Учебно-методический комплекс по дисциплине специальность 050102 Биология, со специализацией Фитодизайн

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине Cпециальность 050102 Биология Квалификация, 1401.18kb.
• Комплекс по дисциплине Cпециальность 050102 Биология Чебоксары, 1288.79kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «Генетика» Специальность 050102. 65 Биология, 126.61kb.
• Учебно методический комплекс дисциплины «зоология» Специальность 050102. 65-Биология, 296.3kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «гистология с основами эмбриологии» Специальность, 127.3kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «Юридическая психология специальность «Юриспруденция», 970.99kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине, 291.59kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине, 420.79kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины Молекулярная и промышленная биотехнология Специальность, 49.3kb.
• Программа учебной практики методика преподавания химии Направление 050000 Образование, 796.83kb.

2.8. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Программа составлена в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по специальности 032300.00 (050101) – Химия с дополнительной специальностью «Профессиональное обучение (охрана окружающей среды и природопользование)».

Дисциплина «биологическая химия» изучается на 4 курсе (7, 8 семестры). По итогам первого семестра предусмотрен зачет, по итогам второго семестра – экзамен.

Базовыми знаниями для освоения биологической химии являются биоорганическая химия, биологическая физика, биология, цитология, генетика, гистология, нормальная физиология, которые студенты изучают на предыдущих курсах. Курс включает цикл лекций и лабораторный практикум. В процессе изучения дисциплины студент должен хорошо усвоить теоретические основы и методы биологической химии, выработать навыки экспериментальной работы.

Для обеспечения должного уровня преподавания необходимо наличие соответствующей аппаратуры, приборов, посуды, химических реактивов (см. раздел «Материально-техническое обеспечение дисциплины»).

3. ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ РАБОТ

Учебным планом курсовые работы не предусмотрены

4. ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ДИСЦИПЛИНЫ ЛИТЕРАТУРОЙ

Типы учебной и учебно-методической литературы	ФИО автора (редактора, составителя)	Название	Выходные данные	Кол-во экз.	Наличие грифа
Место издания	Издательство	Год издания
1	2	3	4	5	6	7	8
Учебник	Филиппович Ю. Б.	Основы биохимии	М.	Агар	1999	25	Да
Практикум	Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А.	Практикум по общей биохимии	М.	Просвещение	1982	23	Нет
Сб. задач	Филиппо-вич Ю. Б., Севастьянова Г. А.	Упражнения и задачи по биохимии	М.	Просвещение	1976	18	Нет
Учебник	Коничев А. С., Севастьянова Г. А.	Молекулярная биология	М.	Академия	2003	50	Да
Учебник	Под ред. А. А. Анисимова	Основы биохимии	М.	Высш. шк.	1986	1	Нет

5. ФОНДОВЫЕ ЛЕКЦИИ

ТЕМА: АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ


План:

1. Аминокислотный состав белков
   
2. Заменимые и незаменимые аминокислоты.
   
3. Амфотерность и реакционная способность аминокислот.
   
4. Изоэлектрическое состояние.
   
5. Пептиды.
   

1. Аминокислотный состав белков
   

В живой природе обнаружено примерно 300 аминокислот. В образовании белка участвуют только 20 аминокислот. Все они могут быть охарактеризованы одной общей химической формулой в двух вариантах:


1) для сухого кристаллического вещества:




2) для растворенного вещества:




Во всех аминокислотах имеются аминная –NH3+ (N-конец) и карбоксильная –COO– (С-конец) группы, которые определяют соответственно основные и кислотные проявления этих веществ, в результате чего они обладают амфотерными (как щелочными, так и кислотными) свойствами.

Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами (или α-аминокислотами, в отличие от β-аминокислот, таких, как β аланин и тaypин). У α-aминoкиcлoт при атоме C-2 (Cα) имеются четыре различных зaмecтитeля: каpбокcильнaя группа, аминогруппа, вoдopoдный атом и бокoвaя цепь R. Таким образом, вcе α-аминокислоты, кpoмe глицина, имеют асимметрический (хиральный) α-углеродный атом и поэтому cущeствуют в виде двух энантиомеров (L- и D-aминoкиcлoт). Пpотeиногенныe аминoкиcлoты oтноcятcя к L-ряду.

