Лекция 3. Молекулярно-генетический уровень

Лекция 3. Молекулярно-генетический уровень

Белки

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Синоним термина-протеины (введен в 1838г) от греч. Proteos - первостепенный.

По атомарному составу состоят на 59% - из углерода; 6,5-7,3% водорода; 15-18% азота, 21-24 – кислорода, до 2,5% серы. В составе некоторых белков можно обнаружить и элементы: фосфор, железо, медь, цинк.

Для большинства белков характерна довольно постоянная доля азота (16%), поэтому на основании известной массы содержания азота при анализе можно рассчитать количественное содержание белка (умножить на коэффициент 6,25=100:16).

Структура белков. В состав фактически любого белка входит 20 основных аминокислот, получивших название – протеиногенные аминокислоты. Общая формула их строения включает две составляющие: 1) константная часть: атом углерода, водорода, карбоксильную группа (СООН) и аминогруппа (NH2); 2) радикал (характеристическая группа) определяет специфичность структуры и физико-химических свойств аминокислоты.

Классификация аминокислот

1.По кислотно-основным свойствам аминокислоты делят в зависимости от физико-химических свойств бокового радикала на:

Кислые – содержат карбоксильную группу в R: аспарагиновая, глутаминовая.

Основные – содержат в R группировку c основными свойствами: аминогруппу, гуанидиновую и имидазольную группу: лизин, аргинин, гистидин.

Нейтральные – все остальные аминокислоты, их боковой радикал не проявляет ни кислых, ни основных свойств.

2.По биологическому значению аминокислоты делятся на:

Заменимые - синтезируются в организме в достаточном количестве (глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин)

Полузаменимые – синтезируются, но в малом количестве (должны поступать с белковой пищей): аргинин, гистидин.

Незаменимые (8): валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан.

Уровни структурной организации белка

Первичная структура представляет собой полипептидную цепь, состоящую из расположенных в строго определенном порядке аминокислотных остатков (аминокислот), соединенных пептидными связями. Пептидная связь – это связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты.

Первичная структура белка уникальна и детерминируется генами. Замена хотя бы одного аминокислотного остатка приводит к аномальным явлениям: изменениям структуры и функции белка. К настоящему времени расшифрованы первичные структуры более тысячи белков, в том числе и человека.

Вторичная структура белка представляет собой уложенную определенным образом полипептидную цепь. Выделяют две основные конфигурации укладки цепи:

Альфа-спираль – симметричная винтовая конфигурация цепи, каждый виток которой включает 3,6 аминокислотных остатка. Поддержание структуры спирали осуществляется за счет водородных связей (между водородом и электроотрицательным атомом кислорода Между С=О и NH-группой) между аминокислотными остатками витков. В природных белках существуют только правозакрученные альфа спирали.

Бетта-складчатый слой – имеет линейную структуру, которая также удерживается водородными связями.

Вторичная структура определяется первичной: одни аминокислоты более склонны к образованию спиральной структуры (аланин, глутамин, лизин и др.), другие – к складчатой (валин, треонин, тирозин и др.). Во многих белках одновременно присутствуют обе конфигурации.

Третичная структура – это способ укладки полипептидной цепи в пространстве (в клубок) для формирования нативной структуры, способной при дальнейшей упаковке выполнять присущие белку функции. Удержание структуры происходят благодаря ионным, водородным, гидрофобным и дисульфидным связям). Укладка возможна двумя способами: глобулярная - шарообразная (наиболее распространенная) и фибриллярная (нитчатая).

Четвертичная структура – это структура из определенного для каждого белка числа полипептидных цепей, занимающих строго зафиксированное положение относительно друг друга. Белок, обладающий четвертичной структурой называется – мультимер (эпимолекула), а составляющие его полипептидные цепи – субъединицами. Стабилизация четвертичной структуры происходит засчет взаимодействий (полярных) радикалов, расположенных на поверхности субъединиц. При глобулярной третичной конфигурации субъединицы расположены очень плотно друг к другу. При фибриллярной - субъединицы наматываются (накручиваются) друг вокруг друга подобно канату.

