Лекция 1. Аминокислоты и белки

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Цель курса «Биоорганическая химия»: познакомить с биологически активными соединениями организма человека, их строением и функциями, связями с патологией.

Лекция 1. Аминокислоты и белки

д.б.н., доцент Гимаутдинова Ольга Ивановна

кафедра медицинской химии НГМУ

Цель: знакомство с основными аминокислотами, входящими в структуру белков, биогенными аминами и функциональной активностью белков в организме человека.

Содержание лекции № 1

Классификация -а/к. Незаменимые а/к. Белки пищи. Роль а/к.

Свойства а/к: оптическая изомерия, биполярная структура, изоэлектрическая точка

(pI).

Декарбоксилирование, биогенные амины: гистамин, ГАМК.

Дезаминирование а/к: гидролитическое, внутримолекулярное и др. Роль аммиака в организме.

Пептиды, белки. Пептидная связь, ее свойства. Первичная структура.

Вторичная, третичная и четвертичная структуры белков. Примеры.

Конформация. Кооперативность.

Денатурация.

Функциональная активность белков. Классификация белков. Примеры

Литература

1.Тюкавкина, Н.А. Биоорганическая химия : учебник для студентов медицинских вузов / Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков, С. Э. Зурабян. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 416 с.

2.Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. — М.: Просвещение, 1987. 815 с.

Аминокислоты - полифункциональные соединения, которые содержат карбоксильную группу, аминогруппу и могут содержать другие функциональные группы в боковом радикале. В организме человека основную роль играют 20 альфааминокислот, входящих в состав белков.

H2N-(CH2)n-CH-COOH – общая формула любой аминокислоты

│

R

n= 0, (альфа)-аминокислоты n=1, (бета)-а/ты

n= 2, γ(гамма)-а/к

Классификация аминокислот

Наиболее распространена классификация α-аминокислот по строению боковых радикалов R. Сокращѐнные названия а/к – первые три буквы русского или англ. названия.

Алифатические аминокислоты: глицин, аланин, валин, лейцин и изолейцин.

H2N CH COOH

CH CH3

H2C CH3 Иле

Гидроксиаминокислоты: серин и треонин.

Дикарбоновые кислоты и их амиды: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин и глутамин.

Аминокислоты с катионобразующими группами в составе радикала: гистидин, лизин, аргинин.

Серосодержащие аминокислоты: цистеин, цистин и метионин.

2 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

H2N CH COOH

CH2

H2C S CH3 Мет

Цистин образуется в организме.

Ароматические аминокислоты: фенилаланин, тирозин и триптофан.

N

H Три

Иминокислота - пролин.

Про

Аминокислоты можно разделить на полярные и неполярные. Неполярные: алифатические, фенилаланин, триптофан, метионин, пролин. Остальные а/к – полярные, т.е. растворимы в воде в большей или меньшей степени.

Аминокислоты также делят на заменимые и незаменимые. Незаменимые в достаточном количестве в организме не синтезируются и должны содержаться в белках пищи. К ним относят 8 аминокислот:

Лизин

Валин

Лейцин

Изолейцин

Треонин

Метионин

Фенилаланин

Триптофан Еще две аминокислоты - гистидин и аргинин - необходимы маленьким детям и

получили название «педиатрические» аминокислоты.

Недостаточность в диете или нарушение всасывания хотя бы одной незаменимой аминокислоты приводит к снижению синтеза белков, т. е. к замедлению роста (у детей), истощению, снижению иммунитета. Остальные аминокислоты - заменимые. Они синтезируются в организме человека.

Белки пищи, содержащие незаменимые а/к, являются полноценными.

Роль аминокислот в организме

 а/к входят в состав пептидов и белков

3 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

а/к являются предшественниками биогенных аминов (нейромедиаторов и гормонов)

а/к могут окисляться, обеспечивая клетку энергией

а/к используются в синтезе глюкозы, нуклеотидов, гема

Свойства α-аминокислот Оптическая изомерия

Нарисуйте правовращающий энантиомер R(+) как зеркальное отражение L(-)

Все аминокислоты, входящие в состав белков организма человека, относятся к оптическим L-изомерам. Бактерии и продукты их жизнедеятельности могут содержать аминокислоты D–ряда, но в организме человека они окисляются как чужеродные соединения (ксенобиотики) и в белки не встраиваются.

Биполярная структура а/к Кислотно-основные свойства. Амфотерность

В водной среде устанавливается равновесие между ионами аминокислоты в зависимости от рН:

Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна (находится в виде биполярного иона, цвиттер-иона) и не двигается в электрическом поле, называется

изоэлектрической точкой (рI).

входит в состав фосфолипидов

4 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

В организме практически все реакции катализируются ферментами. Декарбоксилирование катализируют ферменты декарбоксилазы при участии активной формы вит.В6 – пиридоксальфосфата.

HOOC-CH-CH2-CH2-COOH → NH2-CH2-CH2-CH2-COOH + CO2

Дезаминирование а/к

В организме дезаминирование происходит под действием ферментов – дезаминаз. Дезаминирование может быть:

1)гидролитическим,

2)внутримолекулярным,

3)окислительным,

4)восстановительным.

1) Гидролитическое дезаминирование:

R-CH-COOH + H2O → R-CH-COOH + NH3

При окислительном дезаминировании продуктом является -кетокислота. Напишите

реакцию окислительного дезаминирования глутаминовой к-ты.

Образующийся аммиак играет двоякую роль.