Если растворы L или D аминокислоты, каждый в своей емкости, достаточно долго простоят – спонтанно образуется рацемическая (равновесная) смесь L или D аминокислот. Скорость этого процесса V=const. В живых объектах изомеразы D-аминокислот, постоянно переводят их в L форму.




L-форма D-форма


В костных останках для достижения рацемического равновесия могут потребоваться десятки тысяч лет. Поскольку скорость этого процесса V=const, то соотношение L или D аминокислот может быть использовано для определения геологического возраста. Данные о геологическом возрасте, полученные таким способом, хорошо совпадают с другими методами, например, радиоуглеродным. В эмали зубов, в связи с отсутствием изомераз D-аминокислот процесс рацемации не осуществляется, поэтому по количеству D-форм в эмали зубов можно определить биологический возраст.

На плоскости хиральные центры принято изoбpaжaть с помощью прoeкциoнныx формул, прeдлoжeнных Фишеpoм. Проекционные фoрмyлы вывoдятcя из тpeхмepной cтpyктypы cледyющим образом: тетраэдр пoвoрачивaют таким образом, чтобы наиболее окиcлeннaя гpyппa (в cлyчаe аминокиcлoт карбокcильная) была ориентировaнa вверх. Затем вpащают до тех nop, пока линия, coeдиняющaя CОО- и R, не oкaжeтcя в плoскocти стола. В этом пoлoжeнии y L-aминокиcлот NН₃₊-группа бyдeт нanрaвлeнa влево, а у D аминокислот — вправо.



L-аланин D-аланин

Треонин и изолейцин содержат по два асимметрических атома углерода. Поэтому возможно существование 4-х стереоизомеров. Но все четыре изомера в природе обнаружены только для треонина. Если условно обозначить символом L-треонин, выделенный из природных белков, то его зеркальное отображение называют D-треонином. Два других изомера, получивших наименование диастереоизомеров, или аллоформ, также могут иметь L- и D-формы.

Частота включаемости в белок отдельных аминокислот не равномерна. На долю дикарбоновых аминокислот и их амидов в большинстве белков приходится до 25–27% всех аминокислот. Эти же аминокислоты вместе с лейцином и лизином составляют около 50% всех аминокислот. В то же время на долю таких аминокислот, как цистеин, метионин, триптофан, гистидин, приходится не более 1,5–3,5%. В протаминах и гистонах отмечено высокое содержание основных аминокислот аргинина и лизина, соотв., 26,4 и 85,2%. Первой аминокислотой, открытой в живой природе, оказался аспарагин. Его в 1806 г. выделили Луи Никола Воклен (1763–1829) и Пьер Жан Робике (1780–1840) во Франции.

2. Заменимые и незаменимые аминокислоты.
   

Аминокислоты делят на: заменимые, незаменимые, частично заменимые, условнозамениемые. Эта классификация аминокислот антропна, поскольку для животных незаменимы другие аминокислоты, для каждого вида свои. Заменимые аминокислоты: потребность в них может быть восполнена синтезом из других веществ, в основном из α-кетокислот, образующихся из глюкозы.

№	Название: полное	сокращенное
1	Аланин	Ала
2	Аспарагин	Асн
3	Аспаригиновая кислота	Асп
4	Глицин	Гли
5	Глутамин	Глн
6	Глутаминовая кислота	Глу
7	Пролин	Про
8	Серин	Сер

Незаменимые аминокислоты: не синтезируются в организме, поскольку в организме животных нет метаболических путей синтеза соответствующих α-кетокислот, поэтому присутствие этих аминокислот в белках пищи обязательно. Почему существуют незаменимые аминокислоты? Возможно потому, что необходимые для их синтеза α-кетокислоты токсичны для данного вида.

