовин.

Аланін (ала)

CH₃ │ H₂N – C – СООH │ Н

Аланін приймає участь в різноманітних процесах обміну вуглеводів і енергії.

СеринCH₂ОH │ H₂N – C – СООH │ Н

аміно-β-гідроксопропіонова кислота відноситься до складу гідрок-сокислот, т.ч. має гідроксильну групу. Входе до складу ферментів, в склад білка молока – казеїну.

Треонін CH₃ │ CН – ОН │ H₂N – CН – СООH

α-аміно-β-гідроксомасляна кислота.

Треонін приймає участь в синтезі білку, є незамінною амінокислотою.

Цистеіїн CН₂ – SН │ H₂N – CН – СООH

α-аміно-β-тіопропіонова кислота.

Має в своєму складі атом сірки. Значення цистеїну полягає в тому, що група – SH може легко окислюватись і захищати організм від речовин з високою окислювальною здатністю (вільних радікалів, радіацї, токсинів).

Метионін CН₂ – CН₂ – S – СН₃ │ H₂N – CН – СООH

α-аміно-γ-тіометилмасляна кислота.

Метионін характеризується рухливою групою – СН₃, яка використовується для синтезу холину, креатиніну, тиміну, адреналіну.

Моноамінодикарбонові амінокислоти мають в своєму складі одну аміно- і дві карбоксильні групи, в водному розчині мають кисле середовище.

До них відносяться аспарагінова і глутамінова амінокислоти.

CООH │ CН2 │ СН2 │ NH2 – CН –Н

CООH │ СН2 │ H2N – CНСООH

Глутамінова кислота Аспарагінова кислота

Вони приймають участь в біосинтезі білку, є тормозними медіаторами нервової системи, виконують антитоксичну функцію.

Диаміномонокарбонові кислоти.

Валін, лейцин, ізолейцин представляють собою розгалуджені диаміномо-нокарбонові амінокислоти, які приймають активну участь в обміні речовин і не синтезуються в організмі, тобто є незамінними амінокислотами.

В водному розчині вони мають лужне середовище за рахунок 2 аміногруп. До них відноситься лізин, який необхідний для біосинтезу білку, в тому числі гістонів, що входять до складу нуклеопротеїдів. Аргін приймає участь в синтезі сечовини.

Лізин Н │ NH₂ – (СН₂) ₄ – С – NH₂ │ СООH

Циклічні амінокислоти

Ці амінокислоти мають в своєму складі ароматичне ядро і, як правило, не синтезуються в організмі і являються незамінними амінокислотами. Вони активно приймають участь в різноманітних обмінних процесах. Фенілаланін служить джерелом синтезу тирозиту, що є попередником гормонів.

Фенілаланін Н Н │ │ С – С – NH₂ │ │ Н СООН

Тирозин Н Н │ │ ОН С – С – NH₂ │ │ Н СООH

4. Структури білків

При вивченні складу білків було встановлено, що всі вони побудовані по одному принципу і мають 4 рівні організації: первинну, вторинну, третинну, а окремі і четвертинну структуру.

Первинна структура - представляє собою лінійний ланцюг амінокислот, розташованих в певній послідовності і з’єднаних між собою пептидними зв’язками. Пептидний зв’язок утворюється за рахунок α-карбоксильної групи однієї амінокислоти і α-аміногруп другої.

О

⁄⁄ Н₂О

Н₂N – СН – С + NН – СН – СООН

│ \ ⁄

R ОН Н

О

⁄⁄

Н₂N – СН – С

│ \

R NН – СН – СООН

│

R

Сполуки, що складаються з двох амінокислот називаються дипиптидами, з трьох – трипептидами. Ланцюги, що складаються з багатьох амінокислот називаються поліпептидами.

Значний вклад в розвиток вчення про структуру білків вніс А.Я. Данилевський, який вперше доказав наявність у білка пептидного зв’язку, а Е.Фішер був перший, хто синтезував поліпептид, що складався з 19 амінокислот.

Зараз встановлена первинна структура деяких білків. Наприклад, виявлена послідовність 51 амінокислоти білку інсуліну, що дозволило одержати його штучним шляхом.

