Лекція 2. Органічні речовини. білки Про рганіческіе з'єднання складають в середньому 20-30% маси клітини живого організму. До них відносяться біологічні полімери - білки, нуклеїнові кислоти і полісахариди, а також жири і ряд низькомолекулярних органічних речовин - амінокислоти, прості цукри, нуклеотиди і т.д. Полімери - складні розгалужені або лінійні молекули, при гідролізі розпадаються до мономерів. Якщо полімер складається з одного виду мономерів, то такий полімер називають гомополімерами, якщо до складу полімерної молекули входять різні мономери - то це гетерополімер. Якщо група різних мономерів в полімерній молекулі повторюється (А, Б, В, А, Б, В, А, Б, В) - це регулярний гетерополімер, якщо немає повторення певної групи мономерів - гетерополімер нерегулярний. Білки. З органічних речовин клітини за кількістю і значенням на першому місці стоять білки. Білки, або протеїни (від грец. Протос - перший, головний) - високомолекулярні гетерополімери, органічні речовини і розпадаються при гідролізі до амінокислот. Значення білків настільки велике, що інформація про білки включена в два найбільш популярних визначення Життя: «Життя є спосіб існування білкових тіл, істотним моментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім їх зовнішньою природою, причому з припиненням цього обміну речовин припиняється і життя, що призводить до розкладання білка »(Ф. Енгельс). «Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи, побудованими з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот» (М.В.Волькенштейн). До складу простих білків (що складаються тільки з амінокислот) входять вуглець, водень, азот, кисень і сірка. Частина білків (складні білки) утворює комплекси з іншими молекулами, що містять фосфор, залізо, цинк і мідь - це складні білки, що містять крім амінокислот ще й небілкової - простетичної групу. Вона може бути представлена іонами металів (металопротеїни - гемоглобін), вуглеводами (глікопротеїни), ліпідами (ліпопротеїни), нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїнами). Білки мають величезну молекулярної масою: Один з білків - глобулін молока - має молекулярну масу 42000. Його формула С1864Н3012О576N468S21. Існують білки, молекулярна маса яких в 10 і навіть в 100 разів більше. Для порівняння: молекулярна маса спирту - 46, оцтової кислоти - 60, бензолу - 78. Білки є нерегулярні гетерополімери, мономерами яких є α-амінокислоти. У клітинах і тканинах виявлено понад 170 різних амінокислот, але до складу білків входить лише 20 α-амінокислот. Залежно від того, чи можуть амінокислоти синтезуватися в організмі, розрізняють: замінні амінокислоти - десять амінокислот, синтезованих в організмі і незамінні амінокислоти - амінокислоти, які в організмі не синтезуються. Білки повинні надходити в організм разом з їжею. Залежно від амінокислотного складу, білки бувають повноцінними, якщо містять весь набір незамінних амінокислот і неповноцінними, якщо якісь незамінні амінокислоти в їх складі відсутні. Загальна формула амінокислот приведена на малюнку. Все α-амінокислоти при α -атоме вуглецю містять атом водню, карбоксильну групу (-СООН) і аміногрупу (-NH2). Інша частина молекули представлена радикалом. Мал. 255. Амфотерні властивості амінокислот при різних рН. Аміногрупа легко приєднує іон водню, тобто проявляє основні властивості. Карбоксильная група легко віддає іон водню - проявляє властивості кислоти. Амінокислоти є амфотерними сполуками, так як в розчині вони можуть виступати як в ролі кислот, так і основ. У водних розчинах амінокислоти існують в різних іонних формах. Це залежить від рН розчину і від того, яка амінокислота: нейтральна, кисла або основна. Мал. 256. Освіта дипептида. Залежно від кількості аминогрупп і карбоксильних груп, що входять до складу амінокислот, розрізняють нейтральні амінокислоти, які мають одну карбоксильну групу і одну аміногрупу, основні амінокислоти, які мають в радикал ще одну аміногрупу і кислі амінокислоти, що мають в радикал ще одну карбоксильну групу. Пептиди - органічні речовини, що складаються з невеликої кількості залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком. Освіта пептидів відбувається в результаті реакції конденсації амінокислот (рис.). При взаємодії аміногрупи однієї амінокислоти з карбоксильною групою іншої, між ними виникає ковалентний азот-вуглецевий зв'язок, яку називають пептидного. Залежно від кількості амінокислотних залишків, що входять до складу пептиду, розрізняють дипептиди, трипептиди, тетрапептіди і т.