Главная страница

Лекции по биоорганической химии (БОХ). Конспектлекций по курсу биоорганическаяхими я для специальности 060101 Лечебное дело содержание Тема Введение. Основы современной теории строения органических соединений


НазваниеКонспектлекций по курсу биоорганическаяхими я для специальности 060101 Лечебное дело содержание Тема Введение. Основы современной теории строения органических соединений
АнкорЛекции по биоорганической химии (БОХ).doc
Дата01.10.2017
Размер5.6 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлаЛекции по биоорганической химии (БОХ).doc
ТипКонспект
#16361
страница9 из 13
Каталогmedlivebooks

С этим файлом связано 12 файл(ов). Среди них: Лекции по биоорганической химии (БОХ).doc, Berezov_T_T_Korovkin_B_F_-_Biologicheskaya_khimia_Ucheb_lit_dlya, Biokhimia_Polny_nabor_lektsy.pdf, Kratkiy_povtor_po_vsey_biokhimii.pdf, Sovremennaya_biokhimia_v_skhemakh.pdf, Ya_Musil_-_Sovremennaya_biokhimia_v_skhemakh.pdf, Biokhimia_v_tablitsakh_i_skhemakh.pdf и ещё 2 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13
ТЕМА 11. Аминокислоты, пептиды, белки

Строение и свойства аминокислот и пептидов.

Аминокислоты соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют амино- и карбоксильные группы. Природные -аминокислоты являются биологически активными соединениями

Строение аминокислот. Все -аминокислоты можно рассматривать как результат замены атома водорода в простейшей -аминокислоте – глицине – на тот или иной радикал R. Таким образом, в соответствии с природой радикала R, называемого боковой цепью, -аминокислоты подразделяют на 4 группы, отличающиеся гидрофильностью или гидрофобностью боковых цепей, а также способностью боковой цепи проявлять кислотные или основные свойства.

Стереохимия природных -аминокислот характеризуется тем, что все они, кроме глицина, имеют асимметрический атом углеродa (атом, связанный и с амино-, и с карбоксильной группой), конфигурация которого может быть отождествлена с конфигурацией L- глицеринового альдегида путем цепи химических превращений:



Превращения либо не должны затрагивать хиральный центр, либо должны протекать строго стереоспецифично. Следовательно, все природные -аминокислоты являются энантиомерами.

Конфигурация асимметрического центра аминокислот определяет биологические свойства как самих аминокислот, так и олиго- и полимерных соединений, мономерами которых служат остатки аминокислот (эти соединения называют пептидами).

Свойства аминокислот. Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с довольно высокими температурами плавления (более 230 °С). Большинство кислот хорошо растворимы в воде и практически не растворимы в спирте и диэтиловом эфире, что указывает на солеобразный характер этих веществ. Специфическая растворимость аминокислот обусловлена наличием в молекуле одновременно аминогруппы (основный характер) и карбоксильной группы (кислотные свойства), благодаря чему аминокислоты принадлежат к амфотерным электролитам (амфолитам).





В водных растворах и твердом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей — цвиттер-ионов.

Кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано:



Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поле, то в зависимости от показателя рН раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при рН < 7 аммонийные ионы аминокислот перемещаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН > 7 карбоксилат-ионы — к положительному полюсу (аноду). Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. При значении рН, равном показателю рI, молекула аминокислоты в электрическом поле не перемещается.

Наличие в молекуле одновременно амино- и карбоксильной группы отражается и на поведении аминокислот в тех реакциях, в которых участвует только одна из двух функциональных групп.

С участием карбоксильной группы могут протекать все реакции, характерные для карбоновых кислот с образованием соответствующих производных карбоновых кислот (сложных эфиров, ангидридов, амидов и т.п.).




При этом надо помнить о том, что аминогруппа легко окисляется, поэтому, например, для получения галогенангидридов аминокислот требуется предварительное ацилирование аминогруппы. После получения галогенангидрида ацильная защита гидролизуется.

