биоорганика. Биоорганика_УчМетПос. Учебнометодическое пособие для студентов обучающихся по специальностям
 Скачать 6.58 Mb.
|
|
АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ Аминокислоты — гетерофункциональные соединения, которые содержат две функциональные группы: аминогруппу NH 2 и карбоксильную группу СООН, связанные с углеводородным радикалом. Так как аминокислоты содержат две различные функциональные группы, которые оказывают влияние друг на друга, характерные реакции отличаются от характерных реакций карбоновых кислот и аминов. Из остатков α - аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью построены. Белки - высокомолекулярные (молекулярная масса варьируется от 5-10 тыс. до 1 млн и более) природные полимеры. Важность аминокислот для организма определяется той огромной ролью, которую играют белки во всех процессах жизнедеятельности. Разнообразные формы белков принимают участие во всех процессах, происходящих в живых организмах. В теле человека из белков формируются мышцы, связки, сухожилия, все органы и железы, волосы, ногти; белки входят в состав жидкостей и костей. Ферменты и гормоны, катализирующие и регулирующие все процессы в организме, также являются белками. Белки не являются взаимозаменяемыми. Они синтезируются в организме из аминокислот, которые образуются в результате расщепления белков, в результате соответствующих химических реакций. Аминокислоты – органические соединения, содержащие два типа функциональных групп с противоположными свойствами: аминогруппу (- NH 2 ) с основными свойствами и карбоксильную группу (-СООН) с кис- лотными свойствами, т.е. являются амфотерными соединениями:. Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть различной в зависимости от выбранного качества аминокислот. Например: 1. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к С (1- углеродный атом) на α-аминокислоты, β-аминокислоты и др. 2. По абсолютной конфигурации молекулы на L- и D- стереоизомеры. 3. По оптической активности в отношении плоскости поляризованного света на право- и левовращающие. 36 4. По участию аминокислот в синтезе белков – протеиногенные и непротеиногенные. 5. По строению бокового радикала – алифатические (аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, глицин), ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан), содержащие ОН-группу (серин, треонин, тирозин), содержащие дополнительные СООН-группу (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и дополнительную NH 2 -группу (лизин, аргинин, гистидин, глутамин, аспарагин). 6. По необходимости для организма – заменимые (синтезируемые) – такие аминокислоты, углеродный скелет которых образуется в реакциях метаболизма и способен каким-либо образом получить аминогруппу с образованием соответствующей аминокислоты; незаменимые (не синтезируемые) – такие аминокислоты, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей: валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан; и условно незаменимые – такие аминокислоты, синтез которых происходит в недостаточном количестве, особенно это касается детей: аргинин, гистидин. 7. По кислотно-основным свойствам аминокислоты делят на три группы: Кислые – с карбоксильными группами в боковом радикале: аспарагиновая и глутаминовые кислоты. Основные – в боковом радикале имеющие гуанидиновую, имидазольную или аминогруппы: лизин, аргинин и гистидин. Все остальные – нейтральные. Аминокислоты, которые могут существовать только в трех формах: молекула, катион и анион, - называются нейтральными. Из 20 природных аминокислот – 13 нейтральные: аланин, аспарагин, валин, глицин, глутамин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, серин, треонин, триптофан, фенилаланин. Аминокислоты обладают изомерией. Во всех (кроме глицина) природных α-аминокислотах α-углеродный атом асимметрический, причем у большинства этих соединений (кроме изолейцина и треонина) имеется только один хиральный центр. Поэтому они существуют в виде двух оптических изомеров (L- и D-энантиомеров). Большинство аминокислот L- ряда имеет сладкий вкус, а аминокислоты D-ряда – горькие или безвкусные. Наличие в аминокислоте 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. Деление на L- и D- формы не соответствует делению на право- и левовращающие. Для одних аминокислот L-формы (или D-формы) являются правовращающими, для других – левовращающими. Например, L-аланин – правовращающий, а L- фенилаланин – левовращающий. 