Белки: строение, функции, физико-химические свойства

Роль биохимии в стоматологии

«Медик без довольного познания химии совершенен быть не может» (Ломоносов)

Биохимия – это наука, изучающая химический состав органов и тканей животных и растительных организмов, а также химические процессы, лежащие в основе их жизнедеятельности.

Биохимия возникла на стыке таких наук как биология, химия, физиология и уже во 2й половине ХХ века стала одним из лидеров в биологии и медицине.

Перед биохимией ставятся задачи первостепенной важности:

1) познание биохимических механизмов жизнедеятельности человека;

2) совершенствование методов диагностики, профилактики и лечения наиболее распространенных заболеваний;

3) получение новых эффективных лекарственных средств;

4) внедрение в производство новых биотехнологических процессов и методов исследования.

Для того, чтобы выполнить поставленные задачи для этого необходимо:

• Сформировать у Вас представление о строении, функции и классификации основных биоорганических соединений таких как белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и др.

• Изучить обмен веществ в совокупности процессов катаболизма и анаболизма

• Изучить ряд биохимических методов применяемых в клинике для диагностики тех или иных заболеваний в стоматологии, а сейчас мы начинаем с общего курса биохимии со структуры, физико-химических свойств белков.

Физико-химические свойства белков определяют их структурные элементы – аминокислоты. Природа радикальных групп обуславливает различие в свойствах аминокислот. Так аминокислоты с гидрофобными группами (аланин, валин, лейцин) отличаются низкой растворимостью по сравнению с «ОН» - сер, тре, тир, «SH» - цистеина, NH2 – аспарагин и глутамин. Т.к. эти полярные группы могут образовать водородные связи с молекулами воды.

Общим признаком характерным для всех аминокислот, входящих в состав белков, является наличие свободных «СООН» и «NH2» у 2 углеродного атома которые также определяют важные свойства аминокислот и следовательно и белков.( Написать пептид.)

Белковые вещества как высокомолекулярные соединения в водной среде- коллоидные растворы. Коллоидным характером обладают растворы тех веществ, диаметр частиц которых колеблется в пределах 0,1-0,001мк

С коллоидным характером растворов белка связан ряд их свойств. Луч света проходя через раствор белка становится видимым, в следствии рассеивания света частицами растворенного вещества - явление Тиндаля. Вода же является оптически пустой ( луч не видим).

Молекулы белка не могут проникать через поры животных и растительных мембран, в следствии своего большого размера. А низкомолекулярные вещества свободно проходят через такие мембраны – этот метод называют диализомможно отделить белки от низкомолекулярных веществ.

Белки относятся к высокомолекулярным веществам, обладающими гидрофильными свойствами т.е. имеющими сходство к Н2О. Гидрофильные свойства обусловлены наличием на поверхности СООН, SH, ОН групп. Гидрофильные свойства зависят от:

• Качественного состава аминокислот;

• Количественного состава аминокислот;

• Близлежащих радикалов.

Каждая коллоидная частица вступает во взаимодействие с Н2О в результате вокруг нее образуется водная или сольватная оболочка.

Устойчивость молекулы белка зависит от наличия водной оболочки и заряда, которая благодаря наличию аминокислотных полярных групп. Растворы белка отличаются крайне неустойчивостью и легко выпадают в осадок от прибавления различных солей и водоотнимающих средств. Белки можно осадить спиртом, ацетоном, растворами хлорида натрия и многими другими. В зависимости от задачи исследователь использует тот или иной осадитель. Если необходимо выделить из раствора те или иные белки неизменными, чаще используют соли (NH4)2SО4. Метод выделения белков из водных растворов нейтральными растворами концентрированных солей щелочно и щелочно-земельные металлов высаливание.

В зависимости от концентрации в осадок будут переходить разные белковые фракции.Белки, сыворотки состоят из 2 фракций – альбумина и глобулина.

Альбумины осаждаются насыщенным раствором (NH4)2SО4 для осаждения глобулиновых фракций необходимы полунасыщенные различные концентрации (NH4)2SО4. Исследования белков выделенных методом высаливания показали что эти белки не изменяют своей структуры. При высаливании происходит лишь дегидратация водной оболочки и нейтрализация заряда. При удалении (NH4)2SО4 методом диализа, белок может вновь растворен и не изменяет свои нативные свойства. Таким методом выделяют многие ферменты, индивидуальные белки, фибриноген. В связи с этим Вы должны иметь четкое представление о белке о живом – нативном. Нативный белок – это белок в системе обмена в системе клетки. Белок выделенный из клетки не есть живой белок, а есть объект исследования (значит мы имеем дело не с живым белком, а с объектом исследования, 1 для которого характерны многие важные свойства нативного белка).

Большая часть белковых молекул сохраняет биологическую активность только в пределах очень узкой области температуры и РН. В области экстремальных значений РН и температуры в молекулах белков происходят изменения, которые называют денатурацией.

Под денатурацией белков понимают процесс, в результате которого пространственное расположение полипептидных цепей внутри молекулы становятся иным, в отличие от расположения их в нативном белке, что приводит к нарушению упорядоченной структуры белковой молеулы, снижению растворимости (белки вместо гидрофильных свойств, приобретают – гидрофобные) на поверхности белковой молекулы появляются гидрофобные не растворимые в Н2О группы, углеводородные цепи аминокислот, гетероциклические структуры и т.д., снижению биологической активности (если это белок фермент, то он теряет способность катализировать соответствующие химические реакции) и т.д. Но денатурация процесс необратимого осаждения белка ( обычно лишь на первых этапах ее может быть обратима). Что же происходит?

