Биохимия доступным языком. Учебник-репетитор

Белки (синоним – протеины) – биологические полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных друг с другом пептидной связью. Пептидная связь – ковалентная (следовательно – прочная), поэтому белковую нить не так уж легко порвать.

Почему мы начинаем наш курс с белков? Да потому, что они – основа всего живого, белки и только белки (в т. ч. ферменты) обеспечивают все функции организма, саму суть жизни, из них построено наше тело. Да что говорить? Проще перечислить их функции (по мере значимости):

1. Каталитическая (ферменты) – важнейшая;

2. Структурная (коллаген, альфа-кератины);

3. Транспортная (альбумин), в том числе и дыхательная (гемоглобин);

4. Защитная (антитела);

5. Регуляторная (белки-гормоны);

6. Сократительная (актин и миозин);

7. Буферная (гемоглобин);

8. Онкотическая (белки плазмы);

9. Резервная (белки плазмы).

Обратите внимание, я не назвал энергетическую функцию. Почему? Напомню, энергию организм получает путем окисления вещества, его разрушения. Белки – самый ценный, дефицитный материал в природе и расщеплять их ради получения энергии нерационально, это все равно, что забивать гвозди микроскопом.

I. Аминокислоты

Обратите внимание на мономер протеина – аминокислоту. Их множество, но ключевых всего два десятка. И формулы всех двадцати вам придется заучить. Чем раньше вы это сделаете, тем меньше будет проблем. Это необходимо, поскольку аминокислоты будут вас преследовать не только до конца курса биохимии, вы будете регулярно возвращаться к их роли и значимости на старших курсах. Без этого знания вы просто не сможете двинуться дальше (вспомните начальные классы школы: чтобы научиться читать, надо выучить все буквы, без этого – никак. Так и здесь).

Подскажу, как легче учить формулы аминокислот, используя тот же системный (логический) подход. Вслушайтесь: «аминокислота». Значит, у этого вещества есть аминогруппа (NH) и кислотная группа (СООН), между ними должен быть атом-связка (СН), куда ж без него? Эта тройная структура есть в каждой аминокислоте (кроме пролина). Выходит, все аминокислоты отличаются друг от друга лишь строением радикала, который крепится к атому-связке. Вот мы и выучили половину. Осталось запомнить только 20 радикалов. И тут уж постарайтесь. 2

Важно знать классификацию аминокислот. Привожу ее ниже:

1. Гидрофобные: глицин, аланин, , , ; валин лейцин изолейцин 1

2. Гидроксиаминокислоты: серин, ; треонин

3. Кислые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота;

4. Амиды: аспарагин, глутамин;

5. Основные: , аргинин; лизин

6. Серосодержащие: цистеин, ; метионин

7. Ароматические: , тирозин; фенилаланин

8. Гетероциклические: , гистидин; триптофан

9. Иминокислоты: пролин.

Замечу, подчеркнуты восемь незаменимых аминокислот. 2

Знание этой классификации пригодиться, т. к. в контрольной по белкам и, особенно, на экзамене, часто встречаются вопросы, типа: «какая из перечисленных аминокислот является незаменимой?», или: «нарисуйте амидные аминокислоты» (сами понимаете, чтобы их изобразить, надо знать, что к этой группе относятся аспарагин и глутамин).

II. Глобулярные белки

По форме молекул белки подразделяются на:

– глобулярные;

– фибриллярные.

