БЕЛКИ

1.

Биохимия
Кафедра «Биотехнология и технология продуктов
биоорганического синтеза»
Доцент, к.б.н. Суслянок Георгий Михайлович

2.

Предмет и задачи курса
биохимии
Биохимия изучает структурные и функциональные основы живой
материи.
Уровни структурной организации
живой природы
Атом → Молекула → Макромолекула → Вирус → Клетка →
→ Ткань → Орган → Организм → Популяция → Биоценоз →
→ Биосфера
Биохимия изучает вещества, слагающие живую природу, их
строение, свойства, а также превращения этих веществ в
процессах жизнедеятельности организмов.
Объект исследований в биохимии — живые организмы, а методы
исследований — химические. Поэтому биохимию часто называют
химией жизни.

3.

Признаки живой материи
1) Биологический обмен веществ (метаболизм):
Ассимиляция (анаболизм) — это реакции образования из простых
веществ более сложных, идут с затратой энергии;
Диссимиляция (катаболизм) — это процессы распада сложных веществ
на более простые, идут с выделением энергии.
2) Высокий уровень структурной организации (клеточное строение).
3) Способность извлекать энергию из окружающей среды (биоэнергетика).
4) Асимметрия биологического синтеза.
5) Способность к самовоспроизведению.
Жизнь есть триединый поток вещества, энергии и информации.

4.

Белки
Биологические функции белков
Структурная (формируют каркасы внутриклеточных органелл и внеклеточных
структур, т.е. являются строительным материалом живой природы; коллаген и
эластин — основа соединительной и костной ткани высших животных и человека,
кератины — основа роговых производных эпидермиса кожи);
Каталитическая (обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют
биохимические реакции, обеспечивая необходимые скорости протекания обменных
процессов);
Транспортная (гемоглобин крови транспортирует кислород от лёгких к тканям и СО2
в обратном направлении, миоглобин транспортирует кислород к митохондриям
внутри клеток красных мышц);
Регуляторная (гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови);
Защитная (иммуноглобулины (антитела), интерфероны вырабатываются при
попадании в организм чужеродных частиц, фибриноген способствует остановке
кровотечений);
Рецепторная (родопсин — белок, участвующий в зрительном акте);

5.

Биологические функции белков
(продолжение)
Сократительная (белки мышц — миозин и актин — обеспечивают мышечное
сокращение и расслабление);
Запасающая (яичный альбумин, глиадин пшеницы, зеин кукурузы, казеин
молока и др. являются резервными белками, предназначенными для
питания развивающихся клеток);
Инертные белки (белки волос, ногтей, шерсти, когтей, рогов, копыт,
перьев, клювов, панцирей, игл и т.п., а также фиброин шелка, паутины);
Токсичные белки (яды змей, скорпионов, грибов, растений,
микроорганизмов).
Общая характеристика белков
Белки — высокомолекулярные соединения, масса которых составляет от 6000
до 1 000 000 Да.
Белки коагулируют при нагревании, осаждаются белковыми осадителями,
дают цветные реакции, при полном гидролизе распадаются до аминокислот.
Белки — это высокомолекулярные полимеры аминокислот.

6.

Аминокислоты
В природе обнаружено около 200 аминокислот, однако из них в построении
белков участвует 20, которые называют протеиногенными. Остальные
аминокислоты называют непротеиногенными.
Общая формула протеиногенных аминокислот
Все 20 протеиногенных аминокислот являются L-α-аминокислотами и все они имеют
генетический код (шифр).

7.

Ионизация аминокислот

8.

Протеиногенные аминокислоты
I. Простейшие:
1. Глицин (гликокол), гли:
2. Аланин, ала:

9.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
II. Гидроксиаминокислоты:
3. Серин, сер:
4. Треонин, тре:

10.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
III. Серосодержащие аминокислоты:
5. Цистеин, цис:
6. Метионин, мет:

11.

Образование цистина —
пример биологического окисления
Два цистеина могут взаимодействовать друг с другом с образованием цистина:
Упрощенная запись этой реакции:

12.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
IV. Аминокислоты с разветвлённым углеводородным
радикалом:
7. Валин, вал:
8. Лейцин, лей:
9. Изолейцин, иле:

13.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
V. Аминокислоты, содержащие ароматическое ядро:
10. Фенилаланин, фен:
11. Тирозин, тир:
12. Триптофан, три:

14.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
VI. Кислые аминокислоты:
13. Аспарагиновая кислота, асп:
14. Глутаминовая кислота, глу:

15.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
VII. Амиды кислых аминокислот:
15. Аспарагин, асн:
16. Глутамин, глн:

16.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
VIII. Основные аминокислоты:
17. Лизин, лиз:
18. Аргинин, арг:
19. Гистидин, гис:

17.

