Методы разделения и очистки белков электрофорез

После достижения полной экстракции белков, т.е. перевода белков в растворенное состояние, приступают к разделению – фракционированию смеси белков на индивидуальные белки. Для этого применяют разнообразные методы: высаливание, тепловую денатурацию, осаждение органическими растворителями, хроматографию, электрофорез, распределение в двухфазных системах, кристаллизацию и др.

Растворение белков в воде связано с гидратацией каждой молекулы, что приводит к образованию вокруг белковой глобулы водных (гидратных) оболочек, состоящих из ориентированных в определенной форме в пространстве молекул воды. По химическим и физическим свойствам вода, входящая в состав гидратной оболочки, отличается от чистого растворителя. В частности, температура замерзания ее составляет –40°С. В этой воде хуже растворяются сахара, соли и другие вещества. Растворы белков отличаются крайней неустойчивостью, и под действием разнообразных факторов, нарушающих гидратацию, белки легко выпадают в осадок. Поэтому при добавлении к раствору белка любых водоотнимающих средств (спирт, ацетон, концентрированные растворы нейтральных солей щелочных металлов), а также под влиянием физических факторов (нагревание, облучение и др.) наблюдаются дегидратация молекул белка и их выпадение в осадок.

Высаливание. При добавлении растворов солей щелочных и щелочноземельных металлов происходит осаждение белков из раствора. Обычно белок не теряет способности растворяться вновь в воде после удаления солей методами диализа или гельхроматографии. Высаливанием белков обычно пользуются в клинической практике при анализе белков сыворотки крови и других биологических жидкостей, а также в препаративной энзимологии для предварительного осаждения и удаления балластных белков или выделения исследуемого фермента. Различные белки высаливаются из растворов при разных концентрациях нейтральных растворов сульфата аммония. Поэтому метод нашел широкое применение в клинике для разделения глобулинов (выпадают в осадок при 50% насыщении) и альбуминов (выпадают при 100% насыщении).

На величину высаливания белков оказывают влияние не только природа и концентрация соли, но и рН среды и температура. Считают, что главную роль при этом играет валентность ионов. Действие разных ионов принято сравнивать не по молярной концентрации соли, а по так называемой ионной силе (μ), которая равна половине суммы произведений концентрации каждого иона (с) на квадрат его валентности (V):

Более тонкое разделение белков плазмы крови человека на фракции достигается при использовании различных концентраций этанола при низкой температуре (от –3 до –5°С) по методу Кона (рис. 1.2). В этих условиях белки сохраняют свои нативные свойства. Указанным методом часто пользуются для получения отдельных фракций крови, используемых в качестве кровезаменителей.

Рис. 1.2. Диаграмма фракционирования белков плазмы крови человека этанолом (по методу Кона).

В последнее время наибольшее распространение получили хроматографические и электрофоретические методы разделения белков.

Хроматография. Принцип хроматографии, разработанный в 1903 г. русским ученым М. С. Цветом, основан на способности пигментов (или любых других окрашенных и неокрашенных веществ) специфически адсорбироваться на адсорбенте, заключенном в колонке.

В результате происходит разделение анализируемых веществ и их концентрирование в строго определенном слое адсорбента. Затем через колонку пропускают подходящие элюенты, которые ослабляют силы адсорбции и выносят с током раствора индивидуальные вещества. Последние последовательно собирают в коллекторе фракций (принцип сорбции-десорбции).

Чрезвычайно эффективным средством фракционирования белков из смеси оказалась колоночная хроматография с гидроксилапатитом, различными ионообменными смолами и производными целллюлозы в качестве носителей. При выделении и очистке белков используют четыре основных типа хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионообменную и аффинную (хроматография по сродству) – в соответствии с разными физическими и химическими механизмами, лежащими в основе каждого из них. Хроматография широко применяется не только для выделения белков, но и для разделения множества других органических и неорганических веществ, входящих в состав живых организмов.

Адсорбционная хроматография. Разделение компонентов смеси (образца) основано на их различной сорбируемости на твердом адсорбенте. В качестве адсорбентов используют активированный древесный уголь, гель фосфата кальция, оксиды алюминия или кремния. Адсорбент в виде суспензии с растворителем (чаще всего буферным раствором) вносят в стеклянную вертикальную трубку (колонку) и равномерно в ней упаковывают. Образец в небольшом объеме растворителя наносят на колонку –

Рис. 1.3. Абсорбционнаяхроматография (схема). Разделение двух разных веществ (А и В), перемещающихся по колонке с разной скоростью.

1 — нанесение образца на колонку; 2 -середина опыта; 3 — окончание опыта.

компоненты разделяемой смеси адсорбируются на адсорбенте. Затем приступают к стадии освобождения – десорбции компонентов из колонки, применяя подходящие элюенты (рис. 1.3). Сбор фракций осуществляют при помощи автоматического коллектора фракций.

Распределительная хроматография. В отличие от адсорбционной твердая фаза служит только опорой (основой) для стационарной жидкой фазы. Один из типов распределительной хроматографии, как и адсорбционная, осуществляется на колонках, в которых в качестве стационарной фазы применяют влажный крахмал или силикагель. Образец растворяют в подходящем растворителе, затем наносят на колонку; разделяемые вещества, подвергающиеся многократному распределению между неподвижной стационарной фазой (водный слой) и движущейся фазой органического растворителя, с разной скоростью перемещаются ко дну колонки. Собранные при помощи коллектора фракции пробы, содержащие одно вещество, соединяют для выделения этого вещества в чистом виде.

Разновидностью распределительной хроматографии является хроматография на бумаге, широко используемая в биохимических лабораториях, в том числе клинических, для разделения пептидов, аминокислот и других веществ (рис. 1.4). В качестве стационарной фазы при этом служит вода, адсорбированная целлюлозными цепями фильтровальной бумаги. Образец помещают на одном конце бумажной полосы, этим же концом бумагу погружают в подходящую смесь органических растворителей (например, бутанол–уксусная кислота–вода в определенных соотношениях). При движении растворителя по бумаге благодаря силе капиллярности происходит разделение компонентов смеси. Проявленную хроматограмму высушивают, а местоположение каждого из разделяемых веществ определяют химическими или физико-химическими методами.

А – восходящая хроматография; Б – нисходящая хроматография (вид сбоку); В – хроматограмма с разделенными и окрашенными веществами: 1 – фронт растворителя, 2 – разделенные вещества, 3 – место нанесения образца.

Ионообменная хроматография. Ионообменные смолы являются полимерными органическими соединениями, содержащими функциональные группы, способные вовлекаться в ионный обмен. Различают положительно заряженные анионообменники, представленные органическими основаниями и аминами, и отрицательно заряженные катионообменники, содержащие фенольные, сульфо- или карбоксильные группы. Из сильно- и слабоосновных анионообменников чаще используют производные полистирола и целлюлозы, несущие функциональные группы:

Аналогичные функциональные группы содержат триэтиламиноэтил (ТЭАЭ)- и аминоэтил (АЭ)-целлюлозы.

Катионообменники представлены сульфонированными полистиролами (производные винилбензола или дивинилбензола) и карбоксиметилцеллюлозой, имеющими следующие функциональные группы:

В зависимости от заряда разделяемых белков используют подходящую ионообменную смолу, с функциональными группами которой обменивается и задерживается на колонке часть белков, в то время как другие белки беспрепятственно элюируются с колонки. «Осажденные» на колонке белки снимают с колонки, применяя более концентрированные солевые растворы или изменяя рН элюента.