37 В водных растворах и твердом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей — цвиттер-ионов (биполярный ион). Однако, аминокислоты могут существовать и в виде какого-либо иона. Это зависит от соотношения их ИЭТ (рН, при котором аминокислота имеет нулевой заряд, т.е. количество диссоциированных кислот и основных групп равно) и рН раствора. Кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано: Химические свойства аминокислот прежде всего определяются наличием в них двух функциональных групп, кислотного и основного характера. Прежде всего это проявление амфотерных свойств: А также возможность участия в реакциях хелатообразования. Аминокислоты ведут себя как полидентантые лиганды. С участием карбоксильной группы могут протекать все реакции, характерные для карбоновых кислот с образованием соответствующих производных карбоновых кислот (солей, сложных эфиров, ангидридов, амидов и т.п.). 38 В организме протекает реакция декарбоксилирования аминокислот с образованием биогенных аминов. Отщепление СО 2 происходит под действием особых ферментов — декарбоксилаз: Образующиеся амины имеют высокую физиологическую активность (гормоны, нейромедиаторы и др.). С участием аминогруппы протекает ряд как биологически важных реакций, так и реакций использующихся для аналитической практики. Практическое значение имеет реакция с формальдегидом, которая лежит в основе количественного определения аминокислот методом формольного титрования (метод Сёренсена). Амфотерность аминокислот не позволяет проводить непосредственно титрование их щелочью в аналитических целях. При взаимодействии аминокислот с формальдегидом получаются относительно устойчивые аминоспирты - N-гидроксиметильные производные, свободную карбоксильную группу которых затем титруют щелочью. Дезаминирование аминокислот бывает двух типов: окислительное и неокислительное. Не подвергаются дезаминированию лизин и пролин. Неокислительное дезаминирование. НООC – CH 2 – СН – COOH аспартаза НООC – CH = СН – COOH + NH 3 аспарагиновая кислота | фумаровая кислота NH 2 Окислительное дезаминирование как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты и в лабораторных условиях приводит к образованию гидрокикислоты (эта реакция лежит в основе метода определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка). А в организме человека осуществляется с участием ферментов и кофермента НАД + или НАДФ + : 39 В обратном направлении протекает реакция восстановительного аминирования α-оксокислот. Всегда содержащаяся в клетках α- оксоглутаровая кислота (как продукт метаболизма углеводов) превращается этим путем в L-глутаминовую кислоту. Переход α-аминокислоты в оксокислоту может осуществлять и путем трансамирирования, но эта реакцияявляется основным путем биосинтеза α-ами- нокислот из α-оксокислот. Донором аминогруппы служит аминокислота, имеющаяся в клетках в достаточном количестве или избытке, а ее акцептором - α-оксокислота. Важнейшее свойство аминокислот — их способность к конденсации с образованием пептидов: При образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с 40 присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия. Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 100. Известны 20 наиболее важных α-аминокислот, входящих в состав белков. Структурные формулы 20 протеиногенных аминокислот: Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (что соответствует молекулярной массе до 10 тыс.), а белки - более 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10 тыс. до нескольких миллионов). В свою очередь, в группе пептидов принято различать олигопептиды (низкомолекулярные пептиды), содержащие в цепи 41 не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, в состав цепи которых входит до 100 аминокислотных остатков. Белк и́ (проте ны и́ , полипепт ды и́ ) — высокомолекулярные органически е вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. Белки делятся на простые и сложные. К простым относят: альбумины, глобулины, протамины, гистоны. К сложным: нуклепротеиды, фосфопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды. Белки представляют собой сложноорганизованную структуру. Выделяют 4 уровня структурной организации белков: первичную , вторичную , третичную и четвертичную структуры. Первичная структура (последовательность аминокислотных остатков) полипептида определяется структурой его гена и генетическим кодом , а структуры более высоких порядков формируются в процессе сворачивания белка . Строго линейное расположение полипептидной цепи энергетически не выгодно, т.