Теоретический курс_ХБАС_ЛЕЧ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

преобладанием полисахаридной части называются пептидогликаны и протеогликаны; с преобладанием полипептидной части – гликопротеины; с преобладанием липидной части – гликолипиды.

Например, протеогликаны, состоящие из полисахарида (до 95%) и белка, составляют структурообразующую основу межклеточной жидкости, превращая ее в связно–дисперсную систему – гель с различной подвижностью и способностью поддерживать форму органов в целом. Такая способность подобных биополимеров особенно наглядно проявляется в хрящевой ткани. Кроме того, протеогликаны активно участвуют в водно–солевом обмене, так

как способны удерживать большое количество воды и катионы биометаллов

(К+, Na+, Са+2).

Гликопротеины – это соединения, молекулы которых включают белок (до 90%) и олигосахариды. К ним относятся гормоны; ферменты; белки клеточных мембран; иммуноглобулины; белки плазмы, определяющие группу крови.

71

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Тема 8 α–аминокислоты

Ключевые слова и понятия: заменимые и незаменимые аминокислоты, дезаминирование, трансаминирование.

α–Аминокислоты – это гетерофункциональные соединения. Они содержат одновременно карбоксильную и аминогруппу, которые находятся у одного и того же α–углеродного атома:

α

R CH COO H

NH 2

Различаются аминокислоты строением радикала R.

В природе найдено около 150 α–аминокислот. В состав белков животного происхождения входит около 20. Среди них выделяют заменимые и незаменимые. Незаменимые (валин, лейцин, фенилаланин и др.) не синтезируются в организме и должны поступать в него извне с пищей. Заменимые аминокислоты при их недостатке образуются в организме в результате биосинтеза из других аминокислот или из небелковых компонентов.

Классифицируют α–аминокислоты различным образом:

I. По химической природе радикала:

Ациклические (алифатические):

глицин (Гли)

Н

CH

COOH

NH2

аланин(Ала)

СН3

CH

COOH

валин(Вал)

Н3С

NH2

СН

CH

COOH

Н3С

NH

2

Циклические:

а) ароматические

фенилаланин (Фен)

СН2

CH

COOH

NH2

тирозин (Тир)

HO

СН2

CH

COOH

б) гетероциклические

NH 2

N

гистидин (Гис)

СН2

CH

COOH

N

NH 2

72

H

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

II.По наличию функциональных групп или по кислотно–основным

свойствам:

Моноаминомонокарбоновые, или нейтральные – все кислоты, указанные выше.

Моноаминодикарбоновые, или кислые:

аспарагиновая кислота (Асп) НООС СН2 CH COOH

NH2

глутаминовая кислота (Глу) НООС СН2 СН2 CH COOH

NH2

Диаминомонокарбоновые, или оснóвные:

лизин (Лиз) Н2N		(СН2)3		СН2			CH		COOH
III. По полярности радикалов:						NH2

Неполярные. В радикалах не содержатся дополнительные функциональные группы. Это алифатические аминокислоты.

Полярные. В радикалах содержатся дополнительные функциональные группы – ОН, SH, S и др.

серин (Сер) HO СН2 CH COOH

NH2

метионин (Мет) Н3С S (СН2)2 CH COOH

NH2

цистеин (Цис)

HS

СН2

CH

COOH

NH2

цистин (Цис - S - S - Цис)

S

СН2

CH

COOH

NH2

S

СН2

CH

COOH

NH2

73

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Приведенные классификации достаточно условны, так как одна и та же кислота может быть отнесена к различным группам.

Все аминокислоты, кроме глицина, – оптически активны. Они имеют один или два асимметрических центра (атома углерода с четырьмя различными заместителями) и могут существовать в виде энантиомеров Д- или L-ряда.

Для определения принадлежности к Д- и L-рядам сравнивают расположение NH2 – группы у хирального центра в аминокислоте с

расположением ОН –группы в стандарте – глицериновом альдегиде:

СООН СООН

H2N		*	H	H		*	NH2
	R				R
L-ряд			энантиомеры		Д-ряд

Белки человеческого и животных организмов построены из α- аминокислот L-ряда. Д-α-аминокислоты встречаются в природе редко и человеческим организмом не усваиваются. Они входят, например, в состав белков клеточной стенки бактерий сибирской язвы, против которых бессильны расщепляющие ферменты человека и животных.

