Биологически активные органические соединения

Другим типом организации полипептидной цепи является так называемая β-

складчатая структура.

Она стабилизируется водородными связями между развернутыми соседними полипептидными цепями. Эти цепи могут идти в одном направлении ( параллельная

β- складчатая структура), или в противоположных направлениях (антипараллельная

β- складчатая структура). β-Структура типична для фиброина шелка В белках – ферментах преобладает а-спираль, но присутствуют и элементы складчатой структуры.

1.2.5Третичная структура

Пространственная компактная организация вторичной структуры белка , обеспечивающая выполнение биологических функций, носит название третичной

структуры.

В зависимости от строения третичной структуры все белки делят на две группы:

глобулярные и фибриллярные.

Белок называется фибриллярным , если отношение длины к ширине больше 10, а если меньше 10 – белок называется глобулярным ( ближе к шаровидному) . Большинство водорастворимых белков имеют глобулярное строение.

Каждый белок обладает собственной уникальной просранственной структурой.

Изменение этой пространственной структуры сопровождается изменением биологических свойств и биологической активности (увеличением или уменьшением, вплоть до полной потери).

По современным представлениям укладка вторичной структуры в пространстве и превращение ее в третичную структуру происходит с участием особых белков-

шаперонов.

В стабилизации третичной структуры белка главная роль принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот, которые оказываются пространственно сближенными . Различают два типа взаимодействия., которые формируют различные по физикохимическим свойствам участки белковой молекулы: гидрофильное и гидрофобное. Гидрофильное взаимодействие обусловлено тремя видами химических связей :

ионными, водородными, дисульфидными, а гидрофобноедисперсионными силами ( Ван-дер-Ваальса), в которых участвуют метильные группы, ароматические циклы.

Представим себе два пространственно сближенных участка цепи белковой молекулы:

___________________________________________________________________
|		|	|	|	|	|
	C ОО–	О-Н	SH	S	СН 3
				|
	NH3+	О-Н	SH	S	СН 3
	|	|	|	|	|	|
Участок гидрофильного взаимодействия					Участок гидрофобного взаимодействия
ионное		водородные		дисульфидные
притяжение		связи		связи
Ионное электростатическое притяжение возникает между ионизированными
карбоксильными группами радикалов глутаминовой и						аспарагиновой кислот и

аминогруппами лизина и аргинина.

Водородные связи образуются между гидроксильными группами , которые присутствуют в радикалах аминокислот серина, треонина и тирозина.

11

Дисульфидные связи образуются при окислении тиольных( меркапто) групп цистеина , дисульфидные связи поддерживают жесткость третичной структуры белка на определенных его участках.

Тиольные группы белков находятся в особом активном центре белка и участвуют в проявлении каталитической активности; они образуют промежуточные соединения – тиополуацетали при окислении альдегидов. Поддержание природной (нативной)

третичной структуры белка чрезвычайно важно для сохранения его специфических биологических свойств. Пространственно сближенные радикалы аминокислот образуют на поверхности белковой глобулы особые активные участки, которые служат для связывания реагирующих веществ (субстратов), осуществления каталитического действия и для фиксации сигналов об изменении каталитической активности.

1.2.6 Четвертичная структура

Многие белки состоят из нескольких субъединиц (протомеров), которые могут иметь одинаковый или различный аминокислотный состав. В этом случае белки имеют четвертичную структуру. Белки обычно содержат четное число субъединиц: две, четыре, шесть. Взаимодействие происходит за счет ионных, водородных связей, Ван-дер- ваальсовых сил. Гемоглобин взрослого человека HbA состоит из четырех попарно

одинаковых субъединиц (а2 β2).

Четвертичная структура дает многие биологические преимущества:

а) возникает экономия генетического материала., уменьшается длина структурного гена и иРНК, в которых записана информация о первичной структуре белка.

б) возможно осуществлять замену субъединиц, что позволяет изменять активность фермента в связи с изменяющимися условиями( осуществлять адаптацию). Гемоглобин

новорожденного состоит из белков (а2 γ2), но в течение первых месяцев состав

становится как у взрослого человека (а2 β2) . Особые множественные формы одного фермента – изоферменты - имеют всегда четвертичное строение и состоят из сочетания нескольких разных субъединиц, соотношение которых может варьироваться.(например,один фермент лактктдегидрогеназа существует в виде 5 изомеров ММММ, МММН, ММНН, МННН, НННН).

1.2.7 Физико-химические свойства белка Амфотерность - кислотноосновные свойства белков. Изоэлектрическая точка

Белки, как и аминокислоты, являются амфотерными соединениями и обладают буферными свойствами.

