Химия аминокислот, пептидов и белков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Химия аминокислот, пептидов и белков

Аминокислоты

Аминокислоты -- это соединения содержащие кислотную карбоксильную группу и основную аминогруппу.В живых организмах обнаружено несколько сотен различных аминокислот. Однако большинство из них встречается лишь в некоторых видах растений и не входит в состав белков. В белках встречается мономеры из которых строятся сложные полимеры. Организм использует их для собственного роста, восстановления, укрепления и выработки различных гормонов, антител и ферментов.

Биологическое значение заменимых аминокислот для организма человека

Большинство аминокислот синтезируются в теле человека и животных из видов аминокислота остальные образуются из обычных безазотистых продуктов обмена веществ и усвояемого азота - этот так называемые «заменимые» аминокислоты.

Заменимые аминокислоты: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин (гликокол), глутамин, глутаминовая кислота, пролин, серин, тирозин, цистеин (цистин), цитруллин, гамма-аминомасляную кислоту, орнитин, таурин.

Частично заменимые аминокислоты: аргинин и гистидин.

Отличаются они от остальных тем, что организм может использовать их вместо, соответственно, метионина и фенилаланина для производства белка.

Существуют также аминокислоты, которые не синтезируются в организме человека, но необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это -- «незаменимые» аминокислоты.

Незаменимые аминокислоты: валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, лизин Они должны поступать в организм с пищей. Это аминокислоты, которые уже изначально переварены или расщеплены синтетическим путем. Однако вопреки заявлениям некоторых экспертов, потребление аминокислот в свободной форме -- не лучший вариант получения протеина, необходимого для строительства новой мышечной ткани и поддержания тела в здоровом состоянии.

Тем не менее, в некоторых обстоятельствах эти аминокислоты могут быть полезны, скажем, для достижения так называемых “специфических эффектов”. К примеру, некоторые аминокислоты, такие как триптофан и тирозин, оказывают прямое воздействие на нейротрансмиттеры. Потребление таких аминокислот в свободной форме, как глютамин и аргинин, способствуют повышению выработки гормона роста.

Незаменимые аминокислоты белков:

Лейцин (ВСАА) Незаменимая аминокислота белков. Поставляется всеми продуктами, содержащими полноценный белок -- мясом, птицей, рыбой, яйцами, молочными продуктами. Необходима не только для синтеза протеина организмом, но и для укрепления иммунной системы.

Изолейцин (ВСАА) Незаменимая аминокислота. Поставляется всеми продуктами, содержащими полноценный белок -- мясом, птицей, рыбой, яйцами, молочными продуктами.

Валин (ВСАА) Незаменимая аминокислота. Один из главных компонентов в росте и синтезе тканей тела. Основной источник -- животные продукты. Опыты на лабораторных крысах показали, что валин повышает мышечную координацию и понижает чувствительность организма к боли, холоду и жаре.

Гистидин Незаменимая аминокислота белков. Способствует росту и восстановлению тканей. В большом количестве содержится в гемоглобине; используется при лечении ревматоидных артритов, аллергий, язв и анемии. Недостаток гистидина может вызвать ослабление слуха.

Лизин Незаменимая аминокислота. Хорошие источники -- сыр, рыба. Одна из важных составляющих в производстве карнитина. Обеспечивает должное усвоение кальция; полезен при борьбе с герпесом. Недостаток может выражаться в неспособности к концентрации внимания у человека, раздражительности, повреждению сосудов глаз, потере волос, анемии и проблем в репродуктивной сфере.

Метионин Незаменимая аминокислота. Хорошие источники -- зерновые, орехи и злаковые. Важен в метаболизме жиров и белков, организм использует ее также для производства цистеина. Является основным поставщиком органических соединений серы, которые предотвращают расстройства в формировании волос, кожи и ногтей; понижает нагрузку на мочевой пузырь; воздействует на луковицы волос и поддерживает рост волос.

