Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Электрофорез белков При наличии заряда белки перемещаются в электрическом поле. Смеси белков можно разделять методом электрофореза – направленного движения белков от одного электрода к другому под действием постоянного электрического тока. Скорость движения зависит от массы белка и величины его заряда. Метод электрофореза широко применяется в медицине, биохимии, биологии для изучения ферментов, тканевых и плазменных белков , при изготовлении лекарственных препаратов белковой природы. 8.4.2. Денатурация белка Макроструктура белка является весьма чуткой к изменению условий среды, в которой существует белок. В белковой молекуле существует постоянное равновесие между силами, формирующими третичную( четвертичную) и силами отталкивания. которые возникают внутри самой молекулы и при взаимодействии с окружающей средой. При нарушении этого равновесия изменяются четвертичная, третичная и даже вторичная структура( кроме первичной! ). Возникает потеря природных свойств белка- денатурация. Денатурация может быть обратимой и необратимой. Часто видимым следствием денатурации белка является осаждение белка из раствора. Общими факторами денатурации являются : а) изменение температуры. Повышение температуры приводит к необратимой денатурации, большинство белков организма человека теряют свою активность при температуре выше 500С, а белки крови- даже при 43 – 450С. На этом основаны стерилизация медицинских препаратов и пастеризация пищевых продуктов. При снижении температуры денатурация является обратимой. Биологический белковый материал можно сохранять долго при низких температурах ( кровь, образцы тканей, растворы белковых гормонов , защитных γ-глобулинов, стволовые клетки) б) изменение рН среды. При изменении рН среды изменяется характер ионизации кислотных и основных групп в радикалах, изменяется характер ионного взаимодействия и количество водородных связей - изменяется пространственное строение белка и организация его активных участков. В организме человека поддерживается кислотно-основный гомеостаз. Значение рН крови равное 7,4 обеспечивает необходимую организму биологическую активность всех белковых молекул. в) действие окислителей и восстановителей. Изменяется соотношение восстановленных тиольных групп и дисульфидных связей, что вызывает изменение третичной структуры белка. Свободные тиольные группы белков содержатся и в активных участках ферментов, участвуют в химических реакциях( образование тиополуацеталей происходит в процессе окисления биоактивных альдегидов в карбоновые кислоты . См тему «Механизмы реакций. Реакции нуклеофильного присоединения») Лекарственные препараты, обладающие свойствами восстановителей. используются в медицине для поддержания структуры белка( аскорбиновая кислота- витамин С, раствор тиосульфата натрия ). Для химической завивки используют препараты, создающие дополнительные дисульфидные связи ; волосы после фиксации на круглой палочке( бигуди) становятся кудрявыми. г) ионы тяжелых металлов( свинца, меди, ртути , цинка ), которые образуют соли с тиольными группами на поверхности белковой молекулы. Попадание в желудочно-кишечный тракт солей тяжелых металлов и затем всасывание их в кровь вызывает тяжелые последствия. Различают хроническое воздействие и острое отравление. Заболевание « сатурнизм», связанное с накоплением ионов свинца в организме человека, сопровождается тяжелыми патологическими изменениями со стороны центральной нервной и кровеносной системы. Отравление ионами ртути сопровождается ранним старением организма, и приводит быстро к смерти ( в древние времена было характерно для иконописцев, которые использовали красную краску киноварь HgS, а для тонкого точного мазка обязательно брали кисточку в рот, чтобы получился острый кончик кисти). В связи с аналогичным токсическим действие свинца запрещено этилирование бензина. д) присутствие различных поверхностно-активных веществ, детергентов, которые влияют на гидрофобное взаимодействие в молекуле белка. Гидролиз фосфолипидов в составе мембраны сопровождается образованием солей высших карбоновых кислот- поверхностно-активных веществ, и это вызывает потерю эластических свойств мембраны ( изменение «текучести» мембраны). е) действие веществ, которые