Формулы серосодержащих аминокислот. Аминокислоты - структурные мономеры белков

Современно протеиновое питание невозможно представить без рассмотрения роли отдельных аминокислот. Даже при общем положительном протеиновом балансе организм животного может испытывать недостаток протеина. Это связано с тем, что усвоение отдельных аминокислот взаимосвязано в друг другом, недостаток или избыток одной аминокислоты может приводить к недостатку другой.
Часть аминокислот не синтезируется в организме человека и животных. Они получили название незаменимых. Таких аминокислот всего десять. Четыре из них являются критическими (лимитирующими)- они чаще всего ограничивают рост и развитие животных.
В рационах для птицы главными лимитирующими аминокислотами являются метионин и цистин, в рационах для свиней – лизин. Организм должен получать достаточное количество главной лимитирующей кислоты с кормом для того, чтобы и другие аминокислоты могли эффективно использоваться для синтеза белка.

Этот принцип иллюстрирован «бочкой Либиха», где уровень заполнения бочки представляет собой уровень синтеза протеина в организме животного. Самая короткая доска в бочке «ограничивает» возможность удержания в ней жидкости. Если же эта доска будет удлинена, то и объем удерживаемой в бочке жидкости увеличится до уровня второй лимитирующей доски.
Самый важный фактор, определяющий продуктивность животных, - это сбалансированность содержащихся в нем аминокислот в соответствии с физиологическими потребностями. Многочисленными исследованиями было доказано, что у свиней, в зависимости от породы и пола, потребность в аминокислотах отличается количественно. А вот отношение незаменимых аминокислот для синтеза 1 г протеина является одинаковым. Такое соотношение незаменимых аминокислот к лизину, как основной лимитирующей аминокислоте, и называется «идеальным протеином» или «идеальным профилем аминокислот». (

Лизин

входит в состав практически всех белков животного, растительного и микробного происхождения, однако протеины злаковых культур бедны лизином.

• Лизин регулирует воспроизводительную функцию, при его недостатке нарушается образование спермиев и яйцеклеток.
• Необходим для роста молодняка, образования тканевых белков. Лизин принимает участие в синтезе нуклеопротеидов, хромопротеидов (гемоглобин), тем самым регулирует пигментацию шерсти животных. Регулирует количество продуктов распада белка в тканях и органах.
• Способствует всасыванию кальция
• Участвует в функциональной деятельности нервной и эндокринной систем, регулирует обмен белков и углеводов, однако реагируя с углеводами, лизин переходит в недоступную для усвоения форму.
• Лизин является исходным веществом при образовании карнитина, играющего важную роль в жировом обмене.

Метионин и цистин серосодержащие аминокислоты. При этом метионин может трансформироваться в цистин, поэтому эти аминокислоты нормируются вместе, а при недостатке в рацион вводятся метиониновые добавки. Обе эти аминокислоты участвуют в образовании производных кожи - волоса, пера; вместе с витамином Е регулируют удаление избытков жира из печени, необходимы для роста и размножения клеток, эритроцитов. При недостатке метионина цистин неактивен. Однако значительного избытка метионина в рационе не следует допускать.

Метионин

способствует отложению жира в мышцах, необходим для образования новых органических соединений холина (витамина В4), креатина, адреналина, ниацина (витамина В5) и др.
Дефицит метионина в рационах приводит к снижению уровня плазменных белков (альбуминов), вызывает анемию (снижается уровень гемоглобина крови), при одновременном недостатке витамина Е и селена способствует развитию мышечной дистрофии. Недостаточное количество метионина в рационе вызывает отставание в росте молодняка, потерю аппетита, снижение продуктивности, увеличение затрат корма, жировое перерождение печени, нарушение функций почек, анемию и истощение.
Избыток метионина ухудшает использование азота, вызывает дегенеративные изменения в печени, почках, поджелудочной железе, увеличивает потребность в аргинине, глицине. При большом избытке метионина наблюдается дисбаланс (нарушается равновесие аминокислот, в основе которого лежат резкие отклонения от оптимального соотношения незаменимых аминокислот в рационе), который сопровождается нарушением обмена веществ и торможением скорости роста у молодняка.
Цистин - серосодержащая аминокислота, взаимозаменяемая с метионином, участвует в окислительно-восстановительных процессах, обмене белков, углеводов и желчных кислот, способствует образованию веществ, обезвреживающих яды кишечника, активизирует инсулин, вместе с триптофаном цистин участвует в синтезе в печени желчных кислот, необходимых для всасывания продуктов переваривания жиров из кишечника, используется для синтеза глютатиона. Цистин обладает способностью поглощать ультрафиолетовые лучи. При недостатке цистина отмечается цирроз печени, задержка оперяемости и роста пера у молодняка, ломкость и выпадение (выщипывание) перьев у взрослой птицы, снижение сопротивляемости к инфекционным заболеваниям.

Триптофан

определяет физиологическую активность ферментов пищеварительного тракта, окислительных ферментов в клетках и ряда гормонов, участвует в обновлении белков плазмы крови, обуславливает нормальное функционирование эндокринного и кроветворного аппаратов, половой системы, синтез гамма - глобулинов, гемоглобина, никотиновой кислоты, глазного пурпура и др. При недостатке в рационе триптофана замедляется рост молодняка, снижается яйценоскость несушек, повышаются затраты корма на продукцию, атрофируются эндокринные и половые железы, возникает слепота, развивается анемия (снижается количество эритроцитов и уровень гемоглобина в крови), понижается резистентность и иммунные свойства организма, оплодотворённость и выводимость яиц. У свиней, получавших рацион, бедный триптофаном, снижается потребление корма, появляется извращенный аппетит, огрубение щетины и истощение, отмечается ожирение печени. Дефицит этой аминокислоты приводит также к стерильности, повышенной возбудимости, конвульсиям, образованию катаракты, отрицательному балансу азота и потере живой массы. Триптофан, являясь предшественником (провитамином) никотиновой кислоты, предупреждает развитие пеллагры.

ГЛАВА 2. 2.1. БЕЛКИ

1. Нейтральной аминокислотой является:

1) аргинин 4) аспарагиновая кислота

2) лизин 5) гистидин

2. Биполярный ион моноаминомонокарбоновой аминокислоты заряжен:

1) отрицательно

2) электронейтрален

3) положительно

Приведенная аминокислота

H 2 N-CН 2 -(CH 2) 3 -CHNH 2 -COOH

относится к группе аминокислот:

1) гидрофобных

2) полярных, но незаряженных

3) заряженных положительно

4) заряженных отрицательно

4.Установить соответствие:

радикалы аминокислот аминокислоты

а) гистидин

а) гистидин

в) фенилаланин

д) триптофан

5. Иминокислотой является:

1) глицин 4) серин

2) цистеин 5) пролин

3) аргинин

6. Аминокислоты, входящие в состав белков, являются:

1) α-аминопроизводными карбоновых кислот

2) β-аминопроизводными карбоновых кислот

3) α-аминопроизводными ненасыщенных карбоновых кислот

7. Назвать аминокислоту:

1. Назвать аминокислоту:

9.Установить соответствие:

Аминокислота Группы

4. цитруллин моноаминомонокарбоновые

5. цистин диаминомонокарбоновые

6. треонин моноаминодикарбоновые

7. глутаминовая диаминодикарбоновые

10. Серосодержащей аминокислотой является:

8. Треонин 4) триптофан

9. Тирозин 5) метионин

10. Цистеин

11. В состав белков не входят аминокислоты:

1) глутамин 3) аргинин

2) γ-аминомасляная 4) β-аланин

кислота 4) треонин

12. Гидроксигруппу содержат аминокислоты:

1) аланин 4) метионин

2) серин 5) треонин

3) цистеин

13. Установить соответствие:

элементный химический содержание

состав белка в процентах

1) углерод а) 21-23

2) кислород б) 0-3

3) азот в) 6-7

4) водород 5) 50-55

5) сера д) 15-17

14. В формировании третичной структуры белка не участвует связь:

1) водороданая

2) пептидная

3) дисульфидная

4) гидрофобное взаимодействие

15. Молекулярная масса белка варьирует в пределах:

1) 0,5-1,0 2) 1,0-5 3) 6-10 тысяч kДa

16. При денатурации белка не происходит:

1) нарушения третичной структуры

3) нарушения вторичной структуры

2) гидролиза пептидных связей

4) диссоциации субъединиц

Спектрофотометрический метод количественного

определения белка основан на их свойстве поглощать свет в УФ-области при:

1) 280 нм 2) 190 нм 3) 210 нм

Аминокислоты аргинин и лизин составляют

20-30% аминокислотного состава белков:

1) альбуминов 4) гистонов

2) проламинов 5) протеиноидов

3) глобулинов

19. Белки волос кератины относятся к группе:

1) проламинов 4) глютелинов

2) протаминов 5) глобулинов

3) протеиноидов

20. 50% белков плазмы крови составляют:

1) α-глобулины 4) альбумин

2) β-глобулины 5) преальбумин

3) γ-глобулины

21. В ядрах клеток эукариот присутствуют главным образом:

1)протамины 3) альбумины

2) гистоны 4) глобулины

22. К протеиноидам относятся:

1) зеин – белок семян кукурузы 4) фиброин – белок шелка

2) альбумин – белок яйца 5) коллаген – белок соеди-

3) гордеин – белок семян ячменя нительной ткани

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, содержащие аминогруппу и карбоксильную группу. Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами, или α-аминокислотами, хотя существуют такие аминокислоты как β-аланин, таурин, γ-аминомасляная кислота. Обобщенная формула α-аминокислоты выглядит так:

У α-аминокислот при 2 атоме углерода имеются четыре разных заместителя, то есть все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) атом углерода и существуют в виде двух энантиомеров – L- и D-аминокислот. Природные аминокислоты относятся к L-ряду. D-аминокислоты встречаются в бактериях и пептидных антибиотиках.

Все аминокислоты в водных растворах могут существовать в виде биполярных ионов, причем их суммарный заряд зависит от рН среды. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой. В изоэлектрической точке аминокислота является цвиттер-ионом, то есть аминная группа у нее протонирована, а карбоксиль-ная – диссоциирована. В нейтральной области рН большинство аминокислот являются цвиттер-ионами:

Аминокислоты не поглощают свет в видимой области спектра, ароматические аминокислоты поглощают свет в УФ области спектра: триптофан и тирозин при 280 нм, фенилаланин – при 260 нм.

Для аминокислот характерны некоторые химические реакции, имеющие большое значение для лабораторной практики: цветная нингидриновая проба на α-аминогруппу, реакции, характерные для сульфгидрильных, фенольных и других групп радикалов аминокислот, ацелирование и образование оснований Шиффа по аминогруппам, этерификация по карбоксильным группам.

Биологическая роль аминокислот:

1) являются структурными элементами пептидов и белков, так называемые протеиногенные аминокислоты. В состав белков входят 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в про-цессе трансляции, некоторые из них могут быть фосфорилированы, ацилированы или гидроксилированы;

2) могут быть структурными элементами других природных соединений – коферментов, желчных кислот, антибиотиков;

3) являются сигнальными молекулами. Некоторые из аминокислот являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, гормонов и гистогормонов;

4) являются важнейшими метаболитами, например, некоторые аминокислоты являются предшественниками алкалоидов растений, или служат донорами азота, или являются жизненно важными компонентами питания.

Классификация протеиногенных аминокислот основана на строении и на полярности боковых цепей:

1. Алифатические аминокислоты:

Глицин, гли , G, Gly

Аланин, ала , А, Ala

Валин, вал , V, Val*

Лейцин, лей , L, Leu*

Изолейцин, иле, I, Ile*

Эти аминокислоты не содержат в боковой цепи гетероатомов, циклических группировок и характеризуется отчетливо выраженной низкой полярностью.

Цистеин, цис , C, Cys

Метионин, мет , M, Met*

3. Ароматические аминокислоты:

Фенилаланин, фен , F, Phe*

Тирозин, тир , Y, Tyr

Триптофан, три , W, Trp*

Гистидин, гис , H, His

Ароматические аминокислоты содержат мезомерные резонансно стабилизированные циклы. В этой группе только аминокислота фенилаланин проявляет низкую полярность, тирозин и триптофан характеризуются заметной, а гистидин – даже высокой полярностью. Гистидин может быть отнесен также к основным аминокислотам.

4. Нейтральные аминокислоты:

Серин, сер , S, Ser

Треонин, тре , T, Thr*

Аспарагин, асн, N, Asn

Глутамин, глн, Q, Gln

Нейтральные аминокислоты содержат гидроксильные или карбоксамидные группы. Хотя амидные группы неионогенны, молекулы аспарагина и глута-мина высоко полярны.

5. Кислые аминокислоты:

Аспарагиновая кислота (аспартат), асп , D, Asp

Глутаминовая кислота (глутамат), глу, E, Glu

Карбоксильные группы боковых цепей кислых аминокислот полностью ионизированы во всем диапазоне физиологических значений рН.

6. Основные аминокислоты:

Лизин, лиз, K, Lys*

Аргинин, арг , R, Arg

Боковые цепи основных аминокислот полностью протонированы в нейтраль-ной области рН. Сильно основной и очень полярной аминокислотой является аргинин, содержащий гуанидиновую группировку.

7. Иминокислота:

Пролин, про , P, Pro

Боковая цепь пролина состоит из пятичленного цикла, включающего α-углеродный атом и α-аминогруппу. Поэтому пролин, строго говоря, является не амино-, а иминокислотой. Атом азота в кольце является слабым основанией и не протонируется при физиологических значениях рН. Благодаря циклической структуре пролин вызывает изгибы полипептидной цепи, что очень существенно для структуры коллагена.

Некоторые из перечисленных аминокислот не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать вместе с пищей. Это незаменимые аминокислоты отмечены звездочками.

Как было указано выше, протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых ценных биологически активных молекул.

Два биогенных амина β-аланин и цистеамин входят в состав кофермента А (коферменты – производные водорастворимых витаминов, образующие активный центр сложных ферментов). β-Аланин образуется путем декарбоксилирования аспарагиновой кислоты, а цистеамин путем декарбоксилирования цистеина:

β-аланин цистеамин

Остаток глутаминовой кислоты входит в состав другого кофермента – тетрагидрофолиевой кислоты, производного витамина В с.

