5. ФОНДОВЫЕ ЛЕКЦИИ
ТЕМА: АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ
План:
Аминокислотный состав белков
Заменимые и незаменимые аминокислоты.
Амфотерность и реакционная способность аминокислот.
Изоэлектрическое состояние.
Пептиды.
Аминокислотный состав белков
В живой природе обнаружено примерно 300 аминокислот. В образовании белка участвуют только 20 аминокислот. Все они могут быть охарактеризованы одной общей химической формулой в двух вариантах:
1) для сухого кристаллического вещества:
2) для растворенного вещества:
Во всех аминокислотах имеются аминная –NH3+ (N-конец) и карбоксильная –COO– (С-конец) группы, которые определяют соответственно основные и кислотные проявления этих веществ, в результате чего они обладают амфотерными (как щелочными, так и кислотными) свойствами.
Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами (или α-аминокислотами, в отличие от β-аминокислот, таких, как β аланин и тaypин). У α-aминoкиcлoт при атоме C-2 (Cα) имеются четыре различных зaмecтитeля: каpбокcильнaя группа, аминогруппа, вoдopoдный атом и бокoвaя цепь R. Таким образом, вcе α-аминокислоты, кpoмe глицина, имеют асимметрический (хиральный) α-углеродный атом и поэтому cущeствуют в виде двух энантиомеров (L- и D-aминoкиcлoт). Пpотeиногенныe аминoкиcлoты oтноcятcя к L-ряду.
Если растворы L или D аминокислоты, каждый в своей емкости, достаточно долго простоят – спонтанно образуется рацемическая (равновесная) смесь L или D аминокислот. Скорость этого процесса V=const. В живых объектах изомеразы D-аминокислот, постоянно переводят их в L форму.
  
L-форма D-форма
В костных останках для достижения рацемического равновесия могут потребоваться десятки тысяч лет. Поскольку скорость этого процесса V=const, то соотношение L или D аминокислот может быть использовано для определения геологического возраста. Данные о геологическом возрасте, полученные таким способом, хорошо совпадают с другими методами, например, радиоуглеродным. В эмали зубов, в связи с отсутствием изомераз D-аминокислот процесс рацемации не осуществляется, поэтому по количеству D-форм в эмали зубов можно определить биологический возраст.
На плоскости хиральные центры принято изoбpaжaть с помощью прoeкциoнныx формул, прeдлoжeнных Фишеpoм. Проекционные фoрмyлы вывoдятcя из тpeхмepной cтpyктypы cледyющим образом: тетраэдр пoвoрачивaют таким образом, чтобы наиболее окиcлeннaя гpyппa (в cлyчаe аминокиcлoт карбокcильная) была ориентировaнa вверх. Затем вpащают до тех nop, пока линия, coeдиняющaя CОО- и R, не oкaжeтcя в плoскocти стола. В этом пoлoжeнии y L-aминокиcлот NН3+-группа бyдeт нanрaвлeнa влево, а у D аминокислот — вправо.
 
L-аланин D-аланин
Треонин и изолейцин содержат по два асимметрических атома углерода. Поэтому возможно существование 4-х стереоизомеров. Но все четыре изомера в природе обнаружены только для треонина. Если условно обозначить символом L-треонин, выделенный из природных белков, то его зеркальное отображение называют D-треонином. Два других изомера, получивших наименование диастереоизомеров, или аллоформ, также могут иметь L- и D-формы.
Частота включаемости в белок отдельных аминокислот не равномерна. На долю дикарбоновых аминокислот и их амидов в большинстве белков приходится до 25–27% всех аминокислот. Эти же аминокислоты вместе с лейцином и лизином составляют около 50% всех аминокислот. В то же время на долю таких аминокислот, как цистеин, метионин, триптофан, гистидин, приходится не более 1,5–3,5%. В протаминах и гистонах отмечено высокое содержание основных аминокислот аргинина и лизина, соотв., 26,4 и 85,2%. Первой аминокислотой, открытой в живой природе, оказался аспарагин. Его в 1806 г. выделили Луи Никола Воклен (1763–1829) и Пьер Жан Робике (1780–1840) во Франции.
Заменимые и незаменимые аминокислоты.
Аминокислоты делят на: заменимые, незаменимые, частично заменимые, условнозамениемые. Эта классификация аминокислот антропна, поскольку для животных незаменимы другие аминокислоты, для каждого вида свои. Заменимые аминокислоты: потребность в них может быть восполнена синтезом из других веществ, в основном из α-кетокислот, образующихся из глюкозы.
№
|
Название: полное
|
сокращенное
|
1
|
Аланин
|
Ала
|
2
|
Аспарагин
|
Асн
|
3
|
Аспаригиновая кислота
|
Асп
|
4
|
Глицин
|
Гли
|
5
|
Глутамин
|
Глн
|
6
|
Глутаминовая кислота
|
Глу
|
7
|
Пролин
|
Про
|
8
|
Серин
|
Сер
|
Незаменимые аминокислоты: не синтезируются в организме, поскольку в организме животных нет метаболических путей синтеза соответствующих α-кетокислот, поэтому присутствие этих аминокислот в белках пищи обязательно. Почему существуют незаменимые аминокислоты? Возможно потому, что необходимые для их синтеза α-кетокислоты токсичны для данного вида.