Таким чином, слід зазначити, що різноманітність білків організму залежить не тільки від кількості амінокислот, що входять до складу білків, а й від послідовності з’єднання амінокислот між собою.

В останні роки увагу клініцистів привернули пептиди, що складаються з невеликої кількості амінокислот і мають велику біологічну активність. Наприклад, у задній долі гіпофізу знаходяться 2 пептиди, що складаються з 9 амінокислот і є гормонами. Це вазопресин і окситоцин. Вазопресин стимулює кров’яний тиск і збільшує реасорбцію води в нирках. Недостатність його приводить до нецукрового діабету, при якому виділяється велика кількість сильно розведеної сечі.

Окситоцин стимулює скорочення гладкої мускулатури матки і використовується в акушерстві для стимуляції родової діяльності.

Вторинна структура – представляє собою упорядковану і компактну упаковку поліпептидного ланцюга. По конфігурації вона буває у вигляді α-спіралі і β-складчатої структури. Основу α-спіралі складає пептидний ланцюг, а радикали амінокислот спрямовані зовні, розташовуючись по спіралі. Зовні α-спіраль схожа на злегка розтягнуту спіраль електроплитки. Така форма фарактерна для білків, що мають один поліпептидний ланцюг.

Складчата β-структура представляє собою плоску форму. Вона характерна для білків, що мають декілька поліпептидних ланцюгів, розташованих паралельно. β-структура зустрічається в таких білках, як трипсин, рибонуклеаза, керотин волосся, колаген, сухожилля, які гірше розчинні у воді.

Утворення вторинної структури забезпечується водневим зв’язком. Вона утворюється при участі атому водню.

Третинна структура – представляє собою більш компактне просторове розташування поліпептидного ланцюга, точніше його вторинної структури. Форма третинної структури може бути різноманітна і визначається тим, які функції виконує білок в організмі. Третинна стурктура забезпечує виконання білком його основних функцій і може бути представлена у вигляді кульки у глобулярних білків і вигляді ниток (фібрил) у фібрилярних білків, наприклад, м’язів.

В організмі є більш складні по структурі білки, що складаються з декількох субодиниць, кожна з яких представляє собою молекулу білку зі своєю специфічною стуктурою. Таке об’єднання субодиниць називають четвертинною сткуктурою. Особливість білків з четвертинною стуктурою полягає в тому, що вони здатні проявляти свої функції і властивості при наявності всіх субодиниць.

Видалення хоча б однієї субодиниці приводить до втати властивостей білку. Четвертинна структура найчастіше зустрічається у ферментів.

5. Фізико-хімічні властивості білків

Білки мають високу молекулярну масу, розчинні у воді, здатні до набухання, характеризуються оптичною активністю, рухливістю в електричному полі.

Білки активно вступають у хімічні реакції. Ця властивість зв’язана з тим, що амінокислоти, що входять до складу білків мають в своєму складі різні функціональні групи, які здатні вступати в реакції з другими речовинами. Важливо, що такі взаємодії проходять і в середені білкової молекули, в результаті чого утворюється пептидний, водневий, дисульфідний зв’язок. До радикалів амінокислот можуть приєднуватись різноманітні сполуки і іони, що забезпечує транспорт їх по крові.

Білки мають високу молекулярну масу, вони – полімери, що складаються з багатьох сотень і тисяч мономерів – амінокислот.

Молекулярна маса знаходиться в межах від 10 тисяч до 1 млн. Так, в складі рибонуклеази міститься 124 амінокислотні залишки і його молекулярна маса складає 14 тис., гемоглобін має молекуляну масу 64 тис., γ-глобуліни складаються з 1250 амінокислот і мають молекуляну масу 150 тис., а молеку-ляну маса глутаматдегідрогенази перевищує 1 млн.

Важливою властивістю білків є їх здатність проявляти як кислі, так і основні властивості, тобто виступати в ролі амфотерних сполук.

Це забезпечується за рахунок різноманітних дисоціюючих групіровок, що входять в радикали амінокислот. Наприклад, кислотні властивості білку придають карбоксильні групи аспарагінової та глутамінової амінокислот, а лужні – радикали аргініну, лізину, гістидіну. Чим більше дикарбонових амінокислот входить до складу білку, тим сильніше проявляються його кислотні властивості і навпаки. Ці функціональні групи мають і електричні заряди, що формують загальний заряд білкової молекули. В білках, де переважають аспарагінова та глутамінова амінокислоти білки будуть заряджені негативно, надлишок основних амінокислот надає білкам позитивний заряд.