Протеиногенные аминокислоты
(продолжение)
IХ. Иминокислота:
20. Пролин, про:

18.

Физико-химическая классификация
аминокислот
По радикалам аминокислоты делятся на 2 группы:
Гидрофильные (серин, треонин, тирозин, цистеин,
аспарагин, глутамин, лизин, аргинин, гистидин,
аспарагиновая и глутаминовая кислоты);
Гидрофобные (аланин, валин, лейцин, изолейцин,
фенилаланин, триптофан, пролин и метионин).

19.

Некоторые функции аминокислот
1) Структурные элементы:
↓
Витамин В3
↓
Углеводы Кофермент А Жиры
2) Радиопротекторы: цистеин.
3) Нейромедиаторы:
4) Образование меланинов: окисление тирозина.
5) Образование меланоидинов: продукты сахароаминных реакций.
6) Вкусовые продукты: глутамат натрия.

20.

Пищевая ценность белков
Первичный синтез аминокислот протекает только в растениях. Животные и человек
используют готовые аминокислоты либо синтезируют их путём перестройки
аминокислот (вторичный синтез).
Протеиногенные аминокислоты делятся на:
Незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, треонин,
метионин, лизин). Они не синтезируются человеком и животными и обязательно
должны поступать с пищей.
Заменимые (глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, пролин, гистидин,
аргинин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин).
Они могут синтезироваться человеком и животными.
Цистеин и тирозин относят к условно заменимым аминокислотам, т.е. к заменимым
аминокислотам при условии достаточного поступления с пищей метионина и
фенилаланина (цистеин синтезируется из метионина, а тирозин — из фенилаланина).
Аргинин и гистидин — частично заменимые аминокислоты. Они синтезируются в
организме человека в недостаточном количестве.

21.

Нарушения обмена аминокислот
При некоторых, чаще всего врожденных, заболеваниях перечень незаменимых
аминокислот может расширяться. Например, в организме людей, страдающих
фенилкетонурией, реакция превращения фенилаланина в тирозин не
протекает. Заболевание проявляется в нарушении развития мозга у
новорожденных и, как следствие, умственной отсталости. Для таких людей
тирозин является незаменимой аминокислотой, и продукты с высоким
содержанием фенилаланина из их рациона следует исключить.
Отсутствие в рационе хотя бы одной из незаменимых аминокислот приводит к
нарушению обмена веществ, лимитированию роста и развития организма.
При недостатке аминокислот в пище возможны атрофия мышц у животных,
падёж скота, снижение яйценоскости.
В организме человека нарушается равновесие между процессами биосинтеза и
распада, клетки голодают, нарушается умственное развитие, снижается
способность к обучаемости у детей, нарушается развитие органов и тканей
плода. Это серьёзная социальная проблема.

22.

Трофическая цепь
Белки в питании человека
Роль белков в питании человека: они являются источниками аминокислот.
Суточная норма потребления белков для населения Земли — 70–80 г, для России — 100 г.
Или 1,0-1,5 г на 1 кг массы тела, для детей — 1,5-4,0 г.
80 % потребляемого белка — растительные белки, 20 % — животные белки. Идеальным считается
соотношение: 45 % растительных белков и 55 % животных белков.
Для биосинтеза 1 г животных белков нужно потребить 6-8 г растительных белков.

23.

Полноценные и неполноценные белки
Белки, содержащие все восемь незаменимых аминокислот в
требуемом количестве и соотношении для питания человека
называют полноценными.
Если хотя бы одна из восьми незаменимых аминокислот в белке
отсутствует или содержится в крайне малом количестве, то такой
белок считается неполноценным в пищевом отношении.
Как правило, животные белки являются полноценными, растительные белки —
неполноценные.
Наиболее полноценными являются белки куриного яйца, молока.
Повышенное содержание белка имеется в твороге, мясе, рыбе, из растений —
в бобовых (соя, фасоль, горох, чечевица).
Белки картофеля являются исключением: они полноценные. Но содержание
белков в картофеле — всего 2 %.

24.

Аминокислотный скор белков
Для характеристики пищевой ценности белка чаще всего пользуются
специальным показателем — аминокислотным скором (от англ. “score” —
счёт), который рассчитывается по формуле:
где Х — количество миллиграммов аминокислоты, содержащееся в 1 г
исследуемого белка;
А — количество миллиграммов этой же аминокислоты, содержащееся в 1 г
эталонного белка.
Эталонный белок — теоретический идеальный белок, в котором все
незаменимые аминокислоты присутствуют в оптимальном количестве и
соотношении для питания человека.

25.