№
|
Название: полное
|
сокращенное
|
1
|
Валин
|
Вал
|
2
|
Изолейцин
|
Иле
|
3
|
Лейцин
|
Лей
|
4
|
Лизин
|
Лиз
|
5
|
Метионин
|
Мет
|
6
|
Треонин
|
Тре
|
7
|
Триптофан
|
Три
|
8
|
Фенилаланин
|
Фен
|
Частично заменимые аминокислоты: в небольших количествах синтезируются в организме.
№
|
Название: полное
|
сокращенное
|
1
|
Аргинин
|
Арг
|
2
|
Гистидин
|
Гис
|
Условно заменимые аминокислоты: для синтеза необходимы незаменимые аминокислоты.
№
|
Название: полное
|
сокращенное
|
1
|
Тирозин
|
Тир
|
2
|
Цистеин
|
Цис
|
В условиях пищевого дефицита все аминокислоты становятся незаменимыми!!!
Классификация аминокислот по полярности радикала:
Амфотерность и реакционная способность аминокислот.
B aминoкиcлотax cодeржaтся как минимум две ионогенные группы, поэтому их сyммapный зapяд зaвиcит oт pH среды. У карбоксильных групп при Cα рКа лежат в диапазоне 1,8-2,8, т.е. кислотные свойства у этих групп выражены сильнее, чем у незамещенных монокарбоновых кислот. рКа α аминогрупп также различны и составляют 8,8-10,6. Кислые и основные аминокислоты несут в боковой цепи дополнительные ионогенные группы.
Изоэлектрическое состояние.
Зависимость заряда аминокислоты от рН среды хорошо видна на примере гистидина. В гистидине наряду с карбоксильной и аминогруппой при Сα (рКа 1,8 и 9,2 соотв.) присутствует имидазольный остаток c рКа 6,0. Поэтому при повышении рН среды заряд гистидина изменяется от +2 до -1. При рН 7,6 суммарный заряд гистидина равен нулю, несмотря на то что в его молекуле имеются две полностью ионизированные группы. Величина рН, при которой суммарный заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой pI:
|
где - lg константы диссоциации.
|
Уравнение справедливо для аминокислот, не содержащих дополнительных –СООН и NH2– групп. В изоэлектрической точке гистидин являетcя цвиттер-ионом, т.е. молекула обладает свойствами как аниона, так и катиона. B нейтральной области рН большинство аминокислот также являются цвиттер-ионами:
Для открытия в биообъектах и количественного определения аминокислот применяется реакция их с нингидрином.
Аминокислота Окисленный Восстановленный
нингидрин нингидрин
На II стадии образовавшийся аммиак реагирует с эквимолярными количествами окисленного и восстановленного нингидрина, образуя сине-фиолетовый продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты:
На основе нингидриновой реакции были разработаны методы количественного определения аминокислот, в частности метод распределительной хроматографии на бумаге, впервые внедренный А. Мартин и Р. Синдж в 1944 г.
Пептидная связь
При соединении друг с другом аминокислоты перестают быть таковыми с химической точки зрения. С точки зрения химика корректно говорить, что белки состоят не из аминокислот, а из аминокислотных остатков. Поэтому общая химическая формула любого белка (пептида), состоящего из n аминокислотных остатков, должна быть записана как:
Последовательность аминокислотных остатков принято рассматривать в одном определенном направлении – от N- к С-концу. При образовании пептидной связи выделяется вода. Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это сказывается на свойствах пептидной группировки:
�� пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости;
�� атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс-положении по отношению к пептидной С-N связи:
|
Пептидная группировка
(длины связей указаны в нм)
|
�� пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):
Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную амино-группу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец). Иногда после синтеза белка на рибосоме (трансляции) происходит химическая модификация некоторых аминокислотных остатков (посттрансляционная модификация). В результате, например, остатки пролина и лизина могут превращаться в остатки оксипролина и оксилизина, к тирозильному остатку порой присоединяется сульфатная группа и т.д.
Химические особенности пептидной связи
Свойства пептидной связи
Планарная структура
Укороченность связи C-N
Универсальность структуры аминокислот
Способность радикалов к вращению вокруг оси
|
Предполагаемые следствия
Создание жесткой структурной основы
Жесткость связи
Возможность взаимодействия радикалов по длине цепи
Образование -спирали
|
Этот процесс приводит к тому, что в организме одновременно сосуществуют белки или пептиды с модифицированными и немодифицированными остатками. Так, пептид гастрин может быть сульфатирован и несульфатирован по одному из остатков тирозина, и, что очень важно в проявлении физиологических функций, сульфатированный гастрин существенно более активен.
Пептиды
Первую химическую формулу простейшего природного олигопептида (дипептида карнозина) в 1900 г. определили профессора Московского университета В.С. Гулевич (1867–1933) и его ученик С. Амираджиби.
К классу пептидов относят белки, длиной менее 10000 аминокислотных остатков. Короткие пептиды, содержащие до 10 аминокислот, принято называть олигопептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков, входящих в молекулу полипептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Короткоцепочечные пептиды могут быть синтезированы искусственно.
Для того чтобы соединить две аминокислоты пептидной связью, необходимо:
а) закрыть (защитить) карбоксильную группу глицина и аминогруппу аланина, чтобы не произошло нежелательных реакций по этим группам;
б) образовать пептидную связь;
в) снять защитные группы.
Защитные группы должны надёжно закрывать аминную и карбоксильную группы в процессе синтеза и потом легко сниматься без разрушения пептидной связи.
|
