Вводная лекция по биохимии для студентов-биологов (бакалавриат).

1. ВолГУ / Биохимия для биологов / 2014-2015
Лекция 1
Введение в биохимию.
Аминокислоты – мономеры белков.
Строение, свойства и функции
Валерий Зайцев, к.б.н.
ВолГУ, кафедра биоинженерии и
биоинформатики
Распространение и использование на условиях лицензии
Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0
http://wiki.creativecommons.org/images/3/3a/Attribution_3.0_СС_BY-NC-SA_rus.pdf

2. Что такое биохимия?
Биохимия – наука, которая изучает химический состав
биологических объектов и протекающие в живых организмах
химические процессы во взаимосвязи этих процессов между
собой и с функционированием организма.
Живые системы – открытые самоорганизующиеся системы, взаимодействующие с
окружающей средой путем обмена материе, энергией и информацией и
обладающие специфическими признаками жизни:
1. гомеостазом
2. организацией
3. обменом веществ
4. ростом
5. адаптацией
6. способностью отвечать на стимулы
7. воспроизводством
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 2

3. Разделы биохимии
• Статическая биохимия
• Динамическая биохимия
• Функциональная биохимия
• Структурная биохимия
• Биохимия систем
• Частная биохимия
• Расчетная биохимия
• Аналитическая биохимия
• Препаративная биохимия
• Прикладная биохимия
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 3

4. Возможные биологические функции молекул
• Пластическая
• Строительная
• Каталитическая
• Структурная
• Регуляторная
• Транспортная
• Сигнальная
• Энергетическая
• Питательная
• Запасающая
• Защитная
• Двигательная
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 4

5. Живые существа и белки
«Жизнь – способ существования белковых
тел»
Фридрих Энгельс
Земная жизнь обязана своим существованием удивительному
разнообразию молекул, относящихся с химической точки
зрения к одной и той же группе соединений – белкам.
С одной стороны, структурное разнообразие белков позволило
стать им «реализаторами» самых разнородных функций,
необходимых для жизнедеятельности.
С другой стороны, сходство строения всех белков позволило
клеткам использовать для синтеза столь разнообразных
молекул один и тот же универсальный процесс.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 5

6. Биологические функции белков
• Каталитическая
• Структурная
• Транспортная
• Регуляторная
• Сигнальная
• Запасающая
• Защитная
• Двигательная
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 6

7. Химическая природа белков
• Белки – линейные неразветвленные гетерополимеры, состоящие из
20 видов L-a-аминокислот
• Последовательность аминокислот в таких полимерах определяется
структурой генов, их кодирующих
• Эти полимеры (полипептидные цепи) образуются путем
матричного биосинтеза на рибосомах клетки
• Длина полипетидных цепей различных белков может варьировать
от нескольких десятков до более чем тысячи мономеров
• Молекулярную массу белков принято выражать в килодальтонах
(сокращенно: кДа). 1 кДа равен тысяче дальтон. 1 дальтон, в свою
очередь является единицей атомной массы, численно равной 1/12 от
массы атома 12С
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 7

8. Что такое аминокислоты?
Аминокислоты – это класс органических соединений,
которые одновременно содержат в своем составе
аминные (одну или больше) и карбоксильные (одну
или больше) группы.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 8

9. β-Аминокислоты
β-Аланин
• Не образует стереоизомеров
• Участвует в биосинтезе
биологически активных
пептидов
• β-Аланин → пантотеновая
кислота (B15) → кофермент
А (CoA) → обмен жиров
• Избыток β-аланина →
парестезии
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 9

10. Карнозин
• Образуется из β-аланина и гистидина
• У человека больше всего в скелетных
мышцах (25 ммоль/кг сухой массы) и
головном мозге
• Компонент буферной системы клеток
• Активирует гликолиз и окислительное
фосфорилирование → больше АТФ !
• Антиоксидант + связывает 2-валентные
катионы (могут быть токсичными!)
• Может замедлять рост опухолей, ослаблять
диабетическую нейропатию, алкогольное
повреждение печени
• Повышает социализацию при аутизме !
• Избыток карнозина → усиление секреции
кортикостерона → гиперреактивность
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 10

11. Ансерин
• Образуется непосредственно из β-
аланина и метилгистидина или путем
метилиривония карнозина
• Преимущественно встречается в
мышечной ткани
• Важный компонент буферной системы
клеток (вклад до 20%)
• Активирует гликолиз и окислительное
фосфорилирование → больше АТФ !
• Антиоксидант + связывает 2-
валентные катионы (могут быть
токсичными!)
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 11

12. β-Пептиды
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 12

13. β-Пептиды – перспективные фармагенты
• В отличие от обычных пептидов, β-пептиды гораздо легче и чаще
образуют различные виды вторичной (пространственной) структуры.
• Стабильность вторичной структуры β-пептидов также выше, чем у
обычных пептидов.
• Перспективы клинического использования β-пептидов связаны с их
высокой стабильностью против протеолитической деградации. Это
свойство может дать существенные преимущества при создании
пептидных лекарственных средств.
• Разработаны β-пептиды со свойствами, сходными с активностью
природных пептидных антибиотиков магаининов, но – в отличие от
последних – не разрушающихся протеолитическими ферментами.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 13

14. γ-Аминокислоты
γ-Аминомасляная кислота (ГАМК)
• Образуется из глутаминовой кислоты
• Важнейший тормозной нейромедиатор в ЦНС у высших животных
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 14

15. Стереоизомерия аминокислот
Стереоизомеры (пространственные изомеры) –
молекулы, характеризующиеся неодинаковым
пространственным расположением отдельных
атомов при одинаковом порядке их соединения
между собой.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 15

