Физико-химические свойства аминокислот

Лекция 1

БЕЛКИ КАК УНИКАЛЬНЫЙ КЛАСС БИОПОЛИМЕРОВ

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, построенные из остатков α-аминокислот (АК).

Белки также называют протеинами (греч. protos – первый, важнейший). Белкам принадлежит решающая роль во всех процессах жизнедеятельности, они не встречаются в неживой природе.

Живая природа обладает рядом свойств, отличающих ее от неживой природы: это

1) способность живых организмов к воспроизводству себе подобных;

2) сократимость, движение;

3) высокий уровень структурной организации;

4) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии;

5) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений.

Все эти свойства живой природы в большей мере обусловлены наличием в ней белков. Таким образом, белки составляют основу и структуры, и функций живых организмов.

Физико-химические свойства белков

1. Высокая вязкость белковых растворов.

2. Водные растворы белков имеют ясно выраженный коллоидный характер. Стабилизация коллоидных растворов белков обеспечивается зарядом частиц коллоидного раствора.

3. Способность белковых растворов к набуханию в больших пределах.

4. Растворы белков оптически активны, подвижны в электрическом поле, поглощают УФ-лучи при 280 нм.

5. Благодаря наличию свободных СООН– и NH₂– групп проявляют амфотерные свойства. Кроме того, белки имеют высокую Mr, обладают изоэлектрической и изоионной точкой, денатурируют и ренатурируют и т.д.

Элементный состав белков

В белках содержится до 55% – С; 20-25% – О; 16% – N, а также S, P, Mgи др. Доля азота в отличие от других элементов примерно одинакова и составляет 16% и содержание белка в материале часто определяют по количеству азота (сжигание по Къельдалю). Исключение составляет белки-протамины, которые содержат ~30% N.

Mr – относительная молекулярная масса белков. Она очень велика: от ≈6000Да до нескольких миллионов Да.

Например, Mr инсулина = 5733 Да, а вируса табачной мозаики – 40 млн.Да

Мономеры или структурные звенья белков.

Их можно определить путем кислотного гидролиза белков. Мономерами белков являются α-АК L-ряда. Соединение АК в полипептидную цепь (ППЦ) происходит посредством ковалентных пептидных связей –CO–NH–.

Сложная структурная организация.

Некоторые природные, а также искусственно полученные полипептиды могут иметь большую Mr, но отнести их к белкам нельзя. Отличает их от белков уникальный признак, присущий только белкам – денатурация. При действии определенных веществ, так называемых детергентов, происходит потеря белком физико-химических свойств, а главное – биологической активности, при этом пептидные связи не разрываются. Таким образом, белки обладают сложной пространственной организацией.

Таковы характерные признаки белков.

Форма белковых молекул.

В природе белки встречаются как в виде нитей – фибрилл, так и в виде шариков – глобул. Иногда глобулярные и фибриллярные формы встречаются в виде комплексов (в мышечной ткани комплекс актина с миозином; в плазме крови содержится фибрилл белка – фибриноген, а также глобулы белка – альбумины и глобулины).

Функции белков.

1. Каталитическая – более 99% ферментов или биологических катализаторов являются белками; например каталаза, аспартат-аминотрансфераза. К 90-м годам 20 в. идентифицировано более 2000 ферментов белковой природы.

2. Питательная (или резервная) – казеин – белок молока, овальбумины – белки яйца.

3. Транспортная – дыхательная функция крови, в частности, перенос О₂ осуществляется гемоглобином (Нв) - белком эритроцитов.

4. Защитная – специфические защитные белки-антитела нейтрализуют действие чужеродных белков-антигенов.

5. Сократительная – специфические белки мышечной ткани актин и миозин обеспечивают мышечные сокращения и расслабления, т.е. движение.

6. Структурная – такую функцию выполняют белки – коллаген соединительной ткани, кератин – в волосах, ногтях, коже.

7. Гормональная – регуляция обмена веществ осуществляется за счет гормонов – белков или полипептидов гипофиза, поджелудочной железы.

Физико-химические свойства аминокислот

α-АК являются строительными блоками, из которых образуются белковые полипептидные цепи (ППЦ) и, собственно, сами белки. Аминокислоты – это производные карбоновых кислот, в которых один из водородов углеродной цепи замещен на R.

