68465

Аминокислоты, пептиды и белки

Лекция

Химия и фармакология

Для записи аминокислотных остатков в макромолекулах пептидов и белков используют трехбуквенные сокращения их тривиальных названий (см. табл. 1). –аминокислоты – кристаллические вещества, растворимые в воде. Часть из них обладает сладким вкусом.

Русский

2014-09-22

820 KB

1 чел.

Лекция № 7,8.

Аминокислоты, пептиды и белки.

Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, содержащие старшую карбоксильную группу (–СООН) и аминогруппу (–NH2). По положению NH2–группы относительно СООН–группы различают –, –, –кислоты. Пептиды и белки организма состоят только из –аминокислот, в молекулах которых обе функции находятся при одном и том же атоме углерода.

    

Общий фрагмент

     

Основная функция                NH2–СН–СООН               Кислотная функция

     R Радикал

 Названия –аминокислот строятся по заместительной номенклатуре, но обычно используются их тривиальные названия, чаще связанные с источником выделения.

НООС – СН2 – СН – СООН                         2-аминобутандиовая кислота, аспарагиновая кислота

выделена из спаржи (от лат. asparagus - спаржа).

НО – СН2 – СН – СООН   2-амино-3-гидроксипропановая кислота, серин входит в

состав фиброина шелка (от лат. serieus – шелковистый).

Для записи аминокислотных остатков в макромолекулах пептидов и белков используют трехбуквенные сокращения их тривиальных названий (см. табл. 1).

 –аминокислоты – кристаллические вещества, растворимые в воде. Часть из них обладает сладким вкусом. Основным источником –аминокислот для живого организма служат пищевые белки. Многие –аминокислоты синтезируются в организме, некоторые же необходимые для синтеза белков –аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называют незаменимыми: валин, лейцин, изолейцин, лизин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан (см. табл. 1).

Таблица 1. Важнейшие –аминокислоты.

R – CH – COOH

Строение R

Название

Сокращенное название аминокислотного остатка

Алифатические

Н –

СН3

(СН3)2СН –

(СН3)2СН – СН2

СН3 – СН2 – СН –

Содержащие ОН–группу

НО – СН2

СН3 – СН –

Содержащие СООН–группу

НООС – СН2

НООС – СН2 – СН2

Содержащие NH2СО–группу

NH2СО – СН2

NH2СО – СН2 – СН2

Содержащие NH2-группу

NH2 – (СН2)3 – СН2

NH2 – С – NH – (СН2)2 – СН2

Серусодержащие

HS – CH2

CH3 – S – CH2 – CH2

Ароматические

– СН2

НО –           – СН2

Гетероциклические

(полная формула)

Глицин

Аланин

Валин

Лейцин

Изолейцин

Серин

Треонин

Аспарагиновая

Глутаминовая

Аспарагин

Глутамин

Лизин

Аргинин

Цистеин

Метионин

Фенилаланин

Тирозин

Триптофан

Гистидин

Пролин

Gly

Ala

Val

Leu

Ile

Ser

Thr

Asp

Glu

Asn

Gln

Lys

Arg

Cys

Met

Phe

Tyz

Trp

His

Pro

 Незаменимые –аминокислоты.

При некоторых заболеваниях, чаще врожденных, перечень незаменимых кислот расширяется. Например, при кетонурии (слабоумие) не синтезируется организмом тирозин ( у здоровых людей он получается гидроксилированием фенилаланина).

Медико-биологическое значение –аминокислот заключается в том, что они участвуют в синтезе белков организма. Все многообразие пептидов и белков зависит от состава и различного сочетания –аминокислот их образующих.

Классификация –аминокислот.

  1.  По химической природе радикала
  2.  Алифатические –аминокислоты составляют наиболее многочисленную группу: Gly, Ala, Val, Leu, ILe, Ser, Thr, Asp, Glu, Asn, Gln, Lys, Arg, Cys, Met.
  3.  Ароматические и гетероциклические: Phe, Tyr, Trp, His, Pro. Циклы отделены от –аминокислотного фрагмента группой –СН2–. Это позволяет свободное вращение циклов при формировании пространственной структуры белка.
  4.  По числу групп –СООН и –NH2 в молекуле
  5.  Нейтральные или моноаминомонокарбоновые (1–СООН и 1–NH2): Gly, Ala, Val и т.д.
  6.  Основные или диаминомонокарбоновые (1–СООН и 2–NH2): Lys, Arg.
  7.  Кислые или моноаминодикарбоновые (2–СООН и 1–NH2): Glu, Asp.
  8.  По полярности бокового радикала
  9.  –аминокислоты с неполярным (гидрофобным) радикалом: Ala, Leu, Val и т.д.
  10.  –аминокислоты с полярным радикалом (гидрофильным), содержащим полярные группировки (ОН–, SH–, COOH–, NH2–):

а) ионогенные – способные к ионизации в условиях организма, например, фенольный гидроксил тирозина.

