Добавил:
enni
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:1 курс стомат / химия / темы / химия 18
.pdf
Аминокислоты и белки
1. Общая характеристика аминокислот.
В состав большинства белков входит около 20 различных α-аминокислот, которые
характеризуются общей структурной особенностью – наличием карбоксильной группы
и аминогруппы, связанных с одним и тем же атомом углерода:
Различаются же аминокислоты только боковыми цепями (R-группами), которые у
разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и
растворимости в воде. 20 аминокислот, входящие в состав белков, часто
называют стандартными аминокислотами.
Рис.1. Пространственная модель молекулы аминокислоты.
Почти все стандартные аминокислоты, кроме одной (глицина), содержат в α-
положении ассиметричный атом углерода, с которым связаны четыре разные замещающие группы: карбоксильная
группа, аминогруппа, R-группа и атом водорода. Таким образом, ассиметричный α-атом углерода является хиральным
центром. Соединения с хиральным центром встречаются в двух разных изомерных формах, у которых одинаковы все
химические и физические свойства, за исключением одного – направления вращения плоскости поляризации
проходящего через них плоскополяризованного света. Все остальные 19 аминокислот обладают оптической активностью,
т.е. способны вращать плоскость поляризации в том или ином направлении. Четыре различные замещающие группы
могут располагаться в пространстве двумя разными способами, так что молекула может существовать в двух
конфигурациях, представляющие собой несовместимые зеркальные отображения друг друга:
Эти две формы молекулы называются оптическими изомерами, энантиометрами или
стереоизомерами.
Все аминокислоты, входящие в состав молекул белков, являются α,L-стереоизомерами.
Этот вывод сделан на основе многочисленных тщательно проведенных химических
исследований. Присутствие в белках только L-стереоизомеров аминокислот весьма примечательно, так как в обычных
химических реакциях, используемых для синтеза соединений с асимметрическим атомом углерода, всегда получаются
оптически неактивные продукты. Это происходит потому, что в обычных химических реакциях с одинаковой скоростью
образуются как D-, так и L-стереоизомеры. В результате получается рацемическая
смесь, или рацемат, эквимолярная смесь D-, и L-изомеров.
Живые клетки обладают уникальной способностью синтезировать L-аминокислоты с
помощью стереоспецифических ферментов. Стереоспецифичность этих ферментов
обусловлена асимметрическим характером их активных центров.
Рис. 2. Хиральные молекулы.
2. Классификации аминокислот. Диссоциация их в водном растворе.
Рассмотрим теперь структуру 20 аминокислот, встречающихся в белках. Большинство α-аминокислот образуются в
организме (заменимые аминокислоты), но некоторые α-аминокислоты организм человека не способен синтезировать:
они поступают в состав белков, вводимых в организм с пищей – незаменимые аминокислоты, к ним относятся
следующие аминокислоты валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан.
По химической природе остатка, связанного с α-аминокислотным фрагментом, α-аминокислоты делятся на
алифатические, ароматические и гетероциклические (табл.1). Например, аминокислота аланин является алифатической,
а триптофан – гетероциклической.
Таблица 1. α-аминокислоты, входящие в состав белков (* незаменимые аминокислоты)
Все аминокислоты можно сгруппировать на основе признаков, свойственных их R-группам, в частности их полярности,
т.е. способности R-групп к взаимодействию с водой при биологических значениях рН (вблизи рН 7,0) (табл. 2)
Таблица 2.Классификация аминокислот по полярности R-групп
Тип аминокислот
Примеры
Неполярные R-группы
(гидрофобные)
Аланин
Метионин
Валин
Пролин
Изолейцин
Триптофан
Лейцин
Фенилаланин
Аспарагин
Тирозин
Полярные, но незаряженные R-
группы
(гидрофильные)
Глицин
Треонин
Глутамин
Цистеин
Серин
Отрицательно заряженные R-группы
(гидрофильные)
Аспарагиновая кислота
Глутаминовая кислота
Положительно заряженные R-группы
(гидрофильные)
Аргинин
Гистидин
Лизин
Диссоциация аминокислот в водных растворах.