Белки можно разделить на нейтральные, кислые и основные.

Нейтральные белки содержат равное число групп, склонных к ионизации: кислотных и основных. Изоэлектрическая точка таких белков находится в среде, близкой к нейтральной, если рН < pI , то белок становится положительно заряженным катионом,

pH > pI , то белок становится отрицательно заряженным анионом.
+Н +	ОН–
+ NH 3 - R- COOН <——>	+ NH 3 - R - COO– <——> NH 2 - R--COO–
рН < pI	водный растворI	pH > pI

нейтральный белок

Кислые белки содержат неравное число групп, склонных к ионизации : карбоксильных больше, чем аминогрупп. В водном растворе они приобретают отрицательный заряд, а раствор становится кислым. При добавлении кислоты ( Н+) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а затем в избытке кислоты – превращается в катион. В щелочной среде такой белок заряжен отрицательно( исчезает заряд аминогруппы). Основные белки содержат неравное число групп, склонных к ионизации : аминогрупп больше, чем карбоксильных. В водном растворе они приобретают положительный заряд,

12

а раствор становится щелочным. При добавлении щелочи ( ОН–) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а далее в избытке щелочи – превращается в анион. В кислой среде такой белок заряжен положительно (исчезает заряд карбоксильной группы).

Кислый белок
+ NH 3 - R- COO–	+ Н+	+ NH 3 - R- COO–	+ Н+	+ NH 3 R- COOН
|	<——>	|	<——>	|
CОО–		CООН		COOН
Водный раствор		рН = р I		рН < pI
			В избытке кислоты белок
			заряжен положительно
Кислый белок в щелочной среде заряжен отрицательно
+ NH3 -R- COO–	ОН–	NH 2 - R - COO–
|	<——>	|
CОО–		CОО–
		pH > pI
Основный белок
+ NH 3 - R - COO–	+ ОН–	+ NH 3 - R- COO–	+ ОН–	NH 2 – R –СОО–
|	<——>	|	<——>	|
+ NH 3		NH2		NH2
Водный раствор		рН = р I		pH > pI
				В избытке основания
Основный белок			белок заряжен отрицательно
В кислой среде заряжен положительно
+ NH 3 - R- COO–	+ Н+	+ NH 3 - R– COOН
|	<——>	|
+ NH 3		+ NH 3

рН < pI

Сделаем важный вывод: в кислой среде ( рН < 3 ) белки заряжены положительно, в щелочной среде( рН>10 ) белки заряжены отрицательно, нейтральный заряд имеет белок в изоэлектрической точке, которая у каждого белка своя. Наименьшей устойчивостью обладают растворы белков в изоэлектрической точке. Белки, объединяются в более крупные частицы, начинается седиментация( осаждение) под действием собственной силы тяжести.

Значение рН крови равно 7,4, в крови присутствуют, в основном, кислые белки

1.2.8 Электрофорез белков

При наличии заряда белки перемещаются в электрическом поле. Смеси белков можно разделять методом электрофореза – направленного движения белков от одного электрода к другому под действием постоянного электрического тока. Скорость движения зависит от массы белка и величины его заряда.

13

Метод электрофореза широко применяется в медицине, биохимии, биологии для изучения ферментов, тканевых и плазменных белков , при изготовлении лекарственных препаратов белковой природы.

1.2.9 Денатурация белка

Макроструктура белка является весьма чуткой к изменению условий среды, в которой существует белок.

В белковой молекуле существует постоянное равновесие между силами, формирующими третичную (четвертичную) и силами отталкивания, которые возникают внутри самой молекулы и при взаимодействии с окружающей средой. При нарушении этого равновесия изменяются четвертичная, третичная и даже вторичная структура

(кроме первичной!).

Возникает потеря природных свойств белка - денатурация.

Денатурация может быть обратимой и необратимой.

Часто видимым следствием денатурации белка является осаждение белка из раствора.

Общими факторами денатурации являются :

а) изменение температуры. Повышение температуры приводит к необратимой денатурации, большинство белков организма человека теряют свою активность при температуре выше 500С, а белки кровидаже при 43 – 450С. На этом основаны стерилизация медицинских препаратов и пастеризация пищевых продуктов.

При снижении температуры денатурация является обратимой.

Биологический белковый материал можно сохранять долго при низких температурах ( кровь, образцы тканей, растворы белковых гормонов , защитных γ-глобулинов, стволовые клетки)

б) изменение рН среды. При изменении рН среды изменяется характер ионизации кислотных и основных групп в радикалах, изменяется характер ионного взаимодействия и количество водородных связей - изменяется пространственное строение белка и организация его активных участков. В организме человека поддерживается кислотноосновный гомеостаз. Значение рН крови равное 7,4 обеспечивает необходимую организму биологическую активность всех белковых молекул.

