Семинар (1) (Планы семинарских занятий)

ПЛАН СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ

(2-й семестр, 3-й курс)

Семинар 4.

Аминокислоты, пептиды, белки.

Природные аминокислоты. Непротеиногенные (небелковые) аминокислоты, их биологическая роль. Протеиногенные (белковые) стандартные и нестандартные (6-N-метиллизин, γ-карбоксиглутаминовая кислота, 3- и 4-гидроксипролин, 5-гидроксилизин, цистин,) аминокислоты, их биологическая роль. Селеноцистеин и пирролизин. Основные принципы различных способов классификаций белковых аминокислот. Трехбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислот.

Стереохимические и оптические свойства, спектры поглощения и флуоресценции аминокислот. Химические свойства аминокислот: 1) кислотно-основные (амфотерные) свойства, ионизация аминокислот, кривые титрования, расчет заряда; 2) химические свойства, определяемые наличием NH₂- и СООН-группами (протонирование-депротонирование, реакция этерификации, восстановление до аминоспиртов, образование амидов, реакции комплексообразования); 3) реакции с совместным участием амино- и карбоксильной групп (образование пептидной связи); 4) химические свойства, определяемые функциональными радикалами. Важнейшие представители различных классов аминокислот и их биологическая роль. Классификация аминокислот.

Методы разделения аминокислот, основанные на их физико-химических свойствах.

Пептиды. Природа пептидной связи, ее образование, структурные и химические особенности. Природные биологически активные пептиды (антибиотики, гормоны, карнозин и анзерин). Глутатион: структура, биологическая роль.

Белки. Различные способы классификации белков. Классификация белков, основанная на их биологических функциях.

Простые белки. Растворимые и нерастворимые белки. Глобулярные и фибриллярные белки. Физико-химические свойства белков (молекулярная масса, изоэлектрическая точка, гидрофобные свойства, растворимость, термостабильность и термолабильность). Обратимая и необратимая денатурация белка. Методы разделения и очистки белков, основанные на их физико-химических свойствах. Методы определения молекулярной массы белка и его концентрации в растворе. Получение высокоочищенных препаратов белков и критерии их гомогенности.

Современные представления об уровнях структурной организации белков. Первичная структура белка и методы ее определения; метод Эдмана (с фенилизотиоцианатом (ФИТЦ)). Вторичная структура: упорядоченная и неупорядоченные структуры полипептидных цепей (α-спираль, β-слой, β-изгиб). Надвторичная структура. Белковые мотивы, домены и модули. Третичная структура белка. Формирование нативной структуры белка (фолдинг белков). Молекулярные шапероны (белки теплового шока): их классификация, строение, принцип действия и биологическая роль. Убиквитин и его биологическая роль. Прионы. Амилоидозы. Четвертичная структура белка. Связь между первичной и высшими степенями структурной организации белков. Природа взаимодействий, обеспечивающих ту или иную структурную организацию белка («слабые» связи - водородные, ионные, ван-дер-ваальсовы; гидрофобные взаимодействия; ковалентные дисульфидные связи). Роль остатков глицина и пролина в структурной организации белков. Конформационная подвижность белка.

Особенности структуры мембраносвязанных белков.

Сложные белки: металлопротеины, гемопротеины, железосерные белки, флавопротеины, гликопротеины, протеогликаны, липопротеины, нуклеопротеины, фосфопротеины. Основы классификации белков.

Миоглобин и гемоглобин как примеры глобулярных гемопротеинов: структура, свойства, сходства и различия, биологическая роль. Факторы, влияющие на связывание кислорода.

Посттрансляционная модификация белков: фосфорилирование, гликозилирование, АDР-рибозилирование, ацилирование N-концевой аминокислоты, ограниченный протеолиз, внутримолекулярные перегруппировки.

Семинар 5.

Метаболизм аминокислот.

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте. Образование НСl и её роль в переваривании белков. Понятие зимогенов, протеолитические ферменты, их активация и специфичность. Перенос аминокислот из кишечника в кровяное русло.