б) неионогенные – неспособные переходить в ионное состояние в организме, например, спиртовый гидроксил серина.

В белках ионогенные группы располагаются на поверхности и обуславливают электростатическое взаимодействие. Неионогенные располагаются как на поверхности белка, так и внутри и образуют водородные связи. Таким образом, и те и другие участвуют в формировании пространственной структуры белка.

Стереоизомерия –аминокислот.

Все –аминокислоты, кроме глицина, имеют центр хиральности и потому оптически активны.

              СООН                                   СООН                       Принадлежность к D– и L– ряду

определяют по глицериновому

 Н – С* – NH2                 NH2 –  С* – Н                   альдегиду.

 

                   R                                           R 

    D–аминокислота             L–аминокислота

Энантиомеры

Почти все природные –аминокислоты относятся к L–ряду, а в построении белков организма участвуют только L–аминокислоты. С этим связана стереоспецифичность ферментов: они состоят из L–аминокислот и расщепляют белки, состоящие только из L–аминокислот. Расщепление же белков из D–аминокислот ферментативно невозможно. По этой причине ферменты животных и человека абсолютно бессильны перед вирусом «сибирской язвы», так как в состав белка вируса входит D–глутаминовая кислота.

Формы существования –аминокислот

в зависимости от реакции среды.

Наличие двух функциональных групп – кислотного (СООН–) и основного (NH2–) характера обуславливает амфотерность –аминокислот. Между ОН– кислотным центром (к.ц.) карбоксильной группы и основным центром (о.ц.) группы –NH2 по донорно-акцепторному механизму идет образование диполярного иона (цвиттер–иона).

R – CH – C – OH                                        R – CH – C – O    +  H+             R – CH – COO

                       к.ц.  диссоциирует по типу

     о.ц.                     слабого электролита        о.ц.                 акцептор

                                                                        донор                                      диполярный ион

В водном растворе –аминокислота существует в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм. Положение равновесия зависит от pH среды. Общим для всех –аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислых                       (рН~1) и анионных – в сильнощелочных (рН~11) средах.

                                     Н+                                          – Н+

NH3+ – CH – COOH                NH3+ – CH – COO                  NH2 – CH – COO

                                     + Н+        + Н+

Катионная форма                     Диполярный ион                    Анионная форма

(рН~1,0) Сильнокислая среда                     рН~7,0                      Сильнощелочная среда (рН~11,0)

Значение рН, при котором суммарный заряд молекулы –аминокислоты (белка) равен 0, называется изоэлектрической точкой (pI), а состояние –аминокислоты (белка) – изоэлектрическим.

Нейтральные –аминокислоты

Имеют значения pI в слабокислой среде, например, у аланина pI 6,0.

  – Н+                                       – Н+

   + Н+                                       + Н+

    Катион   Диполярный ион                      Анион

   рН~1,0                                       рI 6,0                                   рН~11,0

В условиях организма при рН крови 7,36 нейтральные –аминокислоты существуют в анионной форме.

Кислые –аминокислоты.

Имеют pI в кислой среде, например, у глутаминовой кислоты pI 3,22.

         – Н+                                     – Н+                                 – Н+

                                + Н+                                    + Н+                                  + Н+

    Катион                       Диполярный ион                        Анион                          Дианион

     pН~1,0                            pI 3,22                                                                         pH~11,0

В условиях организма при рН крови 7,36 кислые –аминокислоты существуют в анионной форме.

Основные –аминокислоты.

Имеют pI в щелочной среде, например, у лизина pI 9,7.

                         – Н+                                – Н+                                                – Н+

                         + Н+                               + Н+                                + Н+

Дикатион                    Катион                       Диполярный ион                   Анион

 pН~1,0                                                                 pI 9,7

В условиях организма при рН крови 7,36 основные –аминокислоты существуют в катионной форме.

Химические свойства –аминокислот.

  1.  Образование солей по кислотному и основному центрам (амфотерность –аминокислот).

