|
|
Аминокислоты и пептиды. Общее представление об аминокислотах и пептидах. Структура и функции
г. Петропавловск.
«Северо-Казахстанский высший колледж»
Реферат на тему:
Общее представление об аминокислотах и пептидах. Структура и функции.
Применение в промышленности и медицине.
Выполнила студентка II курса: Хусаинова Д.
Проверила:
2022 г.
Введение
АМИНОКИСЛОТЫ ………….
СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА .
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ АМИНОКИСЛОТ .
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ …
ЧТО ТАКОЕ ПЕПТИДЫ? ИХ СТРОЕНИЕ.
КЛАССИФИКАЦИЯИ НОМЕНКЛАТУРА
7. ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕДИЦИНЕ.
Введение
Исследования проводятся на различных уровнях организации организмов: молекулярном, субклеточном, клеточном, межклеточном, тканевом, органном. В отличие от традиционно изучаемой медиками и биологами дисциплины «Общая биохимия» настоящее учебное пособие по биохимии ставит своей задачей ознакомить студентов с основами и современными аспектами химии живой материи на уровне клетки и не включает в себя биохимию органов и систем организмов. Основное внимание уделено физико-химическим свойствам и методам анализа веществ биологического происхождения. Это обусловлено спецификой деятельности специалистов в области фармацевтической химии и переработки пищевых продуктов. В ассортимент современных лекарственных средств входит значительная группа препаратов биологического происхождения: антибиотики, ферментные препараты, гормоны и др. Эффективная разработка и совершенствование лекарственных средств немыслимы без понимания биохимических процессов в организмах. Все пищевые предприятия перерабатывают сырье биологического происхождения, поэтому курс биохимии является теоретической базой любой пищевой технологии. Целями настоящего учебного пособия являются следующие: 4 1) ознакомить студентов с биологически активными молекулами природного происхождения, такими, как аминокислоты, белки, ферменты, углеводы, липиды, витамины, гормоны и др., и основными путями обмена веществ на уровне клетки; 2) обучить их основным приемам и навыкам, необходимым для профессионального овладения процессами переработки сырья биологического происхождения, методами оценки его качества и качества препаратов биологического происхождения.
Аминокислоты – это органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от природы кислотной функции аминокислоты подразделяют на аминокарбоновые, например H2NCH2COOH, аминосульфоновые, например H2N(CH2)2SO2OH, аминофосфоновые и т.д. В живых организмах встречаются, главным образом, аминокарбоновые кислоты (в дальнейшем просто аминокислоты), хотя и редко, но встречаются и аминосульфоновые кислоты, например Н2NCH2CH2SO2OH (таурин – конечный продукт метаболизма цистеина). Классифицируют аминокислоты по разным признакам: по химическому строению, по участию в синтезе белка in vivo, по кислотноосновным свойствам, по потребности организмов в данной аминокислоте. По химическому строению аминокарбоновые аминокислоты делятся на аминокислоты ароматического ряда и аминокислоты алифатического ряда. Аминокислоты ароматического ряда составляют лишь весьма небольшой круг веществ, встречающихся в организмах, например пара-аминобензойная кислота (фактор роста микроорга- 5 низмов). Основная масса аминокислот, выделенных из разных организмов, относится к классу алифатических аминокислот, т.е. таких аминокислот, в которых амино– и карбоксильная группы связаны с алифатическим атомом углерода. Алифатические аминокислоты делятся в зависимости от относительного положения амино– и карбоксильной групп на α-, β-, γаминокислоты и т.д., например: Н2N-CH2-COOH Н2N-CH2-CH2-COOH Н2N-CH2-CH2-CH2-COOH α-Аминоуксусная β-Аминопропионовая γ-Аминомасляная кислота (глицин) кислота (β-аланин) кислота (ГАМК) Основная масса природных аминокислот представлена αизомерами, а β– и γ-аминокислоты в живых системах представлены единичными случаями. Здесь можно упомянуть нейромедиатор ЦНС млекопитающих γ-аминомасляную кислоту (ГАМК) и β-аланин, являющийся фрагментом кофермента А. α-Аминокислоты чрезвычайно широко распространены в живых организмах любого типа: в растениях, в микроорганизмах, в животных, в морских организмах. Они найдены также в некоторых метеоритах, при этом это такие же аминокислоты, какие входят в состав белков земных организмов. Все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) α-углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров (L– и D-аминокислот):