Одна из важнейших реакций в организме — декарбоксилирование аминокислот. Отщепление СО2 происходит под действием особых ферментов — декарбоксилаз:



Аминогруппа, которая в аминах проявляет себя как нуклеофил, в биполярном ионе полностью лишена нуклеофильности из-за протонирования, поэтому ни реакция алкилирования по Гофману, ни ацилирование, свойтвенные аминам, не имеют места в случае аминокислот. Эти реакции могут происходить только при условии предварительного депротонирования аминогруппы, что достигается использованием реакционной среды с высоким значением рН, при которых цвиттер-ион полностью превращен в карбоксилат-анион.

Алкилирование осуществляют, действуя на полученные соли минокислот алкилгалогенидами в присутствии оснований (как органических, так и неорганических).

Ацилирование также требует предварительного превращения цвиттер-иона в карбоксилат-анион и успешно протекает при наличии в реакционной среде эквивалента основания (основание необходимо для связывания, выделяющегося при ацилировании кислого продукта – галогеноводорода или карбоновой кислоты).



Образование оснований Шиффа (как типичная реакция аминов) свойственно и аминокислотам; наиболее часто используют реакции аминокислот с бензальдегидом:

На образовании оснований Шиффа основана реакция идентификации аминокислот, известная как «нингидриновая проба», широко применяемая для визуализации зон аминокислот (возникает интенсивное сине-фиолетовое окрашивание) при их хроматографическом и электрофоретическом разделении, а также для количественного определения содержания аминокислот в растворах:




Дезаминирование аминокислот, как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты. Эта реакция лежит в основе метода определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка).



Биосинтез аминокислот. Все природные -аминокислоты делят на незаменимые (валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин), которые поступают в организм только из внешней среды, и заменимые, синтез которых происходит в организме. Биосинтез -аминокислот может происходить на основе не аминокислот, например по реакции восстановления -кетокислот под действием НАДН. Реакция стереоспецифична вследствие стереоспецифичности НАДН.

В качестве исходных веществ при биосинтезе аминокислот могут выступать другие аминокислоты. Например, реакция транс-аминирования (переаминирования) является основной при синтезе -аминокислот в организме.

Катализаторами и участниками этого процесса являются ферменты (аминотрансферазы) и кофермент пиридоксальфосфат, который служит переносчиком аминогруппы.

Пептиды. Амино- и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать друг с другом, даже если они находятся в одной молекуле. Еще более реальным является образование межмолекуляр­ной амидной связи. Амиды, образовавшиеся в результате взаимодействия некоторого числа аминокислот, называют пептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-, тетра-, пентапептиды и т.д. При этом пептиды молекулярной массой не более 10 000 называют олигопептидами, молекулярной массой более 10 000 — полипептидами, или белками. Амидные связи в составе пептидов называют пептидными.

Пептидная группировка характеризуется рядом свойств.

1. Пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости.

2. Атомы кислорода и водорода пептидной группировки природных пептидов и белков находятся в транс-положении по отношению к связи С—N, так как при транс-конфигурации заместителей боковые цепи оказываются наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры белковой молекулы.

3. Пептидная группа представляет собой трехцентровую р,-сопряженную систему, которая образуется вследствие делокализации электронной плотности между атомами кислорода, углерода и азота. Длины связей С–О и С–N оказываются практически оди­наковыми.

4. Пептидная связь устойчива при температуре 310 К в средах, близких к нейтральной (физиологические условия). В кислой и щелочной средах связь подвергается гидролизу. В условиях организма гидролиз происходит ферментативно.

5. Дополнительные, как правило, нековалентные, связи между пептидной группой и боковыми цепями обусловливают существование различных конформаций белковой молекулы. Например, внутримолекулярные водородные связи (N—Н--О=С) стабилизируют вторичную структуру белка.

6. Пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кетонной и енольной). Эти свойства пептидной группировки определяют строение полипептидной цепи:

Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков – боковых радикалов аминокислотных остатков. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец).