Новейшие методы ионообменной хроматографии, в частности высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), широко используются в фармакологии (при создании и определении лекарственных веществ), в клинической биохимии (при определении биологически активных веществ в физиологических жидкостях), в биотехнологических процессах и производствах и других областях: они позволяют определять вещества в нано-, пико- и фемтаграммных количествах.

Аффинная хроматография (хроматография по сродству). Основана аффинная хроматография на принципе избирательного взаимодействия белков (или других макромолекул) с закрепленными (иммобилизованными) на носителе специфическими веществами – лигандами, которыми могут быть субстраты или коферменты (когда выделяют какой-либо фермент), антигены (или антитела), гормоны или рецепторы и т. д. Благодаря высокой специфичности белков к иммобилизованному лиганду, связанному с носителем (которым заполняют хроматографическую колонку), присоединяется только один какой-либо белок из смеси. Снятие с колонки этого белка осуществляют элюированием буферными смесями с измененным рН или измененной ионной силой, а также введением в состав элюента детергентов, ослабляющих связи между белками и лигандами. Несомненным достоинством метода является возможность одноэтапно выделить заданный белок или другой биополимер высокой степени чистоты. При помощи аффинной хроматографии, например, удалось сравнительно легко выделить очищенные препараты аминоацил-тРНК-синтетаз на полиакрилгидразидагаровом геле, к которому в качестве лигандов были присоединены определенные тРНК (транспортные РНК).

Гель-хроматография. В препаративных целях, особенно при очистке белков от примесей, широко используют метод молекулярных сит, или гель-хроматографию. При обработке эпихлоргидрином полисахарида дек-страна образуются различной степени выраженности поперечные связи, приводящие к формированию крупных гидрофильных зерен, нерастворимых в воде и называемых сефадексами. Благодаря большому сродству к воде зерна сильно набухают в водной среде с образованием геля, которым заполняют хроматографическую колонку. Разделение веществ этим методом основано на том, что большие молекулы не проникают во внутреннюю водную фазу геля, являющуюся стационарной, и остаются снаружи, двигаясь вместе с подвижной фазой вниз вдоль колонки; небольшие молекулы, напротив, свободно диффундируют внутрь зерен, образуя равновесную систему между подвижной и стационарной фазами, и соответственно с меньшей скоростью двигаются вдоль колонки (рис. 1.5). Обычно момент появления веществ в вытекающем из колонки с сефадексом элюенте выражают формулой:

где V – объем элюирующей жидкости вещества с данным К, мл; V – свободный объем колонки или общий объем внешнего растворителя (вне зерен геля), мл; V_i – объем растворителя внутри геля, мл; K – коэффициент распределения для растворенного вещества между растворителем внутри зерен геля и окружающим растворителем. Если анализируемую пробу, содержащую одно растворенное вещество с К = 1 и второе с К = 0, внести в колонку с сефадексом, то второе вещество появится в элюирующей жидкости сразу после выхода из колонки V , а первое – только после выхода объема V+ V_i.

Поскольку молекулы белков, обладающие большими молекулярной массой и размерами, не диффундируют внутрь зерен сефадекса, они первыми вымываются из колонки после выхода свободного объема колонки V, в то время как все остальные вещества (включая низкомолекулярные примеси) вымываются после выхода объема, равного V+ К • V_i.

Метод нашел широкое применение в препаративной энзимологии. С помощью сефадекса можно разделить белки с разной молекулярной массой.

Электрофорез. Метод свободного электрофореза, детально разработанный лауреатом Нобелевской премии А. Тизелиусом, основан на различии в скорости движения (подвижности) белков в электрическом поле, которая определяется величиной заряда белка при определенных значениях рН и ионной силы раствора. В последнее время более широкое распространение получили методы зонального электрофореза белков на различных носителях, в частности на твердых поддерживающих средах: гелях крахмала и полиакриламида, целлюлозе. Преимущества их по сравнению с методом свободного электрофореза состоят в том, что исключается размывание границы белок-растворитель в результате диффузии и конвекции, не требуется налаживания сложной аппаратуры для определения положения границы, а для анализа необходимо небольшое количество белка (подробно эти методы и соответствующая аппаратура рассматриваются в практических руководствах по биохимии).

Рис. 1.5. Гель-хроматография на колонке с сефадексом (схема).

Большие светлые кружки с крестиками — зерна сефадекса; малые черные и красные кружки и треугольники — белки с различной молекулярной массой; А — колонка в начале работы; Б, В, Г — колонка в различные периоды времени. На графике элюции четко видно разделение белковых компонентов.

Одним из наиболее распространенных методов фракционирования белков (как и методов оценки гомогенности) является диск-электрофорез (от англ. discontinuous – прерывистый, перемежающийся) в полиакриламидном геле, при котором используют пары буферных растворов с различными значениями рН и разной степени пористости гель. Следует отметить высокую разрешающую способность гель-электрофореза. Если при электрофорезе белков сыворотки крови человека на бумаге открываются всего 6 фракций, то при электрофорезе в крахмальном геле – 10, а в полиакрил-амидном геле – до 18 разных белковых фракций.

Для выявления белков при электрофорезе в гелях их обрабатывают одним из следующих красителей: бромфеноловым синим, амидо черным 10В, кислотным синим 83, кумасси бриллиантовым голубым R-250 и др. Интенсивность окраски и соответственно относительное содержание каждой белковой фракции обычно определяют денситометрически путем прямого сканирования на денситометре. В последние годы стали применять методы электрофореза белков с градиентом концентрации геля, что значительно повышает разрешающую способность, особенно при фракционировании белков с высокой молекулярной массой, превышающей 50000– 100000.

Весьма перспективными методами разделения белков (как и определения ряда физико-химических свойств) оказались разные варианты метода изоэлектрического фокусирования – изотахофореза, основанные на проведении электрофореза в поддерживающих средах (на колонке или в тонком слое) с градиентом рН. Точное местоположение на колонке каждого белка из смеси определяется значением его изоэлектрической точки, т.е. состоянием, при котором суммарный электрический заряд белковой частицы при данном значении рН равен нулю. При использовании метода изоэлектрического фокусирования применяют смеси синтетических полиаминополикарбоновых кислот (амфолины) для создания градиента рН в диапазоне от 3,0 до 10,0.

В последние годы широкое распространение для фракционирования белков получили различные сочетания изоэлектрофокусирования и диск-электрофореза в полиакриламидном геле – методы двухмерного электрофореза, которые позоляют параллельно анализировать сотни и даже тысячи белковых фракций.

Очистка белков от низкомолекулярных примесей

Применение в определенной последовательности ряда перечисленных методов позволяет получить белок в очищенном состоянии, не лишенный, однако, некоторых примесей солей. Для полного освобождения белков от низкомолекулярных примесей в настоящее время используют методы диализа, гельхроматографии, кристаллизации, ультрафильтрации. При диализе применяют полупроницаемые мембраны (целлофан, коллодийная пленка), диаметр пор которых варьирует в широких пределах. Белки, как правило, не диффундируют через такую мембрану, в то время как низкомолекулярные вещества легко проникают через нее в окружающую среду.

Метод кристаллизации белков основан на достижении критической точки начала осаждения белка из раствора сульфата аммония при медленном повышении температуры. Уже получены сотни кристаллических белков . Однако не всякий кристаллический белок является гомогенным, поскольку при одной и той же концентрации раствора сульфата аммония могут кристаллизоваться близкие по размерам и массе разные белки.

Наилучшие результаты при освобождении белков от низкомолекулярных примесей получают с помощью гельхроматографии и ультрафильтрации. Последняя основана на продавливании растворов белка через специальные мембраны, задерживающие белковые молекулы, что позволяет не только освободить белковые растворы от низкомолекулярных примесей, но и концентрировать их.

