лекции павловского / Лекции по биоорганической химии (2011 г

1) защитить аминогруппу аланина, превратив ее в менее реакционноспособную амидную группу действием карбобезоксихлорида:

(бензиловый эфир хлормуравьиной кислоты)

2) активировать карбоксильную группу аланина, содержащего защищенную аминогруппу, превратив ее в смешанный ангидрид действием этилхлорформиата:

(этиловый эфир хлормуравьиной кислоты)

3) защитить карбоксильную группу глицина, переведя ее в сложноэфирную:

5) удалить защитные группы в полученном дипептиде; карбобензоксигруппа удаляется гидрированием, сложноэфирная группировка удаляется действием растворов щелочей:

181

Основной интерес химиков и биологов сосредоточен на установлении взаимосвязи строения и функции белка. Пептиды и белки могут содержать в молекуле как основные (-NH2, -СОО ), так и кислотные (-NH3+, -СООН) функциональные группы, расположенные на конце полиамидной цепи, либо включенные в полифункциональные аминокислоты. Общий заряд на молекуле меняется в зависимости от рН среды точно так же, как и в случае аминокислот. Так, при низких значениях рН молекула белка имеет положительный заряд, в то время как при высоких значениях рН на молекуле возникает отрицательный заряд. Неудивительно, что свойства белковых растворов заметно меняются при переходе через изоэлектрическую точку, поскольку сольватация или взаимодействие с соседними белковыми молекулами зависят, вероятно, и от распределения заряда на поверхности молекулы, и от ее суммарного заряда. Вязкость раствора желатина проходит через минимум при рН = 4,7 (изоэлектрическая точка), растворимость инсулина и казеина – наименьшая в их изоэлектрических точках (5,3 и 4,7, соответственно). Зависимость суммарного электрического заряда на полипептиде или белке от значения рН среды используется для разделения белков с помощью электрофореза.

Известно, что активность многих ферментов зависит от рН среды и достигает максимума при его определенном значении. Считается, что

182

ферменты адсорбируют субстраты на особой части молекулы, называемой «активный центр». Изменение рН приводит к перераспределению зарядов на молекуле, что, в свою очередь, меняет ее гидратацию либо за счет изменения числа групп, связанных водородными связями, либо из-за разной степени ассоциации молекул воды вокруг белковой молекулы, осуществляемой в результате взаимодействия с заряженными участками. Кроме того, сами рецепторные группы активного центра фермента, присоединяющие субстрат, в зависимости от рН могут находиться в протонированном или депротонированном состояниях. Все перечисленные эффекты могут снижать легкость адсорбции ферментом своего особого субстрата, тем самым уменьшая его каталитическую активность.

На биологическую активность белков влияет не только среда; их функции существенным образом зависят от их строения. Обычно структурные особенности белков разделяют на несколько категорий. Первичная структура белка – это последовательность аминокислотных остатков в цепи, которая устанавливается с помощью химических методов анализа. Цепь может сворачиваться в спираль или принимать особую форму за счет образования водородных связей между амидными группами. Эта особенность структуры белка, являющаяся результатом взаимодействия между амидными (пептидными) связями, называется вторичной структурой. Дальнейшее свертывание вторичной структуры является результатом взаимодействия функциональных групп боковых цепей аминокислот (-SH, -NH2, -ОН, - СООН и т.д.), что и составляет третичную структуру. Таким образом,

вторичная и третичная структура представляют собой

183

упорядоченное расположение полипептидной цепи в пространстве. Однако вторичная структура закрепляется за счет водородных связей между пептидными группами, а третичная – за счет электростатических и гидрофобных взаимодействий. Белки могут обладать четвертичной структурой, обусловленной взаимодействием нескольких белковых молекул, приводящим к образованию групп или пучков молекул, которые могут обладать высокой степенью симметрии. Эти образования иногда можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Многие полипетиды и белки исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа. При этом были подтверждены некоторые характерные особенности их структуры. Наиболее часто встречаются два типа организованной вторичной структуры, хотя нередко молекулы белков имеют беспорядочное строение. В -форме полиамидная цепь свернута в спираль, в которой расположенные рядом витки соединяются за счет водородных связей между соседними амидными группами. Спираль имеет правое вращение, при этом объемные боковые цепи L- аминокислот направлены от центра спирали.

В -структуре полиамидные цепи располагаются рядом в антипараллельном положении, образуя слой полипептидных цепей,

184

связанных между собой водородными связями. При таком строении боковые цепи полипептидных молекул лежат попеременно над и под плоскостью слоя.

Участки -структуры могут образоваться и внутри одной белковой молекулы за счет складывания свернутой полипептидной цепи. Белки, имеющие развернутую -структуру (например, фиброин шелка), растягиваются с трудом, поскольку полипептидные цепи уже полностью вытянуты, тогда как белки с преобладающей -структурой (например, волосы, шерсть) – эластичны, так как механическое напряжение в этом случае снимается за счет превращения спиралевидной полипептидной цепи в растянутую конформацию -структуры.