Треонин Незаменимая аминокислота. Важная составляющая в синтезе пуринов, которые, в свою очередь, разлагают мочевину, побочный продукт синтеза белка. Важная составляющая коллагена, эластина и протеина эмали; участвует в борьбе с отложением жира в печени; поддерживает более ровную работу пищеварительного и кишечного трактов; принимает общее участие в процессах метаболизма и усвоения.

Триптофан Незаменимая аминокислота. Является первичным по отношению к ниацину (витамину В) и серотонину, который, участвуя в мозговых процессах, управляет аппетитом, сном, настроением и болевым порогом. Естественный релаксант, помогает бороться с бессонницей, вызывая нормальный сон; помогает бороться с состоянием беспокойства и депрессии;

Фенилалаин Одна из «незаменимых» аминокислот. Используется организмом для производства тирозина и трех важных гормонов -- эпинэрфина, норэпинэрфина и тироксина. Используется головным мозгом для производства норэпинэрфина, вещества, которое передает сигналы от нервных клеток к головному мозгу; поддерживает нас в состоянии бодрствования и восприимчивости; уменьшает чувство голода; работает как антидепрессант и помогает улучшить работу памяти.

Полузаменимые аминокислоты

Тирозин. Используется организмом вместо фенилаланина при синтезе белка. Источники -- молоко, мясо, рыба. Мозг использует тирозин при выработке норэпинэрфина, повышающего ментальный тонус. Многообещающие результаты показали попытки использовать тирозин как средство борьбы с усталостью и стрессами.

Цистин (цистеин). Если в рационе достаточное количество цистина, организм может использовать его вместо метионина для производства белка. Хорошие источники цистина -- мясо, рыба, соя, овес и пшеница. Цистин используют в пищевой промышленности как антиоксидант для сохранения витамина С в готовых продуктах.

Заменимые аминокислоты

Аланин. Является важным источником энергии для мышечных тканей, головного мозга и центральной нервной системы; укрепляет иммунную систему путем выработки антител; активно участвует в метаболизме сахаров и органических кислот.

Аминокислота Аргинин вызывает замедление развития опухолей и раковых образований. Очищает печень. Помогает выделению гормона роста, укрепляет иммунную систему, способствует выработке спермы и полезна при лечении расстройств и травм почек. Необходим для синтеза протеина и оптимального роста. Наличие Л-Аргинина в организме способствует приросту мышечной массы и снижению жировых запасов организма. Также полезен при расстройствах печени, таких, как цирроз печени, например. Не рекомендуется к приему беременными и кормящими женщинами.

Аминокислота аспарагин активно участвует в выводе аммиака, вредного для центральной нервной системы. Недавние исследования показали, что эта аминокислота может повышать сопротивляемость организма человека к действию стрессовых факторов внешней среды.

Глутамин аминокислота. Важен для нормализации уровня сахара, повышении работоспособности мозга, при лечении импотенции, при лечении алкоголизма, помогает бороться с усталостью, мозговыми расстройствами -- эпилепсией, шизофренией и просто заторможенностью, нужен при лечении язвы желудка, и формирование здорового пищеварительного тракта. В мозгу преобразовывается в глютаминовую кислоту, важную для работы мозга. При употреблении не следует путать глютамин с глютаминовой кислотой, по действию эти препараты отличаются друг от друга. Глутаминовая кислота улучшает умственные способности, способствует ускорению лечения язв, повышает сопротивляемость организма человека при усталости.

Глицин Активно участвует в обеспечении кислородом процесса образования новых клеток. Является важным участником выработки гормонов, ответственных за усиление иммунной системы.

Карнитин Аминокислота помогает связывать и выводить из организма длинные цепочки жирных кислот. Печень и почки вырабатывают карнитин из двух других аминокислот -- глютамина и метионина. В большом количестве поставляется в организм мясом и молочными продуктами. Различают несколько видов карнитина. Предотвращая прирост жировых запасов, эта аминокислота важна для уменьшения веса и снижения риска сердечных заболеваний. Организм вырабатывает карнитин только в присутствии достаточного количества лизина, железа и энзимов В19 и В69. Вегетарианцы более чувствительны к дефициту карнитина, так как в их рационе гораздо меньше лизина. Карнитин также повышает эффективность антиоксидантов -- витаминов С и Е. Считается, что для наилучшей утилизации жира дневная норма карнитина должна составлять 1500 миллиграммов.