Молекулы глобулярных белков в высшей структуре имеют сферическую форму. Они прекрасно растворимы в воде, что определяет их функциональную направленность. В естественном состоянии все глобулярные протеины находятся в растворенном состоянии: как внутри клеток, так и в различных биологических жидкостях организма. Глобулярные белки выполняют множество разнообразных функций. Они имеют четыре уровня структуры:

1.  – линейная последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями. Имеет вид нити. У нее два конца: N-конец (свободная NH-группа) и С-конец (свободная СООН-группа). Первичная структура 2

2. а – пространственная укладка первичной цепи. Она имеет два вида: Вторичная структур

– правозакрученная спираль цепи, фиксируемая водородными связями между группами СО и NН основной пептидной цепи. Эта форма характерна для белков человека и высших животных; а) альфа-спираль

– несколько (до 6) параллельно расположенных пептидных цепей (направленных в обратные стороны относительно друг друга), соединенных между собой теми же поперечными водородными связями между СО и NН. б) бета-структура

3.  – укладка вторичной спирали в более компактную форму. Чаще это самая удобная форма в природе – шарик, по-латински – глобула. Не забывайте, что человек – ходячий водный раствор, и все его белки находятся в водной среде. Третичная форма – это округлое образование, все гидрофобные (нерастворимые) радикалы которой находятся внутри глобулы, скрыты от окружающей водной стихии, а гидрофильные, наоборот – торчат наружу, покрывая все тело глобулы (как иглы ежа), притягивая воду к себе, создавая плотную гидратную оболочку. Третичная структура

Третичную структуру стабилизируют 4 вида связей:

а) водородные – образуются между радикалами с участием водорода. Например: ОН-группа серина и азот гистидина;

б) электрофильные – возникают между разнозаряженными частицами аминокислот. Пример: положительно заряженный лизин и отрицательная аспарагиновая кислота. Примечание: не стоит называть электрофильные связи – ионными, это грубая ошибка;

в) гидрофобные – формируются между радикалами гидрофобных аминокислот (их список приведен в классификации);

г) дисульфидные – единственный вид ковалентных (а значит – прочных) связей в третичной структуре. Образуется между двумя остатками аминокислоты цистеин, формирующих мостик: S-S.

4.  – характерна далеко не для всех протеинов (для большинства белков высшей структурой является третичная). Представляет собой объединение нескольких глобул воедино, их число всегда четное, от двух до нескольких тысяч. Такой белок называют мультимером (или олигомером), а каждую из его глобул – протомером, или субъединицей. Четвертичная структура

Связи четвертичной структуры:

а) водородные;

б) электрофильные;

в) гидрофобные.

Замечу, что все связи в третичной и четвертичной структурах образуются только между радикалами аминокислот.

Таким образом, мы видим, что в белковой структуре имеются два вида ковалентных (прочных) связей: пептидная и дисульфидная и три вида нековалентных (слабых) связей: водородные, электрофильные и гидрофобные.

Классическим примером мультимера является , молекула которого построена из 4-х протомеров, каждый их которых имеет в своем составе небелковую часть – гем, с ионом железа в центре. Именно гем отвечает за связывание и транспорт кислорода. гемоглобин (Hb)

Выделяют 4 основных типа гемоглобина:

HbА – гемоглобин взрослого, его молекула построена из двух α- и двух β-субъединиц. На его долю приходится более 90% общего гемоглобина. 1

HbА – минорный. 2 α и 2 δ частицы. 1% от общего Hb. 2 3

HbF – фетальный (2 α, 2 γ). Является основным гемоглобином плода.

HbP – эмбриональный (2 α, 2 ε). Преобладает у эмбриона.

III. Фибриллярные белки

Высшие структуры фибриллярных белков имеют форму длинной нити, они плохо растворимы в воде. Практически все они выполняют важнейшую структурную функцию. Иначе говоря, из фибриллярных белков построено наше тело. : Классификация фибриллярных протеинов по строению

– α-фибриллярные белки (α-кератины);

– β-фибриллярные белки (β-кератины);

– белки коллагенового типа.

1. α-фибриллярные белки (α-кератины)

α-кератины являются основным структурным компонентом покровных тканей организмов позвоночных. На их долю приходится большая часть сухого остатка кожи и ее производных: волосы, ногти, когти, рога, копыта, иглы, панцирь, чешуя.