При растворении в воде аминокислоты ионизируются и ведут себя как кислоты или основания. ,α-аминокислоты,
содержащие одну аминогруппу и одну карбоксильную группу, кристаллизуются из нейтральных водных растворов в виде
полностью ионизированных молекул, которые называются биполярными ионами или цвиттер-ионами (что по-немецки
означает «гибридные ионы»). Хотя такие ионы и несут на своих «полюсах» электрические заряды противоположного
знака, в целом они электрически нейтральны и потому не смещаются под действием электрического поля.
В водном растворе ,α-аминокислоты существуют в виде равновесной смеси, состоящей из цвиттер-ионов, катионной и
анионной форм. Это обусловлено наличием в одной молекуле основной (–NH
2
) и кислотной (–СООН) групп.
Положение равновесия, т. е. соотношения различных форм α-аминокислоты, в водном растворе при определенных
значениях рН существенно зависит от строения радикала, главным образом наличия в нем ионогенных групп. Значение
рН, при котором концентрация биполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных
форм α-аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (рl). В изоэлектрической точке суммарный заряд
молекулы α-аминокислоты равен нулю.
3. Химические свойства аминокислот.
Аминокислотам как гетерофункциональным соединениям присущи реакции карбоновых кислот и аминов. Но ряд этих
реакций имеет свои особенности, вызванные одновременным присутствием двух функциональных групп. Некоторые
химические превращения затрагивают радикал R аминокислот. Многие реакции используются для анализа и
идентификации аминокислот.
1. Амфотерные свойства.
α-аминокислоты являются амфотерными соединениями.
Это обусловлено наличием в одной молекуле основной
(NH
2
) и кислотной (СООН) групп.
– с сильными кислотами аминокислоты образуют соли по
аминогруппе:
2. Реакции декарбоксилирования.
α-аминокислоты способны вступать в реакцию декарбоксилирования. В лабораторной практике реакцию проводят при
нагревании аминокислот в присутствии гидроксида бария, поглощающего выделяющийся оксид углерода (IV), при этом
образуется соответствующий амин:
В организме реакция протекает под действием ферментов декарбоксилаз, при этом многие α-аминокислоты
превращаются в биогенные амины. Например, из серина образуется коламин, а из глутаминовой кислоты – 4-
аминобутановая (γ-аминомасляная) кислота:
3. Реакции дезаминирования.
При взаимодействии с азотистой кислотой α-аминокислоты, подобно алифатическим аминам,
подвергаются дезаминированию. Измерения объема выделившегося в этой реакции азота лежит в основе
количественного определения аминокислот (метод Ван-Слайка).
В организме α-аминокислоты подвергаются окислительному дезаминированию. Реакция происходит под действием
ферментов оксидаз и окислительного агента – кофермента НАД
+
:
4. Реакции с альдегидами.
При взаимодействии с альдегидами α-аминокислоты, подобно первичным аминам, образуют основания Шиффа
(имины). Для аналитических целей применяется реакция α-аминокислот с формальдегидом, останавливающаяся на
стадии образования N-гидроксиметильного производного аминокислоты (гидроксиметильной называется группа –
СН
2
ОН).
Последняя реакция лежит в основе метода формольного титрования. Сами аминокислоты вследствие амфотерности не
могут быть оттитрованы щелочью. Производные аминокислот, полученные в результате обработки формальдегидом,
содержат свободную карбоксильную группу и могут быть определены количественно титрованием щелочью.
5. Реакции этерификации.
Взаимодействие α-аминокислот со спиртами в присутствии безводной кислоты (обычно газообразного хлороводорода)
приводит к образованию сложных эфиров аминокислот.
Сложные эфиры аминокислот, в противоположность самим аминокислотам, не имеют биполярной структуры и являются
поэтому достаточно летучими соединениями. Они были использованы еще Э. Фишером (1901 г.) при анализе смеси α-
аминокислот, получающихся при расщеплении белков, и применяются до настоящего времени.
4. Качественные реакции аминокислот.
1.Биуретовая реакция.