источник

Изучение физико-химических свойств, химического состава и структуры возможно только при исследовании очищенного белкового препарата. Для выделения и фракционирования индивидуальных белков используются: высаливание, осаждение органическими растворителями, гельфильтрация, электрофорез, ионообменная хроматография, аффинная хроматография.

Высаливание белковосновано на зависимости растворимости белка от свойств среды. В дистиллированной воде протеины растворяются хуже, чем в слабых растворах солей, так как низкие концентрации ионов поддерживают их гидратные оболочки. Но при высоких концентрациях соли молекулы белка теряют гидратные оболочки, агрегируют и образуется осадок. После удаления соли белки вновь переходят в раствор, сохраняя нативные свойства и конформацию.

Изменение растворимости при различных концентрациях соли и рН среды используется для выделения индивидуальных белков. Чаще всего для высаливания белков используют растворы сульфата аммония разной концентрации.

Осаждение белков из раствора без их денатурации осуществляют с помощью дегидрирующих агентов — органических растворителей (этанол, ацетон).

Гель-фильтрацияоснована на разделении белков по величине и форме молекулы. Разделение проводят в хроматографических колонках, заполненных гранулами пористого геля (сефадекса, агарозы), в буферном растворе с определенным значением рН. Гранулы геля проницаемы для белков благодаря внутренним каналам (порам) с определенным средним диаметром, размер которого зависит от типа геля (сефадекс G-25, G-200 и т.д.). Смесь белков вносят в колонку и затем вымывают (элюируют) буферным раствором с определенным значением рН. Крупные молекулы белка не проникают в поры геля и перемещаются с высокой скоростью вместе с растворителем. Мелкие молекулы низкомолекулярной примеси (соли) или другого белка удерживаются гранулами геля и вымываются из колонки медленнее (рис. 1.29). На выходе колонки раствор (элюат) собирают в виде отдельных фракций.

Рис. 1.29. Разделение белков методом гель-фильтрации

Электрофорезоснован на свойстве заряженных молекул белка перемещаться в электрическом поле со скоростью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие при данном значении рН суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду, а положительный — к катоду. Электрофорез проводят на разных носителях: бумаге, крахмальном геле, полиакриламидном геле и др. Скорость перемещения зависит от заряда, массы и формы молекул белка. После завершения электрофореза зоны белков на носителе окрашивают специальными красителями (рис. 1.30, А).

Разрешающая способность электрофореза в геле выше, чем на бумаге, так при электрофорезе белков сыворотки крови на бумаге выделяют 5 фракций (альбумины, α₁-, α₂-, β-, γ-глобулины), а в полиакриламидном геле — до 18 фракций (рис. 1.30, Б).

Рис. 1.30. Электрофореграмма белков сыворотки крови здорового человека

А— электрофореграмма белков сыворотки крови на бумаге;

Б— количество белков плазмы разных фракций.

I — γ-глобулины; II — β-глобулины; III — а₂-глобулины;

IV — а₁-глобулины; V — альбумины

Ионообменная хроматографияоснована на разделении белков, отличающихся суммарным зарядом. Раствор белка с определенным значением рН пропускают через хроматографическую колонку, заполненную твердым пористым сорбентом, при этом часть белков задерживается в результате электростатического взаимодействия. В качестве сорбента используют ионообменные вещества: анионообменники (содержащие катионные группы) для выделения кислых белков; катионообменники (содержащие анионные группы) для выделения основных белков.

При пропускании белка через колонку прочность его связывания с ионообменником зависит от величины заряда, противоположного заряду сорбента. Адсорбированные на ионообменном сорбенте белки элюируют буферными растворами с различной концентрацией соли и рН, получая разные фракции белков.

Аффинная хроматографияоснована на специфичности связывания белка с лигандом, присоединенным к твердому носителю. В качестве лиганда используются субстраты ферментов, простетические группы холопротеинов, антигены и т.д. При пропускании через колонку смеси белков к лиганду присоединяется только комплементарный протеин (рис. 1.31, А), все остальные выходят вместе с раствором. Адсорбированный белок элюируется раствором с другим значением рН (рис. 1.31, Б). Этот метод высокоспецифичен и позволяет получать белковые препараты высокой степени очистки.

Выделение и очистка белка обычно проходят в несколько стадий с использованием различных методов. Последовательность стадий подбирается эмпирическим путем и может различаться для разных протеинов. Высокая степень очистки белков очень важна как при использовании их в качестве лекарственных препаратов (гормон инсулин и т.д.), так и при диагностике различных заболеваний по изменению белкового состава тканей, крови, слюны и др.

Набор белков в клетках различных органов взрослого человека индивидуален и поддерживается относительно постоянным на протяжении жизни. Специализированные ткани могут содержать специфические белки, например гемоглобин в эритроцитах, актин и миозин в мышцах, родопсин в сетчатке глаза, разные типы коллагена в костной и соединительной тканях. Некоторые белки содержатся во многих тканях, но в разных количествах. Отдельные изменения состава

Рис. 1.31. Разделение белков методом аффинной хроматографии

А— связывание выделяемого белка со специфическим лигандом, присоединенным к нейтральному носителю; Б— получение раствора индивидуального белка

белков тканей и крови возможны и связаны прежде всего с режимом питания, составом пищи, физической активностью человека.

При заболеваниях белковый состав крови и клеток тканей может существенно изменяться, часто развивается недостаточность какого-либо белка либо снижение его активности — протеинопатия.Поэтому определение выраженных изменений белкового состава крови и тканей используется для диагностики различных заболеваний в клинических исследованиях.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: «Что-то тут концом пахнет». 8373 — | 8007 — или читать все.

195.133.146.119 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

Получение белков из биологического материала (тканей, органов) требует такие последовательные стадии как: дробление биологического материала и разрушение клеточных мембран; фракционирование органелл, содержащих те или иные белки; перевод белков в растворённое состояние; разделение смеси белков на индивидуальные белки. Для разрушения биологического материала используют методы: создание однород. структуры в ткане, метод попеременного замораживания и оттаивания, а также обработку клеток ультразвуком. Создание однород. структуры в ткане-определ. ткань помещают в сосуд с пестиком, пестик вращается и измельчает и растирает ткань о стенки сосуда.Замораживания и оттаивания ткани— в результатеобразующиеся кристаллы льда разрушают оболочки клеток.После разрушения ткани нерастворимые части осаждают центрифугированием. Удаление из раствора небелковых веществ. Нуклеиновые кислоты, липиды и др. небелковые вещества можно удалить из раствора, используя их свойства. Липиды легко удаляются из р-ра добавлением орган-ких растворителей, например ацетона. Методы очистки белков. Очистка белков от других белков, находящихся в р-ре, полученном из данной ткани. Т.к. белки обладают лабильностью, при работе с белками следует избегать денатурирующих воздействий, поэтому выделение и очистка белков происходят при низких температурах. Также нужно учитывать термостабильность и устойчивость в кислых р-ах. Сначала нужно удалить из р-ра основную массу балластных белков, которые значительно отличаются от выделяемого белка свойствами.