Другими биологически ценными молекулами являются конъюгаты желчных кислот с аминокислотой глицином. Эти конъюгаты являются более сильными кислотами, чем базовые, образуются в печени и присутствуют в желчи в виде солей.

Гликохолевая кислота

Протеиногенные аминокислоты являются предшественниками некоторых антибиотиков – биологически активных веществ, синтезируемых микроорганизмами и подавляющих размножение бактерий, вирусов и клеток. Наиболее известными из них являются пенициллины и цефалоспорины, составляющие группу β-лактамных антибиотиков и продуцирумые плесенью рода Penicillium . Для них характерно наличие в структуре реакционноспособного β-лактамного кольца, с помощью которого они ингибируют синтез клеточных стенок грамотрицательных микроорганизмов.

Общая формула пенициллинов

Из аминокислот путем декарбоксилирования получаются биогенные амины – нейромедиаторы, гормоны и гистогормоны.

Аминокислоты глицин и глутамат сами по себе являются нейромедиаторами в центральной нервной системе.

дофамин (нейромедиатор) норадреналин (нейромедиатор)

адреналин (гормон) гистамин (медиатор и гистогормон)

серотонин (нейромедиатор и гистогормон) ГАМК (нейромедиатор)

Тироксин (гормон)

Производным аминокислоты триптофана является наиболее известный из встречающихся в природе ауксин – индолилуксусная кислота. Ауксины – это регуляторы роста растений, они стимулируют дифференцировку растущих тканей, рост камбия, корней, ускоряют рост плодов и опадение старых листьев, их антагонистами является абсцизовая кислота.

Индолилуксусная кислота

Производными аминокислот также являются алкалоиды – природные азотсодержащие соединения основного характера, образующиеся в расте-ниях. Данные соединения являются исключительно активными физиологическими соединениями, широко используемыми в медицине. Примерами алкалоидов могут служить производное фенилаланина папаверин, изохинолиновый алкалоид мака снотворного (спазмолитик), и производное триптофана физостигмин, индольный алкалоид из калабар-ских бобов (антихолинэстеразный препарат):

папаверин физостигмин

Аминокислоты являются чрезвычайно популярными объектами биотехнологии. Существует множество вариантов химического синтеза аминокислот, однако в результате получаются рацематы аминокислот. Так как для пищевой промышленности и медицины пригодны только L-изомеры аминокислот, рацемические смеси необходимо разделять на энантиомеры, что представляет серьезную проблему. Поэтому более популярен биотехнологический подход: ферментативный синтез с помощью иммобилизированных ферментов и микробиологический синтез с помощью целых микробных клеток. В обоих последних случаях получаются чистые L-изомеры.

Аминокислоты используются как пищевые добавки и компоненты кормов. Глутаминовая кислота усиливает вкус мяса, валин и лейцин улучшают вкус хлебобулочных изделий, глицин и цистеин используются в качестве антиоксидантов при консервировании. D-триптофан может быть заменителем сахара, так как во много раз его слаще. Лизин добавляют в корм сельскохозяйственным животным, так как большинство растительных белков содержит малое количество незаменимой аминокислоты лизина.

Аминокислоты широко используются в медицинской практике. Это такие аминокислоты как метионин, гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, глицин, цистеин, валин.

В последнее десятилетие аминокислоты начали добавлять в космети-ческие средства по уходу за кожей и волосами.

Химически модифицированные аминокислоты также широко используются в промышленности в качестве поверхностно-активных веществ в синтезе полимеров, при производстве моющих средств, эмульгаторов, добавок к топливу.

БЕЛКИ

Белки – это высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной связью.

Именно белки являются продуктом генетической информации, передаваемой из поколения в поколение, и осуществляют все процессы жизнедеятельности в клетке.

Функции белков:

1. Каталитическая функция. Наиболее многочисленную группу белков составляют ферменты – белки с каталитической активностью, ускоряющие химические реакции. Примерами ферментов являются пепсин, алкогольдегидрогеназа, глутаминсинтетаза.

2. Структурообразующая функция. Структурные белки отвечают за поддер-жание формы и стабильности клеток и тканей, к ним относятся кератины, коллаген, фиброин.

3. Транспортная функция. Транспортные белки переносят молекулы или ионы из одного органа в другой или через мембраны внутри клетки, например, гемоглобин, сывороточный альбумин, ионные каналы.

4. Защитная функция. Белки системы гомеостаза защищают организм от возбудителей болезней, чужеродной информации, потери крови – иммуноглобулины, фибриноген, тромбин.

5. Регуляторная функция. Белки осуществляют функции сигнальных веществ – некоторых гормонов, гистогормонов и нейромедиаторов, являются рецепторами к сигнальным веществам любого строения, обеспечивают дальнейшую передачу сигнала в биохимических сигнальных цепях клетки. Примерами могут служить гормон роста соматотропин, гормон инсулин, Н- и М-холинорецепторы.

6. Двигательная функция. С помощью белков осуществляются процессы сокращения и другого биологического движения. Примерами могут служить тубулин, актин, миозин.

7. Запасная функция. В растениях содержатся запасные белки, являющиеся ценными пищевыми веществами, в организмах животных мышечные белки служат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости.

Для белков характерным является наличие нескольких уровней структурной организации.

Первичной структурой белка называют последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Пептидная связь – это карбоксамидная связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Аланилфенилаланилцистеилпролин

У пептидной связи есть несколько особенностей:

а) она резонансно стабилизирована и поэтому находится практически в одной плоскости – планарна; вращение вокруг связи С-N требует больших затрат энергии и затруднено;

б) у связи -CO-NH- особый характер, она меньше, чем обычная, но больше, чем двойная, то есть существует кето-енольная таутомерия:

в) заместители по отношению к пептидной связи находятся в транс -положении;

г) пептидный остов окружен разнообразными по своей природе боковыми цепями, взаимодействуя с окружающими молекулами растворителя, свободные карбоксильные и аминогруппы ионизируются, образуя катионные и анионные центры молекулы белка. В зависимости от их соотношения белковая молекула получает суммарный положительный или отрицательный заряд, а также характеризуется тем или иным значением рН среды при достижении изоэлектрической точки белка. Радикалы образуют солевые, эфирные, дисульфидные мостики внутри молекулы белка, а также определяют круг реакций, свойственных белкам.

В настоящее время условились считать белками полимеры, состоящие из 100 и более аминокислотных остатков, полипептидами – полимеры, состоящие из 50-100 аминокислотных остатков, низкомолекулярными пептидами – полимеры, состоящие из менее 50 аминокислотных остатков.

Некоторые низкомолекулярные пептиды играют самостоятельную биологическую роль. Примеры некоторых таких пептидов:

Глутатион – γ-глу-цис-гли – один из наиболее широко распространен-ных внутриклеточных пептидов, принимает участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках и переносе аминокислот через биологические мембраны.

Карнозин – β-ала-гис – пептид, содержащийся в мышцах животных, устраняет продукты перекисного расщепления липидов, ускоряет процесс распада углеводов в мышцах и в виде фосфата вовлекается в энергетический обмен в мышцах.

