Главная страница
qrcode

Аминокислоты и белки Южакова. Классификация аминокислот (биологическая, физико-химическая и химическая) хиральность


НазваниеКлассификация аминокислот (биологическая, физико-химическая и химическая) хиральность
Дата02.09.2020
Размер2.88 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файлаАминокислоты и белки Южакова.docx
ТипДокументы
#42856
Каталог
Классификация аминокислот (биологическая, физико-химическая и химическая) хиральность
Аминокисло́ты (аминокарбо́новые кисло́ты; АМК) — органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы. Основные химические элементы аминокислот — это углерод (C), водород (H), кислород (O), и азот (N), хотя другие элементы также встречаются в радикале определенных аминокислот. Известны около 500 встречающихся в природе аминокислот (хотя только 20 используются в генетическом коде). Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминогруппы.


I. Биологическая классификация (по способности синтезироваться в организме человека и животных)

Заменимые аминокислоты – десять из 20 аминокислот, входящих в состав белков, могут синтезироваться в организме человека. К ним относятся: глицин (гликокол), аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аспарагин, глутамин, пролин.

Незаменимые аминокислоты (8 аминокислот)– не могут синтезироваться в организме человека и животных и должны поступать в организм в составе белковой пищи.

Абсолютно незаменимых аминокислот восемь: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан.

Незаменимые аминокислоты входят часто в состав пищевых добавок, используются в качестве лекарственных препаратов.

Условно незаменимые (2 аминокислоты) — синтезируются в организме, но в недостаточном количестве, поэтому частично должны поступать с пищей. Такими аминокислотами являются  гистидин, аргинин.

Для
Для человека одинакововажны оба типа аминокислот: и заменимые, и незаменимые. Большая часть аминокислот идет на построение собственных белков организма, но без незаменимых аминокислот организм существовать не сможет.

При недостатке каких-либо аминокислот 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.

Дефицит аминокислот приводит к ухудшению аппетита, задержке роста и развития, жировой дистрофии печени и другим тяжелым нарушениям.

При этом наблюдается снижение аппетита, ухудшение состояния кожи, выпадение волос, мышечная слабость, быстрая утомляемость, снижение иммунитета, анемия.

Избыток аминокислот 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 заболеваниям суставов, ранней седине, тяжелым анемиям).

В условиях нормального функционирования организма, когда присутствует достаточное количество витаминов (В6, В12, фолиевой кислоты) и антиоксидантов (витамины А, Е, С и селен), избыток аминокислот не наносит вред организму.

По биохимической роли: аминокислоты делятся на

1) гликогенные – через ряд химических превращений поступают на путь гликолиза (окисления глюкозы) – Гли, Ала, Тре, Вал, Аск, Глк, Арг, Гис, Мет.

2) кетогенные – участвуют в образовании кетоновых тел - Лей, Илей, Тир, Фен.

II. Физико-химическая классификация

Структурные формулы большинства нижеперечисленных кислот изображены в рисунке выше.


1) Гидрофобные аминокислоты (неполярные). Компоненты радикалов содержат обычно углеводородные группы и ароматические кольца.

К неполярным (гидрофобным) относятся аминокислоты с неполярными 
R-группами и одна серосодержащая аминокислота:

— алифатические: аланин, валин, лейцин, изолейцин

— ароматические: фенилаланин, триптофан.

— серусодержащие: метионин

— иминокислота: пролин.
2) Гидрофильные (полярные) незаряженные аминокислоты. Полярные незаряженные аминокислоты по сравнению с неполярными лучше растворяются в воде, более гидрофильны, так как их функциональные группы образуют водородные связи с молекулами воды. Эти группы взаимодействуют с дипольными молекулами воды, которые ориентируются вокруг них.