13 (26). Денатурация и ренатурация. Молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот. Денатурация свойственна макромалекулам, имеющим пространственную организацию. Она может быть вызвана нагреванием, воздействием химических веществ, которые нарушают Ван-дер-Вальсовы взаимодействия, разрывают водородные связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуры. При нагревании происходит разделение двунитевой ДНК на одиночные полинуклеотидные цепи. При медленном охлаждении они снова воссоединяются по принципу комплементарности, образуются двунитевая полинуклеотидная цепь ДНК – этот процесс называется ренатурацией и при быстром охлаждении она не происходит. Денатурация бывает полной и частичной, обратимой и необратимой. Необратимой будет при разрушении фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Гибридизация нуклеиновых кислот. Все клетки одного организма содержат абсолютно одинаковые молекулы ДНК. Поэтому, если из клеток разных тканей выделить ДНК, денатурировать её и разделить цепи, а потом смешать одноцепочечные молекулы, то одноцепочечные молекулы, выделенные из разных клеток могут полностью комплиментарно спариться- образовать совершенный гибрид ДНК-ДНК.В том случае, если смешиваются ДНК разных организмов, то степень их комплим. спарив. будет зависеть от степени родстатва организмов или видов-образуются несовершенные гибриды ДНК-ДНК.

14 (12).Понятие о ферментах. структурно-функциональная организация ферментов.Ферменты-белки обладающие каталит. активностью, способны ускорять биохим-е р-ции. По своему строению могут быть простыми и сложными белками. Простетическую (небелковую) группу ферментов называют коферментом, а белковую — апоферментом. Апоферментная и коферментная группы сами по себе неактивны, лишь соединенные друг с другом более или менее прочными связями они образуют функционально активный комплекс, получивший название холофермента. Апоферментом определяется специфичность фермента (способность его взаимодействовать только с определенным веществом (субстратом) или группой веществ); тогда как коферментная группа часто выступает в роли акцептора тех или иных отщепляемых от субстрата атомов или функциональных групп, а в некоторых случаях выполняет и каталитическую функцию. Структурно-функц. организация ферментов.Центры ферментов: молекула фермента взаимодействует с S не всей своей поверхностью, а определенными участками. На поверхности фермента различают: Активный центр (это участок фермента, который взаимодействует с S. Наиболее часто в состав актив. центров входят функциональные группы таких аминокислот: ОН – группы серина, треонина, тирозина; SН – группы цистеина; NН – группа гистидина; СООН – группы глутамата и аспартата;NН2 – группы аргинина и лизина.В сложных ферментах в активный центр входят кофакторы (небелковые компоненты): простетические группы, коферменты, ионы металлов. Активный центр является комплементарным к строению S, имеется соответствие Е и S как “ключа и замка”. В структуре активного центра выделяют: участок, который связывается с S: контактный (“якорный”) участок;каталитический участок, в состав которого входят химические группы, принимающие непосредственное участие в преобразовании S. Кроме активного центра, некоторые ферменты имеют дополнительный, регуляторный, аллостерический центр, с которым взаимодействуют аллостерические регуляторы (эффекторы, модуляторы). Аллостерические эффекторы могут быть позитивными (активаторами), которые повышают каталитическую активность фермента или негативными (ингибиторами), которые ее снижают. Активный и аллостерический центры локализуются на разных субъединицах фермента. При взаимодействии аллостерического центра с эффекторами происходят конформационные изменения активного центра фермента, что приводит к увеличению или снижению его активности. Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются регуляторными.

15 (16). Классификация и номенклатура ферментов.Все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции. Каждый класс делится на несколько подклассов. Классы:1.Оксидоредуктазы; 2.Трансферазы; 3.Гидралазы; 4.Лиазы; 5.Изомеразы; 6.Лигазы (синтетазы).1.Оксидредуктазы – ферменты, катализирующие ОВР: а) аэробные дегидрогеназы (оксидазы). Отщепляют водород от субстрата и переносят его на молекулу кислорода, б) анаэробные дегидрогеназы – катализируют перенос водорода от субстрата на любой другой акцептор, кроме кислорода, в) цитохромы – это ферменты, переносящие электроны. г) пероксидазы – гемсодержащие оксидоредуктазы. Они отщепляют водород от субстрата и переносят его на Н₂О₂2. Трансферазы – ферменты, переносящие группы атомов от одного субстрата к другому. При этом один субстрат донор, а другой – акцептор.- аминотрансферазы, переносят NH₂;- метилтрансферазы, переносят CH₃;- фосфотрансферазы, переносят PO₃H₂;- ацилтрнсферазы.3. Гидролазы – ферменты, катализирующие разрыв одинарных связей с участием воды, присоединяемой по месту разрыва связи(они принимают участие в реакциях гидролиза). Все ферменты пищеварительного тракта относятся к гидролазам: эстеразы – разрывают сложно-эфирную связь; пептидазы – разрывают пептидную связь; гликозидазы – разрывают гликозидные связи. 4. Лиазы — ферменты осуществляют разрыв углеродных связей без участия воды. Выделяют: декарбоксилазы – катализируют отщепление CO₂. альдолазы – катализируют расщепление связи между атомами углерода. гидратазы – разрыв двойной связи с присоединением воды по месту разрыва двойной связи. Ферменты, отщепляющие воду – реакция дегидратации. При этом образуется двойная связь. 5.Изомеразы – ферменты, катализирующие реакции изомеризации и обеспечивающие внутримолекулярную перестройку. 6.Лигазы (синтетазы) – катализируют образование более сложных вещ-в из более простых. При этом требуется энергия из вне. Обязательно участие АТФ или других. Номенклатура ферментов: 1)Тривиальная номенклатура – названия случайные, без системы и основания, например трипсин, пепсин, химотрипсин.2) Рабочая номенклатура – название фермента составляется из названия субстрата или продукта реакции, типа катализируемой реакции и окончание –аза, например лактатдегирогеназа. 3) Систематическая, научная — L-лактат-НАД-оксидредуктаза.4) Все ферменты имеют цифровой шифр, например ЛДГ — 1.1.1.27.Первая цифра говорит о типе катализируемой реакции, указывая на номер класса. Вторая уточняет действие фермента – номер подкласса. Третья указывает природу разрываемой связи в молекуле субстрата — подподкласс. Четвёртая – порядковый номер фермента.

16 (13). Общие принципы ферментативного катализа. Отличие ферментов от неорганических катализаторов. В основу современной теории о ферм.катализе положена теория Михаэлеса и Ментена. Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратного комплекса. По этой теории весь процесс катализа можно разделить на 3 этапа:1)образование фермент-субстратного комплекса. Происходит диффузия субстрата к ферменту и субстрат, в соответствии с принципом комплиментарности, связывается с активным центром фермента. Реагенты связаны водородными, ионными, гидрофобными, в некоторых случаях и ковалентными связями. Эта стадия непродолжительна, зависит от концентрации субстрата и от скорости диффузии его к активному центру. Энергия активации исходных веществ при этом изменяется незначительно. На этой стадии проявляется эффект концентрирования субстрата на поверхности фермента – эффект ориентации. 2)происходит последовательное преобразование первичного фермент-субстратного комплекса в 1 или несколько активированных. Эта стадия медленная, ее длительность зависит от величины энергии активации данной реакции. В эту стадию происходит разрыв старых связей и образование новых, при этом энергия активации значительно снижается. 3)отделение продуктов от активного центра фермента и диффузия их в окружающую среду. Эта стадия непродолжительна, ее скорость определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду. Отличия между ферментами и неорг. катализаторами (общие свойства ферментов): сложность строения; высокая мощность действия; специфичность; это вещ-ва с регулируемой активностью; действуют в мягких условиях организма.