                                                + NaOH                 R – CH – C – ONa      +     H2O                  

R – CH – C – OH                                                             (соль)                                  

                       к.ц.                   + HCl                    R – CH – COOH

      о.ц.

       (соль)

  1.  С катионами тяжелых металлов Hg, Pb, Cd, Cu–аминокислоты как бифункциональные соединения образуют внутрикомплексные соли (хелаты), которые понижают растворимость –аминокислот.

Реакция с Cu2+ является качественной на –аминокислотный фрагмент – образуется комплекс синего цвета.

  1.  Свойства по группе –СООН:

а) образование амидов

         SN(H+)

R – CH – C – OH     +     H – N – X                         R – CH – C – N – X     +     H2O

          амидная связь

X – остаток другой –аминокислоты, алифатический или ароматический радикал.

Амидная связь прочная, гидролизуется только в сильнокислой или сильнощелочной среде. Амидной связью соединены остатки –аминокислот в пептидах и белках.

б) образование эфиров

    HCl сух.           + NH3 

R – CH – C – OH     +     H – OCH3                   R – CH – C – O – CH3                   R – CH – C – O – CH3

     – Н2О            – NH4Cl

смесь –аминокислот                                                          сложно-эфирная связь

Реакция этерефикации обратима. Для выделения свободных эфиров смесь обрабатывают газообразным аммиаком. Все реактивы должны быть безводными. Эфиры не имеют биполярного строения и, в отличие от –аминокислот, не растворяются в воде, а растворяются в органических растворителях. Эфиры летучи. Это используют для разделения –аминокислот путем эфирной перегонки их метиловых эфиров (предложена Фишером в 1901 году).

в) декарбоксилирование (удаление группы –СООН из –аминокислотного фрагмента) «in vivo» идет под действием ферментов декарбоксилаз и кофермента пиридоксальфосфата. В результате образуются биогенные амины. Декарбоксилирование возможно из-за электроноакцепторного влияния –NH3+ в –положении.

         фермент

              – СН2 – СН – СОО                                      – СН2 – СН2NH2

          – СО2

                                                                                        Гистамин – биогенный амин, имеет отношение

   гистидин                                                                     к аллергическим реакциям организма.

       фермент

                 – СН – СОО        – СН2 – СН2NH2

         – СО2

      Триптофан                                                                                            Триптамин токсичен

       фермент                                             

НООС – СН2 – СН2 – СН – СОО                               НООС – СН2 – СН2 – СН2NH2 

        – СО2             –аминомасляная (ГАМК) является

Глутаминовая                                                               нейромедиатором головного мозга.

ГАМК под названием гаммалон или аминалон применяется при лечении нервно-психических заболеваний. При нагревании ГАМК подобно –оксикислотам подвергается внутримолекулярной циклизации с образованием лактама. Лактамы – это циклические амиды, гидролизуются в кислой и щелочной среде.

    to

          –H2O    -бутиро лактам        (пирролидон–2)

На основе пирролдиона–2 синтезированы замещенные по N лактамы:

пирацетам (ноотропил) –                     поливинилпирролидон –

влияет на мышление                             эффективный заменитель плазмы крови

Для незамещенных по N лактамов характерна лактам–лактимная таутомерия – динамическое равновесие между лактамной и лактимной формой, вызванное свободной обратимой миграцией Н между N и О в фрагменте цикла  – NC

 лактам                             лактим

  1.  Свойства –аминокислот по группе –NH2:

А) образование оснований Шиффа (иминов) с альдегидами (присоединение – отщепление).

     

     +         AN          Е

R – C              +     H – N – CH – COOH                           R – C – N – CH – COOH    

                 – Н2О

альдегид                    –аминокислота                               карбиноламины неустойчивы    

                    RCH = NCHCOOH    Имин (основание Шиффа)

 

Реакция с формальдегидом лежит в основе количественного определения –аминокислот методом формального титрования (метод Серенсена). Амфотерный характер –аминокислот не позволяет проводить их титрование щелочью. При взаимодействии –аминокислот с формальдегидом получаются относительно устойчивые карбиноламины, свободную карбоксильную группу которых титруют щелочью.

    

     +              +NaOH

H – C           +     H – N – CH – COOH            CH2 – N – CH – COOH               CH2 – N – CH – COONa

              H2O 

формальдегид      –аминокислота            устойчивый карбиноламин                натриевая соль

–аминокислоты

б) дезаминирование (удаление NH2–группы) – важная реакция организма. Так снижается избыток –аминокислот в организме. (Пути образования NH3 в организме).