Вазопрессин – гормон задней доли гипофиза, участвующий в регуля-ции водного обмена организма:

Фаллоидин – ядовитый полипептид мухомора, в ничтожных концентрациях вызывает гибель организма вследствие выхода ферментов и ионов калия из клеток:

Грамицидин – антибиотик, действующий на многие грамположительные бактерии, изменяет проницаемость биологических мембран для низкомолекулярных соединений и вызывает гибель клеток:

Мет -энкефалин – тир-гли-гли-фен-мет – пептид, синтезирующийся в нейронах и ослабляющий болевые ощущения.

Вторичная структура белка – это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами пептидного остова.

Пептидная цепь содержит множество СО- и NH-групп пептидных связей, каждая из которых потенциально способна участвовать в образовании водородных связей. Существуют два главных типа структур, которые позволяют это осуществить: α-спираль, в которую цепь свертывается как шнур от телефонной трубки, и складчатая β-структура, в которой бок о бок уложены вытянутые участки одной или нескольких цепей. Обе эти структуры весьма стабильны.

α-Спираль характеризуется предельно плотной упаковкой скрученной полипептидной цепи, на каждый виток правозакрученной спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, радикалы которых направлены всегда наружу и немного назад, то есть в начало полипептидной цепи.

Основные характеристики α-спирали:

1) α-спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода при азоте пептидной группы и карбонильным кислородом остатка, отстоящего от данного вдоль цепи на четыре позиции;

2) в образовании водородной связи участвуют все пептидные группы, это обеспечивает максимальную стабильность α-спирали;

3) в образовании водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность α-спиральных областей и увеличивает их гидрофобность;

4) α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии;

5) в полипептидной цепи из L-аминокислот правая спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левой.

Возможность образования α-спирали обусловлена первичной структурой белка. Некоторые аминокислоты препятствуют закручиванию пептидного остова. Например, расположенные рядом карбоксильные группы глутамата и аспартата взаимно отталкиваются друг от друга, что препятствует образованию водородных связей в α-спирали. По этой же причине затруднена спирализация цепи в местах близко расположенных друг к другу положительно заряженных остатков лизина и аргинина. Однако наибольшую роль в нарушении α-спирали играет пролин. Во-первых, в пролине атом азота входит в состав жесткого кольца, что препятствует вращению вокруг связи N-C, во-вторых, пролин не образует водородную связь из-за отсутствия водорода при атоме азота.

β-складчатость – это слоистая структура, образуемая водородными связями между линейно расположенными пептидными фрагментами. Обе цепи могут быть независимыми или принадлежать одной молекуле полипептида. Если цепи ориентированы в одном направлении, то такая β-структура называется параллельной. В случае противоположного направления цепей, то есть когда N-конец одной цепи совпадает с С-концом другой цепи, β-структура называется антипараллельной. Энергетически более предпочтительна антипараллельная β-складчатость с почти линейными водородными мостиками.

параллельная β-складчатость антипараллельная β-складчатость

В отличие от α-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок цепи β-складчатости открыт для образования дополнительных водородных связей. Боковые радикалы аминокислот ориентированы почти перпендикулярно плоскости листа попеременно вверх и вниз.

В тех участках, где пептидная цепь изгибается достаточно круто, часто находится β-петля. Это короткий фрагмент, в котором 4 аминокислотных остатка изгибаются на 180 о и стабилизируются одним водородным мостиком между первым и четвертым остатками. Большие аминокислотные радикалы мешают образованию β-петли, поэтому в нее чаще всего входит самая маленькая аминокислота глицин.

Надвторичная структура белка – это некоторый специфический порядок чередования вторичных структур. Под доменом понимают обособленную часть молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией. Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белковых молекул и соотношение и характер компоновки α-спиралей и β-слоев дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетических связей больше, чем сопоставление первичных структур. Главной задачей эволюции является конструирование все новых белков. Бесконечно мал шанс случайно синтезировать такую аминокислотную последовательность, которая бы удовлетворила условиям упаковки и обеспечила выполнение функциональных задач. Поэтому часто встречаются белки с различной функцией, но сходные по структуре настолько, что кажется, что они имели одного общего предка или произошли друг от друга. Похоже, что эволюция, столкнувшись с необходимостью решить определенную задачу, предпочитает не конструировать для этого белки сначала, а приспособить для этого уже хорошо отлаженные структуры, адаптируя их для новых целей.

Некоторые примеры часто повторяющихся надвторичных структур:

1) αα’ – белки, содержащие только α-спирали (миоглобин, гемоглобин);

2) ββ’ – белки, содержащие только β-структуры (иммуноглобулины, супероксиддисмутаза);

3) βαβ’ – структура β-бочонка, каждый β-слой расположен внутри бочонка и связан с α-спиралью, находящейся на поверхности молекулы (триозофосфоизомераза, лактатдегидрогеназа);

4) «цинковый палец» – фрагмент белка, состоящий из 20 аминокислотных остатков, атом цинка связан с двумя остатками цистеина и двумя гистидина, в результате чего образуется «палец» из примерно 12 амино-кислотных остатков, может связываться с регуляторными участками молекулы ДНК;

5) «лейциновая застежка-молния» – взаимодействующие белки имеют α-спиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина, они расположены через 6 аминокислот один от другого, то есть находятся на поверхности каждого второго витка и могут образовывать гидрофобные связи с лейциновыми остатками другого белка. С помощью лейциновых застежек, например, молекулы сильноосновных белков гистонов могут объединяться в комплексы, преодолевая положительный заряд.

Третичная структура белка – это пространственное расположение молекулы белка, стабилизируемое связями между боковыми радикалами аминокислот.

Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка:

электростатическое водородные гидрофобные дисульфидные

взаимодействие связи взаимодействия связи

В зависимости от складывания третичной структуры белки можно классифицировать на два основных типа – фибриллярные и глобулярные.

Фибриллярные белки – нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых вытянуты вдоль одной оси. В основном это структурные и сократительные белки. Несколько примеров самых распространенных фибриллярных белков:

1. α-Кератины. Синтезируются клетками эпидермиса. На их долю приходится почти весь сухой вес волос, шерсти, перьев, рогов, ногтей, когтей, игл, чешуи, копыт и черепашьего панциря, а также значительная часть веса наружного слоя кожи. Это целое семейство белков, они сходны по аминокислотному составу, содержат много остатков цистеина и имеют одинаковое пространственное расположение полипептидных цепей. В клетках волос полипептидные цепи кератина сначала организуются в волокна, из которых затем формируются структуры наподобие каната или скрученного кабеля, заполняющего в конце концов все пространство клетки. Клетки волос становятся при этом уплощенными и, наконец, отмирают, а клеточные стенки образуют вокруг каждого волоса трубчатый чехол, называемый кутикулой. В α-кератине полипептидные цепи имеют форму α-спирали, скручены одна вокруг другой в трехжильный кабель с образованием поперечных дисульфидных связей. N-концевые остатки расположены с одной стороны (параллельны). Кератины нерастворимы в воде из-за преобладания в их составе аминокислот с неполярными боковыми радикалами, которые обращены в сторону водной фазы. При химической завивке происходят следующие процессы: вначале путем восстановления тиолами разрушаются дисульфидные мостики, а затем при придании волосам необходимой формы их высушивают нагреванием, при этом за счет окисления кислородом воздуха образуются новые дисульфидные мостики, которые сохраняют форму прически.