Аминокислота Орнитин способствует выработке гормона роста, который в комбинации с аргинином и карнитином способствует вторичному использованию в обмене веществ излишков жира. Необходим для работы печени и иммунной системы.

Пролин. Предельно важен для правильного функционирования связок и суставов; также участвует в поддержании работоспособности и укреплении сердечной мышцы.

Серин Участвует в запасании печенью и мышцами гликогена; активно участвует в усилении иммунной системы, обеспечивая ее антителами; формирует жировые «чехлы» вокруг нервных волокон.

Таурин -это полузаменимая аминокислота стабилизирует возбудимость мембран, что очень важно для контроля эпилептических припадков. Он относится к факторам, регулирующим процессы биохимических изменений, имеющих место в процессе старения; участвует в освобождении организма от засорения свободными радикалами

аминокислота пептид белок

Химическая характеристика аминокислот

(альфа)-Аминокислоты - это гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат карбоксильную и аминогруппу у одного и того же атома углерода. -углерод). В большинстве молекул аминокислот(АК), этот атом углерода является хиральным центром, в аминокислоте, которые являются мономерами белков он имеет относительную - L конфигурацию. Конфигурация аминокислот определяется по первому хиральному атому.

СООН

NH2 H

CH2SH

L -цистеин

В определенных условиях может происходить обращение конфигурации, так, например, под воздействием микроволнового излучения. Подобный процесс может иногда происходить самопроизвольно в течение длительного времени неферментативно. Например L-аспартат в дентине зубов при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год превращается в D- изомер, по его содержанию можно определить возраст человека. Отсутствует радикал только у глицина, у него вместо радикала атом водорода.-АК имеют общий фрагмент или “стандартный блок” и отличаются радикалом.

NH2 - СН - СООН-R

Классификация и номенклатура аминокислот по строению радикалов

По строению углеродного скелета радикалов аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические. В составе радикалов могут быть функциональные группы, придающие им специфические свойства: карбоксильная, амино-, тиольная, амидная, гидроксильная, гуанидиновая. Названия применяют преимущественно тривиальные (глицин от слова сладкий -glykos, серин от слова serieum - шелковистый, получен из фибрина шелка), для записи используют их трехбуквенное обозначение. В составе полипептидной цепочки остаток аминокислоты, не имеющий карбоксильной группы в стандартном блоке называется с изменением окончания -ИН на -ИЛ. Например глицил вместо глицин и т.д.

Классификация аминокислот по растворимости их радикалов в воде, полярности, наличию или отсутствию заряда

Сами аминокислоты все в воде растворимы, но в составе белка их радикал оказывает влияние на растворимость его в воде, поэтому важно выделить аминокислоты с гидрофобными неполярными и гидрофильными полярными радикалами. Гидрофобные радикалы это углеводородные структуры, которые способны «склеиваться» друг с другом образуя гидрофобные связи, но не образуют водородные или диполь-дипольные связи с водой и поэтому на растворяются в ней. Гидрофильные - образуют диполь-дипольные или водородные связи водой. Гидрофобные и гидрофильные радикалы аминокислот определяют пространственное строение белка(конформацию), в который они входят.

Среди полярных радикалов также выделяют с зарядом (положительно и отрицательно заряженные) и без заряда. Радикалы с зарядом лучше растворяются в воде чем без заряда.

1.Аминокислоты с алифатическими углеводородными радикалами, гидрофобные, незаряженные

2. Аминокислоты с ароматическими углеводородными радикалами, гидрофобные, незаряженные

3. Аминокислоты с гидроксильными группами (полярные) гидрофильные не заряженные

А. Спиртовой

7. 8.

Б. Фенольный

9.