д. Освіта пептидного зв'язку може повторюватися багато разів. Це призводить до утворення поліпептидів. Якщо поліпептид складається з великої кількості залишків амінокислот, то його вже називають білком. На одному кінці молекули знаходиться вільна аміногрупа (його називають N-кінцем), а на іншому - вільна карбоксильна група (його називають С-кінцем). Структура білкової молекули. Виконання білками певних специфічних функцій залежить від просторової конфігурації їх молекул, крім того, клітці енергетично невигідно тримати білки в розгорнутій формі, у вигляді ланцюжка, тому поліпептидні ланцюга піддаються укладанні, набуваючи певну тривимірну структуру, або конформацию. Виділяють 4 рівня просторової організації білків. Первинна структура білка - послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу, що становить молекулу білка. Зв'язок між амінокислотами - пептидная. Якщо молекула білка складається всього з 10 амінокислотних залишків, то число теоретично можливих варіантів білкових молекул, що відрізняються порядком чергування амінокислот - 2010. Білки ж, виділені з живих організмів, утворені сотнями, а іноді й тисячами амінокислотних залишків. В організмі людини виявлено близько десяти тисяч різних білків, які відрізняються як один від одного, так і від білків інших організмів. Саме первинна структура білкової молекули визначає властивості молекул білка і її просторову конфігурацію. Заміна всього лише однієї амінокислоти на іншу в поліпептидного ланцюжку призводить до зміни властивостей і функцій білка. Наприклад, заміна в b-субодиниці гемоглобіну шостий глутамінової амінокислоти на валін призводить до того, що молекула гемоглобіну в цілому не може виконувати свою основну функцію - транспорт кисню (в таких випадках у людини розвивається захворювання - серповидно анемія). Першим білком, у якого була виявлена амінокислотна послідовність, став гормон інсулін. Дослідження проводилися в Кембріджському університеті Ф.Сенгером з 1944 по 1954 рік. Було виявлено, що молекула інсуліну складається з двох поліпептидних ланцюгів (21 і 30 амінокислотних залишків), утримуваних близько один одного дисульфідними містками. За свою копітку працю Ф.Сенгер був удостоєний Нобелівської премії. Мал. . Вторинні структури білка Вторинна структура - впорядковане згортання поліпептидного ланцюга в α-спіраль (має вид розтягнутої пружини) і β-структри (складчастий шар). В α- спіралі NH-група даного залишку амінокислоти взаємодіє з СО-групою четвертого від неї залишку. Практично всі «СО» і «N Н-групи» беруть участь в утворенні водневих зв'язків. Вони слабше пептидних, але, повторюючись багато разів, додають даній конфігурації стійкість і жорсткість. На рівні вторинної структури існують білки: фиброин (шовк, павутина), кератин (волосся, нігті), колаген (сухожилля). C кладчатий шар (синонім β-структри) формується в тому випадку, якщо сегменти поліпептидних ланцюгів розташовуються паралельно або антипараллельно один одному в один шар. При цьому утворюється фігура, що нагадує лист, складений гармошкою. Мал. . Зв'язки, що стабілізують третинну структуру: А - водневі, Б - іонні, В - дисульфідні. Третинна структура - укладка поліпептидних ланцюгів в глобули, що виникає в результаті виникнення хімічних зв'язків (водневих, іонних, дисульфідних) і встановлення гідрофобних взаємодій між радикалами амінокислотних залишків. Основну роль в утворенні третинної структури грають гідрофільно-гідрофобні взаємодії. У водних розчинах гідрофобні радикали прагнуть сховатися від води, групуючи всередині глобули, в той час як гідрофільні радикали в результаті гідратації (взаємодії з диполями води) прагнуть опинитися на поверхні молекули. У деяких білків третинна структура стабілізується дисульфідними ковалентними зв'язками, що