Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 8 ПОЛИПЕПТИДЫ. БЕЛКИ Содержание лекции 8.1. Определения « пептид», «белок» Биологические функции пептидов и белков.
8.3.1.Пептиды. Образование пептидной связи, ее электронное строение (делокализация, NН кислотный центр, таутомерия); 8.3.2.Вторичная структура белка. Белки глобулярные и фибрилярные. Характер внутри- и межмолекулярных взаимодействий; 8.3.3. Третичная и четвертичная структура белка. Стабилизация глобулярных белков (ионные, ковалентные, дисперсионные связи). Гидрофильные и гидрофобные участки; Роль SH групп пептидов и белков в биологических процессах. 8.4. Физико-химические свойства белка ( амфотерные свойства, изоэлектрическая точка, способность к диализу, электрофорез белков) . Денатурация белков.
8.6. Приложение . История развития химии белков. Исходный уровень знаний для усвоения темы: Теория Бренстеда-Лоури кислотно-основных свойств биоорганических соединений, классификация аминокислот, амфотерные свойства аминокислот, реакция нуклеофильного замещения - образование , гидролиз амидов, понятия «водородная связь», «изоэлектрическая точка», определение интервала значений рI аминокислот, химические свойства тиольных групп. Ключевые слова к теме C- концевая аминокислота, N- концевая аминокислота, белок( глобулярный, фибриллярный), денатурация, качественные реакции,, пептид, пептидная связь, а – спираль, структура белка( первичная, вторичная, третичная, четвертичная), фермент, электрофорез. 8.1. Определения « пептид» «белок» Биологические функции пептидов и белков Полипептиды( пептиды) и белки – полимеры, состоящие из мономеров аминокислот. Природные пептиды и белки организма человека и животных образованы только L- а-аминокислотами. Контроль их состава осуществляется жестко на двух этапах: Первый этап – быстрое разрушение D-аминокислот в случае попадания их в организм. Известно, что несмотря на сходство физико-химических свойств любых энантиомеров, D –аминокислоты термодинамически более устойчивы и L – стереоизомеры в условиях in vitro медленно превращаются в свой зеркальный антипод. D-аминокислоты образуются, например, в продуктах питания в процессе их многолетнего хранения, содержатся в белках мембран некоторых бактерий, и есть сведения, что их находят в метеоритах , прилетевших из космоса. Любые D- а – аминокислоты в клетке превращаются в соответствующие кетокислоты, окисляясь ферментом оксидазой D-аминокислот, которая относится к наиболее активным, «быстрым» ферментам организма человека. Второй этап - осуществляется на уровне трансляции, т РНК клеток человека обладает стереоспецифичностью и переносит только L-аминокислоты Молекулярная масса пептидов ограничивается значением М= 5000, это значит, что в пептидной цепи может быть от 2-3 до 40 аминокислот, молекулярная масса белков -значительно выше, в пределах 5 тысяч до 1 млн. Белки обладают более сложным макромолекулярным строением по сравнению с пептидами. Многие пептиды синтезируются ферментами без участия рибосом, синтез белков происходит только на рибосомах с участием особых регуляторных и контролирующих белков-шаперонов. Функции белков и пептидов многообразны и, главное, специфичны. Это означает, что каждый белок выполняет одну строго определенную функцию. Все запрограммированные природой процессы проходят с участием белков. ДНК------------>-структурный ген----( транскрипция)---------->-иРНК -----------> ------ > -рибосома ---(трансляция)---------> белок Биологические функции белков
спектрин ) 3. Структурная ( белки коллаген, эластин, фибронектин, базальная мембрана) 4. Транспортная ( гемоглобин, миоглобин, альбумин крови )
антисвертывающая система крови) 8. Антиоксиданты ( церулоплазмин ) 9. Антибиотики ( микробактериальное происхождение- актиноксантин и др.) 10.Запасная ( альбумин крови, яиц птиц, глиадин семян растений ) 11.Токсины ( ботулинический, дифтерийный, столбнячный ) 12. Алиментарная( пищевая) ( белки пищи - источники незаменимых аминокислот. Суточная норма белка около 70г/ сутки) Биологические функции пептидов
гипоталамуса, гипофиза)