2. β-Кератины. К ним относятся фиброин шелка и паутины. Представляют из себя антипараллельные β-складчатые слои с преобладанием глицина, аланина и серина в составе.

3. Коллаген. Самый распространенный белок у высших животных и главный фибриллярный белок соединительных тканей. Коллаген синтезируется в фибробластах и хондроцитах – специализированных клетках соединительной ткани, из которых затем выталкивается. Коллагеновые волокна находятся в коже, сухожилиях, хрящах и костях. Они не растяги-ваются, по прочности превосходят стальную проволоку, коллагеновые фибриллы характеризуются поперечной исчерченностью. При кипячении в воде волокнистый, нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин в результате гидролиза некоторых ковалентных связей. Коллаген содержит 35% глицина, 11% аланина, 21% пролина и 4-гидроксипролина (аминокислоты, свойственной только для коллагена и эластина). Такой состав определяет относительно низкую питательную ценность желатина как пищевого белка. Фибриллы коллагена состоят из повторяющихся полипептидных субъединиц, называемых тропоколлагеном. Эти субъединицы уложены вдоль фибриллы в виде параллельных пучков по типу «голова к хвосту». Сдвинутость головок и придает характерную поперечную исчерченность. Пустоты в этой структуре при необходимости могут служить местом отложения кристаллов гидроксиапатита Са 5 (ОН)(РО 4) 3 , играющего важную роль в минерализации костей.

Тропоколлагеновые субъединицы состоят из трех полипептидных цепей, плотно скрученных в виде трехжильного каната, отличающегося от α- и β-кератинов. В одних коллагенах все три цепи имеют одинаковую аминокислотную последовательность, тогда как в других идентичны только две цепи, а третья отличается от них. Полипептидная цепь тропоколлагена образует левую спираль, на один виток которой приходится только три аминокислотных остатка из-за изгибов цепи, обусловленной пролином и гидроксипролином. Три цепи связаны между собой кроме водородных связей связью ковалентного типа, образующейся между двумя остатками лизина, находящимися в соседних цепях:

По мере того как мы становимся старше, в тропоколлагеновых субъединицах и между ними образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена более жесткими и хрупкими, и это изменяет механические свойства хрящей и сухожилий, делает более ломкими кости и понижает прозрачность роговицы глаза.

4. Эластин. Содержится в желтой эластичной ткани связок и эластическом слое соединительной ткани в стенках крупных артерий. Основная субъединица фибрилл эластина – тропоэластин. Эластин богат глицином и аланином, содержит много лизина и мало пролина. Спиральные участки эластина растягиваются при натяжении, но возвращаются при снятии нагрузки к исходной длине. Остатки лизина четырех разных цепей образуют ковалентные связи между собой и позволяют эластину обратимо растягиваться во всех направлениях.

Глобулярные белки – белки, полипептидная цепь которых свернута в компактную глобулу, способны выполнять самые разнообразные функции.

Третичную структуру глобулярных белков удобнее всего рассмотреть на примере миоглобина. Миоглобин – это относительно небольшой кислород-связывающий белок, присутствующий в мышечных клетках. Он запасает связанный кислород и способствует его переносу в митохондрии. В молекуле миоглобина находится одна полипептидная цепь и одна гемогруппа (гем) – комплекс протопорфирина с железом. Основные свойства миоглобина:

а) молекула миоглобина настолько компактна, что внутри нее может уместиться всего 4 молекулы воды;

б) все полярные аминокислотные остатки, за исключением двух, расположены на внешней поверхности молекулы, причем все они находятся в гидратированном состоянии;

в) большая часть гидрофобных аминокислотных остатков расположена внутри молекулы миоглобина и, таким образом, защищена от соприкосно-вения с водой;

г) каждый из четырех остатков пролина в молекуле миоглобина находится в месте изгиба полипептидной цепи, в других местах изгиба расположены остатки серина, треонина и аспарагина, так как такие аминокислоты препятствуют образованию α-спирали, если находятся друг с другом;

д) плоская гемогруппа лежит в полости (кармане) вблизи поверхности молекулы, атом железа имеет две координационные связи, направленные перпендикулярно плоскости гемма, одна из них связана с остатком гистидина 93, а другая служит для связывания молекулы кислорода.

Начиная с третичной структуры белок становится способным выполнять свойственные ему биологические функции. В основе функционирования белков лежит то, что при укладке третичной структуры на поверхности белка образуются участки, которые могут присоединять к себе другие молекулы, называемые лигандами. Высокая специфичность взаимодействия белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра структуре лиганда. Комплементарность – это пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей. Для большей части белков третичная структура – максимальный уровень укладки.

Четвертичная структура белка – характерна для белков, состоящих из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой исключительно нековалентными связями, в основном электростатическими и водородными. Чаще всего белки содержат две или четыре субъединицы, более четырех субъединиц обычно содержат регуляторные белки.

Белки, имеющие четвертичную структуру, часто называются олигомерными. Различают гомомерные и гетеромерные белки. К гомо-мерным относятся белки, у которых все субъединицы имеют одинаковое строение, например, фермент каталаза состоит их четырех абсолютно одинаковых субъединиц. Гетеромерные белки имеют разные субъединицы, например, фермент РНК-полимераза состоит из пяти разных по строению субъединиц, выполняющих разные функции.

Взаимодействие одной субъединицы со специфическим лигандом вызывает конформационные изменения всего олигомерного белка и изменяет сродство других субъединиц к лигандам, это свойство лежит в основе способности олигомерных белков к аллостерической регуляции.

Четвертичную структуру белка можно рассмотреть на примере гемоглобина. Содержит четыре полипептидных цепи и четыре простетические группы гема, в которых атомы железа находятся в закисной форме Fe 2+ . Белковая часть молекулы – глобин – состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, содержащих до 70% α-спиралей. Каждая из четырех цепей имеет характерную для нее третичную структуру, с каждой цепью связана одна гемогруппа. Гемы разных цепей сравнительно далеко расположены друг от друга и имеют разный угол наклона. Между двумя α-цепями и двумя β-цепями образуется мало прямых контактов, тогда как между α- и β-цепями возникают многочисленные контакты типа α 1 β 1 и α 2 β 2 , образованные гидрофобными радикалами. Между α 1 β 1 и α 2 β 2 остается канал.

В отличие от миоглобина гемоглобин характеризуется значительно более низким сродством к кислороду, что позволяет ему при существующих в тканях низких парциальных давлениях кислорода отдавать им значительную часть связанного кислорода. Кислород легче связывается железом гемоглобина при более высоких значениях рН и низкой концентрации СО 2 , свойственные альвеолам легких; освобождению кислорода из гемоглобина благоприятствуют более низкие значения рН и высокие концентрации СО 2 , свойственные тканям.

Кроме кислорода гемоглобин переносит ионы водорода, которые связываются с остатками гистидина в цепях. Также гемоглобин переносит углекислый газ, который присоединяет к концевой аминогруппе каждой из четырех полипептидных цепей, в результате чего образуется карбаминогемоглобин:

В эритроцитах в достаточно больших концентрациях присутствует вещество 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ), его содержание увеличивается при подъеме на большую высоту и при гипоксии, облегчая высвобождение кислорода из гемоглобина в тканях. ДФГ располагается в канале между α 1 β 1 и α 2 β 2 , взаимодействуя с положительно зараженными группами β-цепей. При связывании гемоглобином кислорода ДФГ вытесняется из полости. В эритроцитах некоторых птиц содержится не ДФГ, а инозитолгекса-фосфат, который еще больше снижает сродство гемоглобина к кислороду.