NН3+ ⁄ кисле R \ середовище СООН + Н катіон

NН2 ⁄ лужне R \ середовище СООН

NН2 ⁄ R \ СОО^- + ОН аніон

Таким чином, фактором, що визначає поведінку білка, як катіона чи аніона, є реакція середовища,котра визначається концентрацією іонів водню і величиною рН. Але при деяких рН число позитивних і негативних зарядів зрівнюється і молекула стає електронейтральною, тобто вона не буде рухатись в електричному полі. Таке значення рН середовища називається ізоелектричною точкою білків. В цій рН білок знаходиться в найбільш не стійкому стані і при коливаннях рН в кислу або лужну сторону легко випадає в осад. Для більшості природних білків ізоелектрична точка знаходиться в слабо-кислому середовищі (рН 4,8-5,4), що свідчить про переважання в їх складі дикарбонових амінокислот.

Властивіть амфотерності полягає в основі буферних властивостей білків і їх участі в регуляції рН крові.

Амфотерність білків використовується для розділення їх на фракції, наприклад, методом електрофорезу з метою діагностики ряду захворювань і контролю стану хворого. При різних патологічних станах функціональний склад білків суттєво змінюється.

Важливою властивістю білків є їх здатність адсорбувати на своїй поверхні деякі речовини та іони (гормони, вітаміни, залізо, мідь і таке інше), котрі або погано розчинені у воді, або є токсичними (білірубін, вільні жирні кислоти). Білки транспортують їх по крові до місця подальших перетворень або знезараження. Водні розчини білків мають свої особливості. Білки добре розчинні у воді, тобто є гідрофільними. Це означає, що молекули білку як заряджені частинки, притягують до себе диполі води, котрі розташовуються навколо булкової молекули і утворюють водну або гідратну оболонку. Ця оболонка захищає молекули білку від склеювання і випадання в осад.

Величина гідратної оболонки залежить від структури білку, наприклад, альбуміни більш легко зв’язуються з молекулами води і мають відносну велику гідратну оболонку, тоді як глобулін, фібриноген приєднують воду значно гірше і гідратна оболонка їх менша. Таким чином, стійкість водного розчину білку визначається двома факторами: наявністю електричного заряду, білкової молекули і гідратною оболонкою. При видаленні цих факторів білок випадає в осад. Даний процес може бути зворотнім і незворотнім.

Зворотній осад білків (висолювання) – це випадвання білку в осад під дією речовин, після видалення яких він знову повертається в свій попередній (нативний) стан. Для висолювання білків використовується солі лужних і ліужно-земельних металів. Найбільш часто використовують сульфат натрію чи амонію.

Ці солі видаляють гідратну оболонку і знімають заряд. Між величиною водної оболонки білкових молекул і концентрацією солей існує пряма залежність: цим менша гідратна оболонка, тим мене потрібно солей. Так глобуліни мають великі і важкі молекули і невилику водну оболонку і випадають в осад при неповному насиченні солями, а альбуміни, як більш мілкі молекули з більшою водною оболонкою при повному насиченні.

Незворотний осад білків зв’язаний з глибокими внутришньомолеку-лярними змінами структури білку, що приводить до втрати природних властивостей (розчинності, біологічної активності). Такий білок називається денатурованим, а процес денатурацією. Денатурація білків полягає в основі лікуванні отруєнь важкими металами, коли хворому вводять молоко, або сирі яйця для того, щоб метали, депатуруючі білки молока та яєць, адсорбувалися на їх поверхні.

Розмір білкових молекул знаходиться в межах від 1 мкм до 1 нм, тому вони утворюють колоїдні розчини. Ці розчини характеризуються великою вязкістю, здатністю розсіювати промені світла, не проходять через напівпрониклі мембрани і мають деякі інші властивості.

6. Класифікація білків.

Прості білки та їх представники, склад, біологічна роль в організмі

Відома велика кількість білків рослинного і тваринного походження, що відрізняються за своїм складом та біологічною роллю в організмі. Для систематизації та вивчення їх запропановано декілька класифікацій:

1. По формі молекул, тобто просторова будова.