Лимитирующие аминокислоты
Аминокислота, имеющая наименьший скор, называется лимитирующей. Она
лимитирует (ограничивает) усвоение всего белка.
Самой дефицитной аминокислотой является лизин. Например, в белках зерна
пшеницы её скор составляет 56 %.
Решение проблемы дефицита белков в питании и
обогащения белков лимитирующими аминокислотами:
1)
2)
3)
4)
5)
У злаковых мало лизина и триптофана, но достаточно серосодержащих
аминокислот, у бобовых — наоборот. В составе рациона питания следует
комбинировать бобовые и злаковые.
Выведение сортов с высоким содержанием незаменимых аминокислот.
Повышение продуктивности животноводства и растениеводства.
Индустриальное производство белков: производство кормовых дрожжей,
приготовление белково-витаминных концентратов, выделение белков из
непищевого сырья растительного происхождения.
Совершенствование технологии хранения и переработки пищевого сырья с
целью минимизации потерь белков.

26.

Образование пептидов
Пептиды — это низкомолекулярные полимеры аминокислот с
молекулярной массой до 6 000 Да.
Группа -CO-NH- называется пептидной группой, а связь между атомами
углерода и азота в пептидной группе — пептидной связью.
Пептидная связь — ковалентная. Она очень прочная, относится к сильным
взаимодействиям.

27.

Глутатион
Глутатион — трипептид, состоящий из остатков трёх аминокислот:
глутаминовой кислоты, цистеина и глицина.
Реакцию взаимопревращений двух форм глутатиона можно записать так:
Глутатион содержится во всех живых организмах. Он присутствует в
дрожжах, зародыше зерна пшеницы, крови человека и животных и др.
Основными биологическими функциями глутатиона являются регуляция
окислительно-восстановительных процессов в клетках, а также
каталитической активности ряда ферментов.

28.

Функции пептидов
– регуляция пищеварения (гастрин, секретин);
- регуляция мышечных сокращений (анзерин, карнозин);
- гормоны (окситоцин, вазопрессин, глюкагон);
- нейропептиды (пептиды поведения, памяти, сна);
- яды (аманитин бледной поганки, фаллоидин мухомора, апамин пчёл,
конотоксин морских моллюсков)
- антибиотики (грамицидин S).

29.

Структурная организация
белковой молекулы
Белки представляют собой полипептиды, молекулярная масса
которых составляет 6 000-1 000 000 Да и более. Таким образом, они
являются высокомолекулярными соединениями, состоящими из
большого числа аминокислотных остатков.
В отличие от низкомолекулярных пептидов, белки обладают хорошо
развитой трёхмерной пространственной структурой, которая
стабилизируется различного рода взаимодействиями — сильными и
слабыми.
Различают четыре уровня структурной организации белковых
молекул: первичную, вторичную, третичную и четвертичную
структуры.

30.

Первичная структура белка
Первичная структура белка представляет собой последовательность
аминокислотных остатков, соединённых друг с другом пептидными связями в
полипептидную цепочку.
Первичная структура белка прочная, так как основу её построения
составляют ковалентные по характеру пептидные связи, представляющие
собой сильные взаимодействия.

31.

Первичная структура белка
(продолжение)
Соединяясь между собой в различной последовательности,
протеиногенные аминокислоты образуют изомеры.
Из трёх аминокислот можно построить 6 трипептидов (3! = 6).
Из четырёх аминокислот — 24 тетрапептида (4! = 24).
Из пяти — 120 пентапептидов (5! = 120).
Из 20 ≈ 2·1018 полипептидов.
При этом каждая аминокислота участвует в построении данных
полипептидных цепочек только один раз.

32.

Наименования аминокислотных остатков
Названия полипептидов образуются путём последовательного перечисления
тривиальных названий всех аминокислотных остатков, начиная с N-конца,
с заменой их окончаний на «-ил». Окончание С-концевой аминокислоты
не меняется.
Глицин → глицил,
Аланин → аланил,
Серин → серил,
Треонин → треонил,
Цистеин → цистеинил,
Метионин → метионил,
Валин → валил,
Лейцин → лейцил,
Изолейцин → изолейцил,
Фенилаланин → фенилаланил,
Тирозин → тирозил,
Триптофан → триптофанил
(триптофил),
Пролин → пролил,
Гистидин → гистидил,
Лизин → лизил,
Аргинин → аргинил,
Аспарагин → аспарагинил,
Глутамин → глутаминил,
Аспарагиновая кислота → аспарагил
(аспартил),
Глутаминовая кислота → глутамил.

33.