К ним относятся аминокислоты, содержащие:

— полярную ОН-группу (оксиаминокислоты): серин, треонин и тирозин

—  HS-группу: цистеин

— амидную группу: глутамин, аспарагин

— и глицин (R-группа глицина, представленная одним атомом водорода, слишком мала, чтобы компенсировать сильную полярность a-аминогруппы и
a-карбоксильной группы).
3) Полярные отрицательно заряженные аминокислоты. К ним относятся аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Они содержат по две карбоксильные и по одной аминогруппе, поэтому в ионизированном состоянии их молекулы будут иметь суммарный отрицательный заряд:
аспарагиновая кислота в иноизированном состоянии

Гистидин в ионизированном состоянии
лизин, гистидин и аргинин.I
II. Химическая классификация
На основе химического строения радикалов



гидроксилсодержащие аминокислоты
    По взаимному положения функциональных групп
    В зависимости от взаимного расположения амино- и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на α- , β-, и т. д.

      По числу функциональных групп
      Аминокислоты по числу функциональных групп можно разделить моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые:
        По Хиральность

        Хиральность (др.-греч. χειρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве


        Все входящие в состав живых организмов α-аминокислоты, кроме глицина, содержат асимметрический атом углерода (треонин и изолейцин содержат два асимметрических атома) и обладают оптической активностью. Почти все встречающиеся в природе α-аминокислоты имеют L-конфигурацию, и лишь
        L-аминокислоты включаются в состав белка, синтезируемых на рибосомах.

        Необходимо отметить, что в случае аминокислот символы L и D приняты для обозначения конфигурации α-углеродного атома, а не знака оптического вращения (для указания последнего используются символы + и −). Например, L-цистеин в нейтральном водном растворе является левовращающим (−), напротив, L-аланин – правовращающим (+), хотя также принадлежит к L-ряду. На знак оптического вращения оказывает влияние среда, в которой проводится определение. Так, L-серин в нейтральной среде является лево-, а в кислой – правовращающим.
          Кислотно-основные свойства (амфотерность) аминокислот. Понятие изоэлектрической точки. При каком значении pH наблюдается изоэлектрическая точка нейтральных, кислых и основных аминокислот
          В водном растворе аминокислоты одновременно ведут себя как кислоты – доноры протонов и как основания – акцепторы протонов. Данное свойство аминокислот напрямую связано со амфотерными свойствами белков, благодаря которому они участвуют в регуляции кислотно-основного состояния крови.

          Если общий заряд аминокислоты равен 0, то это ее состояние называют изоэлектрическим. Величина рН, при которой заряд аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI). Значение изоэлектрической точки зависит от строения радикала аминокислоты:
          ИЭТ большинства аминокислот располагается в диапазоне рН от 5,5 (фенилаланин) до 6,3 (пролин),
        1. ИЭТ кислых аминокислот - для глутамата 3,2, для аспартата 2,8,
        2. ИЭТ основных аминокислот - для гистидина 7,6, для аргинина 10,8, для лизина 9,7
          Кислотно-основные свойства аминокислот используются для разделения и последующей идентификации аминокислот методами электрофореза и ионообменной хроматографии. Оба эти метода основаны на различиях в знаке и величине суммарного электрического заряда при данном значении рН.

            Способы синтеза аминокислот. Приведите соответствующие уравнения реакций
            Аминирование α-галогензамещенных кислот:
            Нуклеофильное замещение галогена на аминогруппу в α-галогенкарбоновой кислоте один из наиболее известных методов синтеза α-аминокислот (хотя этот метод применим и для синтеза с любым удалением аминогруппы от карбоксильной, но применяется довольно редко из-за низкого выхода целевого продукта)

              Аминирование эфиров α-галогензамещенных кислот по методу Габриэля. Этот метод представляет собой модификацию известного метода синтеза первичных аминов и обеспечивает получение α-аминокислот с высоким выходом.
                Получение по методу Штреккера-Зелинского
                По этому способу альдегид обрабатывают водным раствором смеси цианида калия и хлорида аммония.