8.2. Классификация белков В зависимости от химического состава белки разделяют на простые и сложные Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Таких белков в организме достаточно много : к ним относятся пищеварительные ферменты( пепсин. трипсин, амилаза слюны), сократительные белки ( актин, миозин), белок крови альбумин, гормоны инсулин, глюкагон Сложные белки в своем составе содержат еще другие химические соединения: - нуклеопротеиды состоят из нуклеиновых кислот, связанных с белками. К ним относятся рибосоы , ДНК/ гистоновые белками, иРНК в составе информосомы. - гликопротеины( содержат в своем составе углеводы) . для примера следует привести белково-углеводные комплексы матрикса соединительной ткани протеогликаны, фолликулостимулирующий гормон, некоторые рецепторы мембран клеток, факторы групповой принадлежности крови. липопротеины ( содержат в своем составе липиды триглицериды, фосфолипиды, эфиры холестерина) –мицеллярные образования- транспортные формы липидов в крови. хромопротеиды ( содержат в своем составе гем) - гемоглобин, миоглобин, некоторые ферменты ( каталаза, цитохромы) . Ферменты также могут быть простыми и сложными белками. В случае сложного белка – фермента он состоит из собственно белковой части – апофермента и небелковой части- кофермента, который может быть ионом металла, нуклеотидом, низкомолекулярным органическим соединением витамином. 8.3. Строение пептидов и белков. 8.3.1. Первичная структура белка Последовательное соединение аминокислот в полипептидной цепи приводит к образованию первичной структуры белка. ( см. лекцию «Аминокислоты»). Образуется особая пептидная группа -C(O)- NH- Строение первичной структуры природного белка имеет стабильную архитектуру : по всей ее длине повторяется фрагмент: между пептидными группами располагается атом углерода, связанный с радикалом и атомом водорода. Атом углерода находится в состоянии гибридизации sp3. Пептидная группа имеет плоскостное строение , четыре атома располагаются в одной плоскости. пептидная группа - NH - СН- СО- NH - СН- СО- .  | | R1 R 2 sp3 Строение пептидной группы в 1948 – 1955 гг. изучали Л.Полинг и Р.Кори. Они обнаружили особый характер этой связи: возникает система сопряжения, вследствие сопряжения возможно предположить возникновение двух «резонансных» структур, исчезает возможность свободно поворота вокруг связи - С—N-, атомы кислорода и водорода в природных белках располагаются в транс- положении. Углы между связями в пределах 116- 1250. Н \ / \ + / C — N б+ <———> C = N атомы С, О , N - sp2 // \ / \ O б- – O Резонансные структуры Если в составе первичной цепи имеются циклические аминокислоты( пролин, оксипролин) , то пептидная цепь может принять плоское цис- строение. 8.3.2. Вторичная структура белка Пространственная организация первичной полипептидной цепи носит название вторичной структуры. Регулярная структура полипептидной цепи определяет возможность формирования стандартных пространственных конформаций, которые обнаруживаются рентгеноструктурным и другими методами. Пространственные упорядоченные участки, стабилизированные водородными связями между пептидными СО- и NН- группами, называются элементами вторичной структуры. Спираль представляет собой наиболее высокоорганизованный и энергетически выгодный тип конформации отдельной полипептидной цепи, состоящей из L- аминокислот. Наиболее устойчивой из всех видов является правовращающая а-спираль, которая была впервые предложена Л. Полингом и Р. Кори в 1950 г. Вторичная а-спираль стабилизируется водородными связями. Водородные связи образуются между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амидной группы , разделенными тремя аминокислотными остатками. Группа NН образкет водородную связь с группой СО четвертого от нее аминокислотного остатка( 5 → 1 связь), образуя 13 членный цикл. Группы, образующие водородные связи, располагаются на соседних витках цепи. Один виток спирали вмещает 3,6 аминокислотных остатка. Это означает, что по всей длине спирали происходит последовательное смещение взаимодействующих группировок. Каждая пептидная группа, начиная со второго витка., образует две водородные связи к предыдущему и последующему виткам. R O \ | | — С — С — N———— виток цепи / Н Н • водородная связь • R O между пептидным группами 3 полных аминокислоты \ | | — С — С — N———— виток цепи / Н Н • водородная связь • R O \ | | — С — С — N——— виток цепи ( и т.