Для обнаружения пептидных связей в пептидах и белках
служит биуретовая реакция, в которую вступают все
пептиды и белки, содержащие по крайней мере две
такие связи. α-аминокислоты образуют с катионами
тяжелых металлов внутрикомплексные соли. Со
свежеприготовленным гидроксидом меди(II) все α-
аминокислоты в мягких условиях дают хорошо
кристаллизующиеся внутрикомплексные (хелатные) соли
меди(II) фиолетового цвета:
Рис. 3. Биуретовая реакция.
2. Ксантопротеиновая реакция
Некоторые химические превращения затрагивают
радикал R α-аминокислот. Например, для обнаружения
ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин)
используется ксантопротеиновая реакция. При нагревании
фенилаланина или тирозина с концетрированной азотной кислотой
происходит нитрование бензольного кольца. В результате образуется
нитропроизводное ароматической α-аминокислоты желтого цвета,
откуда и произошло название реакции (от греч. xanthos – желтый).
Рис.4. Схема проведения ксантопротеиновой реакции.
В случае тирозина при последующем добавлении щелочи появляется
оранжевая окраска, связанная с ионизацией фенольной гидроксильной
группы.
Ксантопротеиновая реакция позволяет обнаруживать и белки, в состав
которых входят остатки ароматических аминокислот. Кстати, желтая
окраска на коже при попадании на нее азотной кислоты обусловлена
именно этой реакцией.
Рис.5. Ксантопротеиновая реакция.
3. Нингидриновая реакция.
Общей качественной реакцией для обнаружения α-аминокислот служит реакция с нингидрином. Конечным продуктом
сложных превращений является вещество сине-фиолетового цвета.
Эта очень чувствительная реакция используется для обнаружения α-аминокислот на хроматограммах и в
спектрофотометрическом анализе при количественном определении α-аминокислот.
5. Пептиды и белки.
Пептиды – соединения, построенные из нескольких остатков α-
аминокислот, связанных пептидной связью.
Рис.6. Пептиды под электронным микроскопом.
Рис.7. Модель пептида.
Белки отличаются от пептидов большей длиной цепи, и
граница между ними весьма условна: соединения,
включающие 50-100 остатков α-аминокислот, иногда относят к
полипептидам, а иногда – к белкам.
При всем многообразии пептидов и белков принцип
построения их молекул одинаков – связь между α-
аминокислотами осуществляется за счет карбоксильной
группы одной аминокислоты и аминогруппы другой
аминокислоты, которая в свою очередь своей карбоксильной
группой связывается с аминогруппой следующей кислоты и
т.д. Связь между остатками аминокислот, а именно между
группой С = О одной кислоты и группой NH другой кислоты,
является амидной связью; в химии пептидов и белков она
называется пептидной связью. Группировка – СО
– NH – называется пептидной группой.
Рис.8. Схема образования любого дипептида.
Формально пептидная или белковая цепь представляет собой
продукт поликонденсации аминокислот. Один из концов цепи,
где находится остаток аминокислоты со свободной
аминогруппой, называется N-концом (а сама аминокислота – N-
концевой), а другой конец цепи с остатком аминокислоты,
имеющим свободную карбоксильную группу, называется С-
концом (а кислота – С-концевой).
Пептидную цепь всегда записывают, начиная с N-конца. В
названии пептида за основу принимают С-концевую кислоту, а
остальные аминокислоты указывают как заместители (с
суффиксом –ил), перечисляя их последовательно с N-конца,
например аланилглицилсерин.
Рис.9 . Первичная структура белков и пептидов.
Пептидные (амидные) связи способны подвергаться гидролизу как в кислой, так и в щелочной среде. При этом в
зависимости от условий гидролиза могут расщепляться либо все пептидные связи – это полный гидролиз до α-
аминокислот, составляющих цепь, либо только часть этих связей – это неполный, частичный гидролиз до более коротких
пептидных фрагментов.
Сведения о последовательности α-аминокислотных
остатков в цепи могут быть получены в результате
постепенного, шаг за шагом, отщепления
аминокислот с одного из концов цепи с
последующей идентификацией отщепленной α-
аминокислоты. Такие методы в настоящее время
существуют, и с их помощью установлена первичная
структура многих пептидов и белков.