При денатурации не происходит изменения первичной структуры, которая обусловлена последовательностью расположения аминокислотных остатков в белке, именно ею определяется нативная конфигурация (структура) белковой молекулы, возникающая в результате взаимодействия аминокислотных боковых цепей друг с другом.

Пример: ренатурация, у РНКазы под воздействием мочевины происходит денатурация – разрушение внутримолекулярных мостиков. После удаления мочевины происходит спонтанное свертывание и окисление связей. Молекула вновь приобретает нативную конформацию и активность.

Реконструкция нативных структур после денатурации процесс очень медленный не соответствующий скорости синтеза белков в живой клетке. Известно, например, что в печени быка имеется ферментная система способная ускорять активацию восстановленной РНКазы.

При денатурации происходит не только изменение многих свойств белка, но также происходит снятие заряда – мощного фактора стабилизации коллоидных систем. Белки являются не только коллоидом, но и амфотерными электролитами. В водной среде происходит диссоциация СООН групп с образованием «Н» – ионов что придают белку кислый характер.

При растворении в воде изотопы «Н» образовавшиеся в результате диссоциации СООН групп присоединяется и NН2 групп переходит в ионизированную форму.

Поведение белка будет зависеть от РН окружающей среды. Если белок поместить в кислую среду он проявляет – основные свойства, в щелочную среду – проявляет кислые свойства. Известно такое значение РН когда сумма (+) = сумме(-), а суммарный электрический заряд равен фактически (=0).

Это значение РН – называют изоэлектрической точкой. И.Т. для большинства белков лежит в слабокислой зоне. В этом состоянии белок менее устойчив и его можно легко осадить. Наличие у белков свойств амфотерных элктролитов позволяет проводить фракционирование сложных белковых смесей с помощью метода электрофореза. Принцип этого метода (электрофорез на бумаге, агар-агаре, полиакриламидном геле) основан на различной подвижности в постоянном электрическом поле частиц белка, несущих неодинаковые по величине или знаку заряды. Электрическая подвижность белка при прочих равных условиях должна быть тем выше, чем выше заряд белка. Он зависит от значения РН белка. Таким образом смесь, состоящая из белков с различной величиной заряда может легко разделена путем электрофореза (Таблица)

В настоящее время метод электрофореза используется в медицине для изучения фракционного состава белков сыворотки и плазмы крови, который изменяется при различных заболеваниях, подробное знакомство на практических занятиях.

Физиологическое значение и обмен @ и Д аминокислот совершенно различны. Аминокислоты Д ряда совершенно не усваиваютсяи животными и растениями плохо усваиваются так как ферментные системы животных и растений специфически приспособлены к @ аминокислотам.

Все аминокислоты можно разделить на:

• Ациклические – куда входят:

• Моноамино-монокарбоновые

• Моноамино-дикарбоновые

• Диаминмонокарбоновые

• Циклические

• Иминокислоты

Аминокислоты не встречающиеся в белках: В-аланин, цистомин, оргнитии, аминомасляная кислота. Они являются промежуточными продуктами обмена веществ. Так В-аланин служит предшественником одного из витаминов, пактотеновой кислоты, цитруллии и орнитии являются промежуточными продуктами синтеза аргинин, ГАМК – функционирует в качестве химических агентов при передаче нервных импульсов.

Кроме перечисленных классификаций существует классификация по свойствам радикалов и по биологической роли аминокислот в организме.

Первые эксперименты по выяснению биологической роли отдельных аминокислот в организме проводились путем дачи различных смесей аминокислот животным. Установлено, что ряд аминокислот является для большинства животных и человека незаменимыми – это значит, что они не синтезируются в организме, а должны поступать с пищей.

Потребность взрослого человека в незаменимых аминокислотах по данным ВОЗа выражается в г в сутки:

Три – 1г Илей - 2 - 3

Фен – 4-4,5г Вал – 3 - 4

Тре – 2-3 Гли – 2-3

Мет – 2-4 Лей - 8-9

Гис и арг являются условно заменимыми.

Пищевая потребность в определенных аминокислотах зависит от ряда условий в том числе и от наличия в пище метаболически близких соединений. Так, например, тирозин снижает количество требующегося фен, а глутаминовая кислота может подобным образом «замещать аргинин, таким образом для суждения о незаменимости». Аминокислоты необходимо учитывать другие компоненты пищи. Кроме того, потребность в аминокислотах меняется в зависимости от физиологического состояния человека (болезни, возраста и других факторов).

Биологическая ценность белков оценивается полным набором незаменимых аминокислот, если отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота – белок неполноценный. Полноценность белка оценивается еще степенью его усвоения организмом (может содержать незаменимые аминокислоты, но не может быть усвоен так как нет ферментов)

• В последнее время предложено подразделять аминокислоты в зависимости от промежуточных продуктов обмена на гликогенные и кетогенные.

К гликогенным – относятся те, которые на промежуточных этапах превращения дают соединения используемые для биосинтеза углеводов (гли – ала – вал – сер – тре – цис – асп - глу – арг – про – тир – фен)

Кетогенные – это аминокислоты, которые при распаде помимо прочих продуктов образуют кетоновые тела, используемые для биосинтеза жиров (лей, илей, тир, фен)