№	Название: полное	сокращенное
1	Валин	Вал
2	Изолейцин	Иле
3	Лейцин	Лей
4	Лизин	Лиз
5	Метионин	Мет
6	Треонин	Тре
7	Триптофан	Три
8	Фенилаланин	Фен

Частично заменимые аминокислоты: в небольших количествах синтезируются в организме.

№	Название: полное	сокращенное
1	Аргинин	Арг
2	Гистидин	Гис

Условно заменимые аминокислоты: для синтеза необходимы незаменимые аминокислоты.

№	Название: полное	сокращенное
1	Тирозин	Тир
2	Цистеин	Цис

В условиях пищевого дефицита все аминокислоты становятся незаменимыми!!!


Классификация аминокислот по полярности радикала:

3. Амфотерность и реакционная способность аминокислот.
   

B aминoкиcлотax cодeржaтся как минимум две ионогенные группы, поэтому их сyммapный зapяд зaвиcит oт pH среды. У карбоксильных групп при Cα рКа лежат в диапазоне 1,8-2,8, т.е. кислотные свойства у этих групп выражены сильнее, чем у незамещенных монокарбоновых кислот. рКа α аминогрупп также различны и составляют 8,8-10,6. Кислые и основные аминокислоты несут в боковой цепи дополнительные ионогенные группы.

4. Изоэлектрическое состояние.
   

Зависимость заряда аминокислоты от рН среды хорошо видна на примере гистидина. В гистидине наряду с карбоксильной и аминогруппой при Сα (рКа 1,8 и 9,2 соотв.) присутствует имидазольный остаток c рКа 6,0. Поэтому при повышении рН среды заряд гистидина изменяется от +2 до -1. При рН 7,6 суммарный заряд гистидина равен нулю, несмотря на то что в его молекуле имеются две полностью ионизированные группы. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой pI:

где - lg константы диссоциации.

Уравнение справедливо для аминокислот, не содержащих дополнительных –СООН и NH2– групп. В изоэлектрической точке гистидин являетcя цвиттер-ионом, т.е. молекула обладает свойствами как аниона, так и катиона. B нейтральной области рН большинство аминокислот также являются цвиттер-ионами:




Для открытия в биообъектах и количественного определения аминокислот применяется реакция их с нингидрином.




Аминокислота Окисленный Восстановленный

нингидрин нингидрин


На II стадии образовавшийся аммиак реагирует с эквимолярными количествами окисленного и восстановленного нингидрина, образуя сине-фиолетовый продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты:




На основе нингидриновой реакции были разработаны методы количественного определения аминокислот, в частности метод распределительной хроматографии на бумаге, впервые внедренный А. Мартин и Р. Синдж в 1944 г.

Пептидная связь

При соединении друг с другом аминокислоты перестают быть таковыми с химической точки зрения. С точки зрения химика корректно говорить, что белки состоят не из аминокислот, а из аминокислотных остатков. Поэтому общая химическая формула любого белка (пептида), состоящего из n аминокислотных остатков, должна быть записана как:




Последовательность аминокислотных остатков принято рассматривать в одном определенном направлении – от N- к С-концу. При образовании пептидной связи выделяется вода. Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это сказывается на свойствах пептидной группировки:

������ пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости;

������ атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс-положении по отношению к пептидной С-N связи:

Пептидная группировка (длины связей указаны в нм)

������ пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):



Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную амино-группу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец). Иногда после синтеза белка на рибосоме (трансляции) происходит химическая модификация некоторых аминокислотных остатков (посттрансляционная модификация). В результате, например, остатки пролина и лизина могут превращаться в остатки оксипролина и оксилизина, к тирозильному остатку порой присоединяется сульфатная группа и т.д.


Химические особенности пептидной связи

Свойства пептидной связи Планарная структура Укороченность связи C-N Универсальность структуры аминокислот Способность радикалов к вращению вокруг оси

Предполагаемые следствия Создание жесткой структурной основы Жесткость связи Возможность взаимодействия радикалов по длине цепи Образование -спирали

Этот процесс приводит к тому, что в организме одновременно сосуществуют белки или пептиды с модифицированными и немодифицированными остатками. Так, пептид гастрин может быть сульфатирован и несульфатирован по одному из остатков тирозина, и, что очень важно в проявлении физиологических функций, сульфатированный гастрин существенно более активен.