виникають між атомами сірки двох залишків цистеїну. На рівні третинної структури існують ферменти, антитіла, деякі гормони. За формою молекули розрізняють білки глобулярні і фібрилярні. Якщо фібрилярні білки виконують в основному опорні функції, то глобулярні білки розчиняються і виконують безліч функцій в цитоплазмі клітин або у внутрішньому середовищі організму. Мал. . молекула гемоглобіну Четвертичная структура характерна для складних білків, молекули яких утворені двома і більше глобулами. Субодиниці утримуються в молекулі виключно за допомогою нековалентних зв'язків, в першу чергу водневих і гідрофобних. Найбільш вивченим білком, що має четвертинних структуру, є гемоглобін. Він утворений двома a-субодиницями (141 амінокислотний залишок) і двома b-субодиницями (146 амінокислотних залишків) .З кожної субодиницею пов'язана молекула гема, що містить залізо. Мал. . Микротрубочка з тубуліну Багато білки з четвертинної структурою займають проміжне положення між молекулами і клітинними органелами - наприклад мікротрубочки цитоскелету складаються з білка тубуліну, що складається з двох субодиниць. Трубочка подовжується в результаті приєднання димарів до торця. Якщо з яких-небудь причин просторова конформація білків відхиляється від нормальної, білок не може виконувати свої функції Властивості білків. Амінокислотний склад, структура білкової молекули визначають його властивості. Білки поєднують в собі основні і кислотні властивості, які визначаються радикалами амінокислот, чим більше кислих амінокислот у білку, тим яскравіше виражені його кислотні властивості. Здатність віддавати і приєднувати Н + визначають буферні властивості білків, один з найпотужніших буферів - гемоглобін в еритроцитах, що підтримує рН крові на постійному рівні. Є білки розчинні (фібриноген), є нерозчинні, виконують механічні функції (фиброин, кератин, колаген). Є білки активні в хімічному відношенні (ферменти), є хімічно неактивні, стійкі до впливу різних умов зовнішнього середовища і вкрай нестійкі. Мал. . Денатурація і ренатурації білка: 1 - молекула білка третинної структури; 2 - денатурований білок; 3 - відновлення третинної структури в процесі ренатурації. Зовнішні фактори (нагрівання, ультрафіолетове випромінювання, важкі метали і їх солі, зміни рН, радіація, зневоднення) можуть викликати порушення структурної організації молекули білка. Процес втрати тривимірної конформації, властиві даній молекулі білка без руйнування первинної структури, називають денатурацією. Причиною денатурації є розрив зв'язків, що стабілізують певну структуру білка. Спочатку рвуться найбільш слабкі зв'язки, а при посиленні умов і сильніші. Тому спочатку втрачається четвертичная, потім третинна і вторинна структури. Зміна просторової конфігурації призводить до зміни властивостей білка і, як наслідок, унеможливлює виконання білком властивих йому біологічних функцій. Якщо денатурація не супроводжується руйнуванням первинної структури, то вона може бути оборотною, в цьому випадку відбувається самовідновлення властивої білку конформації. Такий денатурації піддаються, наприклад, рецепторні білки мембрани. Процес відновлення структури білка після денатурації називається ренатурацією. Якщо відновлення просторової конфігурації білка неможливо, то денатурація називається незворотною. Руйнування первинної структури білка називається деградацією. Завдяки складності, різноманітності форм і складу, білки відіграють важливу роль в життєдіяльності клітини і організму в цілому. Функції їх різноманітні. функція Приклади і пояснення 1. Будівельна Білки беруть участь в утворенні клітинних і позаклітинних структур: входять до складу клітинних мембран (ліпопротеїни, глікопротеїни), волосся (кератин), сухожиль (колаген) і т.д. 2. Транспортна Білок крові гемоглобін приєднує кисень і транспортує його від легких до всіх тканин і органів, а від них в легені переносить вуглекислий газ; до складу клітинних мембран входять особливі білки, які забезпечують активний і строго виборчий перенесення деяких речовин і іонів з клітки в зовнішнє середовище і назад. 