конкурируют за образование водородных связей, например, мочевины. Высокое и низкое содержание мочевины в крови способствует изменению свойств белков крови и внутриклеточных белков, особенно в составе белков мембран нейронов. ж) действие электролитов, которые разрушают гидратную оболочку белка( процесс «высаливания»). На этом основаны рекомендации полоскать горло солевыми растворами во время заболевания и в профилактических целях. Уже в древние времена знали, что засыпание солью( сильнейшая боль ! ) огнестрельной или резаной раны в условиях боя предотвращает развитие гангрены. з) физические воздействия ( ультразвук, лазерное воздействие, электрокоагуляция. ). Используется в медицинских целях в косметологии, лечении кожных, стоматологических болезней, в хирургии для остановки кровотечения. В современных медицинских технологиях используют лазерный луч. 8.5. Качественные реакции обнаружения белков в биологических объектах. Биуретовая реакция – обнаруживает пептидные связи. При добавлении иона Си(+2) в щелочной среде сопровождается развитием цветной фиолетовой окраски. Интенсивность окраски пропорциональна количеству пептидных связей( содержанию белка в биологической жидкости). В биохимической лабораторной диагностике на основе биуретовой реакции используют методики Фолина или Лоури. Ксантопротеиновая реакция- при действии азотной кислоты и последующем нагревании смеси получается осадок желтого цвета. Обнаруживает ароматические аминокислоты в составе белка ( фенилаланин и тирозин) Подробно методики приведены в «Практикуме по биоорганической химии» авторы Каминская Л.А., Перевалов С.Г. 8. 6. Приложение. История развития химии белков Термин белковый ( albumineise) был впервые применен французским химиком Ф. Кене в 1747 г. Так стали называть все биологические жидкости организма по аналогии с яичным белком. «Энциклопедия» Д. Дидро и Ж. Д' Аламбера в 1751 году именно так объясняла этот термин. В дальнейшем начались систематические исследования белков.В 1759г. А.Кессель-Майер выделил клейковину из растений, в 1762г. А. Халлер изучал процесс образования и свертывания казеина молока, в 1777г. А. Тувенеель, работавший в С-Петербурге, назвал творог белковой частью молока. В тот же период французский химик А. Фуркруа доказал единую химическую природу белков растительного и животного происхождения. В 1803 г. физик и химик Дж. Дальтон( ему принадлежит формулировка закона кратных отношений, исследование газовых законов и описание дефекта цветового зрения) отнес белки к азотсодержащим соединениям. В 1810г. известный всем школьникам Ж. Гей-Люссак провел химический анализ фибрина крови. Предполагают, что первым провел гидролиз белков А. Браконно в 1820 г. и получил аминокислоты, в том числе глицин и лейцин. Первая теория строения белков принадлежит химику Г. Мульдеру, он сформулировал ее в 1836г.Он предположил, что существует минимальная структурная единица, из которой простроены все белки , состав ( 2 С8 Н12 N2 + S0) и назвал ее протеином. Позднее теория была опровергнута, но термин остался и прочно вошел не только в научный язык химиков. В 1882г. В.Даль в «Толковом словаре русского языка» объясняет слово протеин- вещество, найденное в животных тканях. В книге Д.И.Меделева( 2-е изд. СанктПетербург, Изд. Товарищества «Общественная польза» 1863г.), упоминаются термины белки и протеиновые вещества : « Из органическихъ веществъ общи всемъ организмамъ протеновыи или белковыя вещества, отличающиеся сложным составомъ, способностью легко изменяться и даже способствовать измененiю других веществъ. Белковое вещество, производящее эти изменения, называется ферментомъ»( сохранено правописание). Близок к открытию структуры белка был российский биохимик А.В. Данилевский ( 1838 – 1923), который много занимался изучением ферментов и проблемой питания. В 1902 г. работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели к созданию пептидной гипотезы : « все белки состоят из аминокислот, соединенных между собой связью –СО-NH» Окончательно «пептидную теорию» сформулировали Э.Фишер и В. Гофмейстер( Нобелевская премия Э. Фишера 1902 г.) ь Успешное изучение состава белков началось благодаря работам английского биохимика Ф.