В основе классификации белков лежит несколько принципов:

Степень сложности строения: простые (однокомпонентные)- состоят только из белковой части и сложные – кроме белкового компонента содержат небелковую часть – простетическую группу (липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты) и называются соответственно липопротеины, гликопротеины, нуклеопротеины. Пространственная организация белковой молекулы

Глобулярные Фибриллярные

Функции белков

Структурные – белки участвуют в построении биологических мембран

Транспортные –осуществляют транспорт веществ через мембрану клетки и между клетками и тканями

Каталитически активные –являются ферментами и осуществляют катализ почти всех химических превращений в клетке

Белки-ингибиторы ферментов –осуществляют регуляцию деятельности ферментов

Гормоны – белки-гормоны регулируют обмен веществ внутри клетки и в организме в целом.

Рецепторы – избирательно связывают различные регуляторы (гормоны) на поверхности или внутри клеток

Защитные – антитела белковой природы выполняют функцию иммунной защиты

Сократительные – обеспечивают сокращение клеток и органов, перемещение клеток

Энергетические – некоторые белки денатурируют и обеспечивают 10-20% энергетических потребностей

Токсические – яды животных и растений имеют белковое происхождение.

Углеводы

Это полигидроксикарбонильные соединения и их производные, входящие в состав всех живых организмов. Самое большое содержание углеводов характерно для растений (80% сухой массы), у животных значительно меньше – 0,2% (головной мозг), 5-10% (клетки печени).

В живых организмах углеводы выполняют следующие функции:

Структурная и опорная функции. Углеводы участвуют в построении различных опорных структур. (целлюлоза-у растений, хитин-у животных, гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат). Пластическая функция. Углеводы входят в состав сложных молекул (например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК). Энергетическая функция. Углеводы служат источником энергии: при окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды. Запасающая функция. Углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликоген у животных, крахмал и инулин — у растений[1]. Осмотическая функция. Углеводы участвуют в регуляции осмотического давления в организме. (гиалуроновая кислота благодаря способности связывать воду, регулирует осмотическое давление) Рецепторная функция. Олигосахариды входят в состав многих рецепторов, расположенных на поверхности клеток.

Классификация углеводов основана на их способности к гидролизу (реакция взаимодействия с водой, при которой соединение и вода разлагаются и образуются новые соединения). По этому принципу подразделяются на простые (моносахариды)-не подвергаются гидролизу и сложные (олигосахариды и полисахариды). В состав олигосахаридов входит от двух (дисахариды) до десяти моносахаридов. К полисахаридам относят углеводы, имеющие в составе более 10 моносахаридов. Сложные углеводы при гидролизе распадаются до простых.

Моносахариды (монозы) наиболее распространены в природе. Содержат в своем составе три - шесть атомов углерода, не менее двух гидроксильных групп и одну карбонильную группу. В зависимости от типа карбонильной группы подразделяются на два основных класса: альдозы (содержат в составе альдегидную группу) и кетозы (содержат кетонную группу).

По числу атомов углерода моносахариды делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. Монозы с пятью и более атомами углерода способны существовать не только в линейной, но и в циклической форме. Наиболее важное значение получили пентозы и гексозы. В названии моносахаридов учитывается как число атомов, так и тип карбонильной группы:например рибоза – альдопентоза, фруктоза – кетогексоза.

Основные функции моносахаридов: энергетическая и пластическая - монозы и их производные (аминопроизвоидные: глюкозамин, галактозамин) участвуют в построении более сложных молекул.

Олигосахариды – наиболее распространены в природе дисахариды.

Сахароза – наиболее распространенный и важный дисахарид, встречающийся в растительном мире. Является важным питательным компонентом для человека. (состоит из остатков глюкозы и фруктозы)

Мальтоза – образуется из полисахаридов при их распаде как промежуточный продукт. Состоит из двух остатков глюкозы.

Лактоза – встречается в молоке животных и человека. Состоит из галактозы и глюкозы.

Основная функция – олигосахаридов-источник энергии.

Полисахариды – биополимеры, состоящие из моносахаридов. Если в составе одинаковые моносахариды – гомополисахариды, если разные-гетерополисахариды.

Среди наиболее важных в органическом мире гомополисахаридов выделяют – крахмал и гликоген.

Крахмал –состоит из остатков глюкозы (амилоза-линейная фракция и амилопектин - разветвленная фракция). Является наиболее распространенным из запасных полисахаридов растений: накапливается в основном в семенах, клубнях (40-78%), а также в других частях растений (10-25%).

