a505b559_bioorganika_metodich_posobie-2013

Дезаминирование может быть:

1) гидролитическим, 2) внутримолекулярным, 3) окислительным и

4) восстановительным.

R-CH2-CH-COOH → R-CH=CH-COOH + NH3

│

NH2

В организме дезаминирование, чаще всего окислительное, происходит под действием ферментов – дезаминаз. При окислительном дезаминировании продуктом является -кетокислота. 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. 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.

Трансаминирование

Трансаминирование - это процесс взаимодействия аминокислоты с - кетокислотой с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты.

В организме все аминокислоты, кроме лизина, треонина и пролина, легко вступают в процесс трансаминирования. Ферменты, катализирующие этот процесс, называются трансаминазами или аминотрансферазами. Коферментом этих ферментов является пиридоксальфосфат (активная форма вит. В6). Например, из пировиноградной и глутаминовой кислот образуются аланин и кетоглутаровая кислота:

11

Активность некоторых аминотрансфераз в клетках очень высока. Это дает возможность использовать их для диагностики заболеваний, связанных с массовой гибелью клеток той или иной ткани. Так, аланинаминотрансфераза (АЛТ) в больших количествах появляется в крови при воспалительном процессе в печени и используется для диагностики гепатитов. Определение аспартатаминотрансферазы (АСТ) используется для диагностики инфаркта миокарда, т.к. при инфаркте фермент попадает в кровь из пораженной сердечной мышцы.

Лабораторная работа № 1. Качественные реакции на аминокислоты.

Вопросы и задания для самостоятельной работы к занятию № 1

1.Выучите структурные формулы 20 основных аминокислот. Назовите все незаменимые аминокислоты, в том числе, «педиатрические» и условно незаменимые.

2.Приведите примеры гидрофильных и гидрофобных аминокислот. Какие из них лучше растворяются в воде и почему?

3.Что такое минорные аминокислоты? Примеры.

4.Почему аминокислоты амфотерны? Что такое цвиттер-ион? Примеры.

5.Что такое изоэлектрическая точка?

6.Перечислите основные процессы в организме, в которых используются аминокислоты.

7.Напишите реакцию декарбоксилирования гистидина. Назовите функции в организме образующегося биогенного амина.

8.Из какой аминокислоты может образоваться таурин? Каким реакциям подвергается эта аминокислота при образовании таурина?

9) Напишите реакции декарбоксилирования Глу, Гис. Назовите функции в организме γ-аминомасляной кислоты.

10) Назовите биогенные амины, которые образуются из аминокислот: цистеина, тирозина, триптофана.

11) Напишите реакцию дезаминирования любой аминокислоты. Объясните роль аммиака в организме.

12) Что такое трансаминирование? Напишите реакцию трансаминирования для аланина и α-кетоглутаровой кислоты.

12

13) В каких типах реакций аминокислот используется в организме витамин В6? Как называется активная форма этого витамина?

Ситуационные задачи по теме «Аминокислоты»

1)Напишите Ала, Фен, Цис в форме биполярных ионов (цвиттер-ионов). В какой области рН они образуются?

2)Изоэлектрическая точка аргинина pI=9,8. Почему она выше рН=7? К какому электроду будет двигаться аргинин в нейтральной среде?

3)При снижении кислотности желудочного сока (нарушение образования HCl в желудке) больному назначили комплекс витаминов, в том числе, В6. На чем основана эта рекомендация?

4)Почему при снижении поступления с пищей вит. В6 у человека может снижаться АД?

5)У ребенка частые судороги. После назначения вит. В6 судороги стали более редкими, сон спокойнее и более глубокий. С какими превращениями аминокислот (каких) могут быть связаны наблюдаемые явления?

6)Дайте химическое обоснование назначению L-глутамата натрия в качестве противосудорожного средства.

7)С чем может быть связано повышение АД при назначении больному вит.

В6?

8)Как называется активная форма вит. В6 – кофермента декарбоксилаз и аминотрансфераз? В каких реакциях в организме они участвуют. Примеры.

9)Почему роль NH3 в организме двояка: положительная и отрицательная?

10)У больного часто возникают аллергические реакции. Синтез какого биогенного амина активирован? Напишите реакцию.

