Биологически активные органические соединения

Обычно выделяют около 20 природных аминокислот , из которых образуется все множество природных белков растительного и животного происхождения.

Единый генетический код природы определяет единство аминокислотного состава белков.

Номенклатура природных аминокислот: применяются тривиальные названия. Особенности строения и стереохимия.

Природные аминокислоты относятся к L – стереоряду и имеют а- строение (это означает, что обе функциональные группыамино- и карбоксильнаясвязаны с общим

2) физикохимическому, в основу которого положены кислотноосновные свойства: различают нейтральные , кислые , основные аминокислоты.

3) биологическому : в отношении обмена веществ в организме человека различают два вида аминокислот

заменимые (синтезируются в клетках человека) :

аланин, аргинин, аспарагиновая кислота, глицин, глутаминова кислота, гистидин, пролин, серин, тирозин, цистеин,

незаменимые (не синтезируются в клетках человека, должны поступать с продуктами питания) :

валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин Для детей дополнительно незаменимыми являются аргинин и гистидин.

1.1.3 Физико - химические свойства природных аминокислот

Аминокислоты – твердые, кристаллические вещества, многие хорошо растворимы в воде, некоторые сладкие на вкус.

Поведение аминокислот в водных растворах: образование цвиттерионов, изменение заряда и электрофоретической подвижности в зависимости от рН-среды. Изоэлектрическая точка

Кислотноосновные свойства аминокислот

Аминокислоты – амфотерные вещества, в твердом состоянии они всегда существуют в виде биполярного, двухзарядного иона- « цвиттериона». ( zwei - нем –два)

биполярный ион

Нейтральные аминокислоты

4

Если в составе радикала аминокислоты нет групп, склонных к ионизации, то такая аминокислота и при растворении в воде представляет собой биполярный ион. К этаким аминокислотам – их называют нейтральными аминокислотами - относятся аланин,

То значение рН, при котором аминокислота находится в виде биполярного иона, носит название изоэлектрической точки (pI ).

Значение pI нейтральных аминокислот лежит в слабокислой среде. Например, у глицина pI = 5, 9, аланина – 6,02 , фенилаланина- 5,88. Слабокислая среда полностью подавляет диссоциацию положительно заряженной группы ( + NH3 ) и тем самым максимально повышают концентрацию цвиттер-иона.

В кислой среде нейтральная аминокислота становится катионом и мигрирует к катоду, а в щелочном растворе - анионом и перемещается к аноду при пропускании постоянного тока через раствор , содержащий смесь аминокислот. Ионы аминокислот передвигаются к электроду с различной скоростью, зависящей от природы аминокислоты и рН среды.

Метод анализа аминокислот и белков путем их разделения в электрическом поле называется электрофорезом.

Кислые аминокислоты

Две аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая , называемые моноаминодикарбоновыми, кислыми аминокислотами, содержат дополнительные карбоксильные группы в составе радикала

В кристаллическом состоянии они являются биполярными ионами, при растворении в воде происходит диссоциация второй карбоксильной группы, среда раствора становится

5

Основные аминокислоты

Три аминокислоты – диаминомонокарбоновые , основные кислоты - содержат в радикале дополнительно аминогруппу- к ним относятся лизин, аргинин и орнитин( последняя не встречается в составе белков, но чрезвычайно важна для синтеза мочевины)

В кристаллическом состоянии они являются биполярными ионами, а при растворении в воде происходит протонирование второй аминогруппы, возникает катион аминокислоты с зарядом +1. Среда раствора становится щелочной. Изоэлектрическая точка находится в щелочной среде: аргинин ( рI = 10,76), лизин (рI = 9, 74).

В биполярном ионе присоединение протона от карбоксильной группы происходит к более основной ω – аминогруппе ( она в меньшей степени испытывает акцепторное индуктивное действие карбоксильной группы по сравнению с группой в а-положениии).

В кислой среде возможно также протонирование одного атома азота цикла имдазола в молекуле гистидина (вспомните, такой атом азота мы называли «пиридиновый» ) Добавление более сильного основания вновь превращает катион диаминомонокарбоновой кислоты в цвиттерион.