имеет ряд особенностей: а) много аминокислот с гидрофобными радикалами. Поэтому α-кератины совершенно нерастворимы в воде; б) значительное количество цистеина; в) α-кератины спирализованы по всей длине, а т. к. пролин нарушают спирализацию, в их составе его нет. а) Первичная структура

α-кератинов – классическая α-спираль (см. выше). б) Вторичная структура

этих протеинов можно рассмотреть на примере построения волоса. Три параллельно расположенных α-спирализованных цепи, с одинаковой направленностью жестко связаны друг с другом большим количеством поперечных дисульфидных связей (для этого и нужен цистеин). Триада спирализованных цепей полого закручиваются относительно друг друга, образуя суперспираль (протофибрилла). в) Третичную структуру

2. β-фибриллярные белки (β-кератины)

В организме позвоночных β-кератины отсутствуют. Эти белки характерны для чуждого нам мира организмов – членистоногих. Наиболее типичные примеры: фиброин шелка и кератин паутины. Основной отличительной особенностью построения подобных белков является β-структура.

. В β-кератинах преобладают аминокислоты с маленькими, необъемными радикалами: глицин (до 50%), аланин и др. В составе фиброина шелка, например, 50% глицина. Пептидные цепи β-кератинов плотно прижаты друг к другу, что исключает присутствие крупных аминокислот. Благодаря такой компактности β-кератины являются самыми прочными волокнами в природе. а) Первичная структура

– классическая β-структура, описанная выше. в) Вторичная структура

3. Фибриллярные белки коллагенового типа

Если α-фибриллярные белки лежат в основе построения покровных тканей позвоночных, а β-кератины в организме человека вообще отсутствуют, то протеины коллагенового типа являются основным строительным компонентом опорных тканей (соединительная ткань и ее производные: кости, сухожилия, связки, хрящи).

Важнейшим компонентом соединительной ткани является коллаген. Это самый распространенный белок человеческого организма (1/3 от массы сухого остатка тела). Основная его функция – обеспечение механической прочности органов и тканей.

– преобладают: глицин (до 33%), аланин (11%), гидроксипролин и гидроксилизин (21%). Стоит заметить, что гидроксипролин специфичен только для коллагена. а) Первичная структура

– тропоколлаген – 3 коллагеновых нити, объединенные в общую суперспирализованною фибриллу (подобно женской косе). б) Вторичная структура

– множество единиц тропоколлагена, соединенных в единое коллагеновое волокно ковалентными (эфирными лизин-лизиновыми) связями. в) Третичная структура

Другим важным соединительнотканным протеином является эластин. Его структурная организация во многом схожа с коллагеновой, но имеется ряд существенных отличий. В первичной структуре очень мало пролина. Это объясняет высокую спирализованность эластиновых цепей во вторичной структуре. Следует отметить, что эти спирали, обеспечивающие высокую растяжимость, не имеют ничего общего с классическими α-спиралями.

IV. Белок в растворе

Практически все глобулярные протеины прекрасно растворимы в воде. Факторы, удерживающие белок в растворе:

. Одноименно заряженные молекулы протеина, отталкиваясь друг от друга, не могут слипаться вместе и выпадать в осадок, что способствует их нахождению в растворе. а) Заряд белковой молекулы

. Как уже говорилось, поверхность глобулярного белка усеяна растворимыми радикалами, поэтому вокруг таких глобул образуется плотная водная оболочка, препятствующая слипанию и осаждению белка. б) Гидратная оболочка

Осаждение белка в водных растворах, как правило протекает в две стадии: агрегация белковых молекул и их выпадение в осадок. Этот процесс называют . коагуляцией

Различные виды осаждения можно разделить на:

1. . Чаще всего это денатурация – это необратимое разворачивание белка в первичную нить. Он теряет четвертичную, третичную и вторичную структуры. Понятно, что при этом белок лишается не только формы, но и всех своих функций и растворимости, но сохраняет аминокислотный состав. Причинами денатурации могут быть как физические (нагревание, радиация и др.) и химические (воздействие кислот, щелочей, солей тяжелых металлов, спиртов, эфиров, и т. д.). Необратимое