                  Синтез на основе малонового эфира

                    Свойства аминокислот: реакции по аминогруппе, карбоксилу, термические превращения α-,β- и γ-аминокислот, реакции окисления.
                    Реакции аминогруппы
                    Дезаминирование азотистой кислотой (метод Ван Слайка). Количественное определение аминокислот по объему выделившегося азота.
                    N-алкилирование. Избирательность этой реакции зависит от характера алкилирующего агента.
                    N-ацилирование
                    Образование оснований Шиффа

                    Реакции карбоксильной группы
                    Кислотные свойства аминокислот проявляются по карбоксильной группе в их способности взаимодействовать, например, с щелочами:



                    Реакцию осуществляют действием сухого хлороводорода на смесь безводного спирта и аминокислоты. Эфир аминокислоты получают в виде хлоргидрата, который переводят в основание действием триалкиламина. Реакция используется для «защиты» карбоксильной группы при пептидном синтезе.
                    Образование галогенангидридов из N-ацилированных аминокислот синтез пептидов
                    Превращения аминокислот при нагревании
                    Аминокислоты с различным взаимным расположением амино- и карбоксильных групп при нагревании ведут себя различно.

                    α-Аминокислоты димеризуются и образуют циклические продукты дикетопиперазины. При этом протекает взаимное ацилирование аминогруппы одной молекулы аминокислоты карбоксильной группой другой молекулы.


                    При кратковременном нагревании α-аминокислот с нингидрином в воде наблюдается изменение окраски раствора с бесцветного на фиолетовый за счет образования нингидринного пигмента (пурпура Руэманна). Эта качественная реакция используется для визуальной идентификации α-аминокислот на тонкослойных и бумажных хроматограммах.


                    β-Аминокислоты отщепляют молекулу аммиака и дают α,β-непредельные кислоты.


                    Замыкание β-лактамного цикла происходит при взаимодействии β-аминокислот с дициклогексилкарбодиимдом (ДЦК).


                    γ-Аминокислоты при нагревании превращаются в лактамы – продукты внутримолекулярного ацилирования аминогруппы карбоксилом:

                    Комплексообразование
                    α-Аминокислоты образуют с катионами металлов внутрикомплексные соли. Например, глицин реагирует со свежеосажденным гидроксидом меди, давая синий раствор глицината меди.

                      Качественные реакции на аминокислоты (групповые и специфические). Приведите соответсвующие уравнения реакций
                      Аминокислоты можно обнаружить с помощью цветных реакций: нингидриновой, ксантопротеиновой, Фоля, Милона, биуретовой пробы и др. Эти реакции неспецифичны, т.к. основаны на обнаружении отдельных фрагментов в структуре аминокислот, которые могут встречаться и в других соединениях.

                      NH) в иминокислотах — пролине и оксипролине; в этом случае образуется продукт ярко-жёлтого цвета. Чувствительность — до 0,01%. Современный автоматический аминокислотный анализ проводят, сочетая ионообменное разделение аминокислот и количественное определение их с помощью нингидриновой реакции. При разделении смесей аминокислот методом бумажной хроматографии позволяет определять каждую аминокислоту в количестве не менее 2—5 мкг.

                      По интенсивности окраски можно судить о количестве аминокислот. Эта реакция положительна не только со свободными аминокислотами, но и пептидами, белками и др.

                      Ксантопротеиновая реакция позволяет обнаружить ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин, гистидин, триптофан), основана на реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре (нитрование). При действии концентрированной азотной кислоты, например, на тирозин образуется продукт, окрашенный в желтый цвет.




                      Реакция на триптофан. Триптофан, реагируя в кислой среде с альдегидами, образует окрашенные продукты конденсации. Например, с глиоксиловой кислотой (являющейся примесью к концентрированной уксусной кислоте) реакция протекает по уравнению:


                      Реакция Сакагучи. Эта реакция на аминокислоту аргинин основана на взаимодействии аргинина с α-нафтолом в присутствии окислителя. Ее механизм еще полностью не выяснен. По-видимому, реакция осуществляется по следующему уравнению:




                      N-Концевые аминокислоты определяют по реакции с 2,4-динитрофторбензолом или дансилхлоридом. Свободная аминогруппа N-концевой аминокислоты арилируется или ацилируется, белок гидролизуют, образовавшиеся N-(2,4-динитрофенил)- (А) или N-(5-диметиламинонафтил-1-сульфо)производные (Б) существенно отличаются по физико-химическим свойствам от остальных аминокислот, поэтому их легко отделяют и идентифицируют.