NB ! Водные растворы аминокислот обладают буферными свойствами. При добавлении кислоты или щелочи аминокислоты приобретают тот или иной заряд: если рН раствора больше, чем рI, преобладают анионы кислоты, если меньше, чем рI, то преобладают катионы кислоты.

1.1.4 Качественная реакция обнаружения аминокислот

Аминокислоты реагируют с веществом нингидрином с образованием соединений характерного синего цвета. Эту реакцию используют для качественного и количественного определения аминокислот при проведении электрофореза или хроматографии.

1.1.5 Химические свойства аминокислот Химические свойства аминокислот in vitro

Химические свойства аминокислот связаны с присутствием двух различных функциональных групп : амино – и карбоксильной.

R – CH – COOH реакции карбоксильной группы

6

( образование амидов , защита аминогруппы) - образование солей с кислотами

Присутствие основной и кислотной групп придает аминокислотам амфотерные

свойства и возможность взаимодействовать друг с другом , образуя пептиды.

натриевая соль аминокислоты

хлороводородная соль аминокислоты

Доказательством амфотерных свойств аминокислот является существование в виде внутренней соли( биполярного иона) и способность образовывать соли при взаимодействии с кислотами и основаниями.NB! Следует хорошо запомнить, что изменение рН среды вызывает изменение заряда аминокислоты и заряда белка.

Реакция поликонденсации, образование полипептидов

Аминокислоты способны к поликонденсации, в результате которой образуется полимерполиамид.

Природные полимеры, состоящие из а – аминокислот , называются полипептидами,

или пептидами. Амидная связь ( СОNH ) в таких соединениях называется пептидной связь (пептидной группой).

В биологических системах синтез полипептидов происходит на рибосомах, каждая аминокислота связана с транспортной РНК , различные ацил -тРНК последовательно удлиняют полипептидную цепь в соответствии с триплетным кодом иРНК, локализованной на рибосоме. Началом полипептидной цепи является аминогруппа.

содержащая свободную а-аминогруппу, а концом – содержащая свободную а-

карбоксильную группу.

Последовательное соединение аминокислот принято называть первичной структурой белка.

пептидная группа

nН2О + NH2 - СН- СОNH - СНСО- [ NH - СНСО]х - NH - СНСООН….

7

Номенклатура пептидов

Полипептиды называют как производные С-концевой аминокислоты, название начинают с N- концевой аминокислоты, перечисляют все по порядку( изменяя окончание на ил ), заканчивают С-концевой аминокислоой . Можно записывать полные названия, сокращенные( в латинской транскрипции или на русском языке )

Пример: глицилаланилглутамилвалин ( glyala – glyval или гли-ала-глу-вал)

1.2 Полипептиды и белки

Ключевые слова к теме

C- концевая аминокислота, N- концевая аминокислота, белок (глобулярный, фибриллярный), денатурация, качественные реакции,, пептид, пептидная связь,

а – спираль, структура белка (первичная, вторичная, третичная, четвертичная), фермент, электрофорез.

1.2.1 Определения « пептид» «белок» Биологические функции пептидов и белков

Полипептиды (пептиды) и белки – полимеры, состоящие из мономеров аминокислот. Природные пептиды и белки организма человека и животных образованы только L-

а-аминокислотами. Контроль их состава осуществляется жестко на двух этапах:

Первый этап – быстрое разрушение D-аминокислот в случае попадания их в организм. Известно, что несмотря на сходство физико-химических свойств любых энантиомеров, D –аминокислоты термодинамически более устойчивы и L – стереоизомеры в

обладают более сложным макромолекулярным строением по сравнению с пептидами. Многие пептиды синтезируются ферментами без участия рибосом, синтез белков происходит только на рибосомах с участием особых регуляторных и контролирующих белков-шаперонов.

Функции белков и пептидов многообразны и, главное, специфичны. Это означает, что

1.2.2.Классификация белков

Взависимости от химического состава белки разделяют на простые и сложные Простые белки при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Таких белков в

организме достаточно много : к ним относятся пищеварительные ферменты( пепсин. трипсин, амилаза слюны), сократительные белки (актин, миозин), белок крови альбумин, гормоны инсулин, глюкагон Сложные белки в своем составе содержат еще другие химические соединения:

8

- нуклеопротеиды состоят из нуклеиновых кислот, связанных с белками. К ним относятся рибосоы , ДНК/ гистоновые белками, иРНК в составе информосомы.

