Химические свойства

 

1. Некоторые свойства аминокислот, в частности высокая температура плавления, объясняются их своеобразным строением. Кислотная (-COOH) и основная (-NH₂) группы в молекуле аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя внутренние соли (биполярные ионы). Например, для глицина:

H2N-CH2-COOH  H3N+-CH2-COO-

  2. Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера -аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами:

H2N–

CH–COOH + HCl  I R

[H3N+–CH–COOH]Cl- I R хлористоводородная соль -аминокислоты

 

H2N–

CH–COOH + NaOH I R

 H2N–CH–COO-Na+ + H2O I R натриевая соль -аминокислоты

3. В реакции со спиртами образуются сложные эфиры:

 

4. -аминокислоты можно ацилировать, в частности ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N-ацильные производные -аминокислот (символ «N» означает, что ацил связан с атомом азота):

 

                                                                    

5. -аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, что приводит к образованию амидов кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

H2N–	H I CH–	O II C–OH + NH2 –	CH3 I CH–	O II C–OH →
	глицин		аланин

   

H2N–	H I CH–	O II C–NH–	CH3 I CH–	O II C–OH + H2O
	глицилаланин

 

При конденсации трёх аминокислот образуется трипептид и т.д.

Связь -

O II C–NH – называется пептидной связью.

Пептиды, белки

Пептиды и белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков -аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. 

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами для живых организмов, регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Таким образом, функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником -аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают -аминокислоты. Многие -аминокислоты синтезируются в организме, а некоторые необходимые для синтеза белков -аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см. табл. 1). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Протяженные амиды, образовавшиеся в результате взаимо­действия некоторого числа аминокислот, называются пепти­дами. Амидные связи, нахо­дящиеся в составе пептидов, называют пептидными связями. Пептиды и белки различают в зависимости от величины молекулярной массы. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе до 10000), а белки – свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов). При этом в пептидах различают олигопептиды, содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие до 100 аминокислотных остатков.

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся метиновых (CH) и пептидных (CONH) групп. Различия такой цепи заключаются в боковых радикалах, связанных с метиновой группой и характеризующих ту или иную аминокислоту. Та часть молекулы, в которой сохранилась не включенная в пептидную связь аминогруппа, называется N-концевой, а не­сущая ее аминокислота – N-концевым аминокислотным остатком, или N-концом пептида. Часть пептида, в которой оста­лась свободная карбоксильная группа, называется С-концевой, а аминокислота, включающая такую группу, представляет со­бой С-концевой аминокислотный остаток, или С-конец. При изображении формулы пептида N-конец располагают слева, а С-конец – справа:

Название пептида формируется путем последовательного перечисления входящих в его состав аминокислот начиная, с N-конца. При этом суффикс «-ин» заменяется на суффикс «-ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой, например:

фенилаланил | глицил | метионин — трипептид.

N-конец С-конец

Из пептидов важнейшее значение имеют полипептиды – б е л к и.

В образовании полипептидных цепей белков принимает участие

n = 10² – 10⁵ молекул аминокислот. Некоторые гигантские молекулы белков способны к самостоятельному существованию как живые организмы (фильтрующийся вирус). Они делятся на белки, состоящие толь­ко из остатков аминокислот (простые белки, или протеииы), и на белки, в состав которых помимо аминокислот входят ос­татки соединений небелковой природы (сложные белки, или протеиды). Небелковая часть молекулы называется простетической группой и определяет подразделение белков на:

а) гликопротеиды (аминокислоты + углеводы);

б) нуклеопротеиды (аминокислоты + нуклеотиды);

в) липопротеиды (аминокисло­ты + липиды);

г) фосфопротеиды (аминокислоты + фосфорная кислота);

д) металлопротеиды (аминокислоты + ионы ме­таллов).

Отнесение белка к тому или иному классу делается на ос­нове определения его первичной структуры, т. е. последо­вательности аминокислот, отсутствия или наличия простетической группы, состава простетической группы.

Для полипептидов и белков характерны четыре уровня пространственной организации, которые принято называть первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами. 

Первичная структура белка – специфическая аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования -аминокислотных остатков в полипептидной цепи. 

Вторичная структура белка – конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве. Характер пространственной структуры обусловлен образованием пяти типов связей между аминокислотными остатками:

1) дисульфидные мостики;

2) водородные связи;

3) ионные связи;

4) гидрофобные связи;

5) гидратируемые группы.

Дисульфидные мостики образуются между остатками цистеина за счет окисления тиольных групп в дисуль­фидные:

Водородные связи могут образовываться между карбо­нильной группой одной пептидной связи и группой NН другой связи. Наиболее стабильной оказывается струк­тура, допускающая образование максимального числа таких связей.

Полипептидной цепи могут существовать в нескольких видах: -форма; -спираль; неупорядоченная структура.

