Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ Аминокислоты построению они являются органическими карбоновыми кислотами, у которых, как минимум, один атом водорода замещен на аминогруппу. Они являются строительными блоками белковых молекул, но необходимость их изучения кроется не только в данной функции. Несколько из аминокислот являются источником для образования нейромедиаторов в ЦНС (гистамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, дофамин, норадреналин, другие сами являются нейромедиаторами (глицин, глутаминовая кислота. Те или иные группы аминокислот необходимы для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований без которых нет нуклеиновых кислот, используются для синтеза низкомолекулярных биологически важных соединений (креатин, карнитин, карнозин, ансерин и др. Аминокислота тирозин целиком входит в состав гормонов щитовидной железы и мозгового вещества надпочечников. С нарушением обмена аминокислот связан ряд наследственных и приобретенных заболеваний, сопровождающихся серьезными проблемами в развитии организма (цистиноз, гомоцистеинемия, лейциноз, тирозинемии и др. Самым известным примером является фенилкетонурия. КЛАССИФИКАЦИЯ АМИНОКИСЛОТ Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть различной, в зависимости от выбранного качества аминокислот. Аминокислоты делятся 1. В зависимости от положения аминогруппы. 2. По абсолютной конфигурации молекулы. 3. По оптической активности. 4. По участию аминокислот в синтезе белков. 5. Построению бокового радикала. 6. По кислотно-основным свойствам. 7. По необходимости для организма. По абсолютной конфигурации молекулы По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и формы. Различия между изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в положении. В белке любого организма содержится только один изомер, для млекопитающих это аминокислоты. Однако оптические изомеры претерпевают самопроизвольную нефермен- тативную рацемизацию, те. форма переходит в форму. Это обстоятельство используется для определения возраста, например, костной ткани зуба (в криминалистике, археологии. Строение, свойства и классификация аминокислот и белков В зависимости от положения аминогруппы Выделяют α, β, γ и другие аминокислоты. Для организма млекопитающих наиболее характерны аминокислоты. По оптической активности По оптической активности аминокислоты делятся направо- и левовращающие. Наличие ассиметричного атома углерода хирального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления вращения плоскости поляризации поляризованного света, проходящего через раствор. Величину угла поворота определяют при помощи поляриметра. В соответствии с углом поворота выделяют правовращающие (+) и левовращающие (–) изомеры. Деление на L- и формы не соответствует делению направо- и левовращающие. Для одних аминокислот формы (или формы) являются правовращающими, для других – левовращающими. Например, аланин – правовращающий, а фенилаланин – левовращающий. При смешивании L- и форм одной аминокислоты образуется рацемическая смесь, не обладающая оптической активностью. По участию аминокислот в синтезе белков Выделяют протеиногенные (20 АК) и непротеиногенные (около 40 АК). Все протеино- генные аминокислоты являются аминокислотами. На примере протеиногенных аминокислот можно показать дополнительные способы классификации построению бокового радикала – неполярные (алифатические, ароматические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные, электрохимическая – по кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные большинство, кислые (Асп, Глу) и основные (Лиз, Арг, Гис) аминокислоты, физиологическая классификация – по необходимости для организма выделяют незаменимые (Лей, Иле, Вал, Фен, Три, Тре, Лиз, Мети заменимые. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (Арг, Гис), т.е.их синтез происходит в недостаточном количестве. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 3 Строение, свойства и классификация аминокислот и белков АМИНОКИСЛОТЫ КАК ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ Метионин, незаменимая кислота, содержит мобильную метильную группу, которая может передаваться на другие соединения. Благодаря этому она участвует в синтезе холина, фосфолипидов, обмене витаминов В и фолиевой кислоты. В реакциях биосинтеза белка метионин является инициирующей аминокислотой. Он участвует в процессах обезвреживания токсинов в печени. Метионин ("ациметион")и его активные производные (как вещество "адеметионин" в составе препарата "Гептрал") используют для профилактики и лечения различных заболеваний печени как липотропный фактор, препятствующий накоплению жира, при токсических поражениях печени, при атеросклерозе ив качестве антидепрессанта для улучшения синтеза нейромедиаторов. Глутаминовая кислота – является предшественником аминомасляной кислоты (ГАМК), являющейся тормозным медиатором нервной системы (препараты "Аминалон", "Пикамилон"). ГАМК также играет значительную роль в регуляции тонуса мозговых сосудов кровообращении головного мозга. Сам глутамат является нейромедиаторной аминокислотой, стимулирующей передачу возбуждения в синапсах ЦНС. Кроме этого, глутамат