- гликопротеины (содержат в своем составе углеводы) .

- липопротеины (содержат в своем составе липиды триглицериды, фосфолипиды, эфиры холестерина) –мицеллярные образованиятранспортные формы липидов в крови. хромопротеиды ( содержат в своем составе гем) - гемоглобин, миоглобин, некоторые ферменты ( каталаза, цитохромы) .

Ферменты также могут быть простыми и сложными белками. В случае сложного белка – фермента он состоит из собственно белковой части – апофермента и небелковой части - кофермента, который может быть ионом металла, нуклеотидом, низкомолекулярным органическим соединением витамином.

1.2.3 Первичная структура белка

Последовательное соединение аминокислот в полипептидной цепи приводит к образованию первичной структуры белка. Образуется особая пептидная группа

-C(O)- NH-

Строение первичной структуры природного белка имеет стабильную архитектуру, по всей ее длине повторяется фрагмент: между пептидными группами располагается атом углерода, связанный с радикалом и атомом водорода. Атом углерода находится в состоянии гибридизации sp3. Пептидная группа имеет плоскостное строение , четыре атома располагаются в одной плоскости.

пептидная группа

- NH - СН- СОNH - СН- СО- .

Строение пептидной группы в 1948 – 1955 гг. изучали Л.Полинг и Р.Кори. Они обнаружили особый характер этой связи: возникает система сопряжения, вследствие сопряжения возможно предположить возникновение двух «резонансных» структур, исчезает возможность свободно поворота вокруг связи - С—N-, атомы кислорода и водорода в природных белках располагаются в трансположении. Углы между связями в пределах 1161250.

Резонансные структуры

Если в составе первичной цепи имеются циклические аминокислоты (пролин, оксипролин) , то пептидная цепь может принять плоское цисстроение.

1.2.4 Вторичная структура белка

Пространственная организация первичной полипептидной цепи носит название

вторичной структуры.

Регулярная структура полипептидной цепи определяет возможность формирования

9

стандартных пространственных конформаций, которые обнаруживаются рентгеноструктурным и другими методами.

Пространственные упорядоченные участки, стабилизированные водородными связями между пептидными СО- и NНгруппами, называются элементами вторичной

структуры.

Спираль представляет собой наиболее высокоорганизованный и энергетически выгодный тип конформации отдельной полипептидной цепи, состоящей из L-

аминокислот. Наиболее устойчивой из всех видов является правовращающая а-спираль, которая была впервые предложена Л. Полингом и Р. Кори в 1950 г. Вторичная

а-спираль стабилизируется водородными связями.

Водородные связи образуются между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амидной группы , разделенными тремя аминокислотными остатками. Группа NН образкет водородную связь с группой СО четвертого от нее аминокислотного остатка (5 → 1 связь), образуя 13 членный цикл.

Группы, образующие водородные связи, располагаются на соседних витках цепи. Один виток спирали вмещает 3,6 аминокислотных остатка. Это означает, что по всей длине спирали происходит последовательное смещение взаимодействующих группировок. Каждая пептидная группа, начиная со второго витка., образует две водородные связи к предыдущему и последующему виткам.

R O

Водородные связи почти параллельны оси спирали, а радикалы размещаются вне спирали на ее наружной поверхности. Спиралевидные участки разных белков обладают одинаковыми параметрами:

шаг спирали( период идентичности) - 0,54 нм радиус спирали -0, 23 нм

В белковых вторичных структурах встречаются отклонения от спирального строения, которые связаны с присутствием пролина, гидроксипролина и валина.

В случае пролина и гидроксипролина, имеющих циклическое строение, в пептидной группе отсутствует атом водорода и образование водородной связи становится невозможным, в валине объемная изопропильные группы ослабляет спираль из-за пространственного отталкивания.

а- Спираль встречается в белках очень часто. Например, в гемоглобине и миоглобине

содержание а-спирали достигает 75%, в альбумине крови50% , а в пищеварительном ферменте химотрипсинетолько 8%..

10