Как правило, при изображении формулы пептида N-конец располагают слева, а С-конец — справа:



Называют пептид, последовательно перечисляя, начиная с N-конца, названия аминокислот, входящих в пептид; при этом суффикс «-ин» заменяют на суффикс «-ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой. Для описания строения пептидов применяют не традиционные структурные формулы, а сокращенные обозначения, позволяющие сделать запись более компактной.


Понятие «строение пептида» (равно как и «первичная структура белка») включает в себя следующие характеристики:

1) общее число аминокислотных остатков;

2) перечень аминокислот, входящих в состав пептида, и указание количества аминокислотных остатков каждого вида (аминокислотный состав пептида или белка);

3) последовательность связывания аминокислот друг с другом (этот параметр называют аминокислотной последовательностью; он отражает так называемую первичную структуру пептида или белка); последовательность записывают слева направо от N-конца к С-концу.

Метод Эдмана (определение первичной структуры полипептида) заключается во взаимодействии N-концевой аминокислоты с фенилизотиоцианатом в щелочной среде. При дальнейшей обработке слабой кислотой без нагревания происходит отщепление от цепи «меченой» концевой ФТГ-аминокислоты. ФТГ-аминокислота идентифицируется методами тонкослойной или газожидкостной хроматографии. Преимущество метода Эдмана состоит в том, что при отщеплении каждой концевой -аминокислоты остальная часть пептидной молекулы не разрушается и операции по отщеплению можно повторять.

Метод Эдмана пригоден для воспроизведения на автоматическом приборе – секвенаторе.

Особенности растворения полимеров. Размеры макромолекул высокомолекулярных соединений (ВМС) соизмеримы с размерами коллоидных частиц, что обусловливает общность ряда свойств, характерных для коллоидных растворов и растворов ВМС.

К таким свойствам относят малую скорость диффузии растворенных частиц, неспособность их проникать через мембраны, эффект Фарадея-Тиндаля и др. Однако растворы ВМС являются истинными, поскольку удовлетворяют основным критериям истинных растворов: самопроизвольность образования, гомогенность, термодинамическая устойчивость, равновесность.

Равновесие в растворах ВМС устанавливается медленнее, чем в истинных растворах, и, растворению, как правило, предшествует набухание. Набуханием называют самопроизвольный процесс односторонней диффузии низкомолекулярного растворителя в полимер, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМС.

Различают неограниченное и ограниченное набухание. В первом случае полимер поглощает жидкость, а потом при той же температуре постепенно переходит в раствор (растворение желатина или крахмала в горячей воде). При ограниченном набухании процесс практически останавливается на стадии образования гетерогенной системы, состоящей из двух фаз: набухший полимер и низкомолекулярный растворитель. В этом случае равновесной системой является гель. Пример ограниченного набухания — набухание желатина или крахмала в холодной воде, набухание резины в бензоле. Тип набухания зависит от гибкости полимерной цепи: чем более гибкой является полимерная цепь, тем больше степень набухания и тем выше вероятность образования раствора. Количественно способность полимера набухать в тех или иных растворителях характеризуют степенью набухания.

Для амфотерных полиэлектролитов степень набухания зависит от рН среды. Белки в изоэлектрическом состоянии имеют минимальные значения степени гидратации, набухания, растворимости. Зависимость степени набухания белка от рН среды выражается кривой с двумя максимумами и одним минимумом, который соответствует изоэлектрической точке.

Качественные реакции. Для идентификации некоторых пептидов и белков используют так называемые «цветные реакции».

Универсальная реакция на пептидную группу — появление красно-фиолетовой окраски при добавлении к раствору белка ионов меди (II) в щелочной среде (биуретовая реакция).

Реакция на остатки ароматических аминокислот — тирозина и фенилаланина — появление желтой окраски при обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция).

Серасодержащие белки дают черное окрашивание при нагревании с раствором ацетата свинца(II) в щелочной среде (реакция Фоля).