4. Аминокислоты с серосодержашими радикалами (гидрофильные не заряженные)

10. 11.

5. АК с карбоксильной группой в радикале (гидрофильные отрицательно заряженные)

12 13.

6. Аминокислоты, содержащие амидные группы (гидрофильные не заряженные)

14 15.

7. Аминокислоты, содержащие аминогруппу в радикале (гидрофильные, положительно заряженные)

16.

8. Аминокислоты, содержащие гуанидиновую группу (гидрофильные, положительно заряженные)

17.

9. Аминокислоты с гетероциклическими радикалами, триптофан - гидрофобный незаряженный, гистидин гидрофильный, положительно заряженный, пролин гидрофильный, незаряженный.

Таким образом по свойствам и строению радикалов все -аминокислоты делятся на:

А.Нейтральные аминокислоты (рН=7)

1.Неполярные радикалы (гидрофобные): аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин

2.Полярные незаряженные радикалы (гидрофильные): аспарагин, глицин, глутамин, серин, тирозин, треонин, цистеин

Б.Кислые аминокислоты (рН7)

Отрицательно заряженные радикалы (гидрофильные): аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

В. Основные химические свойства аминокислот (АК),среда щелочная рН7.

Положительно заряженные радикалы (гидрофильные): аргинин, гистидин, лизин

Химические свойства аминокислот

2. Аминокислоты в растворе.

Все аминоклоты хорошо растворимы в воде из- за полярных амино- и карбоксильной групп в стандартном блоке.Они амфотерны из-за наличия основного (аминогруппа) и кислотного (карбоксил) центра. В растворе существуют в виде биполярного иона или цвиттер-иона:

NH2 - СН2 - СООН +NH3 - СН2 - СОО-

Диполярный ион (биполярный ион)

Аминокислоты взаимодействуют со щелочами по карбоксильной группе и кислотами по аминогруппе.

Кислотный центр СООН и основный центр аминогрупы образуют с Сu(ОН)2 хелатный комлекс синего цвета.

В эту группу входят диаминомонокарбоновые «основные» аминокилоты: лизин, орнтин, аргинин. Большинство аминокилот в растворе имеют нейтральную среду, но если в радикале присутствуют сильные основные центры, то среда становится щелочной:

NH2 - СН - СООН + Н2О +NH3 - СН - СОО- + ОН-

(СН2)3- NH2 (СН2)3-NH+3

орнитин

Если в радикале имеется кислотный центр - это «кислые» дикарбоновые моноаминокислоты аспарагиновая и глутаминовая, в растворе данных кислот (рН7).

NH2 - СН - СООН + Н2О +NH3 - СН - СОО- Н3О+

СН2 - СООН СН2 - СОО-

Изоэлектрическая точка.

Изменение суммарного заряда аминокислот в зависимости от рН среды

Таким образом, большинство аминокислот имеют рH в нейтральной области, близкой рН =7.

Характерные химические реакции аминокислот по карбоксильной и аминогруппам

Реакции по аминогруппе

Аминогруппа является сильным нуклеофильным реагентом и взаимодействует с электронодефицитным атомом углерода Например с СН31 и ангидридом и хлорангидридом уксусной кислоты (SN), образуя N-алкильные и N-ацильные производные (SN)

1. АЛКИЛИРОВАНИЕ аминокилот

2. АЦИЛИРОВАНИЕ аминокислот

3. ПРИСОЕДИНЕНИЕ - ОТЩЕПЛЕНИЕ (ОБРАЗОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ ШИФФА)

С оксогруппой -С=О идет реакция присоединения - отщепления (AN -Е). Реакция идет с образованием снования Шиффа. Эта реакция используется в количественном определении аминокислот в растворах, так как титрование щелочью невозможно, его проводят после блокады аминогруппы формальдегидом, в результате остается кислая карбоксильная группа, количество этих групп определяется титрованием щелочью, метод получил название «формольное титрование» или метод Серенсена.. В организме образование имина с альдегидной группой пиридоксальфосфата является промежуточным продуктом во всех превращениях аминокилот.