Неокислительное (без О2) дезаминирование «in vivo» встречается в грибах, бактериях, ведет к образованию непредельных - и - кислот.

     аспартаза

НООС – СН – СН – СООН                                             С = С

       аспарагиновая                                          фумаровая кислота

 Окислительное дезаминирование «in vivo» идет с участием дегидрогеназ и кофермента НАД+ или НАДФ+ и ведет к образованию токсического NH3, который включается в организме в цикл мочевины.

            ф-т            + Н2О

RCCOOH   +   НАД+             НАДН   +   Н+   +   RCCOOH               RCCOOH   +   NH3   

        окислен.        восстан.

–аминокислота    форма           форма                     –иминокислота           –оксокислота     аммиак

Дезаминирование «in vitro» с азотной кислотой (HNO2) используют для количественного определения –аминокислот (метод Ван-Слайка).

R – CH – COOH     +     HNO2        R – CH – COOH     +     H2O     +     N2

–аминокислота                            –гидроксикислота                         по количеству N2 судят о

      количестве –аминокислоты

  1.  Специфические реакции –аминокислот «in vivo». Некоторые –аминокислоты, находясь в составе белков, подвергаются химической модификации, которая связана с изменениями радикала. Чаще всего это окислительные процессы.

А) гидроксилирование – введение в боковой радикал ОН–группы. Например, в молекуле белка коллагена идет гидроксилирование лизинового остатка                                 гидроксилаза   

NH2 – CH2 – CH – CH2 – CH2 –      +       O2     +     НАДН    +     Н+

радикал лизина в молекуле коллагена

                                                                     NH2CH2CHCH2CH2 –      +       НАД+    +     Н2О

                                                                     фрагмент β-гидроксилизина  

Б) Обратное окисление тиогрупп лежит в основе ряда окислительно-восстановительных процессов в клетке.

HS – CH2 – CH – COOH                                                 S – CH2 – CH – COOH

        окисление

HS – CH2 – CH – COOH         восстановление             S – CH2 – CH – COOH

             Цистеин                                                                  цистин

Превращение цистеина в цистин приводит к образованию дисульфидных мостиков, которые участвуют в формировании третичной структуры белка.

Благодаря легкому окислению тиольных групп, цистеин выполняет защитную функцию при действии на организм окислителей.

В) Карбоксилирование имеет большое значение для свертывания крови. В радикал глутаминовой кислоты белка протромбина вводится СООН–группа. Это приводит к связыванию Са2+ и превращению протромбина в тромбин.

                                  Карбоксилирование                        + Са2+

–СН2 – СН2 – СОО                                     – СН2 – СН                                – СН2 – СН                    Са2+

радикал глутаминовой                                 фрагмент тромбина

в протромбине

Принципиальный путь биосинтеза катехоламинов.

Катехоламины – представители биогенных аминов, которые образуются в результате метаболизма незаменимой –аминокислоты фенилаланина. К катехоламинам относятся дофамин, норадреналин и адреналин. Как и ацетилхолин, они выполняют роль нейромедиаторов. Адреналин является гормоном надпочечников, а норадреналин и дофамин – его предшественники. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности и обмена углеводов. При стрессах выделяется в кровь («гормон страха»).

             гидроксилаза

                      – СН2 – СН – СООН                        НО –           – СН2 – СН – СООН

              фенилаланин                                                               тирозин

     гидроксилаза         декарбоксилаза

                    – СН2 – СН – СООН                                                – СН2 – СН2

                                  3,4-дигидроксифенилаланин                                              дофамин

дофамин--оксидаза      N-метилтрансфераза

                                                          – СН–СН2NH2                                                        –СН–СН2N

 

               Норадреналин                                                               Адреналин

Пептиды и белки.

Природные или синтетические вещества, построенные из остатков –аминокислот, соединенных пептидными связями, называются пептидами.

Если пептиды содержат меньше 10 остатков –аминокислот, их называют олигопептиды; от 10 до 100 – полипептиды, выше 100 – белки.

Пептиды и белки пищи в желудочно-кишечном тракте под действием ферментов – пептидаз подвергаются полному гидролизу до свободных –аминокислот, из которых организм синтезирует собственные белки.

Пептидную или белковую молекулу можно представить как продукт поликонденсации –аминокислот, в котором остатки –аминокислот соединены пептидными (амидными) связями.

