1. Строение и биологическая роль аминокислот, пептидов, белков

Гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группы, называются аминокислотами (а/к). Общее число, встречающихся в природе аминокислот, достигает 100. При этом в организме человека их найдено около 70, из которых  20 входят в состав белков. Ф.Крик назвал их “магической двадцаткой”. Только они шифруются генетическим кодом. Эти кислоты относятся к -аминокислотам (- потому что у -С атома по рациональной номенклатуре) и называются протеиногенными (Приложение 1):

Существуют различные классификации, входящих в состав белков, в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы. Так по химической природе боковой цепи выделяют алифатические (ациклические), ароматические, гетероциклические. По количеству функциональных групп: аминомонокарбоновые, диаминомонокарбоновые, аминодикарбоновые. В зависимости от наличия иных функциональных групп в радикале: включающие гидрокси- (оксиаминокислоты), амидо-, серо- и иминосодержащие. В зависимости от вариантов происхождения аминокислоты бывают незаменимые, которые не способны синтезироваться в организме, отсюда должны поступать с пищей (вал, лей, иле, лиз, тре, мет, фен, три) и заменимые – которые могут и содержаться в продуктах питания, и образовываться при необходимости в клетках. При некоторых, чаще всего наследственых заболеваниях, перечень незаменимых кислот расширяется. Так при фенилкетонурии нарушены реакции, с помощью которых создаётся тирозин (отсюда – условнозаменимые а/к).

По отношению к воде (растворимости их радикалов) подразделяются на:

По степени ионизации их можно разделить на кислые, основные и нейтральные. В организме все полярные радикалы гидрофильных кислот находятся в диссоциированном состоянии. Их молекулы имеют заряд. Он обусловлен соотношением кислотных и основных центров в соединении. Если преобладают кислотные (асп, глу) – заряд отрицательный, если основные (арг, лиз, гис) – положительный. Для формирования заряда важную роль играет рН среды, в которой соединение растворено. В нейтральной среде аминокислоты, содержащие дополнительную карбоксильную группу, имеют суммарный отрицательный заряд и называются кислыми:

Аспарагиновая кислота (асп)

В радикале основных дополнительно содержится аминогруппа, положительно заряжена:

Лизин (лиз)

Если же радикал не полярный (—СН₂ОН), то заряд молекулы равен нулю:

Серин (сер)

Любые сдвиги рН среды приводят к изменению заряда молекулы. Та величина показателя, при которой значение общего заряда а/к стремится к нулю называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, рІ). В ИЭТ их растворимость минимальна и кислота выпадает в осадок:

Особенностью - аминокислот является их способность взаимодействовать друг с другом, с образованием пептидов:

Между аминокислотами образуется новая связь – пептидная (амидная), довольно прочная, химически устойчива, в том числе к гидролизу. Поэтому белки в нормальных условиях подвергаются этой реакции только в присутствии кислого или щелочного катализатора при длительном кипячении:

Гораздо быстрее протекает ферментативный гидролиз, продуктами которого являются соли аминокислот.

Количество мономеров в пептидах может сильно варьировать. Цепь, состоящая из двух аминокислот – дипептид, трёх – трипептид, из нескольких – олигопептид (olygo - мало), из большого числа – полипептид (Рис.1).

Простейшими представителями подобных соединений являются дипептиды. Примером могут служить: карнозин (от лат. carnosus -мясной) и ансерин. Они находятся в митохондриях, предотвращая их набухание, тем самым способствуют сохранению функций субклеточных образований.

Пептиды, включающие до 10 аминокислот, называются олигопептидами. Число звеньев в молекуле отражается в его названии: трипептид, пентапептид и т.д. Например: трипептид – глутатион, один из важнейших восстановителей в антиоксидантной системе организма, которая регулирует свободно-радикальные процессы.

Вазопрессин и окситоцин - гормоны задней доли гипофиза, состоят из 9 а/к. Регулируют баланс ионов в организме. Вазопрессин (антидиуретический гормон, АДГ) – усиливает реабсорбцию воды в почках, контролирует осмотическое давление плазмы крови и водный баланс. Служит гормоном верности и моногамности. А окситоцин вызывает сокращение гладких мышц матки и в меньшей степени − мышц мочевого пузыря и кишечника, стимулирует отделение молока молочными железами. Его ещё называют гормоном счастья, нежности.

Пептиды, содержащие более 10 а/к, называют полипептидами. Например: АКТГ - гормон передней доли гипофиза, состоит из 39 аминокислот. Стимулирует секрецию глюкокортикостероидов корой надпочечников; способствует обучению; обеспечивает долговременную память, улучшает адаптацию к изменяющимся условиям окружающей среды.

Пептиды - полярные молекулы и находятся в ионизированном состоянии, следовательно, имеют заряд и способны изменять его при сдвиге рН среды.

П

С

О

НN-СН-

СН₂

С

О=С-NН₂

О

..

δ+

ри ацидозе (смещении рН в кислую) или алкалозе (соответственно в щелочную сторону) растворимость белков будет уменьшаться, что будет мешать и соответственно не выполнению их функций.

Полипептиды, включающие более чем 50 аминокислотных остатков, называют белками. Их многообразие обусловлено различным сочетанием ≈ 20-ти аминокислот.

Полипептидные цепи – это длинные нити, обеспечивающие выполнение определённых функций. За счёт чередования sp² и sp³ гибридизованных атомов углерода они способны образовывать определённые более компактные формы молекул в пространстве – структуры белка. Различают четыре уровня подобной организации протеинов: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Существуют общие правила формирования пространственных структур молекул.