Тесты «Аминокислоты»

1.В состав всех аминокислот входит функциональная группа: А) сульфгидрильная (-SH)

Б) иминогруппа (=NH) В) карбоксильная Г) гидроксильная

2.У человека развивается отрицательный азотистый баланс при недостаточности в пище аминокислоты:

А) триптофана Б) аланина В) глицина Г) гистамина

3.К незаменимым аминокислотам относится:

А) глутаминовая кислота Б) фенилаланин В) аланин Г) глицин

4. В качестве кофермента в процессе трансаминирования аминокислот используется: А) тиаминдифосфат

13

Б) пиридоксальфосфат В) НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид)

Г) ФАД (флавинадениндинуклеотид)

5.Укажите биогенный амин, который можно получить из глутаминовой аминокислоты А) гистамин Б) серотонин В) дофамин Г) ГАМК

6. Укажите биогенный амин, который можно получить из аминокислоты

H2N CH COOH

CH2

N

NH

А) гистамин Б) серотонин В) дофамин Г) ГАМК

7.Гистамин можно получить из аминокислоты: А) глутаминовая Б) гистидин В) аргинин Г) тирозин

8.Выберите функцию биогенного амина, образующегося из указанной аминокислоты

H2N CH COOH

CH2

CH2

C O

OH

А) медиатор ассоциативных зон коры головного мозга Б) тормозной медиатор в ЦНС

В) медиатор синтеза HCl в желудке

Г) предшественник адреналина и норадреналина

9. У больного концентрация мочевины в крови 2,2 ммоль/л. Это может быть связано с патологией:

А) почек Б) легких В) печени Г) сосудов

10) Оптических изомеров не имеет аминокислота А) лизин Б) валин В) глицин Г) аланин

14

Занятие № 2

Тема: Пептиды и белки Цель: изучить строение, классификацию и функции пептидов и белков в организме.

По окончании изучения темы студенты должны Знать: строение белков (первичная, вторичная, третичная и четвертичная

структуры), их свойства и классификацию по функциям в организме Уметь: писать реакцию образования пептидной связи

План практического занятия:

1.Тест по аминокислотам

2.Пептиды и белки: строение, функции в организме

3.Лабораторная работа № 2

4.Решение ситуационных задач и тестов

5.Домашнее задание: решить ситуационные задачи. Подготовиться по теме «Углеводы».

Теоретическая часть

Роль пептидов

Пептиды содержат от 2 до 50 остатков аминокислот, связанных пептидными связями. Многие пептиды являются веществами с высокой биологической активностью. Они проявляют свойства гормонов, медиаторов нервной системы, влияют на процесс деления клеток, на синтез белка и на многие другие процессы в организме.

Синтез белка – основной путь использования аминокислот в организме.

В сутки у взрослого человека синтезируется около 400 граммов белка и столько же распадается. Аминокислоты в составе белков и пептидов связаны пептидной связью, образующейся при отщеплении воды от карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты.

Например, R1= H (Гли), R2= CH2-C6H5 (Фен):

15

Глицилфенилаланин

Гли-Фен

Пептидная связь является частично двойной из-за перекрывания - орбиталей связи С=О со свободной электронной парой атома азота. В результате все атомы пептидной связи расположены в одной плоскости. Атомы O и H находятся в транс-положении относительно связи C–N.

В связи с этим и боковые радикалы занимают транс-положение, что приводит к образованию древовидной структуры пептида (на рис. отмечены асимметрические ат. *С):

Примеры высокоактивных пептидов

Ангиотензин: состоит из 8 аминокислот, вырабатывается печенью, обладает сосудосуживающей активностью и повышает артериальное давление.

Вазопрессин: состоит из 10 аминокислот, также повышает артериальное давление, сужая сосуды, но вырабатывается в центральной нервной системе (ц.н.с.) и в поджелудочной железе.

Соматотропный гормон (СТГ), гормон роста – полипептид с выраженной гормональной активностью: стимулирует деление клеток, синтез белка и углеводный обмен, имеет много изоформ, содержит до 191 а/к.

Эндорфины и энкефалины состоят из 15-31 аминокислот, вырабатываются в ганглиях вегетативной нервной системы и в головном мозге. Через специальные опиоидные рецепторы эндорфины и энкефалины регулируют функции коры мозга: сон, настроение, аппетит, чувство голода и жажды, половое поведение. Кроме того, они понижают АД, влияют на работу дыхательного и сосудодвигательного центров.

Трипептид глутатион (-глутамил-цистеинил-глицин) является важным компонентом антиоксидантной системы организма. Под действием фермента - глутатионпероксидазы он участвует в расщеплении перекиси водорода и органических перекисей, за счет SH-группы цистеина глутатион восстанавливает соединения, подвергшиеся модификации в ходе перекисного окисления (раздел «Липиды»).

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

Первичная структура – определенная последовательность а/к, например:

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

16

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

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

3

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.

На рис. приведены 1) фибриллярная (коллаген) и 2) глобулярная структуры:

1

2

В организме глобулярных белков большинство, они обычно хорошо растворимы в воде, могут состоять из одной полипептидной цепи или ассоциата нескольких полипептидных цепей строго определенного состава.

17

Белки можно классифицировать по составу:

Белки-протеины, при гидролизе которых обнаруживаются только аминокислоты.

Белки-протеиды, при гидролизе которых обнаруживаются какие-либо

иные компоненты, входящие в структуру белка наряду с аминокислотами.