Для межцепочечного связывания характерна -форма. В ней полипептидные цепи расположены в плоскости и слегка изогнуты. Несколько цепей образуют слой, изги­бы которого похожи на складки ткани или бумаги. Сосед­ствующие цепи ориентированы антипараллельно и связа­ны между собой водородными связями. Структура -складчатого слоя встречается в белках типа шёлка или кератина.

За счёт внутрицепочечного об­разования водородных связей возникает -спираль. Это возможно только в том случае, если основная цепь сворачивается в спи­раль с шагом в 3,6 аминокислотных остатка. Поскольку все природные аминокислоты принадлежат к L-ряду (имеют S-конфигурацию), спираль является правой. Как правило, -спиральной структурой обладает толь­ко часть (от 5 до 80 %) полипептидной цепи. На­пример, цепь миоглобина спирализована лишь на 75 %.

Неупорядоченная структура характерна только для отдельных фрагментов цепи, которые появляются обыч­но между спирализованными и складчатыми участками в ходе формирования третичной структуры белка.

Ионные связи являются результатом электростатического взаимодействия и появляются в тех случаях, когда в боковой цепи имеются заряженные группы

(-аминогруппы лизина, гуанидиновая группировка аргинина, основные атомы азота имидазольного кольца гистидина, - и -карбоксилатанионы аспарагиновой и глутаминовой кислот).

Гидрофобная связь – это результат несвязанного взаимодействия неполярных алкильных групп в боковых цепях аминокислот (аланин, валин, лейцин, изолейцин) за счет сил притяжения Ван-дер-Ваальса.

Гидратируемые группы оказывают влияние на формиро­вание вторичной структуры белка тогда, когда молеку­лы воды, окружающие белковую молекулу, могут обра­зовывать структуру, подобную структуре льда. В этом случае водный слой способствует стабильности именно той формы белковой молекулы, которая обеспечивает указанную возможность.

Из всех перечисленных вариантов внутри- и межмолекуляр­ных взаимодействий при изменениях рН, ионной силы и по­лярности растворителя неизменными остаются только дисульфидные мостики. Они разрушаются только под действием вос­становителей.

Компактная, плотная структура, образующаяся при уклад­ке организованной во вторичную структуру молекулы белка, называется третичной структурой. Различают белки фибриллярные (нитевидные), не­ растворимые в воде, водных растворах кислот, оснований, со­лей, и глобулярные, третичная структура которых имеет вид компактных клубочков. Глобулярные белки растворимы в во­де, кислотных, основных и солевых растворах.

Примером фибриллярных белков могут служить кератины, коллаген, эластин, миозин, фиброин. К глобулярным относят­ся ферменты, гормоны, глобулины, альбумины и др.

У ряда белковых соединений несколько полипептидных цепей белка могут интегрироваться вместе, создавая более сложный комплекс определенного строения, называемый чет­вертичной структурой белка. Каждая полипептидная цепь та­кого комплекса называется субъединицей и сохраняет свой­ственную ей первичную, вторичную и третичную структуры. Фиксация четвертичной структуры обеспечивается водородны­ми связями и гидрофобными взаимодействиями между субъе­диницами.

Наличие четвертичной структуры характерно, например, для гемоглобина и других металлопротеидов, а также для им­муноглобулинов.

При образовании пептида из аминокислот с отщеплением воды (реакция поликонденсации) идёт одновременный гидро­лиз пептидной связи, т. е. реакция обратима. В обычных условиях равновесие смещено в сторону гидролиза, поэтому для синтеза пептидов используют не сами аминокислоты, а их более реакционноспособные производные (такой прием назы­вают активированием аминокислот). Обычно используют хлорангидриды, азиды, сложные эфиры, карбодиимиды, содержащие группировку — N=С=N —. Во всех этих соеди­нениях электронная плотность у карбонильного углерода понижена.

Синтез пептида с заданной последовательностью аминокис­лот возможен лишь при условии, что те аминные или карбок­сильные группы, которые не должны участвовать в реакции, будут заранее защищены. Для защиты аминогруппы используют её ацилирование бензиловым эфиром хлоругольной кис­лоты С₆Н₅СН₂ОСОС1; образование N-n-толуолсульфопроизвод-ных при действии п-толуолсульфохлорида СН₃С₆Н₅ S0₂Cl; образование трифенилметилпроизводных и др. Карбоксильную группу обычно защищают путём этерификации.

Изменение условий, в которых находится молекула белка: изменение рН среды, повышенная температура, облучение УФ-светом, рентгеновскими лучами, повышенное давление, ультразвук, сильное механическое воздействие, соли тяжелых металлов – приводят к разрушению связей, обеспечивающих сохранение четвертичной, третичной и даже вторичной струк­тур. Этот процесс называют денатурацией белка. Денатурация может быть обратимой (если изменение структуры уст­ранимо) и необратимой.