2. Фізико-хімічні властивості.

3. Хімічний склад білків.

По формі молекул білки класифікують на глобулярні і фібрілярні.

Глобілярні білки. Більшисть з них розчинні у воді. Це альбуміни та глобуліни сироватки крові, білки молока, яєць, які мають форму кулі. Правильної форми глобули не бувають, найчастіше вони мають еліпсоїдну або овальну форму.

Фібрілярні білки – велика група білків, такі як білок волосся – керотин, білок шовку – фіброгін, білок м’язів – міозин, білок крові – фібрин, мають витягнуту або фібрилярну структуру. Довжина молекул в декілька разів перевищує діаметр.

Між двома крайними формами білків є велика кількість перехідних форм – від шароподібної до веретеноподібної і волокнистої. За фізико-хімічними властивостями білки класифікують на прості і складні. Прості білки складаються тільки з залишків амінокислот. Складні – мають білкову частину, що складається із залишків амінокислот, і небілкову, що може бути представлена іонами металів, ліпідами, вуглеводами, залишком фосфорної кислоти.

Прості білки – альбуміни широко поширені в тваринних та рослинних організмах. Є основною частиною цитоплазми більшості клітин, складовою частиною крові, м’язів, молока. В залежності від походження їх називають лактоальбумінами і сіроальбумінами.

В крові вищіх тварин і людей альбуміни складають більшу частину білків плазми. Добре розчинні у воді і розчинах солей, характеризуються великою гідрофільністю та дисперсністю. Мають відносно малу молекулярну масу 60 т.в.о. Приймають участь у підтримці онкотичного тиску крові, транспортують у крові різні речовини (вітаміни, іони металів, гормони), виконують анти-токсичну функцію.

Глобуліни – дуже поширені в природі білки. На відміну від альбумінів, майже не розчинні в воді, вони більш грубо дисперсні, мають більшу молекулярну масу 160–180 т. в.о. В організмі людини та тварин вони викону-ють роль антитіл. Білок глобулінового типу фібриноген формує згусток крові. При допомозі електрофорезу глобуліни можна розділити на А, α₁, α_2, β, γ фрак-ції.

Гістони і протаніни - представляють собою основні білки ядра клітини і складають основну масу білкової частини нуклеопротеїдів.

Гістони стабілізують молекулу ДНК, підтримують унікальну структуру ДНК в ядрі, що є умовою для біосинтезу білку.

Керотини складають основну масу рогової тканини епідермісу. В їх структуру входить багато сірковмісних сполук.

Колаген – є основною складовою частиною з’єднувальної тканини. Більшисть його знаходиться в сухожиллях, зв’язках, шкірі, кістках, хрящах.

Еластин – білок з’єднувальної тканини, який є хімічно більш активний.

7. Складні білки, їх представники,склад, біологічна роль в організмі

Складні білки складаються з простого білку та небілкової частини. Клісифікують за небілковою частиною.

Нуклеопротеїди. Небілкова частина представлена нуклеїновими кисло-тами РНК та ДНК. Нуклеїнові кислоти приймають участь у передачі спадкової інформації. Білкова частина представлена протамінами та гістонами. Гістони забезпечують компактну упаковку ДНК та зберігання спадкової інформації. ДНК не може в складі нуклеопротеїда виконувати своєї основної біологічної функції – передавати закодовану спадкову інформацію без стабілізації протамінами та гістонами.

Хромопротеїди – небілкова частина, зафарбована: гемоглобін, міоглобін (білок м’язів), деякі ферменти каталази, пероксидази, цитохроми, а також хлорофіл.

Фосфопротеїди – це білки, що в небілковій частині мають залишок фосфорної кислоти. Представниками є казеїн молока, вінелін (білок жовтка яєць), іхтулін (білок ікри риб). Мають надзвичайно велеке значення для розвитку організмів. У дорослих форм присутні в кістках та нервовій системі.

Ліпопротеїди – небілкова (простетична) група представлена ліпідами. Вони умовно поділяються на розчинні у воді ліпопротеїди і протеоліпіди – жиророзчинні компоненти кліткових мембран.