в) действие окислителей и восстановителей. Изменяется соотношение восстановленных тиольных групп и дисульфидных связей, что вызывает изменение третичной структуры белка. Свободные тиольные группы белков содержатся и в активных участках ферментов, участвуют в химических реакциях( образование тиополуацеталей происходит в процессе окисления биоактивных альдегидов в карбоновые кислоты . См тему «Механизмы реакций. Реакции нуклеофильного присоединения»)

Лекарственные препараты, обладающие свойствами восстановителей. используются в

медицине для поддержания	структуры белка( аскорбиновая кислотавитамин С,
раствор тиосульфата натрия ).	Для химической завивки используют препараты,

создающие дополнительные дисульфидные связи ; волосы после фиксации на круглой палочке( бигуди) становятся кудрявыми.

г) ионы тяжелых металлов( свинца, меди, ртути , цинка ), которые образуют соли с тиольными группами на поверхности белковой молекулы. Попадание в желудочнокишечный тракт солей тяжелых металлов и затем всасывание их в кровь вызывает тяжелые последствия. Различают хроническое воздействие и острое отравление.

Заболевание « сатурнизм», связанное с накоплением ионов свинца в организме человека, сопровождается тяжелыми патологическими изменениями со стороны центральной нервной и кровеносной системы. Отравление ионами ртути сопровождается ранним старением организма, и приводит быстро к смерти ( в древние времена было характерно для иконописцев, которые использовали красную краску киноварь HgS, а для

14

тонкого точного мазка обязательно брали кисточку в рот, чтобы получился острый кончик кисти).

В связи с аналогичным токсическим действие свинца запрещено этилирование бензина.

д) присутствие различных поверхностно-активных веществ, детергентов, которые влияют на гидрофобное взаимодействие в молекуле белка. Гидролиз фосфолипидов в составе мембраны сопровождается образованием солей высших карбоновых кислот- поверхностно-активных веществ, и это вызывает потерю эластических свойств мембраны ( изменение «текучести» мембраны).

е) действие веществ, которые конкурируют за образование водородных связей,

например, мочевины. Высокое и низкое содержание мочевины в крови способствует изменению свойств белков крови и внутриклеточных белков, особенно в составе белков мембран нейронов.

ж) действие электролитов, которые разрушают гидратную оболочку белка( процесс

«высаливания»). На этом основаны рекомендации полоскать горло солевыми растворами во время заболевания и в профилактических целях. Уже в древние времена знали, что засыпание солью( сильнейшая боль ! ) огнестрельной или резаной раны в условиях боя предотвращает развитие гангрены.

з) физические воздействия ( ультразвук, лазерное воздействие, электрокоагуляция. ). Используется в медицинских целях в косметологии, лечении кожных, стоматологических болезней, в хирургии для остановки кровотечения. В современных медицинских технологиях используют лазерный луч.

1.2.10 Качественные реакции обнаружения белков в биологических объектах.

Биуретовая реакция – обнаруживает пептидные связи. При добавлении иона Си(+2) в щелочной среде сопровождается развитием цветной фиолетовой окраски. Интенсивность окраски пропорциональна количеству пептидных связей( содержанию белка в биологической жидкости). В биохимической лабораторной диагностике на основе биуретовой реакции используют методики Фолина или Лоури.

Ксантопротеиновая реакция- при действии азотной кислоты и последующем нагревании смеси получается осадок желтого цвета. Обнаруживает ароматические аминокислоты в составе белка ( фенилаланин и тирозин)

Подробно методики приведены в «Практикуме по биоорганической химии» авторы Каминская Л.А., Перевалов С.Г.

Приложение. История развития химии белков

Термин белковый (albumineise) был впервые применен французским химиком Ф. Кене в 1747 г. Так стали называть все биологические жидкости организма по аналогии с яичным белком. «Энциклопедия» Д. Дидро и Ж. Д' Аламбера в 1751 году именно так объясняла этот термин. В дальнейшем начались систематические исследования белков. В 1777г. А. Тувенеель, работавший в С-Петербурге, назвал творог белковой частью молока. В тот же период французский химик А. Фуркруа доказал единую химическую природу белков растительного и животного происхождения.