Сэнгера, который в 1945 разработал метод определения аминокислотной последовательности( лауреат Нобелевских премий 1958, 1980) и С. Мура, который сконструировал в 1958 г. автоматический аминокислотный анализатор.( Нобелевская премия 1972) Строение пептидной группы стало возможным изучить после открытия метода рентгеноструктурного анализа. Теорию строения а- спирали - и термин »вторичная структура» белка создал Л.Полинг ( 1951г. совместно с Р. Кори). Л. Полинг- лауреат Нобелевских премий ( по химии 1954, мира 1962). Структура « складчатый» лист исторически была открыта раньше , У. Астбери в 1941 г. при рентгеноструктурных исследованиях белка кератина Термин « четвертичная» структура был введен в 1958 г. английским кристаллографом Дж. Берналом в дополнение к принятым понятиям первичной, вторичной, и третичной структуры, а в 1965г. Ж. Моно ввел понятие «протомер» для названия наименьшей структурной единицы сложной белковой молекулы( чаще теперь называют «субъединица») Метод рентгеноструктурного анализа долгое время оставался самым точным для расшифровки пространственного строения белка: в 1936г Дороти Ходжкин исследовала и предложила пространственную структуру инсулина, в 1960 –Д.К.Кендрью – пространственное строение миоглобина. Сейчас используются компьютерное моделирование и приборные методы исследования: методы ЯМР ( ядерного магнитного резонанса) , ПМР протонного магнитного резонанса). Для проверки усвоения темы рекомендуем ответить на вопросы: 1. Анализ дипептида показал, что он состоит из двух различных аминокислот : глицина и аланина. Сколько различных дипептидов можно составить? 2. Трипептид состоит из двух аминокислот: глицина и аланина. Запишите все возможные варианты строения этого трипептида. 3. Последовательность аминокислот в трипептиде: ала – глу - вал. Определите среду его водного раствора и заряд пептида в растворе. 4. Последовательность аминокислот в пептиде гли – лиз – сер. Этот пептид находится в растворе кислоты, рН= 3, 5. Определите величину заряда пептида. 5. Пептид состава асп – арг – фен находится в растворе в изоэлектрической точке. Составьте формулу трипептида и определите область значения изоэлектрической точки ( кислая, нейтральная, щелочная). Какую надо создать среду, чтобы этот трипептид при электрофорезе двигался к катоду ? 6.Трипептид глутатион - антиоксидант крови и тканей – состоит из последовательно соединенных аминокислот : γ –глутамат- цистеин –аланин. Запишите формулу соединения и реакцию окисления этого соединения пероксидом водорода . . ЛЕКЦИЯ 9 УГЛЕВОДЫ. МОНОСАХАРИДЫ Содержание лекции 9.1. Классификация углеводов. 9.2. Моносахариды.- классификация по числу атомов углерода и строению карбонильной группы . Альдозы и кетозы. Аминосахара. 9.3 Изомерия моносахаридов. Стереоизомерия. L- и Д- ряды. Диастереомеры, энантиомеры, эпимеры. Значение отдельных представителей 9.4. Химические свойства моносахаридов: 9.4.1. Циклооксотаутомерия пентоз и гексоз. Пиранозные и фуранозные циклы, α- и β- аномерия. 9.4.2. Образование гликозидов. Биологическая роль гликозидной связи. 9.4.3. Восстановление углеводов in vitro и vivo. Получение глицитов( на примере глюкозы и фруктозы, ксилита). Биологическое значение и использование в медицине; 9.4.4.Окисление углеводов in vivo и vitro на примере глюкозы, галактозы. Образование альдоновых, альдаровых и альдуроновых кислот. Биологическое значение. 9.4.5. Образование фосфорных эфиров (глюкоза-1ф, глюкоза-6ф, фруктоза-1,6-дифосфат). Значение для организма; 9. 5 Биологическое значение моносахаридов и их производных. Лекарственные препараты Исходный уровень знаний для усвоения темы: Химические свойства карбонильных соединений- альдегидов и кетонов, многоатомных спиртов. Реакция нуклеофильного присоединения- образование полуацеталей, окисление, восстановление карбонильной группы, качественная реакция обнаружения многоатомных спиртов, альдегидов. Реакция этерификации. Оптическая изомерия, стереоряды. Понятие «таутомерия» Ключевые слова к теме: Агликон , альдоза, альдоновая, альдаровая, альдуроновая кислоты, аминосахар, аномер, аномерный атом углерода , гликозид, глицит, дезоксисахар, кетоза, моносахарид, мутаротация, пираноза, структура Колли-Толленса, структура Хеоурса, фураноза, эпимеры. 9. 