2,3-дифосфоглицерат (ДФГ)

HbA – нормальный гемоглобин взрослого человека, HbF – фетальный гемоглобин, имеет большее сродство к О 2 , HbS – гемоглобин при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия – это серьезное наследственное заболевание, связанное с генетической аномалией гемоглобина. В крови больных людей наблюдается необычно большое количество тонких серповидных эритроцитов, которые, во-первых, легко разрываются, во-вторых, закупоривают кровеносные капилляры. На молеку-лярном уровне гемоглобин S отличается от гемоглобина А по одному аминокислотному остатку в положении 6 β-цепей, где вместо остатка глутаминовой кислоты находится валин. Таким образом, гемоглобин S содержит на два отрицательных заряда меньше, появление валина приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта на поверхности молекулы, в результате при дезоксигенации молекулы дезоксигемоглобина S слипаются и образуют нерастворимые аномально длинные нитевидные агрегаты, приводящие к деформации эритроцитов.

Нет никаких оснований думать, что существует независимый генетический контроль за формированием уровней структурной организации белка выше первичного, поскольку первичная структура определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную (если она имеется). Нативной конформацией белка является термодинамически наиболее устойчивая в данных условиях структура.

Лекция №1

ТЕМА: «Аминокислоты».

План лекции:

1. Характеристика аминокислот

2. Пептиды.

Характеристика аминокислот.

Аминокислоты – органические соединения, производные углеводородов, в молекулы которых входят карбоксильные и аминогруппы.

Белки состоят из остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Для анализа аминокислотного состава проводят гидролиз белка с последующим выделением аминокислот. Рассмотрим основные закономерности, характерные для аминокислот белков.

В настоящее время установлено, что в состав белков входят постоянно часто встречающийся набор аминокислот. Их 18. Кроме указанных, обнаружены ещё 2 амида аминокислот – аспарагин и глутамин. Все они получили название мажорных (часто встречающихся) аминокислот. Часто их образно называют «волшебными» аминокислотами. Кроме мажорных аминокислот, встречаются и редкие, те, которые не часто встречаются в составе природных белков. Их называют минорными.

Практически все аминокислоты белков относятся к α – аминокислотам (аминогруппа расположена у первого после карбоксильной группы атома углерода). Исходя из сказанного, для большинства аминокислот справедлива общая формула:

NH 2 -CH-COOH

Где R – радикалы, имеющие различное строение.

Рассмотрим формулы белковых аминокислот, табл. 2.

Все α - аминокислоты, кроме аминоуксусной (глицина), имеют асимметрический α - углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров. За редким исключением, природные аминокислоты относятся к L - ряду. Лишь в составе клеточных стенок бактерий и в антибиотиках обнаружены аминокислоты D генетического ряда. Значение угла вращения составляет 20-30 0 градусов. Вращение может быть вправо (7 аминокислот) и влево (10 аминокислот).

H― *―NH 2 H 2 N―*―H

D - кофигурация L-кофигурация

(природные аминокислоты)

В зависимости от преобладания амино- или карбоксильных групп, аминокислоты делят на 3 подкласса:

Кислые аминокислоты. Преобладают карбоксильные (кислотные) группы над аминогруппами (основными), например, аспарагиновая, глутаминовая кислоты.

Нейтральные аминокислоты Количество групп равны. Глицин, аланин, и т. д.

Основные аминокислоты. Преобладают основные (аминогруппы) над карбоксильными (кислотными), например, лизин.

По физическим и ряду химических свойств аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Они лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокие температуры плавления. Эти свойства указывают на взаимодействие аминных и кислотных групп, вследствие чего аминокислоты в твёрдом состоянии и в растворе (в широком интервале pH) находятся в цвиттер-ионной форме (т.е. как внутренние соли). Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у α - аминокислот, где обе группы находятся в непосредственной близости.

H 2 N - CH 2 COOH ↔ H 3 N + - CH 2 COO -

цвиттер-ион

Цвиттер - ионная структура аминокислот подтверждается их большим дипольным моментом (не менее 5010 -30 Кл  м), а также полосой поглощения в ИК- спектре твердой аминокислоты или её раствора.

Аминокислоты способны вступать в реакции поликонденсации, приводящие к образованию полипептидов разной длины, которые и составляет первичную структуру белковой молекулы.

H 2 N–CH(R 1)-COOH + H 2 N– CH(R 2) – COOH → H 2 N – CH(R 1) – CO-NH – CH(R 2) – COOH

Дипептид

Связь С – N – называется пептидной связью.

Помимо рассмотренных выше 20 наиболее распространенных амино­кислот из гидролизатов некоторых специализированных белков выделены некоторые другие аминокислоты. Все они являются, как правило, производ­ными обычных аминокислот, т.е. модифицированными аминокислотами.

4-оксипролин , встречается в фибриллярном белке коллаге­не и некоторых растительных белках; 5-оксилизин найден в гидролизатах коллагена, десмози н и изодесмо­зин выделены из гидролизатов фибриллярного белка эластина. Похоже, что эти аминокислоты содержаться только в этом белке. Структура их необычна: 4-е молекулы лизина, соединенные своими R-группами, образуют замещенное пиридиновое кольцо. Возможно, что благодаря именно такой структуре эти аминокислоты могут образовывать 4-е радиально расходящиеся пептидные цепи. Результатом есть то, что эластин, в отличие от других фибриллярных белков, способен деформироваться (растягиваться) в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях. И т.д.

Из перечисленных белковых аминокислот живые организмы синтезируют огромное количество разнообразнейших белковых соединений. Многие растения и бактерии могут синтезировать все необходимые им аминокислоты из простых неорганических соединений. В теле человека и животных примерно половина аминокислот также синтезируется Другая часть аминокислот может поступить в организм человека только с пищевыми белками.

- незаменимые аминокислоты - не синтезируются в организме человека, а поступают только с пищей. К незаменимым аминокислотам относят 8 аминокислот: валин, фенилаланин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин .

- заменимые аминокислоты - могут синтезироваться в организме человека из других составляющих. К заменимым аминокислотам относят 12 аминокислот.

Для человека одинаково важны оба типа аминокислот: и заменимые, и незаменимые. Большая часть аминокислот идет на построение собственных белков организма, но без незаменимых аминокислот организм существовать не сможет. Белки, в которых содержатся незаменимые аминокислоты, должны составлять в питании взрослых людей около 16-20% (20-30г при суточной норме белка 80-100г). В питании детей доля белка повышается до 30% - для школьников, и до 40% - для дошкольников. Это связано с тем, что детский организм постоянно растет и, поэтому, нуждается в большом количестве аминокислот как пластического материала для построения белков мышц, сосудов, нервной системы, кожи и всех других тканей и органов.