Первичная структура белка
(продолжение)
Аминокислоты — азбука белка.
Минимальная масса белка 6 000 Да. Средняя молекулярная масса
протеиногенной аминокислоты 120 Да. Следовательно, в белке
содержится как минимум 50 аминокислотных остатков
(6 000 Да / 120 Да = 50 АК).
Последовательность аминокислотных остатков обуславливает
разнообразие белковых молекул.
Первичная структура уникальна для каждого белка. Она определяет
все биологические особенности, специфичность белковых молекул.
Первичная структура белка задана генетически.

34.

Серповидноклеточная анемия
Болезни, связанные с нарушениями первичной структуры белка, получили
название молекулярных.
Одной из молекулярных болезней является серповидноклеточная анемия,
причина которой кроется в ничтожном нарушении первичной структуры
гемоглобина. Если у здоровых людей полипептидная цепочка в молекуле
гемоглобина, состоящая из 146 аминокислотных остатков, начинается с такой
последовательности аминокислотных остатков:
Вал-Гис-Лей-Тре-Про-Глу-Глу-Лиз-Сер-···,
то у людей с врождённой аномалией структуры
она начинается иначе:
гемоглобина
Вал-Гис-Лей-Тре-Про-Вал-Глу-Лиз-Сер-···
Аномальный гемоглобин хуже транспортирует кислород, в результате чего
больные постоянно испытывают кислородное голодание. Заболевание
проявляется в замедлении развития, общей слабости организма, сокращении
продолжительности жизни.

35.

Расшифровка
первичной структуры белка
Расшифровав первичную структуру инсулина, Ф. Сенгер впервые
подтвердил полипептидную теорию строения белковой молекулы
Э.Г. Фишера и доказал, что белки — это химические соединения,
обладающие строго определённой структурой, которую можно
изобразить в виде химической формулы, показывающей порядок
соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепочке.

36.

Инсулин
Первичная структура молекулы бычьего инсулина:

37.

Этапы расшифровки первичной структуры белка
1. Определение аминокислотного состава. Белок подвергают кислотному гидролизу,
полученный гидролизат подвергают хроматографическому анализу.
2. Определение количества полипептидных цепей. Определяют количество N-концевых
и C-концевых аминокислотных остатков.
Определение N-концевых аминокислотных остатков
N-концевые аминокислотные остатки определяют методом Ф. Сенгера с применением
динитрофторбензола в качестве метчика, который присоединяется к N-концевому
аминокислотному остатку. При кислотном гидролизе в белке разрываются все пептидные
связи, но связь между N-концевым аминокислотным остатком и метчиком сохраняется.
Меченый аминокислотный остаток устанавливают методом хроматографии.
Метод Ф. Сенгера имеет недостаток. Осуществляется полная деградация белка и для
дальнейших исследований нужна новая порция белка.
Метод П.В. Эдмана предусматривает ступенчатую деградацию белка. С N-концевым
аминокислотным остатком связывается фенилизотиоцианат. При этом избирательно
гидролизуется лишь связь между первым и вторым аминокислотными остатками, а сам
белок не распадается.
Возможно повторение операции. Удаётся прочитать около 50 аминокислотных
остатков, начиная с N-конца.

38.

Этапы расшифровки первичной структуры белка
Определение C-концевых аминокислотных остатков
С-концевые аминокислотные остатки определяют с помощью фермента
карбоксипептидазы, способного гидролизовать в белке лишь пептидную связь,
присоединяющую C-концевой аминокислотный остаток. В гидролизате
концентрация С-концевой аминокислоты всегда выше, чем концентрация
предпоследней аминокислоты в белковой молекуле.
3. Определение последовательности аминокислотных остатков в полипептидной
цепи. Проводят ферментативный гидролиз белка на фрагменты несколько раз,
каждый раз с новой порцией белка. Получают смесь перекрывающихся пептидов.
Каждый фермент расщепляет белок в строго определённом месте.
Выясняется аминокислотная последовательность в каждом пептиде. По
расшифрованным пептидам воссоздают аминокислотную последовательность
всего белка.

39.

Гомологичные белки
В результате изучения первичной структуры белка стало возможным
проследить за ходом эволюции на молекулярном уровне.
Чем ближе друг к другу стоят организмы на эволюционной лестнице,
тем больше сходства между их гомологичными белками. Это белки,
присутствующие в разных организмах и выполняющие одну и ту же
функцию.
Например, гемоглобин человека и гориллы отличается на один
аминокислотный остаток, а гемоглобин человека и лошади — на 29
аминокислотных остатков.

40.

Вторичная структура белка
Вторичная структура белка представляет собой сочетание упорядоченных и
аморфных участков полипептидной цепи.
Длина пептидной связи близка к длине двойной связи и составляет 0,1325 нм.
Поэтому свободное вращение атомов углерода и азота вокруг пептидной связи
затруднено, и повороты в полипептидной цепи могут совершаться только по
связям, примыкающим к