Биохимия (стр. 1 )

БИОХИМИЯ

малый практикум

учебно-методическое пособие

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия – наука о химическом строении и функциях веществ, входящих в состав живой материи, и их превращениях в процессах жизнедеятельности. Биохимия изучает различные структуры, свойственные живым организмам, и химические реакции, протекающие на клеточном и организменном уровнях. Биохимия изучает процессы, лежащие в основе обмена веществ.

В биохимии выделяют два раздела:

1. СТАТИЧЕСКАЯ биохимия – изучает состав живых организмов.

2. ДИНАМИЧЕСКАЯ биохимия – изучает обмен веществ.

Статическая биохимия выявила характерную черту живых клеток – их сложность и высокий уровень молекулярной организации, переход от более простых компонентов клетки к более сложным. Структурную организацию живой клетки можно представить в виде следующей схемы: неорганические вещества (H2O, N2, CO2, O2, P, S) → мономеры (нуклеотиды, аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, глицерин) → макромолекулы (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды) → сложные макромолекулы (нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины) → комплексы (рибосомы, ядрышко, мембраны, сократительные системы) → органеллы (ядро, митохондрии, лизосомы) → клетка.

Переход от простых биомолекул к сложным биологическим структурам основывается на физико-химических принципах самоорганизации.

Задачей динамической биохимии является изучение обмена веществ, или метаболизма клетки. Обмен веществ – это совокупность двух диаметрально противоположных, но гармонически сочетающихся процессов – синтеза (анаболизма) и распада (катаболизма) веществ. Обмен веществ в клетке не отделим от обмена энергии, т. к. синтез веществ невозможен без затраты энергии.

Другой чертой обмена веществ является тонкое регулирование скорости протекания отдельных химических реакций. Важную роль в регулировании процессов метаболизма играют биологические катализаторы – ферменты. Регуляция клеточного метаболизма может осуществляться либо путем активации или подавления действия ферментов, либо за счет изменения скорости их биосинтеза в клетке.

Раздел 1. БЕЛКИ

Тема 1

АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКА. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ. КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ И АМИНОКИСЛОТЫ

Белок – высокомолекулярное азотистое природное соединение, распадающееся в ходе гидролиза на аминокислоты.

Белки содержат углерода - 50-55 %, водорода - 6,5-7,3 %, азота - 15-18 %, кислорода - 21-24 %, серы - до 2,4 % и золы - до 0,5 %.

Для построения всех белков используется один и тот же набор из 20 различных аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в определенной, характерной только для данного белка последовательности.

Общей структурной особенностью аминокислот является наличие карбоксильной и аминогруппы, связанных с одним и тем же атомом углерода. Различаются аминокислоты боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде. Карбоксильные и аминогруппы аминокислот участвуют в образовании пептидных связей.

Помимо 20 стандартных, основных или нормальных аминокислот, входящих в состав белков, существуют другие аминокислоты, присутствующие в живых организмах, но не встречающиеся в белках.

Стандартные аминокислоты имеют трехбуквенные и однобуквенные условные обозначения (таблица 1).

Таблица 1

Сокращенные обозначения аминокислот

№	Аминокислота	Трехбуквенное сокращенное обозначение	Однобуквенное обозначение
1	Аланин	ала	Ala	A
2	Аргинин	арг	Arg	R
3	Аспарагин	асн	Asn	N
4	Аспарагиновая кислота	асп	Asp	D
5	Валин	вал	Val	V
6	Гистидин	гис	His	H
7	Глицин	гли	Gly	G
8	Глутамин	глн	Gln	Q
9	Глутаминовая кислота	глу	Glu	E
10	Изолейцин	иле	Ile	I
11	Лейцин	лей	Leu	L
12	Лизин	лиз	Lys	K
13	Метионин	мет	Met	M
14	Пролин	про	Pro	P
15	Серин	сер	Ser	S
16	Тирозин	тир	Tyr	Y
17	Треонин	тре	Thr	T
18	Триптофан	три	Trp	W
19	Фенилаланин	фен	Phe	F
20	Цинтеин	цис	Cys	C

Протеиногенные аминокислоты делят на 4 группы по полярности радикалов: 1) неполярные (гидрофобные) (рисунок 1); 2) полярные (гидрофильные) незаряженные (рисунок 2); 3) отрицательно заряженные (рисунок 3); 4) положительно заряженные (рисунок 4).