Глікопротеїди. Ця назва об’єднує велику кількість сполук, що є комплексами білків з вуглеводами та їх похідними (гексуронова кислота, глікогенні амінокислоти). Група сполук, в яких білкова частина відносно слаба слабо зв’язана з вуглеводною називається мукопротеїдами (хондроітинсуль-фати, гіалуронові кислоти).

Глікопротеїди входять до складу клітинних мембран, приймають участь у транспорті різних речовин, в процесах звертання крові, імунітету, являються складовими слизу і секретів шлунково-кишкового тракту. У арктичніих риб вони виконують роль антифрізів.

Металопротеїди – комплекси білків з важкими металами. Типічний металопротеїд феритин – кристалічний білок, розчинний у воді, містить до 20% Fе. Феритин є основною формою запасу заліза в організмі і синтезується в печінці, там він відкладається про запас. Плазма людини містить розчинний білок трансферин, що входить у фракцію глобулінів вміст Fе - 0,13%. Цей білок філіологічний переносчик Fе в організмі.

Церулоплазмін містить 0,34% міді. При проведенні електрофорезу білок виявляється в α-фракції. Це білок гострої фази, зафарбований в голубий колір.

8 Гемоглобін, його види і значення в організмі

Гемоглобін (Нb) – основна складова частина еритроцитів. Складається Нb з білку глобіну (96%) й простетичної частини – гема (4% молекули). Гем предстваляє собою координаційну сполуку атому заліза з циклічною сполукою протопорфирином. В склад гему входить Fе²⁺. В склад молекули гемоглобіну входить 4 гема, атом заліза координаційно зв’язаний з 4 атомами азоту пірольних кілець. Мr Нb=64458. Молекула має форму стероїда 6,4х5нм, на поверхні якого розташовані 4 гідрофобні заглиблення, що містять гем, який має форму диску. Гем для всіх гемоглобінів однаковий і структурні зміни цього хромопротеїду зумовлені структурою білкової частини – глобіну.

Глобіни можуть мати різний склад, розрізнятися складом аміноксилот та їх послідовністю в поліпептидному ланцюзі, а також співвідношенням поліпеп-тидних лінцюгів (α і β).

З загальної кількості заліза організму (4 гр) приблизно 50% припадає на гем.

Механіз переносу кисню гемоглобіном

Засновником вчення про дихальну функцію крові є російський фізіолог І.Н. Сеченов. Вивчаючи залежність між складом повітря в легенях і вмісту СО₂ і О₂ в крові, Сеченов вперше доказав, що СО₂ переноситься не плазмою, а Нb.

Повітря, яке вдихає людина, містить 20,9% О₂ і 0,03% СО₂, тиск О₂ перевищує тиск СО₂. Така різниця сприяє дифузії кисню і зворотньому сполу-ченню його з гемоглобіном. Кожна одиниця гемоглобіну може зв’язувати одну молекулу О₂, утворюючи НbО₂ – оксигемоглобін.

Оскільки приєднання молекулярного кисню не пов’язано зі зміною валентності гему і не є окисленням, процес називається оксигенацією.

В Нb декілька місць зв’язування молекулярного кисню і насищення його киснем відбувається не одночасно. Зі збільшенням місць, занятих киснем, спорідненість до нього вільних електронів зростає, що прискорює процес оксигенації, такий процес має кооперативний характер.

При дисоціації НbО₂ його спорідненість до кожної слідуючої молекули О₂ зменщується, що сприяє вивільненню О₂ в тканинах.

Серед факторів, що впливають на спорідненість Нb до О₂ має значення концентрація протонів водню, концентрації СО₂, органічних фосфатів. Оксигенація супроводжується вівільненням протонів Н з оксигемоглобіну в середовище, а деоксигенація приєднання протонів до гемоглобіну, що дуже важливо в капілярах тканин, куди поступає велика кількість продуктів метаболізму.

В артеріальній крові, де О₂ міститься 19-20%, тиск досягає 75-100мм.рт.ст., а в тканинній рідині 20-40 мм.рт.ст., що сприяє дисоціації оксигемоглобіну і засвоєння О₂ тканинами. Кисень реагує в тканинах з дихальим залізовмістним пігментом цитохромоксидазою і через систему ферментів окислює водень субстратів з утворенням НbО₂.