2. осаждение (коагуляция) имеет следующие варианты: Обратимое

– когда рН (кислотность) раствора нейтрализует заряд молекул белка, что неизбежно приводит к осаждению. При изменении кислотности в любом направлении растворимость протеина вновь восстанавливается за счет приобретения заряда. а) Изоэлектрического состояние

– осаждение белка при добавлении солей щелочных металлов. Ионы солей стягивают гидратные оболочки белка и нейтрализуют его заряд. Оба фактора, удерживающих белок в растворе, исчезают, что приводит к обратимой коагуляции. б) Высаливание

– вторичное растворение осажденного белка в избытке солей тяжелых металлов. Адсорбционная пептизация

Соотношение процессов денатурации и коагуляции белка неоднозначно. Возможны три варианта:

– Денатурация с коагуляцией – возникают при кипячении в нейтральной, слабокислой или слабощелочной среде;

– Денатурация без коагуляции – происходит в сильнокислой или сильнощелочной среде:

– Коагуляция без денатурации – характерна для высаливания или изоэлектрического состояния.

Что может быть важнее ферментов (энзимов)? Любой биохимик ответит – ни-че-го. Если белки – самый значимый класс биологических молекул, то энзимы – ключевая группа белков (аналогия: белки – дворянство химического мира, ферменты – королевский двор).

Жизнь – это, прежде всего – процесс, совокупность сложнейших функций, каждая из которых – набор биохимических реакций, и все эти реакции катализируют ферменты. Таким образом, энзимы – первейшая основа жизни.

I. Ферменты, их строение, изоферменты

1. Общая характеристика

Ферменты – биологические катализаторы. Это доказывает : сходство ферментов и катализаторов

1. повышают скорость химической реакции;

2. действуют в мизерных концентрациях;

3. не расходуются в ходе реакции;

4. не смещают химическое равновесие реакций.

Но, поскольку все ферменты являются белками, существует ряд их : отличий от неорганических катализаторов

1. ферменты более активны;

2. они регулируемы;

3. работают только в узких рамках физиологических параметров (температура, рН и др., см. ниже);

4. ферменты специфичны.

Рассмотрим подробнее типы специфичности ферментов:

: один фермент реагирует только с одним видом субстрата (обозначается – S) в реакции только одного типа. Это самый распространенный тип специфичности, поэтому он не нуждается в примерах; а) абсолютная 4

: 1 фермент – несколько субстратов – 1 реакция (пример: пищеварительные ферменты); б) относительная

: фермент работает только с одним из изомеров субстрата (пример: малатдегидрогеназа). в) стереоспецифичность

2. Строение сложных ферментов

Замечу, что энзимы (как и все белки) делят на простые и сложные. Простые – их молекула построена только из аминокислот. Сложные – в их состав входит также небольшая небелковая часть.

Рассмотрим подробнее строение сложных ферментов. Белковая часть их молекулы (бо̀льшая по размеру) – небелковая – апофермент; кофактор.

Кофакторы делят на:

– связан с апоферментом легко, нековалентно и поэтому может на время отходить от белковой части; а) кофермент

группа – связана с апоферментом ковалентно, жестко. б) простетическая

3. Строение активного центра

Активный центр – это рабочий орган фермента, с его помощью энзим и проводит реакцию катализа. В его состав входят аминокислотные последовательности и кофактор (у сложных энзимов). Активный центр построен из двух частей:

– особая «выемка» в теле фермента, она выполняет две функции: во-первых, с субстратом (S) и его удержание; во-вторых, она по форме и положению функциональных групп идеально сочетается с субстратом (и только с ним), следовательно, . а) контактная площадка контакт обеспечивает специфичность

– «сердце» энзима, именно он обеспечивает катализ, т. е. – ускорение реакции. Если фермент сложный, то его кофактор является тем самым каталитическим участком. б) каталитический участок

4. Аллостерический центр

Если активный центр есть у каждого фермента, то аллостерический – лишь у избранных (о них я расскажу позднее), эту группу так и называют – аллостерические ферменты.