3. Регуляторна Гормони білкової природи беруть участь в регуляції процесів обміну речовин. Наприклад, гормон інсулін регулює рівень глюкози в крові, сприяє синтезу глікогену, збільшує утворення жирів з вуглеводів. 4. Захисна У відповідь на проникнення в організм чужорідних білків або мікроорганізмів (антигенів) утворюються особливі білки - антитіла, здатні зв'язувати і знешкоджувати їх. Фібрин, що утворюється з фібриногену, сприяє зупинці кровотеч 5. Рухова Скоротливі білки актин і міозин забезпечують скорочення м'язів у багатоклітинних тварин 6. Сигнальна У поверхневу мембрану клітини вбудовані молекули білків, здатних змінювати свою третинну структуру у відповідь на дію факторів зовнішнього середовища, таким чином здійснюючи прийом сигналів із зовнішнього середовища і передачу команд в клітку. 7. запасатися В організмі тварин білки як правило, не запасаються, виняток: альбумін яєць, казеїн молока. Але завдяки білкам в організмі можуть відкладатися про запас деякі речовини, наприклад, при розпаді гемоглобіну залізо не виводиться з організму, а зберігається в організмі, утворюючи комплекс з білком ферритином. 8. Енергетична При розпаді 1 г білка до кінцевих продуктів виділяється 17,6 кДж. Спочатку білки розпадаються до амінокислот, а потім до кінцевих продуктів - води, вуглекислого газу та аміаку. Однак в якості джерела енергії білки використовуються тільки тоді, коли інші джерела (вуглеводи і жири) витрачені. 9. Каталитическая Одна з найважливіших функцій білків. Забезпечується білками - ферментами, які прискорюють біохімічні реакції, що відбуваються в клітинах. Наприклад, рібулезобісфосфаткарбоксілаза каталізує фіксацію СО2 при фотосинтезі. Ферменти або ензими - особливий клас білків, які є біологічними каталізаторами. Завдяки ферментам біохімічні реакції протікають з величезною швидкістю. Швидкість ферментативних реакцій в десятки тисяч разів (а іноді і в мільйони) вище швидкості реакцій, що йдуть за участю неорганічних каталізаторів. Речовина, на яке робить свою дію фермент, називають субстратом. Ферменти - глобулярні білки, по особливостям будови ферменти можна розділити на дві групи: прості і складні. Прості ферменти є простими білками, тобто складаються тільки з амінокислот. Складні ферменти є складними білками, тобто в їх склад крім білкової частини входить група небілкової природи - кофактор. У деяких ферментів в якості кофакторів виступають вітаміни. У молекулі ферменту виділяють особливу частину, яка називається активним центром. Активний центр - невелику ділянку ферменту (від трьох до дванадцяти амінокислотних залишків), саме в якому відбувається зв'язування субстрату або субстратів з утворенням фермент-субстратного комплексу. По завершенні реакції фермент-субстратної комплекс розпадається на фермент і продукт (продукти) реакції. Деякі ферменти мають (крім активного) аллостерічеськіє центри - ділянки, до яких приєднуються регулятори швидкості роботи ферменту (аллостерічеськіє ферменти). Для реакцій ферментативного каталізу Відповідність ферменту і субстрату: 1 - гіпотеза «ключ - замок»; 2 - гіпотеза «рука - рукавичка». характерні: 1) висока ефективність, 2) сувора вибірковість і спрямованість дії, 3) Субстратна специфічність, 4) тонка і точна регуляція. Субстратную і реакційну специфічність реакцій ферментативного каталізу пояснюють гіпотези Е. Фішер (1890) і Д.Кошланда (1959). Е. Фішер (гіпотеза «ключ-замок») припустив, що просторові конфігурації активного центру ферменту і субстрату повинні точно відповідати один одному. Субстрат порівнюється з "ключем", фермент - з «замком». Д.