H2N – CH – C – OH     +     H – N – CH – C – [OH   +  …   H]– NCHCOH 

N–конец                    С–конец

               

               H2N – CH – C –  N – CH – C –   …  N – CH – C – OH

                           р,-сопряжение

Пептидная связь из-за р,-сопряжения жесткая, вращение вокруг нее затруднено. Полипептидная цепь имеет линейное строение и представляет собой первичную структуру белка. Цепь имеет начало – N-конец и конец – С-конец.

Классификация белков (протеинов).

  1.  По биологическим функциям
  2.  Структурные белки – строительный материал (кератин, эластин, коллаген).
  3.  Транспортные белки (гемоглобин, миоглобин).
  4.  Сократительные (актин, миозин).
  5.  Защитные (иммуноглобулины).
  6.  Регуляторные (гормоны).
  7.  Ферментативные (биокатализаторы).
  8.  Запасные (казеин, ферритин).
  9.  Токсические (змеиные яды, дифтерийный токсин).
  10.  По составу
  11.  Простые (неконьюгированные) белки при гидролизе дают только –аминокислоты.
  12.  Сложные (коньюгированные), кроме белковой части, содержат простатическую группу (небелковую):

а) гемопротеины содержат простатическую группу гем;

б) фосфопротеины – остаток фосфорной кислоты;

в) металлопротеины – ионы металла;

г) гликопротеины – углеводную часть;

д) липопротеины – липидную часть;

е) нуклеопротеины – фрагменты нуклеиновых кислот;

  1.  По пространственной структуре
  2.  Глобулярные белки. Характерна –спиральная структура, молекулы имеют форму сферы (альбумин – яичный белок, глобин – белковая часть гемоглобина, миоглобин, почти все ферменты). При растворении в воде образуют коллоидные системы.
  3.  Фибриллярные белки. Характерна -структура, волокнистое строение (-кератин волос и роговой ткани, -фиброин шелка, мионозин мускульной ткани, коллаген соединительной ткани). Фибриллярные белки не растворимы в воде.

PAGE  7


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19095. Характеристики дискретных (цифровых) фильтров 176 KB
  Лекция № 8. Характеристики дискретных цифровых фильтров. Основными характеристиками стационарных линейных дискретных фильтров являются следующие: импульсная характеристика ; комплексная частотная характеристика ; амплитудночастотная и фазочастот...
19096. Z-преобразование 233 KB
  Лекция № 9. Zпреобразование. Удобным способом анализа дискретных последовательностей является Zпреобразование. При Zпреобразовании разностные уравнения описывающие работу дискретной системы преобразуются в алгебраические уравнения с которыми проще производит
19097. Связь системной функции с частотная характеристикой. Обратное Z-преобразование 214.5 KB
  Лекция № 10. Связь системной функции с частотная характеристикой. Обратное Zпреобразование. Структурную схему дискретной системы можно составить либо по разностному уравнению либо с помощью системной передаточной функции. Применяя Zпреобразование к обеим частям ...
19098. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье 198 KB
  Лекция № 11. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье. Дискретное преобразование Фурье ДПФ относится к классу основных преобразований при цифровой обработке сигналов. Дискретное преобразование Фурье по возможности вычисляе
19099. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье 316.5 KB
  Лекция № 12. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье. Нахождение спектральных составляющих дискретного комплексного сигнала непосредственно по формуле ДПФ требует комплексных умножений и комплексных сложений. Так как колич...
19100. Некоторые специальные возможност и Excel 467.55 KB
  После этого появится новое окно, где нужно ввести значения для указанных ячеек. Описанную операцию нужно повторить несколько раз для создания нескольких. Для того, чтобы заполнить ячейки значениями из конкретного сценария
19101. Устойчивость дискретных систем 199 KB
  Лекция № 13. Устойчивость дискретных систем. Линейная дискретная система с постоянными параметрами стационарный фильтр называется устойчивой если при любых начальных условиях и любом ограниченном входном сигнале выходной сигнал также остается ограниченным то е...
19102. Реализация алгоритмов цифровой фильтрации 281 KB
  Лекция № 14. Реализация алгоритмов цифровой фильтрации. Графическим представлением алгоритмов цифровой фильтрации являются структурные схемы. Структурную схему дискретной системы можно составить либо по разностному уравнению либо с помощью системной передаточн...
19103. Проектирование (синтез) линейных цифровых фильтров 144 KB
  Лекция № 15. Проектирование синтез линейных цифровых фильтров. Под проектированием синтезом цифрового фильтра понимают выбор таких коэффициентов системной передаточной функции при которых характеристики получающегося фильтра удовлетворяют заданным требовани...