Аллостерический центр не похож на активный центр и выполняет иную функцию – регуляторную. К нему могут специфически присоединяться только особые вещества – эффекторы (модификаторы), которые делятся на: активаторы (ускоряют работу энзима) и ингибиторы (замедляют).

Таким образом, аллостерический центр можно сравнить с «выключателем», с помощью которого можно управлять ферментом (а, следовательно – и химической реакцией), т. е. подстегивать его работу или, наоборот, притормаживать. Повторю, функция аллостерического центра – регуляция скорости химического процесса. 5

– разные формы одного фермента, немного различающиеся по строению, свойствам, но катализирующие одну и ту же реакцию. 5. Изоферменты

Единственный пример изоферментов, который вы должны знать – ЛДГ (лактатдегидрогеназа). Молекула этого белка построена из 4 субъединиц, каждая из которых может быть Н- или М-типа.

Таким образом, мы видим, что получается всего 5 комбинаций, которые приведены ниже:

ЛДГ-1 – построена из 4-х Н-протомеров (НННН). Содержится, в основном, в сердце;

ЛДГ-2 – НННМ (в сердце);

ЛДГ-3 – ННММ (в почках и легких);

ЛДГ-4 – НМММ (в печени);

ЛДГ-5 – ММММ (в печени и скелетных мышцах).

Эти изоформы имеют большое значение в медицине, как маркеры разрушения (деструкции) клеток. В норме, уровень ЛДГ в крови очень низок, но при массивной гибели клеток (некроз, инфаркт, агрессивное вирусное воспаление) повышаются отдельные изоформы. Например, при вирусном гепатите (болезнь печени) подскакивает уровень ЛДГ 4-й и 5-й изоформ. При инфаркте миокарда резко увеличивается концентрация ЛДГ 1-й и 2-й изоформ, которые находятся в сердце. Замечу, что при ишемической болезни сердца (ИБС, стенокардия) ЛДГ будет в норме; этот тест прекрасно помогает отличить ИБС от инфаркта (это важно, поскольку лечение при этих заболеваниях отличается).

6. Мультиферментные системы

Надо помнить, что в нашем организме нет отдельных химических реакций, есть процессы – несколько последовательных реакций, выполняющих какую-то функцию. Если, к примеру, в процессе 6 реакций, значит его обеспечивают 6 видов ферментов. Все просто. Обычно эта группа энзимов беспорядочно взвешена (растворена) в цитоплазме, или иной жидкости, в такой системе нет выраженной последовательности. Но бывают и другие типы расположения ферментов:  – группа ферментов, катализирующих реакции одного процесса и жестко фиксированных (на мембране или органелле) в порядке следования реакций. Такой подход выгоден, т. к. сокращает время процесса (увеличивает скорость). Представьте, стоит субстрату связаться с активным центром первого фермента и он «попал», S уже не вырвется, он обречен перескакивать с одного активного центра на другой, пока не пройдет все превращения до последнего. мультиферментная система

Примеры: мультиферментных систем: дыхательная цепь; пируватдегидрогеназный комплекс; альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс.

II. Кинетика и механизм ферментативных реакций

1. Кинетика ферментативных реакций

Как правило, к этой теме студенты подходят с опаской. Их пугает раздутая математическая часть. А зря. Ведь 90% этого «ужаса» можно спокойно пропустить. Из письменного материала вам необходимо запомнить лишь три легчайших графика и одно уравнение. Если разобраться, это довольно простая, логически стройная, интересная тема. Итак, приступим.

– раздел физикохимии, изучающий скорость химических реакций и факторы, влияющие на нее. Кинетика

Разберемся с терминами.

– минимальная энергия, необходимая для запуска реакции. Она количественно равна барьеру отталкивания между молекулами. Понятно: чем больше барьер (чем выше энергия активации), тем ниже скорость реакции. Значит, чтобы ускорить реакцию, надо понизить энергию активации (что и делают ферменты). Энергия активации