Пути превращения (образования и распада) аминокислот в тканях. Типы дезаминирования аминокислот. Прямое неокислительное дезаминирование. Прямое окислительное дезаминирование: оксидазы аминокислот, окислительное дезаминирование глутамата. Глутаматдегидрогеназа: свойства и регуляция фермента, обратимость катализируемой реакции, её коферменты и роль в метаболизме аминокислот. Непрямое дезаминирование аминокислот (трансаминирование): трансаминазы, механизм реакции, кофермент реакции пиридоксальфосфат (структура и роль в превращении аминокислот), роль α-кетоглутарата в процессе трансаминирования, пути его образования и превращения. Различные пути метаболизма глутамата.

Свойства аммиака, пути его образования и результаты токсического действия. Детоксикация аммиака: транспортные системы переноса аммиака из периферических тканей в печень и почки; роль аминокислот (глутамин, аспарагин и аланин) в этом процессе. Глюкозо-аланиновый цикл. Конечные продукты обмена азота и способы их выведения из организма: аммониотелия, уреотелия и урикотелия.

Синтез мочевины (цикл мочевины) - конечного продукта обмена азотистых соединений у млекопитающих: последовательность химических реакций, суммарное уравнение, энергетическая цена процесса, биологическая роль. Взаимосвязь основных путей обмена аммиака.

Семинар 6.

(продолжение)

Пути превращения углеродных скелетов аминокислот: через пируват и ацетилСоА, через ацетилСоА без образования пирувата, через α-кетоглутарат, сукцинил-СоА, фумарат и оксалоацетат, их включение в цикл Кребса. α-Кетокислоты - продукты распада аминокислот. Оксалоацетат: пути образования и превращения, роль в метаболизме. Гликогенные и кетогенные аминокислоты.

Декарбоксилирование аминокислот (пиридоксальфосфатзависимое декарбоксилирование); механизм реакции. Образование биогенных аминов (триптамин, серотонин, гистамин, катехоламины: дофамин, норадреналин, адреналин) и других биологически активных веществ (тироксин, γ-аминомасляная кислота). Роль декарбоксилированных производных аминокислот в метаболизме. Распад биогенных аминов под действием моно- и диаминоксидаз.

Типы декарбоксилирования (тиаминпирофосфатзависимое (неокислительное и окислительное), металлзависимое, пиридоксальфосфатзависимое).

Заменимые и незаменимые для млекопитающих аминокислоты. Общие представления о синтезе заменимых аминокислот (из α-кетокислот (α-кетоглутарата, оксалоацетата и пирувата), из 3-фосфоглицерата и из других аминокислот). Образование незаменимых для млекопитающих аминокислот.

Дикарбоновые аминокислоты: структура, свойства, роль в формировании структуры белка и участие в обмене веществ.

Алифатические аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.

Ароматические аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.

Кислородсодержащие аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль.

Серосодержащие аминокислоты: структура, свойства, биологическая роль. Образование S-аденозилметионина, его структура и биологическая роль.

Амиды: структура и биологическое значение.

Семинар 7.

Ферменты.

Скорость химической реакции. Физический смысл константы скорости химической реакции. Равновесные реакции. Общие представления о катализе. Энергетическая диаграмма реакции, переходное состояние, энергия активации. Влияние катализатора на константу скорости химической реакции и на равновесие реакции.

Ферменты как биологические катализаторы; их отличия от неорганических катализаторов, химическая природа (белки, абзимы, рибозимы). Обратимость и специфичность (абсолютная, относительная) ферментативного катализа. Общие представления о строении фермента, активном и аллостерических центрах, и о механизме ферментативного катализа (на любом конкретном примере). Модели жесткого и индуцированного соответствия активного центра фермента и субстрата. Простые и сложные ферменты, апо- и холоферменты, кофакторы, коферменты и простетические группы.

Основные представления о кинетике ферментативных реакций. Образование фермент-субстратного комплекса. Скорость ферментативной реакции; начальная скорость реакции. Приближения и допущения Михаэлиса. Уравнение Михаэлиса-Бриггса-Холдейна (вывод уравнения) и его преобразования. Графические методы анализа ферментативных реакций. Активация и ингибирование ферментативных процессов. Физический смысл константы Михаэлиса. Максимальная скорость ферментативной реакции. Активность и число оборотов ферментов. Односубстратные и двусубстратные реакции.