участвует в обезвреживании аммиака, синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, играет ведущую роль в обмене других аминокислот. Потребность организма в глутаминовой кислоте выше всех остальных аминокислот. Глицин является медиатором ЦНС тормозного действия. Улучшает метаболизм в тканях мозга. Оказывает успокаивающее действие. Нормализует сон, уменьшает повышенную раздражительность, депрессивные состояния. Цистеин участвует в метаболизме хрусталика глаза. Зачастую нарушения хрусталика связаны с недостатком цистеина, поэтому цистеин применяют на начальных стадиях катаракты. Комплексный препарат глутаминовой кислоты, цистеина и глицина "Вицеин" используют в виде глазных капель. Гистидин – условно незаменимая аминокислота. Используется при лечении гепатитов, язв желудка и двенадцатиперстной кишки. Церебролизин – гидролизат вещества мозга свиньи, содержащий низкомолекулярные пептиды (15%) и аминокислоты (85%). Используется при нарушениях функций ЦНС, мозговых травмах, кровоизлияниях, вегетативных дистониях и т.п. Препараты для парентерального питания полиамин (набор 13 аминокислот, вамин набор 18 аминокислот, ваминолакт (набор 18 аминокислот, соответствующих составу грудного молока, гидролизин (гидролизат белков крови крупного рогатого скота, амино- троф (гидролизат казеина, аминосол (смесь 15 аминокислот, фибриносол (гидролизат фибрина крови. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ. Являются амфотерными электролитами. Аминокислоты сочетают в себе свойства и кислот и оснований. Соответственно, вводном растворе аминокислоты ведут себя как кислоты – доноры протонов и как основания – акцепторы протонов. Если общий заряд аминокислоты равен 0, то это ее состояние называют изоэлектрическим. Величина рН, при которой заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). Значение изоэлектрической точки зависит от строения радикала аминокислоты o pI большинства аминокислот располагается в диапазоне рН от 5,5 (фенилаланин) до 6,3 (пролин, o pI кислых аминокислот – р глутамата 3,2, р аспартата 2,8, o pI основных аминокислот – pI гистидина 7,6, pI аргинина 10,8, pI лизина 9,7. 2. Заряд аминокислот зависит от величины рН среды. Отправным пунктом для понимания причин появления заряда у аминокислот является величина изоэлектрической точки. Ситуация различается для нейтральных, кислых и основных аминокислот. Строение, свойства и классификация аминокислот и белков СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пептидными, при этом образуется полимерная молекула. Пептидная связь – это связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот добавляют суффикс "ил, только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным. Например, аланил-серил-триптофан или γ-глутаминил-цистеинил-глицин (по-другому называемый глутатион. К свойствам пептидной связи относятся 1. Трансположение заместителей (радикалов) аминокислот по отношению к C-N связи. 2. Копланарность Все атомы, входящие в пептидную группу находятся водной плоскости, при этом атомы "Ни "О" расположены по разные стороны от пептидной связи. 3. Наличие кетоформы и енольной формы. 4. Способность к образованию двух водородных связей с другими пептидными группами. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 7 5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи. Ее длина меньше, чем одинарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено. Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот способна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию (пространственное расположение атомов. ФУНКЦИИ БЕЛКОВ. Структурная в соединительной ткани – коллаген, эластин, кератин, построение мембран и формирование цитоскелета (интегральные, полуинтегральные и поверхностные белки) – спектрин (поверхностный, основной белок цитоскелета эритроцитов, гликофорин (интегральный, фиксирует спектрин на поверхности, построение органелл – рибосомы. 2. Ферментативная Все ферменты являются белками, хотя имеются экспериментальные данные о существовании рибозимов, те. рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитической активностью. Гормональная Регуляция и согласование обмена веществ в разных клетках организма – многие гормоны, например, инсулин и глюкагон. 4. Рецепторная Избирательное связывание гормонов, биологически активных веществ и медиаторов на поверхности мембран или внутри клеток. 5. Транспортная: Перенос веществ в крови – липопротеины (перенос жира, гемоглобин (транспорт кислорода, трансферрин (транспорт железа) или через мембраны – Na + ,К + -АТФаза (противоположный трансмембранный перенос ионов натрия и калия, Са 2+ -АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки. 6. Резервная производство и накопление в яйце яичного альбумина. 7. Питательная белки грудного молока, белки мышц и печени при голодании. 8. Защитная наличие в крови иммуноглобулинов, белков свертывания крови. Строение, свойства и классификация аминокислот и белков УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВОЙ СТРУКТУРЫ Белок – это последовательность аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями. Если количество аминокислот не превышает 10, тоновое соединение называется пептид если от 10 до 40 аминокислот – полипептид, если более 40 аминокислот – белок. Линейная молекула белка, образующаяся присоединении аминокислот в цепь, является первичной структурой. Образно ее можно сравнить с обычной нитью, на которую навешено до нескольких сотен бусинок двадцати различных цветов (по числу аминокислот. Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет дальнейшее поведение молекулы ее способность изгибаться, сворачиваться, формировать те или иные связи внутри себя. Формы молекулы, создаваемые при свертывании, последовательно могут принимать вторичный, третичный и четвертичный уровень организации. На уровне вторичной структуры белковые "бусы" способны укладываться в виде спирали (подобно дверной пружине) ив видескладчатого слоя, когда "бусы" уложены змейкой и удаленные части бус оказываются рядом. Укладка белка во вторичную структуру плавно переходит к формированию третичной структуры. Это отдельные глобулы, в которых белок уложен компактно, в виде трехмерного клубка. Некоторые белковые глобулы существуют и выполняют свою функцию не поодиночке, а группами по две, три и более штук. Такие группы образуют четвертичную структуру белка. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА bЭто последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Учитывая, что в синтезе белков принимает участие 20 аминокислот можно сказать о невообразимом количестве возможных белков. Первичная структура белков задается последовательностью нуклеотидов в ДНК. Выпадение, вставка, замена нуклеотида приводит к изменению аминокислотного состава и, следовательно, структуры синтезируемого белка. Например, при серповидноклеточной анемии в 6 положении цепи гемоглобина происходит замена глутамата на валин. Это приводит к синтезу HbS – такого гемоглобина, который в дезоксиформе полимеризуется и образует кристаллы. В результате эритроциты деформируются, приобретают форму серпа (банана, теряют эластичность и при прохождении че- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии рез капилляры разрушаются. Это в итоге приводит к анемии, снижению оксигенации тканей и их некрозу. Если изменение последовательности аминокислот носит не летальный характера приспособительный или хотя бы нейтральный, то такой белок может передаться по наследству и остаться в популяции. В результате возникают новые белки и новые качества организма. Такое явление называется полиморфизм белков. Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной, третичной и четвертичной структур. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА bВторичная структура – это способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру, при которой аминокислоты взаимодействуют через пептидные группы. Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшим количеством водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура определяется устойчивостью пептидной связи, подвижностью С-С связи, размером аминокислотного радикала. Все это вкупе с аминокислотной последовательностью приводит к строго определенной конфигурации белка. Можно выделить два возможных варианта вторичной структуры спираль и структура (складчатый слой. Водном белке, как правило, присутствуют обе структуры. В глобулярных белках преобладает спираль, в фибриллярных – структура. Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д. α -С ПИРАЛЬ Правозакрученная спираль, образуется при помощи водородных связей между пептидными группами го иго, го иго, го иго итак далее аминокислотных остатков. Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые обуславливают перелом цепи, ее резкий изгиб. Высота витка составляет 0,54 нм и соответствует 3,6 аминокислотных остатков, 5 полных витков соответствуют 18 аминокислотами занимают 2,7 нм. СКЛАДЧАТЫЙ СЛОЙ В этом способе укладки белковая молекула лежит "змейкой, удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белковой цепи способны взаимодействовать при помощи водородных связей. Структура аминокислот взаимодействуют с отдаленными пептидными группами этой же белковой цепи при помощи водородных связей между пептидными группами. Строение, свойства и классификация аминокислот и белков Ориентация реагирующих участков может быть параллельна (когда соседние цепи идут водном направлении) или антипараллельна (цепи идут в противоположном направлении. Таких взаимодействующих друг с другом участков одного белка может быть от двух до пяти. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА bТретичная структура – это укладка полипептидной цепи в глобулу (клубок. Четкой границы между вторичной и третичной структурами провести нельзя, однако в основе третичной структуры лежат стерические взаимосвязи между аминокислотами, отстоящими далеко друг от друга вцепи. Благодаря третичной структуре происходит еще более компактное формирование цепи. Наряду с спиралью и структурой в третичной структуре обнаруживается так называемая неупорядоченная конформация, которая может занимать значительную часть молекулы. В разных белках наблюдается разное соотношение типов структур. Например, инсулин содержит 52% спирали и 6% структуры, трипсин – 14% спирали и 45% структуры. Аминокислоты принимают участие в формировании третичной структуры, образуя связи между своими функциональными группами (радикалами водородные – между ОН, СООН-, группами радикалов аминокислот, дисульфидные – между остатками цистеина, гидрофобные – между остатками алифатических и ароматических аминокислот, ионные – между СООН-группами глутамата и аспартата и группами лизина и аргинина, o псевдопептидные – между дополнительными СООН-группами глутамата и аспартата и дополнительными группами лизина и аргинина. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА bЕсли белки состоят из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными (не пептидными и не дисульфидными) связями, то говорят, что они обладают четвертичной структурой. Такие агрегаты стабилизируются водородными связями, ионными и электростатическими взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности глобулы. Подобные белки называются олигомерами, а их индивиду Строение, свойства и классификация аминокислот и белков 12 альные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами. Если белки содержат 2 протоме- ра, то они называются димерами, если 4, то тетрамерами и т.д. Например, гемоглобин – белок эритроцитов, переносящий кислород, состоит из 4 субъединиц – 2 субъединицы и 2 субъединицы в гемоглобине взрослых, 2 субъединицы и 2 субъединицы в фетальном гемоглобине. Лактатдегидрогеназа – фермент, принимающий активное участие в окислении глюкозы при мышечном сокращении, также включает 4 субъединицы – Ни М (muscle) в разных сочетаниях Н, НМ, НМ, НМ, М. Всего 5 изоферментов. Креатинкиназа – фермент, участвующий в регенерации АТФ при мышечном сокращении, состоит из 2 субъединиц – В (brain) и М (muscle) в разных сочетаниях ВВ, ВМ, ММ. Всего 3 изофермента. Взаимодействие протомеров друг с другом осуществляется по принципу комплементарности, те. их поверхность подходит друг другу по геометрической форме и по функциональным группам аминокислот (возникновение ионных и водородных связей. Так как субъединицы в олигомерах очень тесно взаимодействуют между собой, толю- бое изменение конформации какой-либо одной субъединицы обязательно влечет за собой изменение других субъединиц. Этот эффект называется кооперативное взаимодействие. Например, у гемоглобина такое взаимодействие субъединиц в легких ускоряет враз присоединение кислорода к гемоглобину. В тканяхотдача кислорода также ускоряется враз. Присоединение в легких первой молекулы кислорода к одной из субъединиц гемоглобина изменяет ее конформацию. В результате она начинает влиять на следущую убъединицу, облегчая присоединение к ней кислорода. После этого они вдвоем влияют на третью субъединицу итак далее. В тканях первая молекула кислорода отделяется от своей субъединицы не очень легко, вторая уже быстрее итак далее. ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ К свойствам белков относят амфотерность, растворимость, способность к денатурации, коллоидные свойства. АМФОТЕРНОСТЬ bТак как белки содержат кислые и основные аминокислоты, тов их составе всегда имеются свободные кислые (СОО – ) и основные (NH 3 + ) группы. Заряд белка зависит от соотношения количества кислых и основных аминокислот. Поэтому, аналогично аминокислотам, белки заряжаются положительно приуменьшении рН, и отрицательно при его увеличении. Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке белка, то заряд белка равен 0. Если в пептиде или белке преобладают кислые аминокислоты (глутамат и аспартат), то при нейтральных рН заряд белка отрицательный и изоэлектрическая точка находится в кислой среде. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в диапа- www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии зоне рН 4,8-5,4, что свидетельствует о преобладании в их составе глутаминовой и аспарагиновой аминокислот. Если в белке преобладают основные аминокислоты (лизин и аргинин) – при нейтральных рН заряд обусловлен этими, положительно заряженными, аминокислотами. Амфотерность имеет значение для выполнения белками некоторых функций, например, их буферные свойства, те. способность поддерживать неизменным рН крови, основаны на способности присоединять ионы Н при закислении среды или отдавать их при защелачива- нии. С практической стороны наличие амфотерности позволяет разделять белки по заряду (электрофорез) или использовать изменение величины рН раствора для осаждения какого-либо известного белка. Наличие как положительных, таки отрицательных зарядов в белке обуславливает их способность к высаливанию (см "Обратимое осаждение" белков, что удобно для выделения белков в нативной конформации. Влияние рН на заряд белка При смещении рН в растворе изменяется концентрация ионов Н. При закислении среды (при снижении рН) ниже изоэлектрической точки ионы Н + присоединяются к отрицательно заряженным группам глутаминовой и аспарагиновой кислот и нейтрализуют их. Заряд белка становится положительным. При увеличении рН в растворе выше изоэлектрической точки концентрация ионов Н снижается и положительно заряженные группы белка группы лизина и аргинина) теряют протоны, их заряд исчезает. Суммарный заряд белка становится отрицательным. РАСТВОРИМОСТЬ bТак как большинство белков несет много заряженных групп, тов целом они |