Третичная структура белков, обусловленная взаимодействием боковых цепей аминокислот, не приводит к такой высокой упорядоченности структуры, как в предыдущем случае. Помимо водородных связей, важным фактором стабилизации третичной структуры является образование дисульфидных связей. Третичная структура часто придает белковой молекуле такую конформацию, при

185

которой гидрофильные группы расположены на поверхности молекулы, а гидрофобные группы направлены внутрь, к центру молекулы.

Четвертичная структура белков варьируется очень широко. Например, общей формой четвертичной структуры обладают волокнистые белки (волосы, шерсть). Эта структура состоит из шести белковых цепей, каждая из которых имеет форму -спирали, закрученной вокруг центральной спиралеобразной белковой молекулы. В результате образуется веревкообразная структура.

Биологическая активность белков нередко тесно связана с высокой организацией структуры, и живые организмы синтезируют белки требуемой конформации, которая часто оказывается метастабильной (не самой устойчивой из всех возможных структур). Под влиянием нагревания, изменения значений рН, химических реагентов, ультрафиолетового света и других воздействий белки часто теряют свою биологически необходимую конформацию, превращаясь в случайные неорганизованные структурные единицы и утрачивая свою биологическую активность. Такой процесс называется денатурацией. Денатурация оказывает особо глубокий эффект на активность ферментов. По этой причине моющие порошки, содержащие ферменты, лучше всего применять при низкой температуре, так как при высокой температуре прежде всего проявляется действие входящих в их состав детергентов.

186

ЛЕКЦИЯ № 13

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) представляют собой макромолекулы кислотного характера, содержащиеся в основном в ядре клетки, но также встречающиеся в цитоплазме. Углеводы и белки представляют собой материал для построения живых систем и их жизнедеятельности, в то время как нуклеиновые кислоты служат источником генетической информации, направляющей все эти процессы. Соединясь с белками, нуклеиновые кислоты образуют нуклеопротеины. Установлено, что вирусы, которые в некоторых случаях можно выделить в кристаллическом виде, являются большими нуклеопротеинами.

Гидролиз нуклеиновых кислот дает три типа продуктов: фосфорную кислоту, углевод (рибоза или дезоксирибоза) и группу азотистых оснований (урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин). ДНК и РНК отличаются по строению моносахарида, входящего в состав нуклеиновых кислот – в состав ДНК входит дезоксирибоза, в состав РНК

– рибоза:

Существуют также некоторые различия в азотистых основаниях, входящих в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин, цитозин образуются при гидролизе и ДНК, и РНК, в качестве четвертого основания ДНК содержат тимин, РНК – урацил. Урацил, тимин и цитозин представляют собой производные пиримидина:

187

Аденин и гуанин являются производными пурина:

Для кислородсодержащих азотистых оснований характерна лактам-лактимная таутомерия, а для пуриновых оснований – прототропная:

В нуклеиновых кислотах каждое азотистое основание связано через атом азота N-гликозидной связью с аномерным атомом углерода рибозы или дезоксирибозы. При этом нужно отметить, что всегда образуется -гликозидная связь. Этот блок – углевод-азотистое основание – называется нуклеозидом.

188

При названии нуклеозидов у азотистых оснований пиримидинового ряда окончания заменяют на -идин, у оснований пуринового ряда – на окончание -озин.

Кроме того, нуклеозиды, образованные с участием дезоксирибозы, получают приставку дезокси.

дезоксиаденози н

Так как тимин входит в состав только ДНК, в виде исключения нуклеозид, образуемый им и дезоксирибозой, называют тимидин, а не дезокситимидин.

189

Нуклеозиды являются N-гликозидами, и как гликозиды (ацетали), подвергаются гидролизу в кислой среде, но устойчивы к гидролизу в слабощелочных средах ( в сильно щелочной среде происходит не гидролиз, а разрушение гетероциклов).

Нуклеозиды за счет гидроксильных групп рибозы или дезоксирибозы могут реагировать с кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров. Эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты называются нуклеотидами. Сложноэфирная связь может образовываться между остатком фосфорной кислоты и гидроксильной группой в положении 5 - или 3 -рибозы или дезоксирибозы. Названия нуклеотидам дают либо как сложным эфирам фосфорной кислоты, либо как кислотам, так как остаток фосфорной кислоты содержит гидроксильные группы, за счет которых нуклеотиды могут выступать в качестве кислот.

В названии нуклеотидов, как эфиров, сначала называется нуклеозид, затем указывается положение остатка фосфорной кислоты (3 или 5 ) и добавляется название кислотного остатка – фосфат. В названиях нуклеотидов как кислот сначала указывают положение сложноэфирной связи (3 или 5 ), затем идет название азотистого основания с добавлением окончания «овая кислота»:

190