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ АМИНОКИСЛОТ
В живых организмах аминокислоты выполняют ряд функций, важнейшими из которых являются следующие: структурные элементы белков; структурные элементы других природных соединений; исходные соединения для образования в организмах биогенных аминов и родственных соединений; нейромедиаторы и медиаторы; метаболиты. Структурные элементы белков. В состав белков входят 20 протеиногенных аминокислот (см. табл. 1.1), последовательность которых кодируется генетическим кодом и которые постоянно обнаруживаются в белках. Некоторые из них подвергаются посттрансляционной модификации, т.е. могут быть фосфорилированы, ацилированы, гидроксилированы (см. рис. 1.1) и др. 13 Структурные элементы других природных соединений. Изучение биосинтеза пенициллина с использованием меченых атомов показало, что в образовании молекулы этого антибиотика принимают участие аминокислоты цистеин и валин (рис. 1.3). Цистеин Р и с.1.3. Биосинтез пенициллина Аминокислоты и их производные входят в состав различных азотистых соединений, коферментов, антибиотиков, пептидов и др. Например, фрагмент аминокислоты β-аланина (β-Ala) входит в структуру кофермента А (КоА), а глутаминовой кислоты – в структуру тетрагидрофолевой кислоты (кофермент THF): β-Ala Кофермент А (КоА) Glu Тетрагидрофолевая кислота (кофермент THF) H2O HS CH2 CH COOH NH2 R COOH NH CO R HS CH2 CH COOH CH3 NH2 H2O R CO HN CH CH2 C NH CH CH CH3 SH COOH CH3 O N S R CO NH COOH O CH3 CH3 [4H] CH3 CH CH COOH Валин 14 В живых организмах различных типов, и в особенности в животных, широко представлены пептиды. Среди них обнаружены соединения с разнообразными биологическими функциями (см. гл. 2 «Полипептиды»). Все пептиды, так же, как и белки, образуются из аминокислот, но в отличие от последних могут включать в себя не только протеиногенные аминокислоты, но и непротеиногенные, связанные друг с другом не только пептидными связями, но, например, сложноэфирными и др. В качестве примера приведем формулу простого линейного трипептида – глутатиона. Он присутствует во всех живых организмах и находится обычно в межклеточном пространстве в достаточно высокой концентрации: γ-L-Глутамил-L-цистеинил-глицин – глутатион (G-SH) Так как он был выделен почти 80 лет назад, его физиологические функции изучены достаточно хорошо: он защищает тиольные группы белков, инактивирует радикальные частицы, разрушает перекисные соединения, выполняет роль кофермента метилглиоксилазы.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ
В кристаллическом состоянии аминокислоты находятся в виде биполярных ионов (цвиттерионов). Вследствие этого они имеют высокие температуры плавления и большинство из них растворимы в воде лучше, чем в спирте (табл.1.3). В водном растворе аминокислоты также присутствуют, главным образом, в виде цвиттерионов, которые находятся в равновесии с неионизированной формой, например, для глицина соотношение равновесных концентраций неионизированной и цвиттерионной форм равно 1:260000: NH2 R CH COOH R CH COO NH3 _ + Неионизированная форма Цвиттерионная форма Дикарбоновые аминокислоты и диаминокарбоновые кислоты существуют в водных растворах в виде смесей неионизированных и различно заряженных форм. Например, аспарагиновая кислота существует в виде следующих форм с соотношением концентраций: 18 COO CH2 CH NH3 COOH COOH CH NH2 CH2 COOH COO CH NH3 CH2 COOH + _ _ + 1 600 1 28 000 В случае лизина устанавливается следующее равновесие: + _ + CH NH2 COO (CH2 ) 4 CH NH2 COO COOH CH NH3 (CH2 ) 4 NH2 NH2 NH3 _ (CH2 ) 4 16 320 000 1 1 800 000 Аминокислоты гораздо лучше растворимы в водных растворах кислот и щелочей, чем в воде, что обусловлено их амфотерностью. В кислой среде аминокислота ведет себя как основание с константой диссоциации сопряженной кислоты Ka (α-NH2) и заряжается положительно, а в щелочной – как кислота с константой диссоциации Ka (α-COOH) и заряжается отрицательно: _ + NH3 R CH COOH R CH COO NH3 + _ R CH COO NH2 + _ H + OH H OH Поскольку в аминокислотах содержатся как минимум две ионогенные группы, суммарный заряд молекул зависит от pH среды. Проиллюстрируем зависимость заряда аминокислоты от рН на примере гистидина, содержащего три ионогенные группы. На рис. 1.4 приведена кривая титрования гистидина сильной кислотой и щелочью, на которой отмечаются три точки перегиба, соответствующие трем ионизирующимся группировкам (COOH, NH2, имидазольное кольцо).