Химические свойства аминокислот

α–Аминокислоты являются амфотерными соединениями. Они содержат в своих молекулах функциональные группы кислотного –СООН и основного – NH2 характера. В водных растворах они диссоциируют. При этом в зависимости от рН среды α–аминокислота может существовать в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм:

R

CH

COOH

NH2

+ НОН

_ + ОН_

_

+ Н+

R

CH

COO

R

CH

COO

R

CH

COOH

NH2

NH3+

NH3+

рН>7, щелочная среда -

рН≈ 7

рН<7, кислая среда -

анионная форма

биполярный ион

катионная форма

Значение рН, при котором концентрация биполярных ионов максимальна, а концентрации катионных и анионных форм равны между собой, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). В изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы α–аминокислоты равен нулю; при этом молекулы не перемещаются в электрическом поле.

74

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

У нейтральных (моноаминомонокарбоновых) кислот изоэлектрическая точка лежит в области нейтрального значения рН. Однако, несколько ниже рН = 7 из–за большей способности к диссоциации карбоксильной группы

(ИЭТ ≈ 7).

Кислые (моноаминодикарбоновые) α–аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу. В водной среде они находятся в анионной форме. Для них изоэлектрическое состояние наблюдается в сильно кислой среде, т.е. изоэлектрической точке соответствуют значения рН<<7:

H+

ООС

R

CH

COO

НООС

R

CH

COO

рН<7

NH3+

NH3+

Оснóвные (диаминомонокарбоновые) α–аминокислоты содержат в радикале дополнительную аминогруппу. В водной среде они находятся в катионной форме. В этом случае изоэлектрическое состояние наблюдается в сильно щелочной среде. То есть изоэлектрической точке соответствуют значения рН>>7:

+H3N

+ OH

R

CH

COO

H2N

R

CH

COO

+

рН>7

+

NH 3

NH 3

В организме α–аминокислоты обычно находятся в ионной форме (катионной или анионной). На практике кислотно–основные свойства α– аминокислот используют для их разделения с помощью электрофореза или ионообменной хроматографии.

Амфотерность свойств α–аминокислот проявляется также в их способности взаимодействовать как с сильными кислотами, так и со щелочами с образованием солей:

+ NaOH

R

CH

COONa

R

CH

COOH

NH2

+ HCl

R

CH

COOH

_

NH

2

Cl

NH3+

75

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Аминокислотам присущи реакции как карбоновых кислот (образование сложных эфиров, галогенангидридов, амидов), так и реакции аминогруппы (образование солей с сильными кислотами, амидов). Однако, для них характерны также и специфические реакции. В организме эти реакции протекают, преимущественно, ферментативным путем.

1. Декарбоксилирование (выброс СО2 ):

R		CH			COOH		R		CН2		+ CO2
		NH2							NH2

По этому пути в организме из α–аминокислот образуются амины, называемые биогенными.

2. Переаминирование или трансаминирование – реакция переноса аминогруппы от аминокислоты к кетонокислоте. В организме эта реакция является основным путем биосинтеза α–аминокислот из α–кетонокислот:

R1

CH

COOH + R2

C

COOH

R1

C

COOH + R2 CH COOH

NH2

O

O

NH2

3. Дезаминирование (удаление NH3). С помощью этой реакции в организме регулируется (снижается избыток) α–аминокислот.