Гликоген  (животный крахмал) – резервное питательное вещество животных и человека. (основной запас в клетках печени). Также как и крахмал состоит из глюкозы, но в данном случае молекулы формируют разветвленную структуру.

Целлюлоза – встречается в растительных клетках и у микроорганизмов в составе компонентов клеточной стенки. Особенно богаты по содержанию волокна хлопка (98-99%). Структура целлюлозы не ветвящаяся и определяет ее биологическую задачу-обеспечение высокой прочности. Питательной ценности для животных и человека целлюлоза не имеет, так ферменты слюны и ЖКТ не способны расщеплять ее до глюкозы.

Хитин – защитная функция. Линейный полимер

Гетерополисахариды. Гиалуроновая кислота - имеет очень важное значение для высших организмов. Является основным компонентом межклеточного вещества в тканях, составляет основу синовиальной жидкости суставов. По структуре представляет собой линейный полисахарид, состоящий из повторяющихся дисахаридных звеньев, включающих производные глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин).

Хондроитинсульфат – является составной частью костной ткани, хрящей, сухожилий, роговицы глаза. Представляет полимер, состоящий из дисахаридных звеньев.

Гепарин – препятствует свертыванию крови. Содержится в крови, печени, легких, селезенке. В составе дисахаридного звена глюкуроновая кислота и альфа-глюкозамин в виде двойного сульфопроизводного.

Пептидогликаны (муреин).  Важнейший компонент клеточной стенки бактерий, выполняющий механические и защитные функции. Состоит из аминокислот и производных глюкозы. Большинство антибиотиков разрабатывается с целью разрушения данного компонента.

Биологическая функция полисахаридов: Энергетическая (крахмал, гликоген); Опорная (хондроитинсульфат); Структурная (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат); Гидроосмотическая; Рецепторная.

Липиды

Липиды – это обширная группа соединений, имеющих разную структуру и функции и представляющие собой сложные эфиры жирных кислот и различных спиртов.

Жирные кислоты – это карбоновые кислоты с длинной алифатической (не циклической) цепью. Основными компонентами липидов являются высшие жирные кислоты (ВЖК)- линейные монокарбоновые кислоты с четным числом атомов углерода.(обычно С12-20).

В свободном виде в клетках ВЖК содержатся в малых количествах. Среди насыщенных природных ВЖК распространены пальмитиновая и стеариновая (найдены во всех тканях животных и человека).Среди ненасыщенных наиболее распространенной формой является – олеиновая.

Основные биологические функции липидов:

Энергетическая (1г-39,1 кДж)

Структурная

Транспортная (участвуют в транспорте через мембрану)

Механическая – липиды соединительной ткани подкожного жирового слоя защищают организм от механических воздействий.

Теплоизолирующая – благодаря низкой теплопроводимости задерживают  тепло.

Регуляторная – гормоны, витамины

Классификация липидов

В зависимости от строения липиды разделяют на простые (двухкомпонентные: жиры, воски, стериды) и сложные (многокомпонентные: фосфолипиды, гликолипиды).

Жиры (триглицериды) –это сложные эфиры ВЖК и трехатомного спирта глицерина. Различают простые триглецириды (с одинаковыми ВЖК) и смешанные. В природе преобладают смешанные триглицериды. Функция: структурная и энергетическая: являются основным компонентом клеточной мембраны, а в жировых клетках сохраняется энергетический запас организма.

Стериды – сложные эфиры ВЖК и полициклических спиртов (стеролов). Стеролы в организме человека в больших количествах содержаться в свободном виде (90%). В качестве примера можно привести стерол - холестерол. В качестве ВЖК - пальмитиновая, олеиновая.

Сложные липиды включают следующие основные группы: фосфолипиды, и гликолипиды.

Фосфолипиды - сложные эфиры многоатомных спиртов и ВЖК, содержащие остатки фосфорной кислоты.  В зависимости от типа спирта различают фосфоглицериды (основа мембран) и сфингофосфолипиды (много в нервной ткани и крови).

Гликолипиды включают сфингозин (спирт), ВЖК и углеводный компонент (глюкоза, галактоза и их производные).