д.) / Н Н Водородные связи почти параллельны оси спирали, а радикалы размещаются вне спирали на ее наружной поверхности. Спиралевидные участки разных белков обладают одинаковыми параметрами: шаг спирали( период идентичности) - 0,54 нм радиус спирали -0, 23 нм В белковых вторичных структурах встречаются отклонения от спирального строения, которые связаны с присутствием пролина, гидроксипролина и валина. В случае пролина и гидроксипролина, имеющих циклическое строение, в пептидной группе отсутствует атом водорода и образование водородной связи становится невозможным, в валине объемная изопропильные группы ослабляет спираль из-за пространственного отталкивания. а- Спираль встречается в белках очень часто. Например, в гемоглобине и миоглобине содержание а-спирали достигает 75%, в альбумине крови- 50% , а в пищеварительном ферменте химотрипсине- только 8%.. Другим типом организации полипептидной цепи является так называемая β-складчатая структура. Она стабилизируется водородными связями между развернутыми соседними полипептидными цепями. Эти цепи могут идти в одном направлении ( параллельная β- складчатая структура), или в противоположных направлениях (антипараллельная β- складчатая структура). β-Структура типична для фиброина шелка Сверхвторичная структура Образуется из ансамблей взаимодействующих между собой вторичных структур. Три а-спирали скручены в протофибриллы, которые, в свою очередь, объединены в микрофибриллу , образующую волос. Компактная левая тройная спираль тропоколлагена образуется из белковых цепей коллагена. Белок коллаген содержит 33% глицина( каждая третья аминокислота – глицин) , 20% пролина и оксипролина, 15 % лизина . Коллаген относится к белкам соединительной ткани, это наиболее распространенный белок нашего организма. 8.3.3. Третичная и четвертичная структура белка Третичная структура Пространственная компактная организация вторичной структуры белка , обеспечивающая выполнение биологических функций, носит название третичной структуры. В зависимости от строения третичной структуры все белки делят на две группы: глобулярные и фибриллярные. Белок называется фибриллярным , если отношение длины к ширине больше 10, а если меньше 10 – белок называется глобулярным ( ближе к шаровидному) . Большинство водорастворимых белков имеют глобулярное строение. Каждый белок обладает собственной уникальной просранственной структурой. Изменение этой пространственной структуры сопровождается изменением биологических свойств и биологической активности( увеличением или уменьшением, вплоть до полной потери). По современным представлениям укладка вторичной структуры в пространстве и превращение ее в третичную структуру происходит с участием особых белков- шаперонов. В стабилизации третичной структуры белка главная роль принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот, которые оказываются пространственно сближенными . Различают два типа взаимодействия., которые формируют различные по физико-химическим свойствам участки белковой молекулы: гидрофильное и гидрофобное. Гидрофильное взаимодействие обусловлено тремя видами химических связей : ионными, водородными, дисульфидными, а гидрофобное- дисперсионными силами ( Ван-дер-Ваальса), в которых участвуют метильные группы, ароматические циклы. Представим себе два пространственно сближенных участка цепи белковой молекулы:  ___________________________________________________________________| | | | | |  C ОО– О-Н SH S СН 3 | NH3+ О-Н SH S СН 3  | | | | | |Участок гидрофильного взаимодействия Участок гидрофобного взаимодействия ионное водородные дисульфидные притяжение связи связи Ионное электростатическое притяжение возникает между ионизированными карбоксильными группами радикалов глутаминовой и аспарагиновой кислот и аминогруппами лизина и аргинина. Водородные связи образуются между гидроксильными группами , которые присутствуют в радикалах аминокислот серина, треонина и тирозина. Дисульфидные связи образуются при окислении тиольных( меркапто) групп цистеина , дисульфидные связи поддерживают жесткость третичной структуры белка на определенных его участках. Тиольные группы белков находятся в особом акьтвном центре белка и участвуют в проявлении каталитической активности; они