рк-1. 1. аминокислоты и их биологические функции Аминокислоты
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Биохимия Практика 1 1. аминокислоты и их биологические функции Аминокислоты – это органические составляющие белков, их мономеры. По структуре эти соединения состоят из карбоксильных и аминных групп, а также радикала. Большая часть организма построена из различных белков, поэтому без аминокислот людям обойтись нельзя, особенно спортсменам, ведь эти соединения являются строительными кирпичиками почти во всех клетках и органах. Ваши мышцы состоят из миофибрилл, а они в свою очередь из нитей белков: актина и миозина. При наращивании мышечной массы атлету нужен материал для его мускулов, которым как раз выступают различные аминокислоты Эти соединения делятся на протеиногенные и непротеиногенные. Первые – это 20 аминокислот, которые кодируются нашей ДНК и составляют структуру белков. Вторые – это все остальные, которых в природе насчитывается больше двух сотен. Они участвуют в метаболизме, но функций у них гораздо меньше. Те 20 основных аминокислот, из которых строятся белки тоже можно разделить на несколько групп: заменимые незаменимые и условно-заменимые Те, которые не могут в полном объеме вырабатываться организмом, рекомендуется принимать с пищей. Функции аминокислот: участвуют в регенерации мышц, связок, суставов регулируют обмен веществ любой строительный процесс идет с их помощью отвечают за деление клеток, функционирование рецепторов, транспорт веществ, работу иммунитета все функции белков, так как они это длинная и сложная цепь аминокислот КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ Серосодержащие-(Цистеин) Алифатические-(Глицин) Ароматические-(Фенилаланин) Кислые-(Аспарагиновая кислота) Нетральные-(Глицин) Основные –(Лизин) Заменимые и не заменимые Аминокислоты Заменимые- синтезируются в организме Незаменимые- не синтезируются в организме 3-белки, уровен структурной организации белковой молекулы Выделяют четыре уровня структурной организации белков: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каждый уровень имеет свои особенности. Первичная структура белка Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Первичная структура - простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты. Особенности первичной структуры белка. В составе полипептидной цепи чередуются жесткие структуры (плоские пептидные группы) с относительно подвижными участками (—СНR), которые способны вращаться вокруг связей. Такие особенности строения полипептидной цепи влияют на укладку ее в пространстве. Вторичная структура белка Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые (β-структура и кросс-β-форма). α-Спираль. Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали, образующейся благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипептидной цепи. Основные особенности α-спирали: • спиральная конфигурация полипептидной цепи, имеющая винтовую симметрию; • образование водородных связей между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотных остатков; • регулярность витков спирали; • равнозначность всех аминокислотных остатков в α-спирали независимо от строения их боковых радикалов; • боковые радикалы аминокислот не участвуют в образовании α-спирали. β-Структура. Это разновидность вторичной структуры, которая имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или смежных полипептидных цепей. В белках возможны переходы от α-структур к β-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирализованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипептидных цепей. Такой переход обнаружен в кератине — белке волос. Третичная структура белка Третичной структурой белка называется способ укладки полипептидной цепи в пространстве. По форме третичной структуры белки делятся в основном на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а фибриллярные (нитевидные) белки — вытянутую (форма палочки, веретена). Спирализация линейной полипептидной цепи уменьшает ее размеры примерно в 4 раза; а укладка в третичную структуру делает ее в десятки раз более компактной, чем исходная цепь. Связи, стабилизирующие третичную структуру белка. В стабилизации третичной структуры играют роль связи между боковыми радикалами аминокислот. Эти связи можно разделить на: • сильные (ковалентные) • слабые (полярные и ван-дер-ваальсовы) Особенности организации третичной структуры белка. При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому неполярные R-группы, "избегая" воды, образуют как бы внутреннюю часть третичной структуры белка. Четвертичная структура белка Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин — белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т. д.). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Стабилизация четвертичной структуры белков. Все белки, у которых обнаружена четвертичная структура, выделены в виде индивидуальных макромолекул, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры каждой из полипептидных цепей боковые радикалы неполярных аминокислот (составляющих большую часть всех протеиногенных аминокислот) спрятаны внутри субъединицы. Особенности структурной организации некоторых фибриллярных белков Структурная организация фибриллярных белков имеет ряд особенностей по сравнению с глобулярными белками. Эти особенности можно проследить на примере кератина, фиброина и коллагена. Кератины существуют в α- и β-конформациях. 4-Домены. типы связей, стабилизирующих уровни структурной организации белка.  Доме́н белка́ — элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, фолдинг которой проходит независимо от остальных частей. В состав домена обычно входит несколько элементов вторичной структуры. Сходные по структуре домены встречаются не только в родственных белках (например, в гемоглобинах разных животных), но и в совершенно разных белках. Домен [лат. dominium — владение]: небольшая область в веществе, отличающаяся физическими свойствами от смежных областей участок полипептидной цепи белка, выполняющий определенную функцию (напр., цитоплазматический домен, трансмембранный домен и др.) дискретный участок хромосомы, обладающий специализированной функцией и строением Ковалентные связи. Структуру белков стабилизируют ковалентные связи двух типов — пептидные и дисульфидпые связи. Пептидные (амидные) связи формируют остов полипептидной цепи — ее первичную структуру. Энергия пептидной связи равна 350-400 кДж/моль (см. п. 15.1)/ Дисульфидные связи образуются между цистеиновыми остатками одной и той же белковой цепи и участвуют, как правило, в формировании третичной структуры белка. Энергия дисульфидной связи составляет около 293 кДж/моль.  Не все белки содержат дисульфидные связи. Нековалентные связи. Нековалентные связи очень слабые, но из-за наличия большого числа отдельных слабых взаимодействий они определяют пространственную форму и стабильность белковой молекулы (рис. 15.4). Водородные связи, как правило, образуются между подвижным атомом водорода кислотного центра, несущим частичный положительный заряд (например, групп -ОН, -NH, -SH), и парой электронов гетероатома основного центра, чаще всего атома кислорода или азота. Водородная связь имеет донорно-акцепторную природу (см. 2.2.4). Наибольшее значение в формировании и стабилизации вторичной пространственной структуры белков имеют водородные связи между СО- и NH- группами спирализованной или складчатой полипептидной цепи. В неполярном окружении энергия водородной связи СО* • *HN составляет около 16,7 кДж/моль, а повышение полярности среды снижает энергию водородной связи (в воде до 5-6 кДж/моль). Возможно образование водородных связей с участием функциональных групп боковых радикалов аминокислотных остатков, например ОН-груп- пы серина, треонина или тирозина, SH-группы цистеина, NH^-rpynnbi лизина и аргинина, СООН-группы аспарагиновой или глутаминовой кислот. Эти водородные связи участвуют в формировании и стабилизации третичной структуры белковой молекулы. Гидрофобные взаимодействия — это взаимодействия, имеющие энтропийную природу. Их возникновение связано с тем, что неполярные (гидрофобные) заместители -СН3, -СН-(СНз)2, -CgHs стремятся внутрь белковой молекулы, чтобы ограничить контакты с водой. При этом образуются гидрофобные кластеры, обладающие минимумом энергии, которые и формируют ядро (кор) третичной структуры белка. Энергия такого взаимодействия составляет около 6,5 кДж/моль. Электростатическое взаимодействие (солевые связи) — это взаимодействие между ионизированными и имеющими противоположные заряды полярными радикалами аминокислотных остатков. Энергия этого взаимодействия в гидрофобном окружении может достигать 35-40 кДж/моль. Во многом подобны электростатическим взаимодействиям ион-дипольные и диполь-диполь- ные взаимодействия. 5-Свойства белков: растворимость, изоэликтрическая точка, денатурация и ренатурация. Основные методы выделения, фракционирования и изучения размеров и формы белковых молекул. Растворимость белков Полярные группы белков способны взаимодействовать с водой (гидратироваться), а также с низкомолекулярными органическими соединениями и ионами (с этим свойством связана транспортная функция белков). Количество воды, связанной с белком, достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных полярных групп значительно больше на поверхности белковой глобулы, чем внутри ее, эти группы образуют так называемую гидратную оболочку белковой молекулы. Но есть и гидрофобные белки, они нерастворимы в воде, но растворяются в жирах (липидах) и встречаются в основном в клеточных мембранах. Растворимость белков зависит от количества гидрофильных (полярных) групп, от размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда, а также от наличия в растворе других растворенных веществ. Например, некоторые белки не растворяются в дистиллированной воде, но растворяются в присутствии небольшой концентрации нейтральных солей. При высоких концентрациях солей белки выпадают в осадок (высаливание), причем для осаждения различных белков требуется разное количество соли, что используется для фракционирования белков. Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют сульфат аммония. После удаления соли (например, диализом) осажденный белок вновь растворяют, при этом сохраняются его нативные свойства. Растворимость белков зависит также от особенностей их структурной организации: глобулярные белки, как правило, лучше растворимы, чем фибриллярные. рН среды влияет на заряд белка, а, следовательно, на его растворимость. Растворимость и устойчивость белка минимальны при рН, соответствующем изоэлектрической точке белка. Между температурой и растворимостью белка строгой зависимости не имеется. Одни белки (глобулины, пепсин, фосфорилаза мышц) в водных или солевых растворах с повышением температуры растворяются лучше; другие (альдолаза мышц, гемоглобин и другие) - хуже. Изоэлектрическая точка белка В белках, как правило, содержатся различные основные и кислотные группы, которые обладают способностью к ионизации. Поэтому почти при всех условиях белки являются полиэлектролитами. В сильнокислой среде белок ионизируется по типу оснований: в нем активно протонируются основные группировки (аминогруппы и др.) и молекулы белка приобретают суммарный положительный заряд. В сильнощелочной среде белок ионизируется по типу кислот: в нем легко диссоциируют карбоксильные группы и молекулы белка приобретают суммарный отрицательный заряд. Источниками положительного заряда в белках являются боковые радикалы остатков лизина, аргинина и гистидина, а-аминогруппа остатка N-концевой аминокислоты. Источниками отрицательного заряда — боковые радикалы остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот, а-карбоксильная группа остатка С-концевой аминокислоты. Именно эти аминокислоты, входя в состав белка, определяют его кислотно-основные свойства. Что же касается а-аминных и а-карбоксильных групп остальных аминокислот, входящих в состав белка, то они в его кислотно-основные свойства не вносят никакого вклада, поскольку эти группы вовлечены в образование ковалентных пептидных связей и уже не способны к ионизации. По мере понижения кислотности среды протонирование основных групп в белковых молекулах уменьшается, а диссоциация карбоксильных групп усиливается. При понижении щелочности белкового раствора, напротив, уменьшается диссоциация карбоксильных групп и усиливается протонирование основных. При определенном значении pH среды в белке возникает равное количество положительных и отрицательных зарядов, т.е. его суммарный электрический заряд оказывается равным нулю. Такое значение pH раствора, при котором молекула белка электронейтральна, называют изоэлектрической точкой белка (pi). В изоэлектрической точке белок теряет способность передвигаться в электрическом поле. Значение изоэлектрической точки является характерной константой белка. Она определяется его аминокислотным составом и структурой: количеством и расположением остатков кислых и основных аминокислот в полипептидной цепи. Изоэлектрические точки белков, в которых преобладают остатки кислых аминокислот, располагаются в области pH < 7, а белков, в которых преобладают остатки основных аминокислот, — в области pH > 7. Изоэлектрические точки большинства белков находятся в слабокислой среде и близки к 7, что обусловлено приблизительно одинаковым содержанием в молекулах белков кислых и основных аминокислотных остатков. В изоэлектрическом состоянии растворы белков обладают минимальной вязкостью. Это связано с изменением формы белковой молекулы. В изоэлектрической точке разноименно заряженные группы притягиваются друг к другу, и белки закручиваются в клубки. При смещении pH от изоэлектрической точки одноименно заряженные группы отталкиваются, и молекулы белка развертываются. В развернутом состоянии белковые молекулы придают растворам более высокую вязкость, чем свернутые в клубки. В изоэлектрической точке белки обладают минимальной растворимостью, и в таком состоянии их легче всего осадить. Чтобы осадить белок, надо к его раствору добавить какое-либо вещество, обладающее сильной водоотнимающей способностью. Например, белки можно осадить с помощью органических растворителей (спирта, ацетона), нарушающих систему гидрофобных контактов в молекулах белка, а также высоких концентраций солей (методом высаливания), уменьшающих гидратацию белковых глобул. |