Утворення НbО₂ залежить від парціального тиску кисню у повітрі. Коли тиск знижується, кількість НbО₂ зменшується. Це явище називається гіпокксемією. При недостатку О_{2 в} в крові може виникнути недостаток його в тканинах – гіпоксія. Розрахунками встановлено, що при наявності в повітрі 20,9% кисню приблизно 99% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при наявності 10% О₂ – 90% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при 2,5% О₂ –тільки 50% Нb зв’язується в оксигемоглобін. Це свідчить про те, що в організмі людини є величезні адаптаційні можливості. І.М.Сеченов доказав, що зменшення парціального тиску у альвеолах від 80 до 20 мм.рт.ст. може викликати таке зниження кількості гемоглобіну. що призводить до смерті.

Границею тиску, при якому може існувати людина є 30% від норми атмосферного тиску. Це приблизно 8 км над рівнем моря. Основна причина гірської хвороби – недостаток кисню, але свою роль відіграє СО₂ і - гіпоксемія. В тяжких умовах гіпоксемія може перейти в аноксію, зупинитися дихання в тканинах і наступить смерть.

Метгемоглобін

Містить в своєму складі Fе³⁺. В молекулі О₂ замінюється гідроксильною групою ОН^-, і він не може транспортувати кисень. В крові дорослої людини невелика кількість його 0,3-3 г/л. Фізіологічно він грає захисну роль, зв’язує і знезаражує ціаніди, перетворюючи їх в нешкідливий комплекс, в крові може зв’язувати до 1/3 ціанідних ядів. Крім того знезаражує сірководень, масляну кислоту, тобто має виражену антиоксидантну дію, руйнує токсичні для організму перекисні сполуки. При цьому НbН відновлюється в нормальний гемоглобін. Здатність відновлювати НbН має аскорбінова кислота (вітамін С).

Карбоксигемоглобін

Утворюється при отруєнні СО. Оскільки спорідненість СО до Нb в 300 разів вижче ніж у О₂ , то навіть в невеликих кількостях він швидко з’єднується з Нb. Так, при концентрації СО у повітрі 0,07%, 50% Нb перетворюється в карбоксигемоглобін, а при наявності у повітрі 1% СО фактично весь Нb перетворюється у карбоксигемоглобін. У боротьбі з гіпоксемією використовується оксигенотерапія. Вона часто поєднується з добавкою до О₂ СО₂ (95% О₂ + 5%СО₂ ). Підвищення тиску О₂ у крові сприяє відновленню гемоглобіну з метогемоглобіну і карбоксигемоглобіну, а СО₂ подразнює дихальний центр, підсилює вентиляцію легень і надходження О₂ в тканини.

Міоглобін – це хромопротеїд м’язів, він складається тільки з одного ланцюга анологічного субодиниці гемоглобіну. Це дихальний пігмент м’язів, він значно краще з’єднується з киснем, але трудніше його віддає. Міоглобін створює запаси кисню в м’язах, де його кількість може досягти 14% всього кисню організму. Це має велике значення для роботи серцевого м’яза. Високий вміст міоглобіну в організмах морських ссавців.

Контрольні запитання до теми

1. Які сполуки називаються білками?

2. Який елементарний склад мають білки?

3. Вміст якого хімічного елементу постійний у білках?

4. Які мікроелементи входять до складу білків?

5. Що є мономерами білків? Які властивості мають амінокислоти?

6. Як класифікують амінокислоти? Назвіть представників кожного класу.

7. Які рівні організації мають білки?

8. Яка структура білку найбільш стійка?

9. Які хімічні властивості маєть білки?

10. Які фактори стійкості білків у розчині?

11. Що називають зворотним осадом білків?

12. Що таке денатурація і чим вона відрізняється від зворотного осаду?

13. За якими ознаками класифікують білки?

14. Які білки відносять до простих білків. Дати їм характеристику.

15. За якими ознаками класифікують складні білки?

16. Дати характеристику кожному класу складних білків?

17. До якого класу складних білків відносять гемоглобін? Яка його біологічна роль в організмі?

18. Назвіть фракції гемоглобіну, їх біологічна роль в організмі.

Дата добавления: 2015-07-11