к. исключает взаимодействия между различными радикалами аминокислотных остатков. А именно эти взаимодействия приводят к появления вторичной, третичной и четвертичной структур. Такими взаимодействиями являются: ион-ионное взаимодействие, водородные связи, гидратации полярных групп, дисульфидные связи, взаимодействия Ван-дер- Ваальса, гидрофобные взаимодействия, в результате которых выталкиваются молекулы воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей между собой, а также донорно-акцепторные взаимодействия между ионом комплексообразователем и лигандными группами белка. Вторичная структура бывает двух типов. О дной из наиболее выгодных конформаций является расположение в пространстве в виде правозакрученной спирали, названной α- спиралью. На один виток спирали в среднем приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм, диаметр - 0,5 нм. Плоскости двух соседних пептидных групп располагаются при этом под углом 108, а боковые радикалы аминокислот находятся на наружной стороне спирали. Основную роль в закреплении такой конформации цепи играют водородные связи, которые в α-спирали образуются между кар- бонильным атомом кислорода каждого первого и атомом водорода NН-группы каждого пятого аминокислотного остатка. Другим видом вторичной структуры полипептидов и белков является β-структура,называемая также складчатым листом, или складчатым слоем. В складчатые листы укладываются вытянутые полипептидные цепи, связываемые множеством водородных связей между 42 пептидными группами этих цепей. Во многих белках одновременно содержатся α-спиральные и β-складчатые структуры. Обычно белковые цепи спирализованы не полностью, а лишь частично. Например, аминокислота пролин не поддерживает спиралевидную форму в связи с отсутствием атома в пептидной связи. Третичная структура представляет собой особым образом сформированную (закрученную) спираль. Основной тип связи для этой структуры – дисульфидные мостики. Хотя пространственная структура белка в целом определяется его аминокислотной последовательностью, она является довольно лабильной и может зависеть от внешних условий, поэтому более правильно говорить о предпочтительной или наиболее энергетически выгодной конформации белка. Конформация белка в данных конкретных условиях очень важна, во многие процессах (не во всех) она будет определять его биологическую активность. Основным источником α-аминокислот для живого организма служат пищевые белки. Многие α-аминокислоты синтезируются в организме, некоторые поступают только извне (незаменимые). Знание строения, и химических свойств аминокислот необходимы для понимания реакционной способности, превращений и биологической активности пептидов и белков в организме человека в норме и патологии, применения в клинической практике для диагностики и лечения, синтеза пептидов и белков in vitro. Клинические тесты обнаружения белков в биологических жидкостях (цветные, качественные реакции на белки): 1) с сульфосалициловой кислотой белок образует белый осадок (реакция специфична и чувствительна, используется в криминалистике) 2) добавление пикриновой кислоты с образованием желтого осадка (реакция на азотсодержащие гетероциклы) 3) биуретовый тест с сульфатом меди и гидроксидом натрия (реакция на пептидную связь) с образованием фиолетовых комплексных соединений 4) ксантопротеиновый тест с концентрированной азотной кислотой 5) цистеиновый тест с ацетатом свинца в щелочной среде Существуют и другие популярные реакции (нингидриновая, с реактивом Миллона, с нитропруссидом натрия, и т.д.) Как правило, при проведении тестов происходит изменение структуры белков. 43 Отдельные представители: Метионин , незаменимая кислота, участвует в синтезе холина, фосфолипидов, обмене витаминов В 12 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 и в качестве антидепрессанта для улучшения синтеза нейромедиаторов. Глутаминовая кислота – это предшественник гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), являющейся тормозным медиатором нервной системы. Сама по себе глутаминовая кислота также является нейромедиатором, стимулирующим передачу возбуждения в синапсах ЦНС. Кроме этого, глутамат участвует в обезвреживании аммиака , синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, играет ведущую роль в обмене остальных аминокислот, что активно используется в спортивной медицине. Потребность организма в глутаминовой кислоте в несколько раз выше потребности в других аминокислотах. 