а) неокислительное дезаминирование протекает без участия кислорода, с образованием ненасыщенных кислот:

βα

R

СН

CH

COOH

R

CH

CH

COOH + NH3

H

NH2

б) окислительное дезаминирование осуществляется при участии кофермента НАД+ с образованием α–кетонокислот:

НАД+

+ H2O

R

C H

COOH

R

C

COOH

R

C

COOH+ NH3

- Н2

N

H

NH

O

H

4. Вне организма дезаминирование α–аминокислот происходит под действием азотистой кислоты с образованием α–гидроксикислот. При этом выделяется газообразный азот. По его объему определяют количество аминокислоты, вступившей в реакцию. Это используется в аналитических целях (метод Ван–Слайка):

R

CH

COOH + HNO2

R

CH

COOH + N2

+ H2O

NH2

OH

76

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

5. Кроме приведенной реакции в аналитических целях для количественного определения α–аминокислот используют метод формольного титрования. При этом формальдегид, взаимодействуя с аминогруппой α–аминокислоты, "защищает" ее. Свободную же карбоксильную группу оттитровывают щелочью:

-δ

R

CH

COOH +

O

+δ

R

CH

COOH

свободная - СООН

C

H

.

.

H

группа

H

N

H

Н

N

CH2

ОН

6. Для качественного определения α–аминокислот используют их взаимодействие с гидроксидом меди (II). В результате образуются внутрикомплексные (хелатные) соли меди синего цвета:

O

О Н

..

O

О

C

ОН

NH2

C

NH

R

2

C

H + Сu + Н

C R

H Сu Н

R

C

C R

1

2

..

C

1

2

ОН

H2N

C

H N

2

Н О

O

О

O

7. Особенности химических свойств α, β, γ – аминокислот.

а) α–аминокислоты при нагревании взаимодействуют друг с другом с выделением двух молекул воды и образованием дикетопиперазина:

α

O

O

R1

CH

C

R1

CH

C

OH

N

H

HN

NH

- 2 Н 2O

H

H

C

CH R2

HO

N

O

H

дикетопиперазин

C

CH

R2

O

α

б) β–аминокислоты при нагревании внутримолекулярно отщепляют молекулу аммиака с образованием ненасыщенных кислот (реакция неокислительного дезаминирования):

77

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

βα

R

СН

CH

COOH

R

CH

CH

COOH + NH3

H2N

H

в) γ–аминокислоты при нагревании также внутримолекулярно теряют молекулу воды и образуют внутренние циклические соединения – лактамы:

α

O

O

H2C

C

H2C

C

OH

+ H2O

β

H

H2C

NH

H2C

N

γ

H

CH

CH

лактам

R

R

Медико–биологическое значение α–аминокислот обусловлено тем, что они занимают ключевое положение в азотистом обмене. Реакции комплексообразования аминокислот играют чрезвычайно важную роль в поддержании металло–лигандного гомеостаза, а также в хелатотерапии.

Многие из α–аминокислот используются как лекарственные средства, влияющие на тканевой обмен. Так, глутаминовая кислота применяется для лечения заболеваний центральной нервной системы; метионин и гистидин – для лечения и предупреждения заболеваний печени; цистеин – глазных болезней. Кроме того, цистеин является эффективным антиоксидантом, выполняя защитные функции при воздействии на организм сильных окислителей, благодаря восстановительным свойствам тиольной группы –SH. В то же время цистеин был первым препаратом, проявившим противолучевое действие. Он уменьшал степень лучевого поражения и повышал выживаемость больных.

Ряд заболеваний, чаще всего врожденных, связаны с неспособностью данного организма синтезировать некоторые α–аминокислоты. Например, при фенилкетонурии человеческий организм не синтезирует тирозин, который у здоровых людей образуется из фенилаланина. Но главная биологическая роль α–аминокислот состоит в том, что они являются структурными единицами (мономерами) белков.

78

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Тема 9 ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ

Ключевые слова и понятия: простые белки, сложные белки, простетическая группа, глобулярные белки, фибриллярные белки

Пептиды и белки – это природные или синтетические полимеры. Они построены из остатков α–аминокислот, соединенных пептидными или амидными связями. Пептиды имеют меньшую молекулярную массу, чем белки. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100, а белки – свыше 100 аминокислотных остатков. Молекулярная масса пептидов – до 10 тысяч; белков – от 10 тысяч до нескольких миллионов. В свою очередь пептиды подразделяют на олигопептиды и полипептиды. Олигопептиды включают до

10, а полипептиды – от 10 до 100 остатков аминокислот.