Вторичная структура описывается
пространственной ориентацией основной
полипептидной цепи (рис.10.), третичная –
трехмерной архитектурой всей белковой молекулы
(рис. 13.3 (а)). Как вторичная, так и третичная
структуры связаны с упорядоченным расположением
макромолекулярной цепи в пространстве.
Рис.10. Вторичная структура белков.
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 стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействий,
например ионным, гидрофобным, а также дисульфидными связями.
Рис.11. Дисульфидные связи в структуре белковой молекулы.
Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул.
Четвертый уровень встречается при образовании единых белковых комплексов, состоящих из
нескольких полипептидных цепей.
Рис.12. Пространственная глобулярная модель белковой молекулы.
Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков,
например гемоглобина (рис. 13.3 (б)).
Главная функция гемоглобина (основного компонента эритроцитов)
состоит в переносе кислорода из легких к тканям организма
(транспортная функция). Его четвертичная структура представляет
собой образование из четырех полипептидных цепей (субъединиц), каждая из которых содержит гем. Гем является
производным порфина, содержащего ион Fe
2+
.
Определяющее значение в формировании более высоких уровней организации белковых молекул имеет их первичная
структура. При этом существенную роль играет важнейшее звено первичной структуры – пептидная группа. В
пептидной (амидной) группе –CONH– атом углерода находится в состоянии sp
2
-гибридизации. Неподеленная пара
электронов атома азота вступает в сопряжение с π-электронами двойной связи C=O. В результате сопряжения происходит
некоторое выравнивание длин связей. Наличие плоской сопряженной системы в пептидной группе является причиной
затруднения вращения вокруг связи C–N. Таким образом, пептидная группа имеет достаточно жесткую
плоскую структуру. α-Углеродные атомы аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы по
разные стороны от связи C–N, т.е. в более выгодном транс-положении: боковые радикалы аминокислотных остатков в
этом случае будут наиболее удалены друг от друга в пространстве.
Под влиянием многих факторов (повышение температуры, изменения рН среды, УФ- и γ-
излучение и др.) происходит разрушение пространственной формы белков при сохранении
первичной структуры. Этот процесс называется денатурацией белков. Денатурация является,
как правило, необратимым процессом и приводит к потере биологической функции белков.
Рис. 14. Денатурация белка.
Физиологически активные пептиды.
К пептидам относятся некоторые гормоны – регуляторы процессов жизнедеятельности. Самым коротким физиологически
активным пептидом является гормон глутатион, участвующий в процессах окисления и восстановления в клетке. Он
построен всего из трех аминокислот – аланина, цистеина и глутаминовой
кислоты. Гормоны вазопрессин и окситоцин, выделяемые из гипофиза,
представляют собой пептиды, состоящие из 9 аминокислот. Оба имеют
близкую первичную структуру, отличаясь строением только двух
аминокислотных звеньев. Однако этих различий достаточно для проявления
этими пептидами совершенно различных физиологических
свойств. Инсулин – гормон поджелудочной железы, понижающий содержание
сахара в крови, является пептидом, включающим 51 аминокислотный остаток.
Рис.15. Эндогенный инсулин.
Совсем недавно было установлено, что в головном мозге содержатся так
называемые нейропептиды, ответственные за снятие ощущения боли.
Рис. 18. Нейропепдид человеческого мозга.
Недавно было обнаружено, что метиловый эфир пептида, получивший
тривиальное название аспартам, обладает очень сладким вкусом (примерно в 200 раз слаще сахарозы). Он нетоксичен,
малокалориен и выпускается промышленностью в больших масштабах.
Рис. 19. Аспартам в напитках.
Выяснение строения органических соединений, а тем более
биологически активных веществ, всегда было одной из
важнейших задач биоорганической химии. Установление
структуры соединений открывает путь к их химическому
синтезу и поиску синтетических аналогов с ценными
свойствами.
Достижения в области синтеза пептидов позволяет
автоматизировать процесс и вести его по заданной
программе. С помощью приборов, называемых
синтезаторами, получены пептиды, содержащие десятки
аминокислотных остатков, и даже некоторые белки. Аналогично
синтезу пептидов автоматизации поддается и метод анализа первичной
структуры пептидов.
Соседние файлы в папке темы