По составу белки подразделяются на простые (неконъюгированные) и сложные (конъюгированные). При гидролизе простых белков в качестве продуктов расщепления получаются только -аминокислоты. Сложные белки наряду с собственно белковой частью, состоящей из - аминокислот, содержат органическую или неорганическую части непептидной природы, называемые простетическими группами.

Примерами сложных белков могут служить транспортные белки миоглобин и гемоглобин, в которых белковая часть — глобин — соединена с простетической группой — гемом. По типу простетической группы их относят к гемопротеинам. Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, метал-лопротеины — ионы металла.

Пространственное строение полипептидов и белков

Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Вторичная структура описывается пространственной ориентацией основной полипептидной цепи, третичная – трехмерной архитектурой всей белковой молекулы. Как вторичная, так и третичная структуры связаны с упорядоченным расположением макромолекулярной цепи в пространстве. Вторичная структура закрепляется, как правило, с помощью водородных связей между пептидными группами, довольно близко расположенными в цепи α-аминокислотных остатков. Ее основные виды — α-спираль и β-структура. Третичная структура (глобулярная или фибриллярная) стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействий, например ионным, гидрофобным, а также «сульфидными» связями.

Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул. Четвертый уровень встречается при образовании единых белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей.

Определяющее значение в формировании более высоких уровней организации белковых молекул имеет их первичная структура. Природа α-аминокислотных остатков и порядок их соединения обусловливают характер стабилизации более высокоорганизованных структур.


Контрольные задания

1. Из представленных соединений выберите изомер глутаминовой кислоты по функциональной группе

а) НООС–СН2СН2СН(ОН)–СОNH2; б) H2NCО–СН2СН2СН(NН2)–COOH;

в) HOOC–СН2CH(NH2)СН2–COOH; г) HOOC–СН2CH(NH2)–COOH.

2. Какую среду покажет раствор лизина при растворении в дистиллированной воде: а) нейтральную; б) слабокислую; в) слабощелочную?

3. Какая кислота образуется при дезаминировании валина in vitro:

а) 3-метил-2-оксобутановая; б) 3-метил-2-бутеновая; в) 2-метил-3-оксобутановая; г) 2-гидрокси-3-метилбутановая; д) 2-метилбутандиовая?

4. Какое органическое соединение получится из серина при действии на него фермента декарбоксилазы: а) 2-амино-1-этанол; б) 2-аминопропановая кислота; в) 3- гидроксипропановая кислота; г) 3-оксо-2-аминопропановая кислота; д) пропандиовая кислота?

5. Реакция на серусодержащие аминокислоты (реакция Фоля) меняет окраску раствора аминокислоты от бесцветной до: а) жёлтой, б) сине-фиолетовой, в) васильковой, г) чёрной.

6. При взаимодействии с конц. азотной кислотой раствор аминокислоты приобрёл жёлтый цвет, перешедший в оранжевый при подщелачивании (ксантопротеиновая реакция). Это был раствор: а) аланина, б) серина, в) аспарагина, г) тирозина, д) метионина?

7. Вторичная структура белка — это: а) последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи; б) укладка полипептидной цепи в виде спирали или складчатой структуры; в) укладка полипептидной цепи в трёхмерную конфигурацию; г) комплекс из нескольких отдельных полипептидных цепей.

8. Закрепление конформации в третичной структуре белка происходит, в основном, за счёт связей: а) водородных; б) ионных; в) гидрофобных (силы Ван-дер-Ваальса); г) кислородных; д) азотных; е) дисульфидных.

9. Приведите структурную формулу лейцина и сокращённое обозначение его аминокислотного остатка. Назовите эту аминокислоту по правилам международной номенклатуры. Приведите (если это возможно) один изомер положения функциональной группы, один изомер функциональной группы и один изомер строения углеродного скелета. Изобразите L и D- энантиомеры.


1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13

перейти в каталог файлов
связь с админом