Что такое пептиды? Их строение
Пептиды — это цепочечные молекулы, содержащие от двух до ста остатков аминокислот, соединенных между собой амидными (пептидными) связями. Термин «пептиды» был предложен известным химиком Эмилем Фишером (1832—1919 гг.). Слово образовано из первых четырех букв названия пептоны (продукты расщепления белков пепсином) и конечных букв названия углеводов полисахариды. По размеру молекулы и своим свойствам пептиды стоят между высокомолекулярными белками и аминокислотами. Наиболее распространены линейные пептиды, однако известны также циклические пептиды, молекулы которых могут иметь различные размеры. Циклические пептиды образуются из линейных, когда пептидная связь связывает амино- и карбоксильную функцию N- и С-концевых аминокислот. H-N н о I • • v Rм N С=О Н I Полинг и Кори в 1951 г. показали с помощью рентгеноструктурного анализа аминокислот, амидов аминокислот и простых линейных пептидов, что пептидная связь С—N укорочена по сравнению с нормальной простой связью (рис. 2-1). Вследствие мезомерии получаются две устойчивые плоские конформаЦии, транс (I) и цис (II), при затрудненном свободном вращении около связи С—N: R Н в R 84 Общие свойства пептидов Рис. 2-1. Средние расстояния между атомами (нм), образующими пептидную связь и углы между связями. В 2,5-дикетопиперазинах, простейших циклических пептидах, построенных из двух аминокислот, имеются дос-пептидные связи. Циклические трипептиды могут существовать без напряжения также только с тремя i/ис-пептидными связями. Поскольку пролил и саркозин не обладают возможностью стабилизации транспептидной связи, то можно легко синтезировать циклический трипептид — циклотрипролил (рис. 2-26). В нативных пептидах и белках преобладает /^рамс-пептидная связь. В некоторых белках были найдены также и i/ыопептидные связи, при этом в образовании пептидной связи всегда участвовал пролин.
