Аминокислоты. Белки. Лекция 2

Аминокислоты – органические соединения, содержащие в молекулах не менее 1 карбоксильной (СООН) и не менее 1 амино (NH2) группы, очень разнообразные по происхождению, строению и физико-химическим свойствам.
Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, хорошо и умеренно растворимые в воде, хуже – в органических растворителях, некоторые – сладкие на вкус.
По происхождению бывают природными и неприродными (синтетические).
Природные аминокислоты (около 300) входят в состав пептидов и белков и выполняют ряд метаболических функций. Выделяют 21 аминокислоту, кодируемую генетическим кодом и модифицированные аминокислоты.

Аминокислоты белков человека имеют:
карбоксильную и аминогруппы у одного и того же атома С (α-аминокислоты)
хиральны (все, кроме гли), имеют L-конфигурацию хирального центра
Конфигурационный стандарт ряда – L-аланин (ала)
Стереоизомерные D-аминокислоты – ксенобиотики для человеческого организма.
Молекулы аминокислот иле и тре имеют по 2 хиральных центра (по 4 стереоизомера). В белках человека присутствуют только по одному L-энантиомеру этих аминокислот.

Классификации природных аминокислот, входящих в состав белков.
По природе группы R:
1. Алифатические (R = Н, алкил) (гли, ала, вал, лей, иле)
2. Содержащие ОН-группу (сер, тре)
3. Серосодержащие (цис, мет)
4. Содержащие CONH2-группу (асн, глн)
5. Ароматические карбоциклические (фен, тир)
6. Гетероциклические (три, гис (ароматические), про (неароматическая))
7. Содержащие дополнительную СООН-группу (асп, глу)
8. Содержащие дополнительную NH2 (арг, лиз)

По кислотности – основности (положению изоэлектрической точки pI):
1. Нейтральные (моноаминомонокарбоновые кислоты – группы 1.-6. по природе R, рI около 7).
2. Кислые (моноаминодикарбоновые кислоты - асп, глу, pI < 7).
3. Основные (диаминомонокарбоновые кислоты – арг, лиз, pI > 7).
По биологической ценности:
1. Заменимые (гли, ала, сер, цис, тир, про, асп, глу, асн, глн, арг, гис), из них:
незаменимые у детей (арг, гис)
2. Незаменимые (вал, лей, иле, тре, мет, фен, три, лиз)

Общие химические свойства аминокислот (АК).
1. АК обладают всеми химическими свойствами, присущими карбоновым кислотам RCOOH и аминам RNH2.
2. АК амфотерны, Существуют в виде цвиттер-ионов (биполярных), имеют изоэлектрическую точку (ИЭТ) pI. Величина и знак заряда иона АК зависит от pH среды.
ИЭТ – значение pH среды, при котором формальный заряд молекулярного иона равен нулю.

3. При нагревании природные L-α-АК межмолекулярно дегидратируются, образуя циклические диамиды дикетопиперазины, а затем полиаминокислоты (полиамиды) – полипептиды.
4. In vivo АК используются для синтеза пептидов, полипептидов и белков – на рибосомах или при катализе ферментами.

Специфические биологически важные реакции АК, протекающие in vivo.
1. Декарбоксилирование с образованием биогенных аминов:
Сер этаноламин
Тир тирамин
ДОФА дофамин
Три триптамин, серотонин
Гис гистамин
Глу ГАМК

2. Трансаминирование:
АЛТ Глу ПВК α-КГ Ала
АСТ Глу ЩУК (ОА) α-КГ Асп
Ферменты аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ) используются в клинической диагностике заболеваний сердца, печени и др.
3. Дезаминирование (удаление аммиака NH3) бывает нескольких типов: прямое и непрямое; окислительное и неокислительное.

Прямое окислительное дезаминирование глу.
Глу α-КГ
Важнейшая реакция в непрямом окислительном дезаминировании АК и биосинтезе заменимых АК из незаменимых.