Рисунок 1. Неполярные (гидрофобные) аминокислоты: а) Аланин (Ala) – Ала; б) Валин (Val) – Вал; в) Пролин (Pro) – Про; г) Лейцин (Leu) – Лей; д) Изолейцин (Ile) – Иле; е) Фенилаланин (Phe) – Фен; ж) Метионин (Met) – Мет; з) Триптофан (Trp) – Три.

Рисунок 2. Незаряженные полярные аминокислоты: а) Глицин (Gly)- Гли; б) Серин (Ser) – Сер; в) Треонин (Thr) – Тре; г) Тирозин (Tyr) – Тир; д) Аспарагин (Asn) – Асн; е) Глутамин (Gln) – Глн; ж) Цистеин (Cys) - Цис

Рисунок 3. Отрицательно заряженные аминокислоты: а) Аспарагиновая кислота (Asp) – Асп; б) Глутаминовая кислота (Glu) – Глу.

Рисунок 4. Положительно заряженные аминокислоты: а) Лизин (Lys) – Лиз; б) Аргинин (Arg) – Арг; г) Гистидин (His) – Гис.

Радикалы аминокислот участвуют в образовании связей: 1) гидрофобные радикалы участвуют в гидрофобных взаимодействиях; 2) гидрофильные радикалы формируют водородные связи; 3) полярные (заряженные) радикалы образуют ионные связи; 4) сближение двух радикалов цистеина цис-SH + цис-SH ведет к образованию дисульфидной связи цис-S–S-цис.

Лабораторная работа №1

ЦВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ НА БЕЛКИ И АМИНОКИСЛОТЫ

ПРИНЦИП РАБОТЫ:

Цветные реакции дают возможность обнаружить присутствие белка в биологических жидкостях и получить представление о его аминокислотном составе.

1.1 Биуретовая реакция открывает пептидную связь в белке. Ее способны давать вещества, которые содержат не менее двух пептидных связей. При добавлении сернокислой меди к сильнощелочному раствору белка или полипептида образуются соединения меди с пептидной группировкой, окрашенные в красно - или сине-фиолетовый цвет в зависимости от длины полипептидной цепи. Раствор белка дает сине-фиолетовое окрашивание, а продукты неполного его гидролиза (пептоны) - розовое или красное.

1.2 Нингидриновая реакция характерна для α-аминогрупп. Растворы белка, α-аминокислот и пептидов при нагревании с нингидрином дают синее или фиолетовое окрашивание. В этой реакции α-аминокислоты и пептиды окисляются нингидрином и подвергаются окислительному дезаминированию и декарбоксилированию с образованием аммиака, альдегида и СО2. Нингидрин восстанавливается и связывается со второй молекулой нингидрина посредством молекулы аммиака, образуя продукты конденсации, окрашенные в синий цвет (комплекс Руэмана). Нингидриновая реакция используется для количественного определения α-аминокислот в аминокислотных анализаторах.

1.3 Ксантопротеиновая реакция открывает наличие в белках циклических аминокислот - триптофана, фенилаланина, тирозина, содержащих бензольное ядро. Большинство белков при нагревании с концентрированной азотной кислотой дает желтое окрашивание, переходящее в оранжевое при подщелачивании вследствие образования натриевой соли динитротирозина. Реакция обусловлена нитрованием бензольного кольца этих аминокислот с образованием нитросоединений желтого цвета.

1.4 Реакция на серусодержащие аминокислоты (реакция Фоля).

Реакция указывает на присутствие в белке аминокислот цистина и цистеина, содержащих слабосвязанную серу. Метионин, хотя и является содержащей серу аминокислотой, этой реакции не дает, поскольку сера в нем связана прочно. Реакция состоит в том, что при кипячении белка под действием щелочи от цистеина или цистина легко отщепляется сера в виде сернистого натрия, который с плюмбитом дает черный или бурый осадок сернистого свинца.

1.5 Реакция Паули. Эта реакция на аминокислоту гистидин основана на взаимодействии гистидина с диазобензолсульфоновой кислотой с образованием соединения вишнево-красного цвета.