Классификация и номенклатура
По числу аминокислот, содержащихся в пептиде, различают ди-, три-, тетра-, пента-, ..., окта-, нона-, декапептиды и т. д. Чтобы избежать проблемы, связанной с греческой нумерацией длинноцепочечных пептидов, Бодански предложил количество аминокислотных остатков пептида обозначать арабской цифрой и помещать перед словом «пептид». Например, 7- пептид вместо гептапептид, 10-пептид вместо декапептид. Пептиды, в молекулах которых меньше десяти аминокислотных остатков, формально относятся к олигопептидам, пептиды, построенные из большего числа аминокислотных остатков (до - 100),— к полипептидам. Различие между полипептидами и белками (макропептидами) чрезвычайно проблематично. Исторически сложилось так, что границей между полипептидами и белками считают соединения с молекулярной массой 10 000, т. е. состоящие примерно из 100 остатков аминокислот. Такой принцип классификации основан на способности к диализу через природные мембраны. Согласно принципам рациональной номенклатуры, пептиды рассматривают формально как ацил аминокислоты, причем аминокислоте, карбоксил которой участвует в пептидной связи, придается окончание-ил. Поэтому только С-конечная аминокислота сохраняет свое первоначальное тривиальное название: Пептиды 85 С"СН аланил-серип-аспарагип-фенипаланил-глицин Ala Ser Asp P h e Gly По предложению Бейли, в формулах линейных пептидов аминокислота со свободной аминогруппой называется Ы-кониевой аминокислотой, в горизонтально изображенной пептидной цепи она стоит слева. Аминокислота со свободной карбоксильной группой обозначается как С-концевая аминокислота. В соответствии с этим в приведенном выше примере аланин — Nконцёвая, а глицин — С-концевая аминокислота. Фромажо предложил остаток, несущий сободную а-аминогруппу, называть начальной аминокислотой, а соответствующий остаток со свободной карбоксильной группой — конечной аминокислотой. Хотя это предложение кажется более простым, широкое признание получила рекомендация Бейли. Краткая формула Ala-Ser-Asp-Phe-Gly соответствует пентапептиду независимо от состояния ионизации. При желании особо подчеркнуть, что данный пептид находится в незамещенной форме, можно, по предложению Гринштейиа и Виница, в упрощенной формуле при амино- и карбоксильной группах указывать наличие протона и гидроксильной группы с помощью соответствующих символов, например для цвиттер-иона (II), аниона (III) и катиона (IV) рассматриваемого здесь пентапептида: H-Ala-Ser-Asp-Phe-Gly-OH H^-Ala-Ser-Asp-Phe-Gly-OI II H-Ala-Ser-Asp-Phe-Gly-O- H^-Ala-Ser-Asp-Phe-Gly-OH Ш IV При общепринятом способе написания.формул исходят из того, что аминокислоты с тремя функциями, имеющие дополнительные амино- или карбоксильные функции (Lys, Orn, Glu, Asp), связаны а-пептидными связями. Для со-пептидного связывания при такой записи требуются особые обозначения. Например, в биохимически важном трипептиде глутатионе наряду с а-пептидной связью имеется также 7-пептидная связь: СООН СНа «-"ехидная связь SH НдМ-СН-СНз- СНдРсО-NH у -пептидная связь 86 Общие свойства пептидов Способ обозначения 7-пептидного связывания в глутатионе и других шпептидах ясен из следующих примеров: rCy*-Gly глутатион (восст.) GKJ ИЛИ Glu Lcyi-Gly о- глутамиллиэин Gki-Lys N l a .глутамиллиэин Glu-i или Glu-1 Lys i 1 Glu N.у-гпутамилпизин Glu lys или Glu Lys или i 1 | l y s Пептидная связь между е-аминогруппой лизина и 7-карбоксилом глутаминовой кислоты (jS-карбоксилом аспарагиновой кислоты) называется изопептидной связью (такая связь имеется, например, в Ы£ -7-глутамиллизине). При сокращенной записи замещение боковой цепи обозначают, помещая аббревиатуру этого заместителя выше или ниже символа соответствующей аминокислоты или же в скобках непосредственно после него, например для пентапептида ь-аланил-ь-аспарагил-ОЗ-трети-бутиловый эфир)глицил-1ЧЕ - /прет-бутилоксикарбонил-ь-лизил-О-»?