В 1803 г. физик и химик Дж. Дальтон( ему принадлежит формулировка закона кратных отношений, исследование газовых законов и описание дефекта цветового зрения) отнес белки к азотсодержащим соединениям. В 1810г. известный всем школьникам Ж. ГейЛюссак провел химический анализ фибрина крови. Предполагают, что первым провел гидролиз белков А. Браконно в 1820 г. и получил аминокислоты, в том числе глицин и лейцин.

Первая теория строения белков принадлежит химику Г. Мульдеру, он сформулировал ее в 1836г.Он предположил, что существует минимальная структурная единица, из которой простроены все белки , и назвал ее протеином.

15

Позднее теория была опровергнута, но термин остался и прочно вошел не только в научный язык химиков.

В книге Д.И.Меделева( 2-е изд. СанктПетербург, Изд. Товарищества «Общественная польза» 1863г.), упоминаются термины белки и протеиновые вещества :

« Из органическихъ веществъ общи всемъ организмамъ протеновыи или белковыя вещества, отличающиеся сложным составомъ, способностью легко изменяться и даже способствовать измененiю других веществъ. Белковое вещество, производящее эти изменения, называется ферментомъ» (сохранено правописание).

Близок к открытию структуры белка был российский биохимик А.В. Данилевский ( 1838 – 1923), который много занимался изучением ферментов и проблемой питания. В 1902 г. работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели к созданию пептидной гипотезы: «все белки состоят из аминокислот, соединенных между собой связью

–СО-NH»

Окончательно «пептидную теорию» сформулировали Э.Фишер и В. Гофмейстер (Нобелевская премия Э. Фишера 1902 г.)

Строение пептидной группы стало возможным изучить после открытия метода рентгеноструктурного анализа.

Теорию строения а- спирали - и термин «вторичная структура» белка создал лауреат Нобелевских премий Л.Полинг ( 1951г. совместно с Р. Кори). Структура «складчатый» лист исторически была открыта раньше У. Астбери в

1941 г. при рентгеноструктурных исследованиях белка кератина Термин « четвертичная» структура был введен в 1958 г. английским кристаллографом

Дж. Берналом в дополнение к принятым понятиям первичной, вторичной, и третичной структуры, а в 1965г. Ж. Моно ввел понятие «протомер» для названия наименьшей структурной единицы сложной белковой молекулы( чаще теперь называют «субъединица»)

Метод рентгеноструктурного анализа долгое время оставался самым точным для расшифровки пространственного строения белка: в 1936г Дороти Ходжкин исследовала и предложила пространственную структуру инсулина, в 1960 – Д.К.Кендрью – пространственное строение миоглобина. Сейчас используются компьютерное моделирование и приборные методы исследования: методы ЯМР ( ядерного магнитного резонанса) , ПМР протонного магнитного резонанса).

Приложение Общий список аминокислот и сокращенные обозначения ( лат)

Алифатические аминокислоты моноаминомонокарбоновые

Аланин (Ala) , Валин (Val), Глицин (Gly), Изолейцин Ile) . Лейцин (Leu )

Ароматические аминокислоты моноаминокарбоновые

Тирозин (Tyr), Фенилаланин (Phe)

Гетероциклические ароматические аминокислоты моноаминомонокарбоновые

Гистидин (His), Триптофан (Trp)

Циклическая аминокислота

Пролин( Pro )

Моноаминодикарбоновые аминокислоты и их амиды

Аспарагиновая (Asp), Аспарагин (Asn), Глутаминовая (Glu), Глутамин (Gln)

Диаминомонокарбоновые кислоты

Аргинин (Arg), Лизин (Lys), Оргинитин( не входит в состав белков)

Гидроксисодержащие алифатические аминокислоты

16

Серин (Ser), Треонин (Thr)

Серусодержащие алифатические аминокислоты

Метионин (Met), Цистеин (Cys)

Гидрофобные аминокислоты :

Аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин.

Гидрофильные аминокислоты:

Аргинин, аспарагиновая кислота, аспарагин, гистидин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин. серин, тирозин, треонин, фенилаланин