Роль аммиака в организме (положительная):

-возбуждающий медиатор ЦНС

-участвует в регуляции кислотно-щелочного равновесия

-используется в синтезе а/к (Глу, Глн, Асн)

Токсичность аммиака связана:

-с ускоренным превращением в мозге α-кетоглутаровой кислоты в глутамин (Глн), это уменьшает скорость цикла Кребса* и образование АТФ; избыток глутамина может привести к отеку мозга;

-избыток аммиака в мозге приводит к перевозбуждению нейронов, вызывая судороги;

-высокая концентрация NH4+ может привести к тяжелому алкалозу.

*цикл Кребса – последовательность реакций с участием метаболитов (ацетилКоА, ЩУК и др.), приводящая к получению энергии в виде АТФ.

5 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

Обезвреживание аммиака происходит несколькими способами, например, в печени он превращается в мочевину (орнитиновый цикл), в 10 раз менее токсичную, чем аммиак. Мочевина выводится из организма почками с мочой.

Пептиды и белки

Пептиды содержат от 2 до 50 остатков а/к, соединенных пептидной связью. Синтез дипептидов:

Например, R1= CH3 (Ала), R2= (CH2)2SCH3 (Мет)

дипептид Ала-Мет (англ. Ala-Met) аланилметионин (изобразите дипептид)

Свойства пептидной связи

Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи (транс-положение). В связи с этим и боковые радикалы находятся в транс-положении (древовидная структура).

Пептидная связь имеет характер частично двойной связи.

Длина пептидной связи меньше, чем одинарной, она является жесткой структурой и вращение вокруг нее затруднено. Вокруг других связей (сигма-связи) вращение свободное.

Структура белков

Белки – биополимеры со сложной пространственной структурой, состоящие из мономеров - остатков а/к, соединенных пептидной связью.

Первичная структура – определенная последовательность а/к:

...-гли-ала-цис-глу-вал-фен-мет-тир-...

Вторичная структура (конформация): 1) -спираль, 2) -складчатый лист, 3) статистический клубок.

Первые две образованы водородными связями между водородом амидной группы -NH- и карбонильной группы -С=О, которые разделены аминокислотными фрагментами. Статистический клубок – нерегулярная структура.

Третичная структура – сложная пространственная; формируется ковалентными сшивками (S-S- дисульфидные мостики), гидрофобными, электростатическими и др. взаимодействиями.

Четвертичная структура - ассоциат 2-х и более полипептидных цепей (глобул или фибрилл), удерживаемых межмолекулярными водородными связями, электростатическими и др. нековалентными взаимодействиями.

6 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

-cпираль из остатков глицина

-Складчатый лист

Направление полипептидной цепи - антипараллельное

Статистический клубок

Примеры третичной структуры белков

7 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

Рис. Глобулярная структура триозофосфатизомеразы Видно -спирали (розовые), -складки (желтые) и статистические клубки (голубые) в третичной структуре фермента.

Взаимодействия в глобуле белка:

1)S-S-дисульфидные связи,

2)гидрофобные,

3)электростатические,

4)водородные.

Рис. Фибриллярная структура коллагена: кроме связей, перечисленных для глобулярной структуры, содержит ковалентные сшивки, образованные гидроксилизином

Примеры четвертичной структуры

8 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

Рис. Гемоглобин.

Тетрамер из 4-х полипептидных

цепей и гем, содержащий

Fe2+

Другие белки - ассоциаты могут содержать 2 глобулы – димеры,

3 – тримеры и т.д. Пентамеры образуют каналы, например, рецептор ацетилхолина – гексамер:

Денатурация белка

Под действием физико-химических факторов (to, pH и др.) происходит обратимая или необратимая денатурация.

Обратимая: 1) диссоциация субъединиц олигомерных белков, 2) разворачивание глобулы (третичная стр-ра) до вторичной стр-ры.

Необратимая денатурация всегда происходит при разрыве пептидных связей, часто – при образовании новых ковалентных связей (действие хлор-, фосфорорганики, ионов тяжелых металлов). Пример необратимой денатурации – сваренное куриное яйцо.

О конформационных изменениях (обратимая перестройка пространственной стр-ры) белков и явлении кооперативности прочитать самостоятельно!

Функциональная классификация белков

Наиболее удобная в медицинской практике.

По функциональной активности белки делят на:

1.Структурные белки: коллаген (соединительная ткань)

2.Сократительные белки: актин, миозин (мышцы), спектрин, тубулин (форма и движение клеток)

3.Каталитические белки – ферменты метаболизма (декарбоксилаза)

4.Транспортные: трансферрин; глобулин, связывающий половые гормоны (кровь); ретинолсвязывающий переносит витамин А. Трансмембранный белок–канал: Na+, K+-АТФаза.

5.Защитные белки: иммуноглобулины (антитела)

6.Белки – регуляторы метаболизма:

а) рецепторы (на мембране, внутри клетки) обладают свойством «узнавать»* и связывать строго определенные молекулы (гормоны или медиаторы), а также запускать сложные каскады реакций, приводящие к специфическим изменениям обмена веществ в клетке;

б) белковые гормоны: инсулин, тропные гормоны гипофиза и др.; в) цитокины – необходимы для работы эндокринной системы;

9 д.б.н. Гимаутдинова О.И.

г) белки, регулирующие работу генома, например, транскрипционные факторы.

* термин «узнавание» в биоорганической химии, молекулярной биологии и биохимии означает связывание субстрата биополимером, основанное на комплементарном взаимодействии, т.е. пространственном соответствии частей молекул субстрата и биополимера, настолько точном, что расстояния между ними приближаются к длинам химических связей.

С этапами синтеза коллагена и химическими основами ферментативного катализа познакомьтесь самостоятельно!

10 д.б.н. Гимаутдинова О.И.