рет-бутил-ь-тирозина: -CICH,), c=o О-С(СН,), ОВи* Вое Ви( Ala-Asp-Gly-Lys-Tyr Ala-Asp-Gly-lys-iyr ОВи* Вое Ви( Ala-AtplOBuM-Gly-Lys (Вос)-Туг(Ви*) ЧИСЛО И последовательность связанных в пептид аминокислот называют первичной структурой. Для пептида с известной последовательностью формулу записывают, соединяя символы аминокислотных остатков черточками. Наконец, различают собственно пептид, например Ala-Ser-Asp-Phe- -Gly и фрагмент -Ala-Ser-Asp-Phe-Gly- (с черточками при концевых аминокислотах). Если часть последовательности пептида еще не известна, то аббревиатуры соответствующих аминокислот, разделенные (запятыми) указывают в скобках: Gly-Gly-Ala-Ser-Phe-(Tyr, Phe, Pro, Arg, Lys)-Val-Pro-Gly-Ala Пептиды 87 Итак, в соответствии с приведенным выше определением природные пептиды построены из аминокислотных остатков, которые связаны, как правило, а-пептидными связями. Протеиногенная аминокислота цистеин имеет дополнительные возможности соединения аминокислотных остатков, так как при окислении тиольной функции могут образовываться дисульфидные связи: Различают внутримолекулярное оисульфидное связывание в пределах одной пептидной цепи и межмолекулярное дисульфидное связывание между различными пептидными цепями: -Ab-Gly-Cys-Pro-W-lle-Lys-Cys-Uu-Glu-Asp-Asfi-^ys-Pio-Val- ? -Ajn-lyt-Val-Tyr-Cyi-Pht-UuВнутримолекулярные дисульфидные связи имеются, например, в окситоцине, вазопрессине, в А-цепи инсулина и в рибонуклеазе. Межмолекулярные дисульфидные связи соединяют между собой цепи пептидов, причем ковалентно связанными могут быть как идентичные цепи, как в окисленной форме глутатиона, так и различные цепи, как в инсулине. Дисульфидные связи имеют большое значение для образования и стабилизации определенных пептидных и белковых структур. В природе встречаются пептидные вещества, построенные не только из аминокислот, но содержащие также оксикислоты, длинные остатки жирных кислот и др. компоненты; кроме того, в образовании связей между боковыми цепями могут принимать участие не только тиольные функции, но также и гидроксильные группы боковых цепей протеиногенных кислот. С учетом всех этих фактов данное в разд. 2.1.1 определение пептидов представляется не совсем корректным. Следует различать гомомерные пептиды, состоящие исключительно из аминокислот, и гетеромерные пептиды, которые кроме аминокислот содержат также небелковые компоненты. Известны также гомодетные и гетеродетные пептиды; первые содержат только пептидные связи, во вторых наряду с пептидным связыванием могут встречаться эфирные, дисульфидные или тиоэфирные связи. Последовательность циклического гомодетного гомомерного пептида можно изобразить с помощью символических формул (в качестве примера выбран грамицидин S): 1. Заключают последовательность в скобки, а перед ними пишут цикл о. cyclo-(Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro-Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro-
Аминокислоты и пептиды в промышленности и медицине
Ежегодно в мире производится более 200 тыс. тонн аминокислот, которые используются в основном как пищевые добавки и компоненты кормов для скота. Традиционным промышленным методом их получения является ферментация, однако все большее значение приобретают химические и особенно ферментативные методы синтеза различных аминокислот. Наибольший удельный вес в промышленном получении аминокислот имеет лизин и глутаминовая кислота, в больших количествах производят также глицин и метионин. Аминокислоты, особенно незаменимые, т. е. не синтезирующиеся в организме, представляют большой интерес в первую очередь для медицины и пищевой промышленности. Фенилаланин является предшественником ряда гормонов, осуществляющих многие регуляторные реакции в организме, метионин — основной донор метильных группировок при синтезе адреналина, креатина, а также источник серы при образовании тиамина, валин участвует в синтезе пантотеновой кислоты, треонин — предшественник витамина В12 и т. д. Следовательно, дефицит аминокислот, способствующий нарушению многих обменных процессов, должен восполняться за счет введения соответствующих экзогенных аминокислот.
Рынок пептидных препаратов
За последнее десятилетие пептиды нашли широкое применение в медицине и биотехнологии. В настоящее время существует более 60 утвержденных управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) пептидов на рынке, и эта цифра, как ожидается, значительно вырастет, так как приблизительно 140 пептидных препаратов в настоящее время уже проходят клинические испытания, а доклинические - более 500 [4].