1. Классификация углеводов Углеводы- большая группа природных соединений. Большинство из них имеет состав Сn ( Н 2О )m ( m =n , m< n )- отсюда и возникло название «углеводы», тем более, что при нагревании их без доступа кислорода образуются два вещества: углерод и вода. Углеводы подразделяют на три класса : - моносахариды - олигосахариды ( оligos - греч - малый ) - полисахариды. Олиго- и полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов, которые отличаются числом мономерных звеньев моносахаридов. Олиго- и полисахариды могут состоять из одинаковых или различных моносахаридов. В первом случае такие полисахариды называются гомополисахариды , а во втором- гетерополисахариды. 9.2. Моносахариды Общая формула моносахаридов Сn ( Н 2О ) n Физические свойства : твердые кристаллические вещества, хорошо растворимы в воде, водные растворы имеют нейтральную реакцию. Растворимость глюкозы в воде : 1,5г глюкозы в 1мл( 1,5 :1). Моносахариды плохо растворимы в этаноле и других спиртах, не растворимы в бензоле, эфире. Все моносахариды сладкие на вкус, что связано с присутствием в составе молекулы нескольких гидроксильных групп ( вспомните, глицерин также сладкий на вкус). Номенклатура моносахаридов. Чаще используют тривиальные названия, которые имеют окончание «оза» : глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза.. Классификация моносахаридов: Моносахариды классифицируют по двум основным признакам : I. По числу атомов углерода – в природе наибольшее распространение имеют моносахариды , содержащие 3 -6 атомов углерода : триозы, тетрозы, пентозы, гексозы II По природе карбонильной группы : содержащие альдегидную группу называют альдозы, кетоновую группу- кетозы. Оба признака объединяют в одном названии : альдопентоза, кетогексоза. По составу и строению моносахариды – полигидроксикарбонильные соединения ( альдегиды или кетоны, в которых остальные атомы углерода связаны каждый с одной с гидроксильной группой ; если один атом не связан с гидроксильной группой, то соединение относится к дезоксимоносахаридам ) Углеводы существуют в линейной и циклических формах. Запись в линейной форме проводят в проекциях Фишера, углеродный скелет записывают вертикально, указывая конфигурацию каждого хирального центра (d или l ) Нумерация атомов , как обычно, производится от карбонильной группы , а перечисление конфигурации асимметричных атомов начинаю снизу вверх, от того атома, который определяет принадлежность к стереоряду ( природные моносахариды принадлежат
9.3. Изомерия моносахаридов. Стереоизомерия. L- и Д- ряды. Диастереомеры, энантиомеры, эпимеры. Значение отдельных представителей Триозы. Существуют три триозы: энантиомеры D- и L-глицериновый альдегид и их структурный изомер диоксиацетон . СНО СН2 ОН СНО | | | Н—С—ОН С=О НО—С—Н | | | СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН D- глицериновый альдегид диоксиацетон L-глицериновый альдегид В животных и растительных клетках образуется и участвует в обмене веществ только D- глицериновый альдегид . Моносахариды с большим числом атомов углерода( 4, 5, 6 и так далее) в растительных и животных клетках сохраняют конфигурацию этого атома , большинство природных моносахаридов животных клеток относятся D- стереоряду   В растительной клетке происходит присоединение СО2 и увеличение числа атомов в моносахариде СНО |  Н—С—ОН D- конфигурация у последнего асимметрического | центра сохраняется СН2 ОН
Тетрозы С 4 ( Н 2О)4 содержат два хиральных атома углерода и существуют в виде
образуются в качестве промежуточных соединений при метаболизме глюкозы в пентозофосфатном цикле( см. задания в конце лекции ) . Пентозы. Состав пентозы С5(Н 2О)5, или С5 Н10 О5. Различают два вида: альдозы и кетозы. Альдозы содержат три хиральных атома , и образуют 8 стереоизомеров ( четыре принадлежат D- ряду, четыре L – ряду ). В организме человека встречаются D- рибоза, D- ксилоза, в небольшом количестве D- арабиноза и дезоксиальдопентоза - D - 2- дезоксирибоза. Кетоза D- рибулоза содержит во втором положении оксо-группу. Большинство природных кетоз содержит оксо-группу в положении 2 углеродного скелета. Это вызвано тем, что альдозы и 2- кетозы могут превращаться друг в друга в процессе изомеризации . 1СНО СНО СНО СНО СН2 ОН | | | | | Н –С-ОН d Н –С-ОН d НО –С-Н l Н –С –Н С=О | | | | | Н-С-ОН d НО-С-Н l Н-С-ОН d Н-С-ОН d Н- С-ОН d | | | | | |