Влияние температуры, величины рН и состава среды измерения на активность фермента (на скорость ферментативной реакции).

Принципы регуляции ферментативных процессов в организме (внешняя и внутренняя регуляция). Регуляция путем изменения количества фермента (воздействие на скорости его синтеза или распада на генном уровне): 1) пути с участием вторичных посредников, 2) путь без участия вторичных посредников. Регуляция за счет изменения активности фермента, не затрагивающая экспрессию генов: 1) изостерическая регуляция (субстратом и/или продуктом), 2) аллостерическая регуляция: активаторы и ингибиторы, влияющие на (а) сродство фермента к субстрату, (б) изменение конформации фермента, (в) изменение четвертичной структуры фермента, (г) кооперативные эффекты. Типы ингибирования ферментов: необратимое и обратимое (конкурентное, неконкурентное, смешанное, бесконкурентное), полное и неполное, ингибирование субстратом и продуктом реакции. 3) Посттрансляционная модификация ферментов (а) фосфорилирование-дефосфорилирование (протеинкиназы, протеинфосфатазы; аминокислотные остатки, подвергающиеся фосфорилированию), (б) ограниченный протеолиз (формирование структуры белка, изменение четвертичной структуры, разделение доменов, активация зимогенов), (в) АDР-рибозилирование, (г) аденилирование, (д) уридилирование, (е) метилирование, (ж) гликозилирование. 4) Изменение температуры и рН как способ регуляции ферментативной активности. Регуляция метаболических путей; ферменты метаболического пути, которые нужно регулировать. Футильные циклы как пример регуляции ферментативных систем. Реципрокная регуляция.

Понятие изоферментов (на любом конкретном примере), их биологическое значение. Множественные формы ферментов.

Специфическая локализация ферментов в клетке (конкретные примеры). Органоспецифичность ферментов.

Международная классификация ферментов. Основные классы ферментов и их представители. Оксидоредуктазы: а) дегидрогеназы: строение коферментов, катализируемые реакции и роль в клеточном обмене (NAD⁺(Р)/NAD(Р)H-зависимые и флавиновые дегидрогеназы); б) оксидазы, в) пероксидазы, г) редуктазы и др. Трансферазы: а) карбомаилтрансферазы, б) ацилтрансферазы, в) гликозилтрансферазы, г) аминотрансферазы (трансаминазы), д) киназы и др. Гидролазы: а) эстеразы, б) гликозидазы, в) пептидазы, г) амидазы, д) АТФ-азы и др. Лиазы: а) декарбоксилазы, б) альдегидлиазы, в) гидролиазы, г) амидинлиазы и др. Изомеразы: а) эпимеразы, б) цис-транс-изомеразы, в) мутазы и др. Лигазы: а) С-С-лигазы, С-N-лигазы, С-О-лигазы и др. (Приведите конкретные примеры ферментов, относящихся к каждому классу, и их коферментов, реакции, ими катализируемые и метаболические пути, в которых эти реакции встречаются).

Витамины и их активные формы в качестве коферментов.

Витамины и их роль в образовании кофакторов (коферментов).

Водорастворимые витамины. Витамины группы В и их производные: В₁ – тиамин - тиаминпирофосфат, строение и роль в обмене веществ; В₂ – рибофлавин - флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид; В₅ - пантотеновая кислота - кофермент А; строение и роль в обмене веществ; В₆ – пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин - пиридоксальфосфат, пиридоксаминфосфат; структура и роль в превращении аминокислот; В₁₂ – кобаламин - 5’-дезоксиаденозил-кобаламин, метилкобаламин; В_с (В₉) - фолиевая кислота - тетрагидрофолиевая кислота. Витамин РР - никотиновая кислота, - никотинамидадениндинуклеотиды (NAD⁺, NADH, NADP⁺, NADPH). Никотинамидные коферменты: строение и роль в обмене веществ. Витамин Н – биотин - биоцитин. Витамин С - аскорбиновая кислота.