5. Пептиды
   

Первую химическую формулу простейшего природного олигопептида (дипептида карнозина) в 1900 г. определили профессора Московского университета В.С. Гулевич (1867–1933) и его ученик С. Амираджиби.

К классу пептидов относят белки, длиной менее 10000 аминокислотных остатков. Короткие пептиды, содержащие до 10 аминокислот, принято называть олигопептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков, входящих в молекулу полипептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Короткоцепочечные пептиды могут быть синтезированы искусственно.

Для того чтобы соединить две аминокислоты пептидной связью, необходимо:

а) закрыть (защитить) карбоксильную группу глицина и аминогруппу аланина, чтобы не произошло нежелательных реакций по этим группам;

б) образовать пептидную связь;

в) снять защитные группы.

Защитные группы должны надёжно закрывать аминную и карбоксильную группы в процессе синтеза и потом легко сниматься без разрушения пептидной связи.

Синтез Мерифильда

Эффективный метод синтеза пептидных связей предложил в 1960 г. Мерифильд (США). Этот метод получил название твёрдофазного синтеза пептидов. Первая аминокислота с защищённой аминогруппой присоединяется к твёрдому носителю – ионообменной смоле, содержащей первоначально группы –CH₂Cl (1-ая стадия), с образованием так называемой “якорной” связи.

Затем наращивают пептидную цепь, пропуская через смолу растворы соответствующих реагентов. Для этого сначала убирают группу, защищающую конечную NH_2-группу (2-ая стадия). Пропуская через смолу раствор другой аминокислоты с защищённой аминогруппой в присутствии водоотнимающих реагентов, образуют пептидную связь между первой и второй аминокислотой (3-я стадия). Если затем убрать защитную группу (4-ая стадия), синтез пептида можно вести далее. После наращивания пептидной цепи до нужной величины гидролизуют “якорную” сложноэфирную связь и смывают полипептид со смолы.

Метод Мерифильда позволяет значительно сократить затраты труда и времени на синтез белков. Так, в 1968 г. рибонуклеаза была синтезирована Мерифильдом менее чем за месяц, хотя синтез включал 369 последовательных реакций.

Классификация пептидов функциональная

• Пептиды памяти: вазопрессин, окситоцин, фрагменты АКТГ и МСГ.
  
• Пептиды сна: -пептид сна, факторы Учизано и Паппенгеймера.
  
• Пептиды-анальгетики: эндорфины, энкефалины, киоторфин, динорфин.
  
• Регуляторы иммунитета: тафцин, фрагменты интерферона, Zn-тималин, вилозен, мурамил-дипептиды.
  
• Пептиды, повышающие толерантность к наркотикам: меланостатин, тиролиберин, вазопрессин.
  
• Антипсихотические пептиды для лечения шизофрении: дезтирозил--эндорфин, тиролиберин, меланостатин, аналоги эндорфинов.
  
• Модуляторы пищевого и питьевого поведения: нейротензин, мозговые аналоги холецистокинина, гастрина, инсулина.
  
• Модуляторы настроения и чувства комфорта: эндорфины, динорфин, вазопрессин, меланостатин, тиролиберин.
  
• Регуляторы сексуального поведения: люлиберин, окситоцин, кортикотропин.
  
• Регуляторы температуры тела: бомбезин, эндорфины, вазопрессин, тиролиберин.
  
• Регуляторы тонуса скелетной мускулатуры: соматостатин, эндорфины.
  
• Регуляторы тонуса гладкой мускулатуры: церулеин, ксенопсин, филаземин.
  
• Пептиды, опосредующие поведенческое предпочтение организмом цвета и звука: амелитиин, скотофобин.
  
• Нейромедиаторы: энкефалины, динорфин, карнозин, вещество Р, проктолин, ингибитор нейропередачи.
  