17. Кинетика ферментативных реакций. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата, фермента, факторов среды (рН,температуры). Число молекул S, претерпивающих изменение в течение минуты, в расчете на единицу веса E при оптимальных условиях его действия называется молекулярной активностью E. При увеличении кол-cтва E скорость ферментативной р-ции повыш-ся до некоторого предела, который характеризуется количеством S, доступным действию E. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации S может быть описана уравнением:

где V -скорость ферментативной реакции, Vmax — максимальная скорость ее при бесконечно большой концентрации субстрата, S — концентрация субстрата в моль/л, Кm — константа Михаэлиса ( она соответствует концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной). Зависимость скорости от кол-ва фермента. При условии избытка S скорость р-ции пропорциональна кол-ву E, но при избыточном количестве E прирост скорости реакции будет снижаться, поскольку уже не будет хватать S. Зависимость скорости реакции от температуры. Скорость ферментативных реакций зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10 °С скорость увеличивается примерно вдвое (правило Вант-Гоф-фа). Однако для ферментативных реакций это правило справедливо лишь в области низких температур — до 50-60 °С. Зависимость скорости реакции от рН. Изменение рН приводит к изменению степени ионизации ионогенных групп в активном центре, а это влияет на сродство S к активному центру и на каталитический механизм. Кроме того, изменение ионизации белка вызывает конформационные изменения молекулы E. Зависимость скорости реакции от времени. По мере увеличения времени инкубации скорость реакции снижается .Это может происходить вследствие уменьшения концентрации S, увеличения скорости обратной реакции (в результате накопления продукта прямой реакции), ингибирования E продуктом реакции, денатурации фермента. При количественном определении E и кинетических исследованиях измеряют начальную скорость реакции.

18. Уравнение Михаэлиса- Ментен. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. В 1913 г. Михаэлис и Ментен создали теорию ферментативной кинетики, исходя из того, что фермент (Е) вступает во взаимодействие с субстратом (S) с образованием промежуточного фермент субстратного комплекса (ЕS), который далее распадается на фермент и продукт реакции по уравнению:

19 (15). Механизм действия ферментов. Специфичность действия ферментов(стереохимическая, реакционная и субстратная: абсолютная, групповая). Структура и роль каталитического центра. 1. Происходит активация фермента путем связывания с аллостерическим центром регуляторных веществ это приводит к изменению конформации активного центра фермента и увеличению его способности связывать молекулу субстрата. 2. происходит ‘узнавание’ ферментом своего S. 3. происходит формирование неактивного фермент-субстратного комплекса за счет образования гидрофобных и водородных связей между радикалами аминокислотных остатков субстратного центра и соответствующими группировками в молекуле S. 4. образуется активный фермент-субстратный комплекс. При этом происходит хим. преобразование S с участием каталитического центра и кофермента. В результате этого молекула S меняет свою пространственную конфигурацию, в ней происходит перераспределение энергии и уменьшается прочность связей. 5.фермент-субстратный комплекс становиться нестабильным и затем преобразуется в комплекс фермент-продукт, который распадается на продукты реакции и фермент. Фермент из реакции выходит в неизменном виде.-Специфичность по отношению к субстрату – это предпочтительность фермента к субстрату определенной структуры в сравнении с другими субстратами. Различают 4 вида субстратной специфичности ферментов:1. Абсолютная специфичность – способность фермента катализировать превращение только одного S. .2. Относительная специфичность – фермент катализирует превращение нескольких S, имеющих один тип связи. 3. Относительная групповая специфичность – фермент катализирует превращение нескольких S, имеющих один тип связи, но требуется наличие определенных функциональных групп, входящих в состав S. 4. Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение только одного стереоизомера. Реакционная специфичность фермента -это специфичность фермента к определённой реакции. Каталитический центр — это та область актив. центра фермента, которая непосредственно участвует в хим. преобразованиях S. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент явл-ся сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в его входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

20 (14). Кофакторы и коферменты, их значение для деятельности ферментов. Коферментные функции витаминов.Коферменты — это орган. вещ-ва аминокислотной природы, непосредственно участвующие в катализе в составе фермента. Простые, относятся обычно к классу гидролаз, практически все гидролитические ферменты состоят только изаминокислот. Кроме того, некоторые лиазы, а вот все остальные классы ферментов в основном явл. сложными белками(для каталитической активности многих ферментов кроме белковой части необходим второй компонент-кофактор). Есть каталитически актив. фермент вместе с кофактором-холофермент. Это каталитически актив. фермент, состоящий из белковой и небелковой части кофактора. Белковая часть холофермента-апофермент. У холофермента ни белковая часть апофермента, ни кофактор в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Оказывается апофермент резко повышает каталитическую активность кофактора, а кофактор в свою очередь стабилизирует белковую часть, делает ее более устойчивой и менее уязвимой к денатурирующим агентам. Кофакторы— это некоторые полипептиды, группы нуклеотидов и их производные и, наконец, ионы некоторых металлов. Классификация: 1) Кофакторы жирного ряда (глютатион, липоевая кислота, долихол фосфат). 2 Кофакторы алифатического ряда (убихинон или коэнзим Q). 3) Кофакторы гетероциклического ряда. 4) не содержащие витаминов — геминовые кофакторы. Основой этих кофакторов является гемовое железо. 5) Кофакторы-нуклеотиды.Коферментные функции витаминов. Ф-ции водорастворимых вытаминов-образование коферментов и простетич. групп ферментовитамины. Связанные с разл. витаминами ферменты принимают участие во мн. важнейших процессах обмена веществ: энергетич. обмене, биосинтезе и превращениях аминокислот, жирных кислот, пуриновых и пиримидиновых оснований. Некоторые жирорастворимые витамины также выполняют коферментные функции. Ф-ции др. жирорастворимых витаминов: витамин Е стабилизирует и защищает ненасыщ. липиды биол. мембран от окисления; витамин D необходим для осуществления транспорта ионов Са и остатков фосфорной кислоты через клеточные барьеры в процессах их всасывания в кишечнике, реабсорбции в почках и мобилизации из скелета.

21 (19). Регуляция активности ферментов. Ковалентная модификация. Аллостерическая регуляция. Каталитические и регуляторные центры. Понятие об иммобилизированных ферментов и их применение в медицине. Ферменты-регулируемые катализаторы.В качестве регуляторов могут выступать метаболиты, яды. Различают: активаторы – вещ-ва, увеличивающие скорость реакции;ингибиторы – вещ-ва, уменьшающие скорость реакции. Активация ферментов. Различные активаторы могут связываться либо с активным центром фермента, либо вне его. К группе активаторов, влияющих на активный центр, относятся: ионы металла, коферменты, сами S. Активация с помощью металлов протекает по различным механизмам: а)металл входит в состав каталитического участка активного центра; б)металл с S образуют комплекс; в)за счет металла образуется мостик между S и активным центром фермента.S также являются активаторами. При увеличении концентрации S скорость р-ции повышается. По достижению концентрации насыщения S эта скорость не изменяется. Если активатор связывается вне активного центра фермента, то происходит ковалентная модификация фермента: 1) частичный протеолиз. 2) фосфорилирование — дефосфорилирование. Аллостерическая регуляция. Аллостерич-е ферменты построены из двух или большего числа субъединиц. Одна субъединица имеет каталитический центр, др.— регуляторный центр. Если в среде есть аллостерический ингибитор, он присоединяется к регуляторному центру, что ведет к изменению конформации регуляторной субъединицы; вследствие этого изменяется конформация и каталитической субъединицы, в том числе каталитического активного центра. В результате активность фермента снижается. Чем выше концентрация аллостерического ингибитора, тем больше молекул фермента блокируется им и тем меньше скорость превращения субстрата. Аналогично происходит и активация ферментов при действии аллостерических активаторов. Иммобилизованные ферменты – это ферменты, ковалентно присоединенные к любому органическому или неорганическому полимеру. Их можно многократно использовать, при этом их активность снижается незначительно. При этом обеспечивается их высокая специфичность действия и высокая стабильность. В медицине иммобилизованные ферменты используются как лекарственные препараты.