L-АМИНОКИСЛОТЫ ОРГАНИЗМА

Незаменимые аминокислоты обозначены звездочкой*

COOH

H2N			H

R

Общая формула α-L-аминокислот в проекции Фишера

Алифатические аминокислоты

H2C

COOH

H

H3C C COOH

NH2

NH2

Глицин

Аланин

H3C

H

H3C

H

C

C

COOH

C

C

C

COOH

H C H

H C H

H2

NH2

NH2

3

3

Валин*

Лейцин*

H3C

H

H3C

C

C

C

COOH

H2

H

NH2

Изолейцин*

Кислые аминокислоты

HOOC

H

HOOC

C

H

C

C

COOH

C

C

COOH

H2

H2 H2

NH

2

NH

2

Аспарагиновая кислота

Глутаминовая кислота

Основные аминокислоты

17

NH

H N

C

C

C

H

H

C

C

COOH

H N C

N

C

C

C

C

COOH

2

H

2

H

2

H

2

H

2

H

H2

H2

H2

2 NH2

NH

2

Лизин*

Аргинин

H2N

C

C

H

C

C

COOH

H2 H2 H2

NH

2

Орнитин

Аминокислоты, содержащие амидную группу

O

H

O

H

H2N

H2N

C

C

C

C

COOH

C

C

C

COOH

H2 H2

H2

NH

NH

2

2

Глутамин

Аспарагин

Серусодержащие аминокислоты

HS

H

H3C

S

C

H

C

C

COOH

C

C

COOH

H2 H2

H2

NH

2

NH

2

Цистеин

Метионин*

Гидроксиаминокислоты

HO

H

H3C

C

C

COOH

HO

H

H

2

C

C

COOH

NH

2

H

NH2

Серин

Треонин*

Карбоциклические ароматические аминокислоты

C

H

HO

C

H

C

COOH

C

COOH

H2

H2

NH

2

NH

2

Фенилаланин*

Тирозин

Гетероциклические ароматические аминокислоты

18

H

H

C

C

COOH

N

C

C

COOH

H2

H2

NH

2

NH

2

N

N

H

Триптофан*

H

Гистидин

Циклические аминокислоты

Пролин

HO

COOH	COOH
N	N
H	H
Пролин	4-Гидроксипролин
1.3 Внутриклеточные посредники ( мессенджеры) передачи сигналов
1.3.1 Циклические нуклеотиды
Являются посредниками в передаче сигналов	гормонов, изменяя в клетке активность
ферментов.
Аденозинмонофосфат циклический ( цАМФ) -	твердое кристаллическое вещество.

Растворим в воде. Более устойчив к кислотному гидролизу по сравнению с нециклическими нуклеотидами. В клетках организма человека встречается также ц ГМФ, содержащий азотистое основание гуанин.

Циклические нуклеотиды образуются из нуклеозидтрифосфатов.

АТФ —фермент циклаза——> цАМФ + Н4 Р2 О7 Фермент циклаза относится к 4 классу (класс лиазы).

После выполнения действия происходит гидролиз циклического нуклеотида. . Могут образоваться два соединения 5'- АМФ и 3' -АМФ, но в биологических условиях образуется только 5'-АМФ,

NH2

N

NH

O

CH2

N

N

O

O

P

OH

H

H

H

H

O

OH

Циклический аденозинмонофосфат ( цАМФ)

19

РЕАКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Для успешного усвоения этой темы необходимо

знать

-определение реакция окисления и восстановления в приложении к органическим сокдинениям

-последовательность превращения кислородсодержащих функциональных групп в реакциях окисления-ввосстановления -особенности протекания окислительно-восстановительных реакций с участием

переносчиков электронов в составе ферментов оксидоредуктаз

-механизм действия коферментов НАД+ , НАДФ+, пары хинон/гидрохинон, липоевой кислоты, витамина С.

-клапссификацию карбоновых кислот

- физические и химические свойства карбоновых кислот, участвующих в превращениях цикла Кребса

уметь

-составить схемы химических окислительно-восстановительных реакций

-написать формулы коферментов НАД (Ф)+ / НАД(Ф)Н

-написать формулы биоорганических соединений, участвующих в превращениях цикла Кребса

Ключевые слова

Выработка энергии в организме человека и синтез новых жизненно важных соединений связаны с протеканием окислительно-восстановительных реакций.

2.1.1.Окислительно-восстановительные реакции биоорганических соединений

Реакция окисления - изменяется состав вещества – добавляются атомы кислорода или удаляются атомы водорода.

Реакции восстановления – изменяется состав вещества – удаляются атомы водорода или добавляются атомы водорода..

К процессам окисления относятся превращения, сопровождающиеся внутримолекулярным дегидрированием (обратный процесс гидрирование – восстановление)

А .	С (sp3 )	———>		С (sp2 )	———> С ( sp)
	алкан			алкен	алкин
	- СН2-СН2-		- СН= СН-
					последовательность
					процессов окисления
Б. R– СН3		———>		R– СН2 – ОН ———> R– СН= О
				спирт	альдегид
В. Окисление тиолов			происходит как межмолекулярная реакция дегидрирования,
сопровождается , в первую очередь, образованием дисульфидов.
2	R – SH	+	[ O ]	———>	R – S – S – R + НОН
	тиол				дисульфид

20