• Противоаллергические пептиды: аналоги кортикотропина.
  
• Стимуляторы роста и выживаемости: глутатион, стимулятор роста клеток.
  
• Трофические пептиды: пепстатин А, пентагастрин (противоязвенный пептид), аналоги холецистокинина и инсулина.
  
• Прочие пептиды: брадикинин, тахикинин.
  

Пептиды обладают плейотропным эффектом. То есть, один пептид может частично заменять функции другого пептида.

• Кинг-Конг пептид, обнаружен у омаров. Введение омару Кинг-Конг пептида вызывает антисоциальное деструктивное поведение.
  
• Тиролиберин вызывает выраженное антидепрессивное действие, повышает Т тела, укорачивает продолжительность барбитуратового наркоза. Обладает выраженным пробуждающим действием при отравлениях различными центральными ядами. Хорошо снимает похмельный синдром и резко обрывает течение алкогольного делирия.
  
• Гонадолиберин (люлиберин) стимулятор овуляции и сексуальной активности.
  
• Соматотропин – гормон роста.
  
• Соматостатин – обладает седативным действием. Тормозит активность соматотропина.
  
• Меланостатин – обладает антидепрессивным, антинаркотическим, антипаркинсоническим действием.
  
• Окситоцин – стимулирует сокращения беременной матки. Стимулятор сексуального поведения. Увеличение его уровня в крови вызывает у мужчин и женщин желание обниматься, целоваться. При повышении уровня выше среднего, возникает неистовая страсть, а переизбыток в сочетании с избытком катехоламинов – безумную любовь. В то же время в сочетании с повышенным уровнем пролактина окситоцин формирует чувство родительской любви. Повышение уровня также сопровождается забыванием недавних событий.
  
• Вазопрессин – антидиуретический гормон, увеличивает тонус гладких мышц. Стимулирует процессы запоминания. Способен излечивать случаи даже тяжелой посттравматической амнезии.
  
• Пролактин – у женщин стимулирует рост молочных желез в период полового созревания. У обоих полов стимулирует либидо.
  

Литература:

1. Бохински Р. Современные воззрения в биохимии: Пер. с англ. – М.: Мир. – 1987. 544 с.

2. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение. – 1987. – 815 с.

3. Бахарев В. Д. Клиническая нейрофизиология регуляторных пептидов. – Свердловск. – Изд-во Уральского университета. – 1989. – 136 с.

4. Ашмарин И. П., Каменская М. А. нейропептиды в синаптической передаче. – Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Физиология человека и животных. 1988. – 184 с.

6. ФОНДЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
   

Контрольная работа по биологической химии №1

Вариант 1.

1. Изобразить структурную формулу тетрапептида Лиз-Тир-Иле-Сер.
   
2. Ксантопротеиновая реакция.
   
3. Нингидриновая реакция.
   
4. Определение pI казеина.
   
5. Участок правой цепи ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:
   

5^/-ГТААЦАЦТАГТТАААТАЦ-3^/. Какова структура этого участка и-РНК. Пользуясь таблицей генетического кода, укажите, какова возможная последовательность аминокислот белка, синтезируемого при участии и-РНК, транскрибируемой данным фрагментом цепи ДНК?

6. Изобразить схему превращения тирозина в адреналин.
   
7. Допишите следующие реакции
   

а) аргинин + -оксоглутарат ^{трансаминаза}

б) валин + -оксоглутарат ^{трансаминаза}

в) L-лизин + FMN ^{оксидаза аминокислот}

8. Допишите следующие реакции
   

а) цистеин + -оксоглутарат ^{трансаминаза}

б) лейцин ^{лейциндекарбоксилаза}

г) пируват + NADH + H⁺ + NH₃ ^{дегидрогеназа}

9. Напишите нуклеотидную последовательность смысловой (+)-цепи ДНК, кодирующей приведенную ниже последовательность полипептида: …ала-асп-трп-глу-про…
   
10. Привести доказательства полипептидного строения белковой молекулы.