образуют промежуточные соединения – тиополуацетали при окислении альдегидов( см. лекцию «Механизмы биоорганических реакций», раздел « Реакции нуклеофильного присоединения».) Поддержание природной( нативной) третичной структуры белка чрезвычайно важно для сохранения его специфических биологических свойств. Пространственно сближенные радикалы аминокислот образуют на поверхности белковой глобулы особые активные участки, которые служат для связывания реагирующих веществ ( субстратов), осуществления каталитического действия и для фиксации сигналов об изменении каталитической активности. Четвертичная структура Многие белки состоят из нескольких субъединиц( протомеров), которые могут иметь одинаковый или различный аминокислотный состав. В этом случае белки имеют четвертичную структуру. Белки обычно содержат четное число субъединиц: две, четыре, шесть. Взаимодействие происходит за счет ионных, водородных связей, Ван-дер-ваальсовых сил. Гемоглобин взрослого человека HbA состоит из четырех попарно одинаковых субъединиц ( а 2 β 2 ). Четвертичная структура дает многие биологические преимущества: а) возникает экономия генетического материала., уменьшается длина структурного гена и иРНК, в которых записана информация о первичной структуре белка. б) возможно осуществлять замену субъединиц, что позволяет изменять активность фермента в связи с изменяющимися условиями( осуществлять адаптацию). Гемоглобин новорожденного состоит из белков ( а 2 γ 2 ) . но в течение первых месяцев состав становится как у взрослого человека (а 2β 2) . 8.4. Физико-химические свойства белка 8.4.1. Амфотерность - кислотно- основные свойства белков. Изоэлектрическая точка Белки, как и аминокислоты, являются амфотерными соединениями и обладают буферными свойствами. Белки можно разделить на нейтральные, кислые и основные. Нейтральные белки содержат равное число групп, склонных к ионизации: кислотных и основных. Изоэлектрическая точка таких белков находится в среде, близкой к нейтральной, если рН < pI , то белок становится положительно заряженным катионом, pH > pI , то белок становится отрицательно заряженным анионом. +Н + ОН– + NH 3 - белок - COOН <——> + NH 3 - белок - COO– <——> NH 2 - белок - COO– рН < pI водный растворI pH > pI нейтральный белок Кислые белки содержатнеравное число групп, склонных к ионизации : карбоксильных больше, чем аминогрупп. В водном растворе они приобретают отрицательный заряд, а раствор становится кислым. При добавлении кислоты ( Н+) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а затем в избытке кислоты – превращается в катион. В щелочной среде такой белок заряжен отрицательно( исчезает заряд аминогруппы). Кислый белок + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 -белок- COOН | <——> | <——> | CОО– CООН COOН Водный раствор рН = р I рН < pI В избытке кислоты белок заряжен положительно Кислый белок в щелочной среде заряжен отрицательно + NH 3 - белок - COO– ОН– NH 2 - белок - COO– | <——> | CОО– CОО– pH > pI Основные белки содержатнеравное число групп, склонных к ионизации : аминогрупп больше, чем карбоксильных. В водном растворе они приобретают положительный заряд, а раствор становится щелочным. При добавлении щелочи ( ОН–) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а далее в избытке щелочи – превращается в анион. В кислой среде такой белок заряжен положительно( исчезает заряд карбоксильной группы) Основный белок + NH 3 - белок - COO– + ОН– + NH 3 - белок - COO– + ОН– NH 2 - белок –СОО– | <——> | <——> | + NH 3 NH2 NH2 Водный раствор рН = р I pH > pI В избытке основания Основный белок белок заряжен отрицательно В кислой среде заряжен положительно + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 - белок – COOН | <——> | + NH 3 + NH 3 рН < pI Сделаем важный вывод: в кислой среде ( рН < 3 ) белки заряжены положительно, в щелочной среде( рН>10 ) белки заряжены отрицательно, нейтральный заряд имеет белок в изоэлектрической точке, которая у каждого белка своя. Наименьшей устойчивостью обладают растворы белков в изоэлектрической точке. Белки, объединяются в более крупные частицы, начинается седиментация( осаждение) под действием собственной силы тяжести. Значение рН крови равно 7,4, в крови присутствуют, в основном, кислые белки |