22(18).Ингибирование активности ферментов: обратимое и необратимое; конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное.Ингибитор – это вещ-во, вызывающее специфическое снижение активн-ти фермента. Инактивация –денатурация белка в результате действия денатурирующих агентов. По прочности связывания ингибитора с ферментом ингибиторы делят на обратимые и необратимые. Необратимые ингибиторы прочно связаны и разрушают функциональные группы молекулы фермента, которые необходимы для проявления его каталитической активн-ти. Обратимые игнибиторы, например прозерин для холинэстеразы. Обратимое ингибирование зависит от концентрации субстрата и ингибитора и снимается избытком субстрата. По механизму действия выделяют: 1) Конкурентное (изостерическое) ингибирование – это торможение ферментативной р-ции, вызванное связыванием ингибитора с активным центром фермента. При этом ингибитор имеет сходство с S. В процессе происходит конкуренция за активный центр: образуются фермент-субстратные и ингибитор-ферментные комплексы.2) Неконкурентное ингибирование – торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание фермента с S. В этом случае ингибитор может связываться и с активным центром (каталитический участок) и вне его. Присоединение ингибитора вне активного центра приводит к изменению конформации (третичной структуры) белка, вследствие чего изменяется конформация активного центра. Это затрагивает каталитический участок и мешает взаимодействию субстрата с активным центром. Неконкурентные ингибиторы: а)цианиды. Они связываются с атомом железа в цитохромоксидазе и в результате этого фермент теряет свою активность, а т.к. это фермент дыхательной цепи, то нарушается дыхание клеток и они гибнут. б)ионы тяжёлых металлов и их органические соединения. в)фармакологические средства, которые должны поражать ферменты злокачественных клеток. Сюда же относятся ингибиторы, использующиеся в сельском хозяйстве, бытовые отравляющие вещества.3) Субстратное ингибирование (бесконкурентное)– торможение ферментативной реакции, вызванное избытком S. Происходит в результате образования фермент-субстратного комплекса, неспособного подвергаться каталитическому превращению. Лекарственные препараты как конкурентные ингибиторы.Например.:четвертичные аммониевые основания ингибируют ацетилхолинэстеразу, катадизирующую реакцию гидролиза ацетилхолина на холин и уксусную кислоту. При добавлении ингибиторов активность ацетилхолинэстеразы уменьшается, концентрация ацетилхолина(S) увеличивается, что сопровождается усилением проведения нервного импульса. Ингибиторы холинэстеразы используют при лечении мышечных дистрофий.

23. Применение ферментов в медицине. Понятие об энзимопатологии, энзимодиагностике и энзимотерапии. 1.Химический метод – количественное определение S или продуктов с помощью хим. реагентов. 2. Спектрофотометрический метод – измерение скорости ферментативной реакции по изменению поглощения S при характеристической длине волны.3. Манометрический метод – определение кол-ва газа, выделяющегося в процессе р-ции (оксидазы – по поглощению О₂, декарбоксилазы – по выделению СО₂). 4. Поляриметрический метод – фиксируется изменение оптического вращения. 5. Хроматографический – количественное определение S или продуктов с помощью различных видов хроматографии: бумажной (анализ сахаров), тонкослойной (гликозидов со сложными агликонами). Удельная активность – это число единиц активности (Е) на мг белка. Энзимопатология-заболевания, которые обусловлены отсутствием или снижением активности ферментов. В основном это – наследственные болезни, обусловленные генетическими нарушениями(дефекты ферментов обмена фенилаланина возникают при снижении активности фенилаланингидроксилазы-фенилпировиноградная олигофрения). Энзимодиагностика это использование определения активности ферментов в биологиче ских жидкостях для выявления тех или иных заболеваний. Энзимотерапия это использование ферментных препаратов для лечения заболеваний.

24 (22). Структурные компоненты нуклеиновых кислот. Биологическое значение и функции нуклеиновых кислот.Нуклеиновая к-та — высокомолекулярное органическое соединение, полинуклеотид, образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые — аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).Одна из основных функций нуклеиновых кислот состоит в детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК.

25. Вторичная и третичная структура ДНК. Типы РНК и их ф-ции. Вторичная структура ДНК-двойная спираль. Эта структура образуется из двух взаимно комплементарных антипараллельных полидезоксирибонуклеотидных цепей, закрученных относительно друг друга и общей оси в правую спираль. При этом азотистые основания обращены внутрь двойной спирали, а сахарофосфатный остов — наружу. В формировании вторичной структуры ДНК участвуют: а)водородные связи между комплементарными основаниями; б)электростатические взаимодействия; в)Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия(связи между положительными и отриц. ионами). Третичная структура(клубок) — пространственное строение всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи. В формирование этой цепи участвуют: а)ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики); б)ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков; в)водородные связи; г)гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. На поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы. Типы РНК и их функции.Три типа РНК: – транспортные (тРНК), матричные (мРНК) и рибосомальные (рРНК). Они различаются по первичной структуре, молекулярной массе, конформации, продолжительности жизни и выполняемым функциям. Транспортные РНК-описывается универсальной моделью «клеверного листа». В состав тРНК входят минорные основания, представленные метилированными основаниями, изомерами и аналогами пиримидинов. Минорные основания делают тРНК устойчивыми к действию нуклеаз и поддерживают определенную третичную структуру молекулы. Антикодон имеет жесткую архитектуру, которая позволяет ему быстро считывать мРНК. Матричные РНК эукариот и прокариот различаются по строению. Этот тип РНК имеет одинаковое строение 5′- и 3′-концов.На 5′ конце присутствует модифицированный нуклеотид 7-метилгуанозин-5′-трифосфат – кэп. Рибосомальные РНКпринимают участие в образовании рибонуклеопротеинов, формирующих немембранные комплексы – рибосомы. Клетки прокариот и эукариот содержат рибосомы, имеюшие общий план строения. В рибосомы входят высокомолекулярные рРНК, дающие начало 30S-40S- и 50S-60S-субчастицам рибосом; рРНК взаимодействуют с мРНК и аминоацил-тРНК в процессе трансляции. рРНК содержат несколько модифицированных нуклеотидов. Чаще всего это метильные производные азотистых оснований или рибозы. Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией самой на себя полирибонуклеотидной цепи. Биспиральные и линейные участки этих молекул формируют постоянные вариабельные домены, которые затем укладываются в более компактные структуры более высокого порядка.

26 (23). Строение и уровни организации нуклеиновых кислот. Первичная структура нуклеиновых кислот. Видовые различия первичной структуры нуклеиновых кислот. Нуклеиновая к-та — высокомолекулярное органическое соединение, полинуклеотид, образованный остатками нуклеотидов. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые — аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Уровни структурной организации: 1. первичная структура. РНК и ДНК построены однотипно – представлены полинуклеотидной цепью, состоящей из отдельных мононуклеотодов, соединённых между собой 3’→5’-фосфодиэфирными связями. 2. вторичная структура. Представляет собой двойную спираль, состоящую из 2 полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг одной общей оси. Эти цепи антипараллельны, т.е. одна идет в направлении 5’→3’, а другая 3’→5’. Пуриновому основанию одной цепи соответствует пиримидиновое основание другой цепи – эти основания комплиментарны друг другу. Вторичная структура стабилизируется водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Видовые различия первичной структуры: Существуют два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты(РНК). те, и другие представляют собой полимерные молекулы, построенные из мономерных блоков – нуклеотидов: ДНК – из дезоксирибонуклеотидов, а РНК – из рибонуклеотидов.