Ввиду многообразия пептидов и белков их классифицируют различным образом: по составу, пространственному строению, биологическим функциям.

По составу белки подразделяют на простые и сложные.

Простые белки гидролизуются с образованием только α–аминокислот. Сложные белки кроме белковой части, состоящей из α–аминокислот,

содержат также органическую или неорганическую часть небелковой природы. Эта небелковая часть молекулы называется "простетическая группа".

По типу простетической группы различают: гемопротеины, в которых белковая часть глобин соединена с простетической группой гемом (гемоглобин, миоглобин); фосфопротеины, которые в качестве простетической группы содержат остаток фосфорной кислоты; металлопротеины – ионы металла.

К сложным белкам также относят смешанные биополимеры. Их молекулы кроме белковой части могут содержать простетическую группу липидного характера (липопротеины), углеводного характера (гликопротеины) и т.д.

По пространственной структуре белки делят на глобулярные и фибриллярные.

Глобулярные белки растворяются в воде и солевых растворах с образованием коллоидных систем. Для них более характерна α–спиральная структура. Их макромолекула имеет форму сферы. Это яичный белок,

миоглобин, почти все ферменты.

Фибриллярные белки часто имеют волокнистое строение, не растворяются в воде. Для них более характерна β–структура. К ним относят: кератин волос и роговой ткани; миоинозин мускульной ткани; коллаген соединительной ткани.

Биологические функции пептидов и белков в организме – универсальны. Среди белков различают: ферменты – биокатализаторы;

гормоны; структурные белки (кератин, эластин, коллаген); транспортные

(гемоглобин, миоглобин); двигательные или сократительные (актин, миозин); запасные (казеин, яичный альбумин); токсические (змеиные и

79

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

пчелиные яды, токсины грибов, дифтерийный токсин). Однако, главенствующее значение белков состоит в том, что они составляют основу живой материи, т.е. являются материальной основой химической деятельности клетки.

Вбиологическом плане пептиды отличаются от белков более узким спектром функций. Наиболее характерна для пептидов регуляторная функция. При этом они выступают в роли гормонов (инсулин); антибиотиков (валиномицин, грамицидин); токсинов; ингибиторов и активаторов ферментов; переносчиков ионов через мембраны (валиномицин, вазопрессин). Большой интерес представляет группа пептидов головного мозга – нейропептиды. Они влияют на процессы запоминания, обучения; регулируют сон; обладают обезболивающим действием. Некоторые нервно–психические заболевания, например, шизофрения, связаны с изменением уровня содержания определенных пептидов в мозге.

Важное значение в организме имеют и сложные белки. Так, гликопротеины участвуют в создании иммунитета, в процессе свертывания крови. Кроме того, они определяют групповую специфичность крови, что учитывается при ее переливании.

Внастоящее время уже достигнуты большие успехи в установлении взаимосвязи структуры пептидов и белков с их биологическими функциями; в изучении механизмов участия этих соединений в важнейших процессах жизнедеятельности организма; в понимании молекулярных основ патогенеза многих заболеваний. Однако, к числу актуальных проблем относится химический синтез белков. Получение синтетических аналогов природных пептидов и белков способствует выяснению механизмов действия этих соединений в клетке; созданию новых лекарственных средств; моделированию процессов, протекающих в организме. Кроме того, проблема химического синтеза белка тесно связана с задачей синтеза полноценных продуктов питания.

Строение пептидов и белков, их свойства

Пептидная или белковая молекула является продуктом поликонденсации α–аминокислот. Этот процесс сопровождается образованием пептидных или амидных связей между мономерными звеньями. Конструкция остова полиамидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Она имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся амидных связей – СO–NH– и СН– групп. Различие таких цепей обусловлено природой α– аминокислот, т.е. строением их радикалов R , а также количественным соотношением и последовательностью аминокислотных остатков.

Остов любой пептидной или белковой цепи включает:

1.N – конец, на котором находится аминокислота со свободной NH2 – группой. Он записывается слева и является началом цепи.

2.Последовательность чередующихся СН – групп с отходящими от них боковыми радикалами R и амидных связей.

80