Биологические функции и значение аминокислот.
АК метаболизируют в организме многими путями:
- из них синтезируются: пептиды и белки, глюкоза, кетоновые тела, гормоны, служебные метаболиты (биогенные амины, гем, креатин, карнитин, мочевина, таурин, холин, нуклеотиды и др.)
- из незаменимых АК биосинтезируются заменимые
- из глу образуется γ-аминомасляная кислота (ГАМК) - основной тормозной нейромедиатор ЦНС
- гли, глу, асп – нейромедиаторы ЦНС
- из фен и тир биосинтезируются гормоны адреналин и L-тироксин и нейромедиаторы – дофамин, норадреналин
- из арг биосинтезируется NO – важнейший тканевой гормон и нейромедиатор
- при голодании АК используются как источник энергии
- гли, цис, мет, гис, ГАМК, L-ДОФА, L-тироксин используются в лечебных целях
- ряд лекарственных препаратов – производные АК

Пептиды и белки – большая группа природных биологически активных полимеров (высокомолекулярных веществ) аминокислот, молекулы которых состоят из остатков природных аминокислот, связанных пептидными связями.
Могут содержать от 2 до тысяч остатков аминокислот. Пептиды (полипептиды) – до 100 остатков, белки – более 100 остатков.
Имеют до 4 типов молекулярной структуры (первичную, вторичную, третичную и четвертичную).
Могут иметь pI в широком интервале pH (от 2 до 12).
Это твердые вещества с различной растворимостью в воде, практически нерастворимые в органических растворителях, при нагревании разрушаются и разлагаются. Природные белки при многих типах воздействия (денатурирующие факторы) теряют свои природные строение, свойства и функции – денатурируют.

Классификация пептидов и белков.
По составу делятся на простые и сложные.
Простые состоят только из остатков АК.
Сложные включают группы и фрагменты неаминокислотной природы:
- гликопротеины и протеогликаны (углеводы)
- липопротеины (липиды)
- нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты)
- гемопротеины (гем)
- металлопротеины (ионы или атомы металлов)
- фосфопротеины (остатки фосфорной кислоты)
Имеются еще классификации по функциям.

Первичная структура пептидов и белков.
Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков макромолекулы, записанная от N-конца к С-концу. Образована ковалентными связями. Остатки аминокислот связаны уникальной пептидной (амидной) связью.
Количество пептидных связей в макромолекуле на 1 меньше количества аминокислотных остатков.
Дипептид аспартилфенилаланин (асп-фен)
В первичной структуре зашифрованы вторичная и третичная структуры.

Первичная структура инсулина.
Инсулин состоит из двух полипептидных цепей (А и В), связанных тремя дисульфидными S-S связями (Ф. Сенгер, 1953 г).

Пептидная связь.
Обладает свойствами, делающими возможными существование высших иерархических структур пептидов и белков (вторичная и др.) и выполнение ими своих специфических функций in vivo:
плоская сопряженная поляризованная группа
заторможенное вращение вокруг связи C-N
анти (транс) - расположение атомов О и Н относительно связи C-N
способность образовывать водородные связи (ВС) и гидролизоваться

Вторичная структура пептидов и белков.
Вторичная структура – взаимное пространственное расположение элементов первичной структуры.
Выделяют 2 основных типа вторичных структур:
α-спираль, стабилизированная ВС между пептидными группами соседних витков спирали, ВС располагаются вдоль хода спирали, стягивая ее витки. Боковые группы остатков АК располагаются снаружи перпендикулярно ходу спирали. Имеет 3,6 остатка АК на виток.
β-складчатый лист – вытянутые полипептидные цепи, связываемые множеством ВС между пептидными группами этих цепей. Боковые группы остатков АК располагаются перпендикулярно плоскости листа. Вторичные структуры стабилизируется также взаимодействиями между боковыми группами остатков АК: ионными, дисперсионными связями, ВС. Белок коллаген имеет супервторичную структуру – тройную спираль.

Вторичные структуры белка.