Путем гидролиза из животных белков выделяют 19-25 α-АК, но обычно их получают 20. Общая формула аминокислот:

Аминокислоты – это бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся при высоких температурах (>250°С). Легко растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях. Имея в своем составе NH₂–группу основного характера и COOH– с кислыми свойствами, АК обладают амфотерностью. В водных растворах α-АК в основном существуют в виде биполярных ионов или цвиттер-ионов с диссоциированной COO^––группой и протонированной NH₃⁺–группой.

Цвиттер-ион

В зависимости от рН–среды АК могут быть в виде анионов, катионов, нейтральных биполярных ионов или в виде смеси их форм.

В сильнокислой среде АК присутствуют в виде катионов (q +)

в сильнощелочной среде – в виде анионов (–q)

Величина рН, при которой в водном растворе преобладает цвиттер-ион, т.е. равновесная концентрация «+» и «–» q аминокислот, а также белков, называется изоэлектрической точкой(pI). При достижении такой рН белок становится неподвижным в электрическом поле и выпадает в осадок, что используется в электрофоретических методах анализа белков и аминокислот.

Стереохимия аминокислот.

Важным свойством АК является их оптическая активность в водных растворах. Это свойство АК обусловлено наличием в их структуре хирального атома С. Хиральным атомом или хиральным центром называется атом, у которого все связи замещены различными радикалами (R):

Оптически неактивной является только АК глицин, которая не имеет хирального центра.

Существуют два вида изомеров – структурные и стереоизомеры.

Структурные изомеры – это вещества с одинаковой Mr, но различной последовательностью связывания атомов в молекуле.

Стереоизомеры– это изомеры с одинаковой последовательностью соединения атомов, но с различным их расположением в пространстве.

Если 2 стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение, их называют энантиомерами.

Энантиомеры всегда проявляют одинаковые химические и физические свойства за исключением одного – направления вращения плоскости поляризованного луча. Энантиомер, вращающий плоскость поляризации по часовой стрелке, называется правовращающим («+»), а против часовой стрелки – левовращающим («–»). Природные аминокислоты являются как «+», так и «–».

Смесь равного количества молекул правого и левого энантиомеров называется рацемической смесью.

Рацематы не обладают оптической активностью. По пространственному расположению атомов и радикалов вокруг хирального центра различают аминокислоты Д– и L–ряда. Для определения принадлежности АК к Д– или L–ряду сравнивают конфигурацию ее хирального центра с энантиомером глицеральдегида (ГА).

По аналогии, в аминокислотах если NH₂–группа расположена справа от оси СООН-R, то это Д–АК, а если слева – L–АК.

Все аминокислоты природных белков являются α–АК.

Современная рациональная классификация аминокислот

в соответствии с ней все аминокислоты делятся на 4 группы.

I – Неполярные гидрофобные аминокислоты – их 8.

	Аланин   Валин   Лейцин     Изолейцин     триптофан
	Пролин   Фенилаланин     Метионин

II –Полярные гидрофильные незаряженные аминокислоты – их 7.

	Глицин   Серин   Треонин   Цистеин
	Тирозин   Аспарагин   Глутамин

III – Отрицательно заряженные кислые аминокислоты

	Аспарагиновая кислота
	Глутаминовая кислота

IV Положительно заряженные основные аминокислоты

	Лизин     Аргинин
	Гистидин

Образование пептидных связей.

a–СООН группа одной аминокислоты может реагировать с a–NH₂ группой другой аминокислоты с образованием пептидных связей.

Пептидные цепи белков – это линейные полимеры a–АК, соединенных пептидной связью.

Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками, цепь повторяющихся групп –NH–CH–CO– называется пептидным остовом. Аминокислотный остаток, имеющий свободную NH₂–группу называется N–концевым, а имеющий свободным α–карбоксигруппу – С–концевым.

Пептиды пишутся и читаются с N–конца.

Пептидная связь, образуемая аминогруппой пролина, отличается от других пептидных связей: у атома азота пептидной группы отсутствует водород, вместо него имеется связь с R.

Пептидные связи очень прочные, для их неферментного гидролиза in vitroтребуются жесткие условия: высокие t° и r, кислая среда, длительное время. In vivo, где нет таких условий, пептидные связи могут разрываться с помощью протеолитических ферментов (E), называемых протеазами или пептидгидролазами.

Полипептидная теория строения белков была предложена в 1902 г. Э.Фишером, в ходе дальнейшего развития биохимии эта теория была экспериментально доказана.