В наши дни быстрого питания и всеобщего увлечения фаст-фудом в рационе очень часто преобладают продукты с высоким содержанием легкоусваиваемых углеводов и жиров, а доля белковых продуктов заметно снижается. При недостатке в рационе каких - либо аминокислот или при голодании в организме человека в течение непродолжительного времени могут разрушаться белки соединительной ткани, крови, печени и мышц, а полученный из них «строительный материал» - аминокислоты идут на поддержание нормальной работы наиболее важных органов - сердца и мозга. Организм человека может испытывать нехватку как незаменимых, так и заменимых аминокислот. Дефицит аминокислот, особенно незаменимых, приводит к ухудшению аппетита, задержке роста и развития, жировой дистрофии печени и другим тяжелым нарушениям. Первыми «вестниками» нехватки аминокислот могут быть снижение аппетита, ухудшение состояния кожи, выпадение волос, мышечная слабость, быстрая утомляемость, снижение иммунитета, анемия. Такие проявления могут возникнуть у лиц, с целью снижения веса соблюдающих низкокалорийную несбалансированную диету с резким ограничением белковых продуктов.

Чаще других с проявлениями нехватки аминокислот, особенно незаменимых, сталкиваются вегетарианцы, намеренно избегающие включения в свой рацион полноценного животного белка.

Избыток аминокислот встречается в наши дни достаточно редко, но может вызвать развитие тяжелых заболеваний, особенно у детей и в юношеском возрасте. Наиболее токсичными являются метионин (провоцирует риск развития инфаркта и инсульта), тирозин (может спровоцировать развитие артериальной гипертонии, привести к нарушению работы щитовидной железы) и гистидин (может способствовать возникновению дефицита меди в организме и привести к развитию аневризмы аорты, заболеваниям суставов, ранней седине, тяжелым анемиям). В нормальных условиях функционирования организма, когда присутствует достаточное количество витаминов (В 6 , В 12 , фолиевая кислота) и антиоксидантов (витамины А, Е, С и селен), избыток аминокислот быстро превращается в полезные компоненты и не успевает «нанести ущерб» организму. При несбалансированной диете возникает дефицит витаминов и микроэлементов, и избыток аминокислот может нарушить работу систем и органов. Такой вариант возможен при длительном соблюдении белковых или низкоуглеводных диет, а также при неконтролируемом приеме спортсменами протеиново-энергетических продуктов (аминокислотно-витаминные коктейли) для увеличения веса и развития мышц.

Среди химических методов наиболее распространен метод аминокислотного скора (scor - счет, подсчет). Он основан на сравнении аминокислотного состава белка оцениваемого продукта с аминокислотным составом стандартного (идеального) белка. После количественного определения химическим путем содержания каждой из незаменимых аминокислот в исследуемом белке определяют аминокислотный скор (АС) для каждой из них по формуле

АС = (m ак . иссл / m ак . идеальн ) 100

m ак. иссл - содержание незаменимой аминокислоты (в мг) в 1 г исследуемого белка.

m ак. идеальн - содержание незаменимой аминокислоты (в мг) в 1 г стандартного (идеального) белка.

Аминокислотный образец ФАО/ВОЗ

Одновременно с определением аминокислотного скора выявляют лимитирующую для данного белка незаменимую аминокислоту , то есть ту, для которой скор является наименьшим.

Пептиды.

Две аминокислоты могут ковалентно соединяться посредством пептидной связи с образованием дипептида.

Три аминокислоты могут соединяться посредством двух пептидных связей с образованием трипептида. Несколько аминокислот образуют олигопептиды, большое число аминокислот - полипептиды. Пептиды содержат только одну -аминогруппу и одну -карбоксильную группу. Эти группы могут быть ионизованы при определенных значениях рН. Подобно аминокислотам они имеют характеристические кривые титрования и изоэлектрические точки, при которых они не двигаются в электрическом поле.

Подобно другим органическим соединениям пептиды участвуют в химических реакциях, которые определяются наличием функциональных групп: свободной аминогруппой, свободной карбоксигруппой и R-группами. Пептидные связи подвержены гидролизу сильной кислотой (например, 6М НС1) или сильным основанием с образованием аминокислот. Гидролиз пептидных связей - это необходимый этап в определении аминокислотного состава белков. Пептидные связи могут быть разрушены действием ферментов протеаз .

Многие пептиды, встречающиеся в природе, имеют биологическую активность при очень низких концентрациях.

Пептиды - потенциально активные фармацевтические препараты, есть три способа их получения:

1) выделение из органов и тканей;

2) генетическая инженерия;

3) прямой химический синтез.

В последнем случае высокие требования предъявляются к выходу продуктов на всех промежуточных стадиях.

α-Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода.

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме. Некоторые аминокислоты, необходимые для синтеза белков, в организме не образуются и должны поступать извне. Такие аминокислоты называют незаменимыми

К незаменимым α-аминокислотам относятся:

валин изолейцин метионин триптофан

лейцин лизин треонин фенилаланин

Алифатические α-аминокислоты. Это наиболее многочисленная группа. Внутри нее аминокислоты подразделяют с привлечением дополнительных классификационных признаков.

В зависимости от числа карбоксильных групп и аминогрупп в молекуле выделяют:

Нейтральные аминокислоты - по одной группе NH2 и СООН;

Основные аминокислоты - две группы NH2 и одна группа

Кислые аминокислоты - одна группа NH2 и две группы СООН.

Можно отметить, что в группе алифатических нейтральных аминокислот число атомов углерода в цепи не бывает больше шести. При этом не существует аминокислоты с четырьмя атомами углерода в цепи, а аминокисоты с пятью и шестью атомами углерода имеют только разветвленное строение (валин, лейцин, изолейцин).

В алифатическом радикале могут содержаться «дополнительные» функциональные группы:

Гидроксильная - серин, треонин;

Карбоксильная - аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

Тиольная - цистеин;

Амидная - аспарагин, глутамин.

Ароматические α-аминокислоты. К этой группе относятся фенилаланин и тирозин, построенные таким образом, что бензольные кольца в них отделены от общего α-аминокислотного фрагмента метиленовой группой -СН2-.

Гетероциклические α-аминокислоты. Относящиеся к этой группе гистидин и триптофан содержат гетероциклы - имидазол и индол соответственно. Строение и свойства этих гетероциклов рассмотрены ниже (см. 13.3.1; 13.3.2). Общий принцип построения гетероциклических аминокислот такой же, как и ароматических.

Гетероциклические и ароматические α-аминокислоты можно рассматривать как β-замещенные производные аланина.

К героциклическим относится также аминокислота пролин, в которой вторичная аминогруппа включена в состав пирролидинового

18. Свойства α-Аминокислот. Кислотно-основные свойства. Понятие об изоэлектрической точке (рI).

Пояснить на конкретном примере.

Амфотерность аминокислот обусловлена кислотными (СООН) и основными (NH2) функциональными группами в их молекулах. Аминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами.

В кристаллическом состоянии α-аминокислоты существуют как диполярные ионы H3N+ - CHR-COO- (обычно используемая запись

строения аминокислоты в неионизированной форме служит лишь для удобства).

В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм.

Положение равновесия зависит от рН среды. У всех аминокислот преобладают катионные формы в сильнокислых (рН 1-2) и анион- ные - в сильнощелочных (рН >11) средах.