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. В организме гистидин превращается в медиатор гистамин . 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 питан ия (особый вид внутривенного лечебного питания), например - ваминолакт (набор 18 аминокислот, соответствующих составу грудного молока). 44 Контрольные вопросы и задания: 1. Строение аминокислот. Изомерия, оптическая изомерия. 2. Как классифицируют аминокислоты? Напишите формулы и назовите аминокислоты: кислые, основные, гидрокси - и серосодержащие, гидрофобные, циклические 3. Человек способен синтезировать все основные аминокислоты кроме восьми – незаменимых, которые должны быть включены в рацион питания. Напишите структурные формулы данных кислот. Назовите источники незаменимых аминокислот. 4. Как доказать амфотерность α-аминопропионовой кислоты? Приведите уравнения реакций. 5. Определите характер среды в растворах аминокислот лейцина и лизина. 6. Определите заряд белковой молекулы, если ее ИЭТ равна 6,9, а рН равен: а) 5,3; б) 6,9; в) 7,8. 7. Напишите схемы реакции аминокислот Ала, Вал, Лиз: А) с разбавленным раствором NaOH при комнатной температуре; Б) с соляной кислотой. 8. Какие продукты получаются при декарбоксилировании аминокислот гистидина и триптофана? 9. Химические свойства α-аминокислот по -NH 2 -группе: дезаминирование: окислительное и неокислительное. Проведите сравнение. Есть ли биологическая роль у этих реакций? Какая? 10.Напишите схемы реакций окислительного дезаминирования следующих аминокислот: Асп, Иле, Тре. 11.Приведите пример уравнения реакции трансаминирования аминокислот. 12.Напишите схемы реакций образования трипептидов с последовательностью аминокислот: Глн-Вал-Иле; Фен-Лиз-Тре; Мет- Цис-Асп. 13.Из какой α-аминокислоты путем декарбоксилирования получается биогенный амин гистамин? 14.Какими видами взаимодействия определяются альфа-спираль и бета- конформация белковой молекулы? 15.Почему пролин относится к антиспиральным аминокислотам? Схематично изобразите часть структуры и поясните на ней данный вопрос. 16.Какой качественной реакцией можно обнаружить наличие пептидных связей в белках? 17.Как можно обнаружить, что произошел полный кислотный гидролиз белка? 18.Приведите пример нингидриновой реакции на белок. С какой целью можно использовать эту реакцию? 19.Какой цветной реакцией можно доказать наличие в белке ароматических аминокислот? 45 20.С помощью какой качественной реакции можно установить наличие в белке серосодержащих аминокислот? 21.Для обнаружения какой аминокислоты в белке используется реакция Адамкевича? Напишите структурную формулу соответствующей аминокислоты. 22.Что такое изоэлектрическая точка белков (ИЭТ), изоэлектрическое состояние (ИЭС)? Почему ИЭТ является характерной константой данного белка? 23.От чего зависит заряд белка в водном растворе? Как влияет рН среды на заряд и пространственную структуру белковой молекулы? Какие факторы определяют свойства белков? 24.Почему в крови большинство белков находится в виде отрицательно заряженного иона? 25.Дайте понятие кислых, основных и нейтральных белков. Что понимают под амфотерностью белков? 26.Что понимают под первичной структурой белка? Как образуется пептидная связь? Какая из карбоксильных групп у дикарбоновых и какая из аминогрупп у диаминокислот участвуют в образовании пептидной связи? Способы нарушения первичной структуры (гидролиз). 27.Что представляет собой вторичная структура белка? Какие связи ее формируют? Как построена a-спираль? Что представляет собой структура складчатого типа (-структура)? 28.Что понимают под конформацией (третичной структурой белка)? Как образуются связи: а) ионная; б) гидрофобная; в) дисульфидная; г) водородная? Приведите примеры. В чем различие структуры молекул фибриллярных и глобулярных белков? 29.Что понимают под четвертичной структурой белка? Какие связи участвуют в образовании четвертичной структуры? 30.Что такое сложные белки. Приведите примеры. |