27 (24). Вторичная и третичная структура ДНК. Строение и организация хроматина. Вторичная структура ДНК-двойная спираль. Эта структура образуется из двух взаимно комплементарных антипараллельных полидезоксирибонуклеотидных цепей, закрученных относительно друг друга и общей оси в правую спираль. При этом азотистые основания обращены внутрь двойной спирали, а сахарофосфатный остов — наружу. В формировании вторичной структуры ДНК участвуют: а)водородные связи между комплементарными основаниями; б)электростатические взаимодействия; в)Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия(связи между положительными и отриц. ионами). Третичная структура(клубок) — пространственное строение всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи. В формирование этой цепи участвуют: а)ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики); б)ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков; в)водородные связи; г)гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. На поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы. Хроматин-это вещ-во хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК. Основную массу хроматина составляют белки гистоны. Гистоны являются компонентом нуклеосом, — надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа. Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную структуру (фибриллу). Если хроматин упакован плотно-гетерохроматин, ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно-эухроматином. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием и фосфорилированием.

28. Репликация ДНК как один из видов матричных синтезов. Этапы репликации. Особенности процесса в эукариотических клетках. Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК. Основные этапы: 1. образование репликативных вилок при участии ДНК-раскручивающих белков, вызывающих разрыв водородных связей между комплементарными основаниями. 2. синтез новых нитей ДНК при участии ДНК-полимеразы, катализирующей образование фосфодиэфирной связи между новыми нуклеотидами. Присоединение нуклеотидов идет в соответствии с принципом комплементарности. Синтез идет 5’-конца к 3’-концу. На одной цепи синтез происходит непрерывно, а на другой — прерывается с образованием коротких фрагментов. В результате на одной цепи образуются короткие фрагменты — фрагменты Оказаки; 3. соединение коротких фрагментов с помощью ДНК-лигазы с образованием дочерних нитей. В результате репликации на одной материнской нити синтезируются 2 комплементарных дочерних ДНК (из одной молекулы ДНК образуются 2 копии ДНК).Значение репликации состоит в передаче информации от ДНК матери к дочерней ДНК. Особености репликация линейных геномов эукариот:геномы кольцевые замкнутые характерны для многих бактерий, их плазмид и некоторых вирусов. У большинства др. организмов геном представлен линейными молекулами ДНК в составе одной или нескольких хромосом. Существует так называемая проблема отстающей цепи ДНК. Синтез отстающей цепи ДНК происходит в виде коротких фрагментов Оказаки , для инициации синтеза которых требуются РНК- затравки. После удаления затравки на конце одной из вновь синтезированных молекул ДНК образуется одноцепочечная, которая не может быть заполнена ДНК-полимеразой, поскольку она не функционирует в отсутствие праймера. Вследствие этого в каждом раунде репликации должно было бы происходить укорачивание хромосом с обоих концов, что приводило бы к потере генетической информации, закодированной в концевых фрагментах ДНК. Кроме того, большие размеры молекул ДНК, заключенных в индивидуальные хромосомы, требуют специальной организации их реплицирующего аппарата.

29. Репликация плазмид. Особенности репликации вирусного генома. Интерфероны, их биологическое действие и применение в медицине. Плазмида— внехромосомный самовоспроизводящийся генетич. элемент бактерий. Представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, закрученную в суперспираль. Каждая плазмида является самостоятельным репликоном, сама контролирует собственную репликацию и поддерживается в клетке в определенном, характерном для нее числе копий. Особенности репликации вир-го генома: I ) вирус­ная частица (вирион) содержит только один вид нуклеиновых кислот — или ДНК, или РНК; 2) вирионы не имеют собственного метаболизма, не содержат клеточных орга­нелл, в том числе рибосом, и очень часто состоят только из нуклеиновой кислоты, заключенной в белковую оболочку=>вирусы способны размножаться исключительно за счет использования метаболического аппарата другой клетки.Цикл размножения вируса начинается с его прикрепления к поверхности клетки. Вирион содержит рецепторы, узнающие определенные вещества мембраны клетки-хозяина; После прикрепления вирион проникает чз мембрану внутрь клетки; иногда в клетку попадает только нуклеиновая кислота вириона. Затем с использованием аппарата клетки-хозяина начинается реплика­ция вирусного генома и синтез вирусных белков; из них путем самосборки образу­ются новые вирионы, которые освобождаются из клетки, либо разрушая ее. Интерфероны — ряд белков со сходными св-ми, выделяемых клетками организма в ответ на вторжение вируса. Они способны подавлять внутриклеточное размножение ДНК- и РНК-вирусов. В медицине интерфероны применяют для профилактики и лечения респираторных вирусных инфекций.

30 (29). Биосинтез РНК (транскрипция). Строение РНК-полимеразы. Зависимость локализации считываемого участка и направления считывания от структуры промотора. Этапы транскрипции. Пост

источник

Вопрос 5.Методы разделения и очистки белков. Высаливание, диализ, электрофорез, хроматография. Основные методы количественного определения белка в растворах (фотометрия, иммунохимия).

Методы выделения и очистки белков

Получение индивидуальных белков из биосинческого материала (тканей, органов, кле-точных культур) требует проведения последовательных операций, включающих:

• дробление биологического материала и раз­рушение клеточных мембран;

• фракционирование органелл, содержащих те или иные белки;

(■ экстракцию белков (перевод их в раство­рённое состояние);

• разделение смеси белков на индивидуаль­ные белки.

Методы разрушения тканей ж экстракции белков

Для разрушения биологического материала используют методы: гомогенизации ткани, ме-год попеременного замораживания и оттаива­ния, а также обработку клеток ультразвуком.

Гомогенизация биологического материала

Ткань, находящуюся в буферном растворе с оп­ределённым значением рН и концентрацией со­лей, помещают в стеклянный сосуд (гомогениза­тор) с пестиком. Вращающийся пестик измельчает я растирает ткань о притёртые стенки сосуда.

Метод замораживания и оттаивания ткани

В результате попеременного замораживания и оттаивания образующиеся кристаллы льда разрушают оболочки клеток.

После разрушения ткани нерастворимые ча­сти осаждают центрифугированием. Последую­щее центрифугирование гомогената с разной скоростью позволяет получить отдельные фрак­ции, содержащие клеточные ядра, митохондрии и другие органеллы, а также надосадочную жид­кость, в которой находятся растворимые белки цитозоля клетки. Искомый белок будет содер­жаться в одной из этих фракций.

Экстракция белков, связанных с мембранами, и разрушение олигомерных белков на прото-меры

Если искомый белок прочно связан с каки­ми-либо структурами клетки, его необходимо перевести в раствор. Так, для разрушения гид­рофобных взаимодействий между белками и липидами мембран в раствор добавляют детер­генты; чаще всего используют тритон Х-100 или додецилсульфат натрия.

Механизм действия детергентов описан в раз­деле «Денатурация белков» (см. рис. 1-15). При действии детергентов обычно разрушаются и гидрофобные взаимодействия между протоме-рами в олигомерных белках.

Удаление из раствора небелковых веществ

Нуклеиновые кислоты, липиды и другие не­белковые вещества можно удалить из раствора, используя их особенные физико-химические свойства. Так, липиды легко удаляются из ра­створа добавлением органических растворите­лей, например ацетона. Однако воздействие должно быть кратковременным, так как ацетон вызывает денатурацию некоторых белков. Нук­леиновые кислоты осаждают добавлением в ра­створ стрептомицина.

Наиболее трудоёмкий этап получения инди­видуальных белков — их очистка от других бел­ков, находящихся в растворе, полученном из данной ткани. Часто изучаемый белок присут­ствует в небольших количествах, составляющих доли процента от всех белков раствора.