Ионное строение обусловливает ряд специфических свойств аминокислот: высокую температуру плавления (выше 200 ?С), растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность большинства аминокислот хорошо растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования, с нею связаны всасывание аминокислот, их транспорт в организме и т. п.

Положение равновесия, т. е. соотношение различных форм аминокислоты, в водном растворе при определенных значениях рН существенно зависит от строения радикала, главным образом от присутствия в нем ионогенных групп, играющих роль дополнительных кислотных и основных центров.

Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (p/).

Нейтральные α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют значения рI несколько ниже 7 (5,5-6,3) вследствие большей способности к ионизации карбоксильной группы под влиянием -/-эффекта группы NH2. Например, у аланина изоэлектрическая точка находится при рН 6,0.

Кислые α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу и в сильнокислой среде находятся в полностью протонированной форме. Кислые аминокислоты являются трехосновными (по Брёндстеду) с тремя значениями рКа, как это видно на примере аспарагиновой кислоты (р/ 3,0).

У кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) изоэлектрическая точка находится при рН много ниже 7 (см. табл. 12.1). В организме при физиологических значениях рН (например, рН крови 7,3-7,5) эти кислоты находятся в анионной форме, так как у них ионизированы обе карбоксильные группы.

Основные α-аминокислоты. В случае основных аминокислот изоэлектрические точки находятся в области рН выше 7. В сильно- кислой среде эти соединения также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых показаны на примере лизина (р/ 9,8).

В организме основные аминокислоты находятся в виде катионов, т. е. у них протонированы обе аминогруппы.

В целом ни одна α-аминокислота in vivo не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде. Все аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

19. Биологически важные реакции α-Аминокислот: а) трансаминирование; б) декарбоксилирование; в) дезаминирование: окислительное, восстановительное, внутримолекулярное, гидролитическое; г) образование пептидов.

В организме под действием различных ферментов осуществляется ряд важных химических превращений аминокислот. К таким пре- вращениям относятся трансаминирование, декарбоксилирование, элиминирование, альдольное расщепление, окислительное дезаминирование, окисление тиольных групп.

Трансаминирование является основным путем биосинтеза α-ами- нокислот из α-оксокислот. Донором аминогруппы служит аминокислота, имеющаяся в клетках в достаточном количестве или избытке, а ее акцептором - α-оксокислота. Аминокислота при этом превращается в оксокислоту, а оксокислота - в аминокислоту с соответствующим строением радикалов. В итоге трансаминирование представляет обратимый процесс взаимообмена амино- и оксо- групп. Пример такой реакции - получение l-глутаминовой кислоты из 2-оксоглутаровой кислоты. Донорной аминокислотой может служить, например, l-аспарагиновая кислота.

α-Аминокислоты содержат в α-положении к карбоксильной группе электроноакцепторную аминогруппу (точнее, протонированную аминогруппу NH3+), в связи с чем способны к декарбоксилированию.

Окислительное дезаминирование может осуществляться с участием ферментов и кофермента НАД+ или НАДФ+. α-Аминокислоты могут превращаться в α-оксокислоты не только через трансаминирование, но и путем окислительного дезаминирования. Например, из l-глутаминовой кислоты образуется α-оксоглутаровая кислота. На первой стадии реакции осуществляется дегид- рирование (окисление) глутаминовой кислоты до α-иминоглутаровой

кислоты. На второй стадии происходит гидролиз, в результате которого получаются α-оксоглутаровая кислота и аммиак. Стадия гидролиза протекает без участия фермента.

В обратном направлении протекает реакция восстановительного аминирования α-оксокислот. Всегда содержащаяся в клетках α-оксоглутаровая кислота (как продукт метаболизма углеводов) превращается этим путем в L-глутаминовую кислоту.

Внутримолекулярное дезаминирование

Внутримолекулярное дезаминирование характерно для гистидина. Реакцию катализирует гистидаза (гистидин-аммиаклиаза). Эта реакция происходит только в печени и коже.

Гидролитиическое дезаминирование происходит при помощи фермента аденозин дезаминаза и выглядит следующим образом:

R-CH(NH 2)-COOH + H 2 O----> R-CH(OH)-COOH +NH 3

В результате образуются, как мы уже поняли, гидроксикислоты…

Пептидную и белковую молекулу формально можно представить как продукт поликонденсации α-аминокислот, протекающей с обра- зованием пептидной (амидной) связи между мономерными звеньями

20. Аминоспирты: коламин (2-аминоэтанол), холин. Бетаин как продукт окисления холина. Строение, биологическая роль. Аминофенолы. Катехоламины: дофамин, норадреналин, адреналин. Строение, биологическая роль.

Аминоспиртами называют соединения, содержащие в молекуле одновременно амино- и гидроксигруппы.

Эти две функциональные группы непрочно удерживаются у одного атома углерода, в результате чего происходит отщепление аммиака или воды. Простейшим представителем аминоспиртов является 2-аминоэтанол - соединение, в котором обе группы расположены у соседних атомов углерода. 2-Аминоэтанол (тривиальное название коламин) является структурным компонентом сложных липидов - фосфатидилэтаноламинов (см. 10.4.1).

С сильными кислотами 2-аминоэтанол образует устойчивые соли.

Четвертичное аммониевое основание - гидроксид (2-гидрокси- этил)триметиламмония OH- - имеет большое значение как витаминоподобное вещество, регулирующее жировой обмен. Его катион называют холином

В организме холин образуется с участием кофермента S-аде- нозилметионина (SAM), являющегося переносчиком метильных групп. В молекуле этого кофермента метильная группа «активирована» вследствие того, что находится в составе сульфониевой группировки.

При метилировании коламина в реакции участвует атом азота, более нуклеофильный, чем атом кислорода

В результате окисления холина in vivo образуется диполярный ион бетаин, который также может служить источником метильных групп, входящих в состав аммониевой группировки.

Сложноэфирные производные холина выполняют в организме различные биологические функции. Замещенные фосфаты холина являются структурной основой фосфолипидов - фосфатидилхолинов - важнейшего строительного материала клеточных мембран (см. 10.4.1). Сложный эфир холина и уксусной кислоты - ацетилхолин - наиболее распространенный посредник при передаче нервного возбуждения в нервных тканях (нейромедиатор). Он образуется в организме при ацетилировании холина с помощью ацетилкофермента А

Важная роль в организме принадлежит аминоспиртам, содержащим в качестве структурного фрагмента остаток пирокатехина. Они носят общее название катехоламинов. К этой группе относятся представители образующихся в организме биогенных аминов. К катехоламинам принадлежат дофамин, норадреналин и адреналин, выполняющие, как и ацетилхолин, роль нейромедиаторов. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности, при физиологических стрессах он выделяется в кровь («гормон страха»).

В ароматическом ряду основу важных природных биологически активных соединений и синтетических лекарственных средств составляют и-аминофенол, и-аминобензойная, салициловая и сульфаниловая кислоты.

и-Аминофенол и его производные. Как гетерофункциональное соединение п-аминофенол может образовывать производные по каждой функциональной группе в отдельности и одновременно по двум функциональным группам. Сам п-аминофенол ядовит; интерес для медицины представляет его производное - парацетамол, оказывающий анальгетическое (обезболивающее) и жаропонижающее действие.