Экспериментальные доказательства полипептидного
строения белков

1. Титруются только концевые COOH– и NH₂– группы.

2. При гидролизе белков образуется стехеометрическое количество титруемых COOH– и NH₂–групп (происходит распад определенного числа пептидных связей).

3. Под действием протеолитических ферментов (протеаз) белки расщепляются на строго определенные фрагменты с концевыми аминокислотами, соответствующими избирательному действию протеаз.

4. Биуретовую реакцию (раствор сульфата меди CuSO₄ в щелочной среде – сине-фиолетовое окрашивание) дают и биурет (NH₂–CO–NH–CO–NH₂), содержащий пептидную связь и белки.

5. Проведенный рентгеноструктурный анализ (разрешительная способность 0,15-0,2 нм) показывает на рентгенограмме пептидную связь.

6. Самое убедительное доказательство – это синтез химическими методами белков с уже расшифрованной структурой. Синтезированные белки обладают физико-химическими свойствами и биологической активностью, аналогичными природным белкам .

ЛЕКЦИЯ 2

Классификация белков

В зависимости от химического состава белки делятся на 3 группы:

1) простые (протеины);

2) пептиды;

3) сложные (протеиды).

1. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются только на аминокислоты.

Протамины и гистоны – содержат до 85% аргинина, поэтому имеют выраженные основные свойства.

Белок сальмин, полученный из молок семги; клупеин – из молок сельди, скорее относятся к пептидам, т.к. имеют Mr не более 5000 Да.

Протамины в основном являются белковой частью нуклеотидов (ДНК). Гистоны сосредоточены главным образом в ядре и представляют белковую часть РНК.

Проламины и глютелины – белки растительного происхождения: зеин получают из кукурузы, глютенин - из пшеницы. Содержат до 25% глу, 10-15% про.

Альбумины и глобулины – содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке, мышцах и т.д. Это глобулярные белки, отличающиеся различной растворимостью (альбумины растворяются лучше), по Mr (альбумины имеют молекулярную массу, равную 69000 Да, глобулины - 150000Да).

2. Пептиды – это низкомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из остатков аминокислот и имеющие молекулярную массу менее 5000 Да.

а) с гормональной активностью (АКТГ, окситоцин, вазопрессин и др.);

б) участвующие в процессах пищеварения (секретин, гастрин);

в) содержащиеся в α₂-глобулярной фракции сыворотки крови (брадикинин, ангиотензин);

г) нейропептиды (рилизинг-факторы гормонов, например нейрофизины I и II гипоталамуса, способствуют выделению гормонов окситоцина и вазопрессина).

3. Сложные белки или протеиды – состоят из двух частей: белковой и небелковой. Небелковую часть называют простетической группой, а белковую часть, утратившую простетическую группу, называют апобелком.

Подробно рассмотрим группу гемопротеидов – это Hb и его производное миоглобин (белок мышечной ткани), хлорофиллсодержащие белки и ферменты (цитохромы b, С, С₁, каталаза, пероксидаза). Все они в качестве простетических групп содержат Fe (или Mg)–порфирины, а отличаются белковой частью.

Структуру гема впервые раскрыл Ненцкий, а его синтез провел Фишер.

HbA₁ – основной представитель Hb крови взрослого человека;

Фетальный HbF – в крови новорожденного содержится до 80%, к концу 1-го года жизни он почти полностью заменяется на HbA₁.

HbA состоит из 4 ППЦ: 2α–субъединиц и 2b–субъединиц. Четыре субъединицы или протомера ППЦ гемоглобина связаны друг с другом гидрофобными взаимодействиями. Молекула гемоглобина диссоциирует на два димера - ab и a₁b₁. Каждый протомер содержит гем, находящийся в гидрофобной «нише», защищающей его от окисления в ферри-форму. Mr ППЦ гемоглобина равна 64458 (64500) Да.

В основе простетической группы Нbлежит протопорфирин, у которогоимеются: в положении 1,3,5,8-СН₃– метильный R; в положении 2,4 СН₂=СН– винильнный R; в положении 6,7 СООН–СН₂–СН₂ – остатки пропионовой кислоты. Железо, входящее в состав гемоглобина, имеет 2 ковалентные и 4 координационные связи; четыре связи образуют связи с атомами азота, пятая координационная связь присоединяет кислород к гему, шестая – связывает гем и ППЦ.

12
• 3
• Далее ⇒