Кошланд (гіпотеза «рука-рукавичка») припустив, що просторове відповідність структури субстрату і активного центру ферменту створюється лише в момент їх взаємодії один з одним. Цю гіпотезу ще називають гіпотезою індукованої відповідності. Більшість неорганічних каталізаторів прискорюють хімічні реакції при дуже високих температурах, мають максимальну ефективність в сильнокислой або лужної середовищі, при високому тиску, а більшість ферментів активні при температурах 35-45˚С, фізіологічних значеннях кислотності розчину і при нормальному атмосферному тиску; швидкість ферментативних реакцій в десятки тисяч (а іноді і в мільйони разів) вище за швидкість реакцій, що йдуть за участю неорганічних каталізаторів. Наприклад, пероксид водню без каталізаторів розкладається повільно: 2Н2О2 → 2Н2О + О2. У присутності солей заліза (каталізатора) ця реакція йде трохи швидше. Фермент каталаза (М = 252000) за 1 сек. розщеплює 100 тис. молекул Н2О2 (М = 34). Відомо більше 2000 різних ферментів, представлених білками з високою молекулярною масою. Швидкість ферментативних реакцій залежить від 1) температури, 2) концентрації ферменту, 3) коцентрации субстрату, 4) рН. Слід підкреслити, що оскільки ферменти є білками, то їх активність найбільш висока при фізіологічно нормальних умовах. Мал. . Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту, субстрату, рН, температури Більшість ферментів може працювати тільки при температурі від 0о до 40оС. У цих межах швидкість реакції підвищується приблизно в 2 рази при підвищенні температури на кожні 10 ° С. При температурі вище 40 ° С білок піддається денатурації і активність ферменту падає. При температурі, близькій до точки замерзання, ферменти інактивуються. При збільшенні кількості молекул субстрату швидкість ферментативної реакції зростає до тих пір, поки не відбудеться насичення активних центрів ферменту - якщо активний центр каталази розщеплює в секунду 100 000 молекул субстрату, то при кількості молекул субстрату більше 100 000 на активний центр швидкість реакції не зросте. Збільшення концентрації ферменту призводить до посилення каталітичної активності, так як в одиницю часу перетворенням піддається більшу кількість молекул субстрату. Для кожного ферменту існує оптимальне значення рН, при якому він проявляє максимальну активність (пепсин - 2,0, амілаза слини - 6,8, ліпаза підшлункової залози - 9,0). При більш високих або низьких значеннях рН активність ферменту знижується. При різких зрушеннях рН фермент денатурує. Мал. . Алостеріческое активування і ингибирование ферментів Швидкість роботи аллостеріческіх ферментів регулюється речовинами, що приєднуються до аллостерическим центрам. Якщо ці речовини прискорюють реакцію, вони називаються активаторами, якщо гальмують - інгібіторами. Класифікація ферментів. За типом каталізуються хімічних перетворень ферменти розділені на 6 класів: 1) оксіредуктази (перенесення атомів водню, кисню або електронів від однієї речовини до іншої - дегидрогеназа), 2) трансферази (перенесення метильної, ацильної, фосфатної або аміногрупи від однієї речовини до іншої - трансаминаза ), 3) гідролази (реакції гідролізу, при яких з субстрату утворюються два продукти - амілаза, ліпаза), 4) ліази (негідролітіческім приєднання до субстрату або відщеплення від нього групи атомів, при цьому можуть розриватися зв'язку «С-С», «С -N , «З-О», «С-S» - декарбоксилаза), 5) ізомерази (внутримолекулярная перебудова - ізомерази), 6) лігази (з'єднання двох молекул в результаті утворення зв'язків «С-С», «С-N», « З-О »,« С-S »- синтетаза 1. Полімери, гомо- і гетерополімери. 2. Регулярні та нерегулярні гетерополімери. 2. Прості білки. 3. простетичної група. 4. α- амінокислоти. 5. Замінні і незамінні амінокислоти. 6. Повноцінні і неповноцінні білки. 7. Пептидний зв'язок. 8. Первинна структура білка. 9. Вторинна структура білка. 10. Третинна структура білка. 11. Четвертичная структура білка. 12. Денатурація, ренатурації, деградація. 13. Активний центр ферменту. 14. аллостеріческого центр ферменту. Основні питання для повторення 1. Які органічні молекули відносяться до биополимерам? 2. Які хімічні елементи входять до складу простих білків. 3. Чому білки відносять до нерегулярних гетерополімера? 4. Скільки різних білків може бути побудовано з 10 амінокислот? 5. Основні властивості білків. 6. Характеристика основних функцій, які виконують білки в організмі. 7. Чому ферменти специфічні? 8. Від чого залежить швидкість ферментативних реакцій? 9. Як працює фермент каталаза? 
3. Чому білки відносять до нерегулярних гетерополімера?
4. Скільки різних білків може бути побудовано з 10 амінокислот?
7. Чому ферменти специфічні?
8. Від чого залежить швидкість ферментативних реакцій?
9. Як працює фермент каталаза?