Окислительное дезаминирование in vitro Реакция Ван-Слайка

С HNO2 аминогруппа аминокилоты, как первичный алифатический амин вступает в реакцию окислительного дезаминирования, превращаясь в гидроксил. Эта реакция легла в основу количественного определения амино- и карбоксильных групп в растворах аминокислот. Называется реакция Ван-Слайка.



Реакции по карбоксильной группе

Образование пептидной или амидной связи

Карбоксильная группа является электрофильным субстратом в реакции SN и взаимодействует с нуклеофильной аминогруппой, образуя амидную или пептидную связь.

3.Качественная реакция на --аминокислоты

Нингидриновая проба - образование окрашенного сине-феолетового соединения с нингидрином

4. Биохимические реакции

Аминокислоты -это мономеры белков, поэтому их превращения в организме связаны с метаболизмом белков.

Основной способ получения аминокислот организмом - гидролиз белков. Заменимые аминокилоты синтезируются в организме из других аминокислот и кетокислот реакцией трансаминирования или переаминирования

Трансаминорование

АЛАНИН ЩУК

ПВК АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА

Под действием кофермента НАД+ или НАДФ+ идет окислительное дезаминирование аминокислот in vivo, в отличие от in vitro с образуются оксогруппы кетокислот

2. Окислительное дезаминирование (in vivo)

НАД+ + Н2О

NH2 - СН2 - СООН NН = СН2 - СООН О = СН2 - СООН

-2Н - NH3

Образование альдлизина:

Декарбоксилирование, образование биогенных аминов

Биогенные амины образуются из аминокислот реакцией декарбоксилирования: триптамин и серотонин из триптофана, гистамин из гистидина, коламин из серина, кадаверин из лизина.

2. Поликонденсация аминокислот, образование полипептида.

3.

Номенклатура полипептидных цепей: название начинается с N-конца цепочки, остатки аминокислоты без годроксильных групп называются как радикалы, с заменой окончания -ИН на -ИЛ, последняя АК называется полностью с окончанием -ИН.

Ала - Цис-Фен: Аланилцистеилфенилаланин

Строение пептидной связи: наличие сопряжения, sp2-гибридизации атомов углерода, азота и кислорода в ней определяет ее плоскостное строение и отсутствие вращений вдоль оси связи и транс- конформацию.

Белки и пептиды. Строение белков и полипептидов.

Пептиды, содержащие до 10 остатков аминокислот называются олигопептиды. От 10-50 - полипептиды, более 50 - это уже белки.

Белки - это сложные высокомолекулярные азотсодержащие биополимеры, мономерами которых являются альфа-аминокислоты, соединенные в полимерную структуру. В составе белков в организме человека встречаются только 20 важнейший класс биологических соединений. Они играют ключевую роль в клетке, присутствуют в виде главных компонентов в любых формах живой материи, поэтому по-прежнему неопровержимо определение Ф.Энгельса, что «жизнь есть способ существования белковых тел». Белки чрезвычайно разнообразны по структуре и выполняют многочисленные биологические функции. Так в одном организме Escherichia сolli содержится более 3000 различных белков.

Название белки получили от яичного белка, который с незапамятных времен использовался в пищу. Изучение белков, как химических соединений, началось с изучения их свойств (свертываемость, разложение и т.д., поэтому одними из первых были изучены белки крови (Гарвей). Растительные белки изучали на клейковине, полученной из пшеничной муки. Первая концепция строения белков принадлежит голландскому химику Мульдеру, он сформулировал понятие о минимальной структурной единице белков и назвал ее протеином. Впервые гипотезу строения беков, как полимеров, построенных из остатков аминокислот, связанных пептидной связью выдвинул Эмиль Герман Фишер (1902)

Белками являются ферменты, гормоны, антибиотики, токсины. Белки выполняют разнообразные функции: каталитические (ферменты), двигательные (актин, миозин) транспортные (гемоглобин, миоглобин, цитохромы), защитные (иммуноглобулины, антигены, фибриноген), рецепторные (родопсин), регуляторные (гистоны, репрессоры,) запасающие (козеин, овальбумин) Энергетическую функцию выполняют запасающие белки или иные в условиях длительного голодания или интенсивной длительной работы мышц.