16. Пространственная изомерия
1. Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате
различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих
одинаковое химическое строение. В отличие от структурной изомерии
при пространственной изомерии порядок расположения всех атомов в
молекуле вещества совершенно одинаков, но конфигурация их
отличается.
2. Хиральность – невозможность совместить молекулу с её зеркальным
отражением любой комбинацией вращений и перемещений в
трёхмерном пространстве. В общем случае, чтобы атом углерода в
какой-либо молекуле оказался хиральным, он должен содержать
четыре различных заместителя, например как α-атом углерода в α-
аминокислотах (за исключением глицина).
3. Известны номенклатуры хиральных стереоизомеров R/S, +/– и L/D.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 16

17. Номенклатура стереоизомеров аминокислот
• Обычно употребляется L/D-номенклатура
• Система L/D позволяет назвать оптический изомер по
пространственной конфигурации его атомов, опираясь на особенности
стереоизомерии молекулы глицеральдегида. По этой системе L-
конфигурация приписывается стереоизомеру, у которого в проекций Фишера
реперная группа находится слева от вертикальной линии (от лат. laevus –
левый). Соответственно, если реперная группа расположена в проекции
Фишера справа, стереоизомер имеет D-конфигурацию (от лат. dexter – правый).
У аминокислот такой реперной группой будет являться аминогруппа
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 17

18. Стереоизомерия аминокислот
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 18

19. D-Аминокислоты
• Не включаются в белки животных при синтезе на рибосомах.
• Обычно являются продуктами деятельности бактерий, так как входят
в составбактериальной стенки и различных бактериальных пептидов
(в т.ч. пептидных антибиотиков).
• Синтезируются также грибами и рядом низших животных.
• Однако D-α-аминокислоты могут обнаруживаться и в белках человека
и высших животных.
• Рацемизация ! Это спонтанное превращение определенного
стереоизомера (например, L) в оптически неактивную смесь равных
количеств обоих стереоизомеров (L и D).
• Скорость рацемизации аминокислот очень мала (например, для
аспарагиновой кислоты в составе дентина она составляет всего около
0,01% в год), а время жизни большинства белковых молекул в нашем
организме исчисляется днями и неделями, а порой даже часами.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 19

20. Роль D-аминокислот у млекопитающих
• D-аспарагиновая кислота является регулятором секреции ряда
гормонов.
• D-серин выполняет нейромодуляторные и нейромедиаторные
функции в центральной нервной системе, причем снижение его
содержания в головном мозге способно приводить к развитию
шизофрении.
• NG-нитро-D-аргинин ингибирует активность NO-синтазы и тем самым
снижает продукцию оксида азота, что способствует сужению сосудов и
повышению кровяного давления.
• D-аланин выполняет какие-то еще не установленные точно функции в
центральной нервной системе: известно, что при развитии болезни
Альцгеймера повышается содержание D-аланина в сером веществе
головного мозга и содержание D-аланина и D-серина в
спинномозговой жидкости.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 20

21. Протеиногенные аминокислоты
Протеиногенные аминокислоты – аминокислоты,
которые включаются в состав белков путем
биосинтеза на рибосомах.
только L-α-аминокислоты могут включаться в состав белков !
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 21

22. «Классические» протеиногенные аминокислоты
Средняя распространенность в белках
Leu 9,1%
Ala 7,8%
Gly 7,2%
Ser 6,8%
Val 6,6%
Glu 6,3%
Lys 5,9%
Thr 5,9%
Asp 5,3%
Ile 5,3%
Pro 5,2%
Arg 5,1%
Asn 4,3%
Gln 4,2%
Phe 3,9%
Tyr 3,2%
His 2,3%
Met 2,3%
Cys 1,9%
Trp 1,4%
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 22

23. «Новые» протеиногенные аминокислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 23

24. Некоторые аминокислоты, иногда встречающиеся в белках
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 24

25. Амфотерность аминокислот
• Амфотерность – способность химических соединений проявлять в
зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства.
• Цвиттер-ион – молекула, которая содержит заряженные
функциональные группы одновременно с положительным и
отрицательным зарядом и имеет суммарный нулевой заряд.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 25

26. Механизмы образования заряженных групп
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 26

27. Зависимость заряда аминокислот от значения рН
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 27

28. Типичная кривая титрования аминокислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 28

29. У каких аминокислот заряд на боковой цепи?
Аминокислота Величина pKa боковой
цепи
Asp 3,90
Glu 4,07
His 6,04
Cys 8,18
Tyr 10,46
Lys 10,54
Arg 12,48
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 29

30. У каких аминокислот заряд на боковой цепи?
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 30

31. Кривая титрования глутаминовой кислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 31

32. Кривая титрования гистидина
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 32

33. Классификации аминокислот
Классифицирующий
признак
Выделяемые группы Аминокислоты
Заряд боковой цепи в
физиологических
условиях
Отрицательно
заряженные
Asp, Glu, Sec
Положительно
заряженные
Lys, Arg, His
Незаряженные Все остальные
Гидрофобность Гидрофобные Gly, Ala, Leu, Ile, Val,
Phe, Trp, Cys, Met, Pro
Гидрофильные Все остальные
Способность
синтезироваться в
организме человека
Незаменимые Leu, Val, Lys, Thr, Ile,
Phe, Met, Trp, His, Arg[2]
Условно заменимые Gly, Gln, Asn, His, Arg,
Pro, Ser, Tyr
Заменимые Glu, Ala, Asp
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 33

34. Основные количественные характеристики аминокислот
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 34