Применение пептидов
Основными заболеваниями, при которых в настоящее время используются и активно изучаются пептидные препараты, являются метаболические и онкологические заболевания. Заболевания из первой группы включают в себя ожирение и сахарный диабет 2 типа, характеризующиеся в последнее время эпидемическим ростом, заболевания второй группы характеризуются ростом смертности и необходимости замены химиотерапии, а также поддерживающей терапии. Примером пептидных препаратов для лечения сахарного диабета 2 типа (СД2) является новый класс пептидов - агонистов глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1) [5].
Помимо перечисленных заболеваний в последнее время разрабатываются пептидные препараты для лечения редких заболеваний, например, тедуглутид - агонист рецептора GLP-2, используемый для лечения синдрома короткой кишки, а также пасиреотид - агонист соматостатиновых рецепторов, используемый для лечения синдрома Кушинга. Кроме того, рассматривается возможность применения пептидов при заболеваниях инфекционного и воспалительного характера, при этом несколько пептидов уже проходит клинические испытания [6].
Помимо применения пептидов в качестве лекарственных средств, возможно их использование в качестве биомаркеров с диагностической целью. Наконец, пептиды также нашли применение в качестве вакцин [7].
Пути введения пептидов в организм
В настоящее время большинство пептидных лекарств вводят парентеральным путем, тем не менее, разрабатываются альтернативные формы введения, включая пероральный, интраназальный, и трансдермальный пути, в соответствии с развитием технологий. Одним из примеров альтернативных путей введения пептидов является препарат мидазол, с трансбукальным способом введения. В настоящее время разрабатываются системы трансбуккальной доставки, в которых используются гликонаночастицы золота [8]. Другие разрабатываемые системы могут обеспечить пероральную доставку пептидов, непосредственно экспрессируемых в желудочно-кишечном тракте.
Использование альтернативных форм введения может также обеспечить более широкое использование пептидной терапии при других состояниях, таких как воспаление, где местное введение пептидов может стать эффективным методом лечения.
Аминокислоты в сельском хозяйстве
Аминокислоты в сельском хозяйстве применяются преимущественно в качестве кормовых добавок. Многие растительные белки содержат недостаточное количество белков. Лизин, лейцин, метионин, треонин, триптофан добавляют в корма сельскохозяйственных животных.
Аминокислоты метионин, глутаминовая кислота и валин применяются для защиты растений от болезней, а аланин и глицин, обладающий гербицидным действием, используется для борьбы с сорняками.
Аминокислоты используются в микробиологической промышленности для приготовления культуральных сред и как реактивы.
В пищевой промышленности аминокислоты применяются в качестве вкусовых добавок.
Наиболее важны добавки лизина, триптофана и метионина к пищевым продуктам, неполноценным по содержанию этих аминокислот.
Добавка глутаминовой кислоты и ее солей к ряду продуктов придает им приятный мясной вкус, что часто используют в пищевой промышленности.
Натриевая соль глутаминовой кислоты (глутамат натрия) известна как «пищевая добавка E621» или «усилитель вкуса».
Глутаминовая кислота является важным компонентом при замораживании и консервировании.
Благодаря присутствию глицина, метионина и валина, во время термической обработки продуктов питания удается получить специфические ароматы хлебобулочных и мясных изделий.
Аминокислоты цистеин, лизин и глицин используются в качестве антиоксидантов, стабилизирующих ряд витаминов, например аскорбиновую кислоту; замедляющих пероксидное окисление липидов.
Список используемой литературы
0. Википедия.
1. Гринштейн Дж., Винниц М. Химия аминокислот и пептидов: Пер. с англ. –
М.: Мир, 1965. – 822 с.
2. Фердман Д.Л. Биохимия: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 1966. – 644 с.
3. Малер Г., Кордес Ю. Основы биологической химии: Пер с англ. – М.: Мир,
1970. – 567 с.
4. Химия биологически активных природных соединений / Под ред. Н.А. Преображенского. – М.: Химия, 1970. – 512 с.
5. Современные методы в биохимии. / Под ред. В.Н. Ореховича. – М.: Медицина, 1977. – 392 с.
6. Пептиды: Пер. с англ. / Под ред. Э. Гросса, И. Майенхофера. – М.: Мир,
1983. |
|
|
Скачать 141.51 Kb.