Сравнительно небольшие молекулы с массой до 5000 называют пептидами к ни относят некоторые гормоны (вазопрессин, адренокортикотропный гормон), глюкагон, нейропептиды мозга (эндорфин), пептиды сна, памяти, и т.п., алкалоиды (эрготамин) антибиотики (грамицидин)

Химическая организация белковой молекулы

1. Характеристика первичной структуры белковой или полипептидной молекулы.

Первичная структура это последовательность аминокислот, связанных пептидной связью. Пептидной связью называют химическую связь между аминокислотами в белках, которая осуществляется через аминогруппу одной аминокислоты и карбоксильную группу другой. Такая связь называется Эта последовательность закодирована в участке ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота), называемом геном. В процессе синтеза белка информация, находящаяся в гене переписывается на м-РНК(матричная рибонуклеиновая кислота), а затем, используя м-РНК в качестве матрицы на рибосоме происходит сборка первичной структуры белка.

За счет внутримолекулярных взаимодействий белки образуют определенную пространственную структуру называемую «конформация белков».

Вторичная структура белков

Вторичая структура формируется за счет образования водородной связи.

Вторичная структура представляет собой наиболее выгодную конформацию в виде правозакрученной спирали.

Третичная структура белков

Третичная структура белка-это плотная пространственная укладка полипептидной цепи в глобулу. Третичная структура возникает за счет взаимодействия боковых радикалов в водном растворе. Молекула белка укладывается в пространстве в виде «глобулы» или «клубка» за счет гидрофобного взаимодействия неполярных или гидрофобных радикалов; ионных связей, а также дисульфидных ковалентных мостиков, образованных при окислении цистеина и водородных связей.

Четвертичная структура белков

Четвертичная структура ? это надмолекулярное образование, состоящее из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентно, а водородными связями, электростатическими, дипольдипольные и гидрофобными взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности. Примером может служить молекула гемоглобина, вирус табачной мозаики (2130 субъединиц). Каждый из белков-участников третичной структуры при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. Образовавшуюся молекулу называют олигомером, или мультимером. Олигомерные белки чаще построены из четного количества протомеров с одинаковыми или разными молекулярными массами. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных. Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Как четвертичная структура, так и агрегированное состояние могут быть обратимо разрушены с применением детергентов, в частности, додецилсульфата натрия или неионных детергентов типа тритона. Очень часто для разрушения четвертичной структуры исследуемый белок нагревают при 100°С в присутствии 1%-ного 2-меркаптоэтанола и 2%-ного додецилсульфата натрия. В таких условиях восстанавливаются -S-S-связи между остатками Cys, которые в некоторых случаях удерживают субъединицы четвертичной структуры. Субъединицы, образующие четвертичную структуру белка, могут быть различными как по строению, так и по функциональным свойствам (гетеромеры). Это позволяет объединить в одной структуре несколько взаимосвязанных функций, создать полифункциональную молекулу. В гомомерных белках субъединицы одинаковы. Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры, последние встречаются у белков с молекулярной массой, большей 100 кДа. Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Взаимодействие протомеров осуществляется с высокой специфичностью, благодаря образованию десятка слабых связей между контактными поверхностями субъединиц, поэтому ошибки при формировании четвертичной структуры белков исключены. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. В частности, такие эффекты, как кооперативный и аллостерический, характерны лишь для белков с четвертичной структурой.

Биохимические свойства белков

Гидролиз в кислой и щелочной среде до аминокислот.

Качественные реакции

А. на пептидную связь биуретовая реакция (фиолетовый хелатный комплекс с Си(ОН)2)

Б. на ароматические структуры ксантопротеиновая реакция - взаимодействие с азотной кислотой с образованием нитробензольных производных желтого цвета.

Размещено на Allbest.ru

...