Третичная структура пептидов и белков.
Третичная структура – взаимное пространственное расположение элементов вторичной структуры.
Выделяют 2 основных типа третичных структур:
- глобулярная – статистический клубок из вторичной структуры, где гидрофобные остатки боковых групп АК находятся внутри клубка, а гидрофильные – снаружи. Глобулы дополнительно стабилизированы также ковалентными дисульфидными –S-S- связями.
Глобулярную структуру имеет большинство белков.
- фибриллярная – вытянутая волокноподобная структура, стабилизированная множеством ВС и ковалентными связями между молекулярными цепями фибриллы (коллаген).
Третичная структура дополнительно стабилизируется теми же взаимодействиями, что и вторичная. Необходима для выполнения функций.

Четвертичная структура белков.
Четвертичная структура – взаимное пространственное расположение третичных структур, характерна для субъединичных белков, состоящих из нескольких третичных структур (глобул).
Эту структура создает новые качества, необходимые для выполнения функций, её имеют большинство белков организма, выполняющих сложные биологические функции – многие ферменты, гемоглобин, коллаген, рецепторы, транспортные белки клеток, антитела.
Четвертичная структура стабилизирована ионными, дисперсионными связями, ВС, ковалентными –S-S- связями между субъединицами – третичными структурами.

Свойства белков.
Белки амфотерны, т.к. содержат боковые ионизируемые кислотные (-COOH) и основные (–NH2) группы.
Белки являются электролитами и несут электрический заряд.
Величина и знак заряда любого белка зависит от рН среды:
Чем кислее среда (ниже рН), тем более положительно (менее отрицательно) заряжен белок
–NH2 + Н+ → –NH3+ -СОО- + Н+ → -СООН
Чем основнее среда (выше рН), тем более отрицательно (менее положительно) заряжен белок
-СООН + ОН- → -СОО- + Н2О
–NH3+ + ОН- → –NH2 + Н2О

Любой белок имеет изоэлектрическую точку pI.
Изоэлектрическую точка pI – значение рН среды при котором формальный заряд белка равен нулю.
Величина pI зависит от состава и строения белка.
Чем больше дикарбоновых аминокислот (глу, асп) в составе белка, тем он кислее и имеет меньшее значение pI.
Чем больше основных аминокислот (арг, лиз, гис) в составе белка, тем он основнее и имеет большее значение pI.
В изоэлектрической точке белок имеет наименьшую растворимость в воде.
При pH ≠ pI белок заряжен.
При pH < pI белок заряжен положительно, а при pH > pI белок заряжен отрицательно.

Изоэлектрические точки белков.
Природные белки очень разнообразны по составу и величине pI (2-12).

Биозначение пептидов и белков.
Белки - незаменимый компонент питания (100 – 120 г/сут). АК белков пищи (и собственных белков организма) используются для биосинтеза собственных белков организма, других метаболитов и биополимеров, и получения энергии (при голодании или высокобелковой диете).
Выполняют практически все возможные биологические функции (кроме хранения наследственной информации).
Многие природные яды и токсины бактерий, растений, грибов, насекомых, змей, морских животных – пептиды и белки.
Ряд белков – ферменты, гормоны (инсулин), природные яды и токсины используются в лечебных целях.

Биологические функции пептидов и белков.
Структурная (коллаген, эластин)
Каталитическая (ферменты)
Сократительно-двигательная (актин, миозин, тубулин)
Сигнально-регуляторная (гормоны (инсулин) и рецепторы)
Транспортная (гемоглобин, альбумин)
Защитная (антитела Ig, глутатион)
Запасающая (яичный белок, тиреоглобулин)
Прочие

Денатурация пептидов и белков.
Денатурация – явление разрушения высших иерархических структур белка (от четвертичной до вторичной) и исчезновения природных свойств белков под действием денатурирующих факторов.
Выделяют обратимую и необратимую денатурацию.
При обратимой (неглубокой) денатурации возможна ренатурация – восстановление природных свойств белков при прекращении действия денатурирующего фактора.
При необратимой (глубокой) денатурации ренатурация невозможна.
Денатурирующие факторы разнообразны: ионизирующее излучение (УФ-, рентгеновское), кислоты и щелочи, нейтральные соли, окислители и восстановители, мочевина, органические растворители, механическое воздействие.