Так как белки обладают конформационной лабильностью, при работе с белками следует избегать денатурирующих воздействий, поэто­му выделение и очистка белков происходят при низких температурах. На первых стадиях очистки белков целесо­образно использовать методы, учитывающие какую-либо характерную особенность данного белка, например термостабильность или устой­чивость в кислых растворах. Первыми метода­ми очистки необходимо удалить из раствора основную массу балластных белков, которые значительно отличаются от выделяемого белка физико-химическими свойствами. Впоследствии применяют всё более тонкие методы очистки белка.

Очистка белков избирательной денатурацией

Большинство белков денатурирует и выпа­дает в осадок уже при кратковременном на­гревании раствора до 50-70 «С или подкисле-нии раствора до рН 5. Если выделяемый белок выдерживает эти условия, то с помощью из­бирательной денатурации можно удалить боль­шую часть посторонних белков, отфильтровав выпавшие в осадок белки, или осадить их цен­трифугированием.

Метод очистки белков, основанный на раз­личиях в их растворимости при разной концен­трации соли в растворе. Соли щелочных и щё-лочно-земельных металлов вызывают обратимое осаждение белков, т.е. после их удаления белки вновь приобретают способность растворяться, сохраняя при этом свои нативные свойства.

Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют разные концентрации солей сульфата аммония — (NH₄)₂S0₄. Чем выше растворимость белка, тем большая концентра­ция соли необходима для его высаливания.

Гель-фильтрация, или метод молекулярных сит

Для разделения белков часто используют хро-матографические методы, основанные на рас­пределении веществ между двумя фазами, одна из которых подвижная, а другая неподвижная. В основу хроматографических методов положе­ны разные принципы: гель-фильтрации, ион­ного обмена, адсорбции, биологического срод­ства.

Метод разделения белков с помощью гель-фильтрационной хроматографии основан на том, что вещества, отличающиеся молекуляр­ной массой, по-разному распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Хром. колонка заполняется гранула пористого вещества .В стрктуре полисахарида образуются полур. связи и формируются гранулы через которые легко проходят вода и низкомолекулярные вещества. В зависимости от условий можно формировать гранулы с разной величиной «пор».Неподвижная фаза — жидкость внутри гранул, в которую способны проникать низкомолекулярные вещества и белки с небольшой молекулярной массой. Смесь белков, нанесения А на хроматографическую колонку, вымывая (элюируют), пропуская через колонку растворитель. Вместе с фронтом растворителя движутся и самые крупные молекулы.

Более мелкие молекулы диффундируют внутри гранул и на некоторое время попадают в неподвижную фазу, в результате чего движение задерживается. Величина пор опрелЯ ляет размер молекул, способных проникали внутрь гранул

Так как гелевая структура сефадекса легко лея формируется под давлением, гели стали заменять более жёсткими матрицами (сефактил, той-1 оперл), представляющими сферические грануян с разными размерами пор. Выбор размеров пор! в гранулах зависит от целей хроматографии (о других хроматографических методах будет ска­зано ниже).

Метод разделения также основан на разли­чии в молекулярных массах белков. Скорость седиментации веществ в процессе вращения в ультрацентрифуге, где центробежное ускорение достигает 100 000-500 000 g, пропорционально их молекулярной массе. На поверхность буфер­ного раствора, помещённого в кювету, наносят тонкий слой смеси белков. Кювету помешают в ротор ультрацентрифуги. При вращении рото­ра в течение 10-12 ч более крупные молекулы (с большей молекулярной массой) оседают в буферном растворе с большей скоростью. В ре­зультате в кювете происходит расслоение смеси белков на отдельные фракции с разной молеку­лярной массой (рис. 1-56). После расслоения белковых фракций дно кюветы прокалывают I иглой и по каплям собирают содержимое не- ‘ большими порциями в пробирки. ‘Электрофорез белков

Метод основан на том, что при определен­иями -значении рН и ионной силы раствора бел-

ки двигаются в электрическом поле со скорос­тью, пропорциональной их суммарному заряду. Белки, имеющие суммарный отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а положительно заряженные белки — к катоду (—).

Электрофорез проводят на различных носи­телях: бумаге, крахмальном геле, полиакрила-мидном геле и др. В отличие от электрофореза на бумаге, где скорость движения белков про­порциональна только их суммарному заряду, в полиакриламидном геле скорость движения белков пропорциональна их молекулярным массам.

Разрешающая способность электрофореза в по­лиакриламидном геле выше, чем на бумаге. Так, при электрофорезе белков сыворотки крови че­ловека на бумаге обнаруживают только 5 главных фракций: альбумины, а,-глобулины, с^-глобули-ны, Р-глобулины и у-глобулины .Элек­трофорез тех же белков в полиакриламидном геле позволяет получить до 18 различных фракций. Для обнаружения белковых фракций полоски бумаги или столбики геля обрабатывают красителем (чаще всего бромфеноловым синим или амидовым чёр­ным). Окрашенный комплекс белков с красите­лем выявляет расположение различных фракций на носителе.

Так же как и электрофорез, метод основан на разделении белков, различающихся суммар­ным зарядом при определённых значениях рН и ионной силы раствора. При пропускании ра­створа белков через хроматографическую колон­ку, заполненную твёрдым пористым заряжен­ным материалом, часть белков задерживается на нём в результате электростатических взаи­модействий.

В качестве неподвижной фазы используют ионообменники — полимерные органические вещества, содержащие заряженные функцио­нальные группы.

Различают положительно заряженные анио-нообменники, среди которых наиболее часто используют диэтиламиноэтилцеллюлозу (ДЭАЭ-целлюлозу), содержащую катионные группы, и отрицательно заряженные катионообменники, например карбоксиметилцеллюлозу (КМ-цел-люлозу), содержащую анионные группы.

Выбор ионообменника опреДСЛЯОТОЯ шридом выделяемого белка. Так, дли выделения ОТрИШ

тельно заряженного белка используют анионооб-менник. При пропускании раствора белка через колонку прочность связывания белка с анионо-обменником зависит от количества отрицательно заряженных карбоксильных групп в молекуле. Белки, адсорбированные на анионообменнике. можно смыть (элюировать) буферными раство­рами с различной концентрацией соли, чаще всего NaCI, и разными значениями рН. Ионы хлора связываются с положительно заряженными фун­кциональными группами анионообменника и I вытесняют карбоксильные группы белков. При низких концентрациях соли элюируются белки, слабо связанные с анионообменником. Постелен- I ное увеличение концентрации соли или измене­ние рН, что меняет заряд белковой молекулы, при водит к выделению белковых фракций, в одной из которых находится искомый белок. \/ Аффинная хроматография, или хроматография по сродству

Это наиболее специфичный метод выделения индивидуальных белков, основанный на изби­рательном взаимодействии белков с лигандами, прикреплёнными (иммобилизированными) к твёрдому носителю. В качестве лиганда может быть использован субстрат или кофермент, если выделяют какой-либо фермент, антигены для выделения антител и т.д. Через колонку, запол­ненную иммобилизованным лигандом, пропус­кают раствор, содержащий смесь белков. К ли-ганду присоединяется только белок, специфично взаимодействующий с ним; все остальные бел­ки выходят с элюатом (рис. 1-58). Белок, ад­сорбированный на колонке, можно снять, про­мыв её раствором с изменённым значением рН или изменённой ионной силой. В некоторых случаях используют раствор детергента, разры­вающий гидрофобные связи между белком и лигандом.

Аффинная хроматография отличается высо­кой избирательностью и помогает очистить вы­деляемый белок в тысячи раз.

источник