Нередко их называют конъюгированные белки, а неаминокислотный компонент, ковалентно связанный с пептидом, является простетической группой. По характеру простетической группы белки подразделяют на

гликопротеины (углевод), металлопротеины (ион металла), гемопротеины

(гем в гемоглобине), флавопротеины (производные витамина В2 – рибофлавина), фосфопротеины (фосфатная группа) и др.

Денатурация белков

Под действием физико-химических факторов: to, pH, ионной силы и др. происходит обратимая или необратимая денатурация – нарушение нативной (природной) структуры белка.

Обратимая: 1) диссоциация субъединиц олигомерных белков, 2) разворачивание глобулы (третичная) до вторичной структуры.

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

Понятие о конформационных изменениях в белках

Молекулярную архитектуру белков в пространстве (вторичная и третичная структуры) принято называть конформацией. Конформация определяется с одной стороны – аминокислотным составом белка и

18

взамодействиями между удаленными остатками аминокислот, а с другой – внешними параметрами, способными влиять на эти взаимодействия. Зная основные типы связей, участвующих в стабилизации третичной структуры, можно перечислить параметры внешней для белка среды, способные изменить пространственную организацию глобулы, не вызывая денатурации. Это явление получило название конформационного изменения и

подразумевает обратимость пространственной перестройки.

Факторы, вызывающие конформационные изменения:

1.Небольшие колебания рН среды (в пределах десятых долей единицы)

2.Изменения температуры (в пределах 1-2 градусов)

3.Изменение заряда поверхности глобулы при присоединении к ней дополнительных ионогенных групп (обратимое фосфорилирование белков при участии протеинкиназ; связывание иона кальция и т.п.)

4.Незначительные колебания ионной силы среды

5.Появление новых взаимодействий с микроокружением белковой глобулы (например, изменение числа гидрофобных связей мембранных белков при повышении содержания холестерина в мембране, см. Липиды).

По окончании воздействия конформация белка самопроизвольно возвращается к исходной. Насколько существенны конформационные изменения белков? За счет них легко и обратимо происходит перестройка сферической глобулы в эллипсовидную и обратно, с почти двукратным изменением размера; открывается и закрывается щелевидная впадина активного центра на поверхности ферментов; в несколько раз укорачивается или удлиняется фибрилла мышечного волокна и т.д.

Поскольку изменение размера и формы белка сопровождается изменением его функциональной активности, обратимые конформационные изменения белков рассматриваются как один из фундаментальных принципов регуляции в организме.

Кооперативность. Значительное изменение скорости связывания вещества с соединением Х при предшествующем или параллельном связывании соединения У называется кооперативностью. Примером кооперативности может служить повышение скорости связывания субстрата в активном центре фермента, если в его регуляторном центре связался активатор, который вызывает конформационные изменения фермента (положительная кооперативность). Другой пример. После присоединения к свободному гемоглобину одной молекулы кислорода, скорость

присоединения последующих молекул O2 скачкообразно увеличивается (положительная кооперативность). Пример отрицательной кооперативности: гемоглобин при связывании молекулы 2,3-дифосфоглицерата претерпевает конформационные изменения, которые способствуют быстрому высвобождению молекул O2 из гемоглобина в ткани.

Функциональная классификация белков

19

Этот способ классификации белков основан на их функциональной активности, является доминирующим в медицине.

1.Структурные белки: коллаген (соединительная ткань)

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

3.Каталитические белки – ферменты метаболизма (декарбоксилаза, аминотрансфераза и многие др.)

4.Транспортные осуществляют транспорт в плазме крови и через мембраны. Например, глобулин, связывающий половые гормоны

(кровь); трансферрин переносит катионы железа, ретинолсвязывающий переносит витамин А. Трансмембранный белок–канал: Na+, K+- АТФаза.

5.Защитные белки: иммуноглобулины (антитела). Способны связывать вирусы и бактерии, а также чужеродные белки.

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;

в) цитокины – необходимы для работы эндокринной системы; г) белки, регулирующие работу генома, например, экспрессию генов (синтез белка) или репликацию ДНК.

* 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.

ОТДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ БЕЛКОВ РАЗНЫХ КЛАССОВ

Структурные белки Коллаген – основной белок всех соединительнотканных структур – от

костной ткани до базальных мембран. На его долю приходится 6% общей массы тела. Как уже отмечалось, это фибриллярный белок. Почти 30% аминокислотных остатков в коллагене принадлежит глицину, еще 25% составляет пролин. Среди оставшихся аминокислот довольно много остатков лизина. Таким образом, в первичной последовательности коллагена более половины аминокислот представляют собой жесткие, не склонные к вращению молекулы. Поэтому вторичная структура отдельной молекулы коллагена представляет собой складчатый лист.

В процессе формирования структуры белка остатки пролина и лизина в каждой полипептидной цепи подвергаются ферментативной модификации с помощью оксидаз. Образующиеся при этом гидроксипролин и гидроксилизин выполняют сразу несколько функций:

20