                      С-Концевые аминокислоты определяют методом Акароби – при нагревании пептида с гидразингидратом пептидные связи гидролизуются и образуется смесь гидразидов аминокислот. С-Концевая аминокислота не реагирует с гидразином, остается в свободном виде, ее выделяют и идентифицируют.

                        Понятие пептидов и белков. Основные принципы синтеза полипептидов; защита аминогруппы и активация карбоксильной группы. Напишите схему получения трипептида из трех молекул глицина
                        Пепти́ды (греч. πεπτος «питательный») — семейство веществ, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот, соединённых в цепь пептидными (амидными) связями —C(O)NH—. Обычно подразумеваются пептиды, состоящие из α-аминокислот, однако термин не исключает пептидов, полученных из любых других аминокарбоновых кислот.

                        Пептиды, последовательность которых короче примерно 10—20 аминокислотных остатков, могут также называться олигопепти́дами; при большей длине последовательности они называются полипепти́дами (

                        1. Получение аминокислот с защищенными амино- и карбоксильными группами.

                        2. Образование пептидной связи.

                        3. Избирательное отщепление защищающих групп. Образование пептидной связи в мягких условиях удается лишь при активировании карбоксильного компонента одной из аминокислот, вступающей реакцию. Вторая молекула аминокислота (аминокомпонент) атакует активированный карбоксильный компонент аминогруппой с образование пептидной связи. Незащищенная аминофункция карбоксильного компонент тоже может реагировать, что приводит к нежелательным побочным продуктам — линейным и циклическим пептидам. И этого следует вывод, что для однозначного течения пептидного синтеза следует временно блокировать все функциональные группы, не участвующие в образовании пептидной связи.

                        Получение трипептида из глицина:


                        Временная защита амино- и карбоксильных групп позволяет соединять остатки аминокислот в требуемой последовательности и, кроме этого, лишает аминокислоты амфотерных свойств.

                        Для обратимой защиты аминогрупп испoльзуются следуюшие группы: карбобензоксигруппа, п-толуолсульфонильная (тозильная) группа, трифенилметильная группа.



                          Первичная, вторичная и третичная структура белков. Какие слабые и сильные связи участвуют в формировании третичной структуры белка?
                          Первичная структура. Каждому виду белка строго индивидуально присущи определенный состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи; любое звено цепи — это определенная аминокислота. Последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле и структуру, поддерживаемую ковалентными связями, называют первичной структурой белка, Все существующие в природе белки различаются по первичной структуре. Первичная структура каждого индивидуального белка сохраняется в поколениях, т, е. закреплена генетически благодаря передаче наследственной информации.

                          Число возможных первичных структур молекул белка практически неограниченно, Каталитические свойства того или иного белка зависят от его первичной структуры, и для функционирования белка-катализатора необходимо определенное сочетание аминокислот.

                          Постулаты (принципы формирования пептидной связи), сформулированные Л. Поллингом и Р. Кори:

                          1) атомы, образующие пептидную связь, копланарны (расположены в одной плоскости); вращение атомов или групп атомов вокруг пептидной связи невозможно;

                          2) принцип эквивалентности вклада АК-остатков в образование пептидной связи и, тем самым, в образование полипептидной цепи (исключение пролин);

                          3) принцип максимума водородных связей.

                          Вторичная структура. Пространственная конфигурация (конформация) полипептидной цепи белка создается благодаря возникновению дополнительных связей — «водородных мостиков», которые образуются как в пределах одной полипептидной цепи, так и между цепями. Водородные связи возникают в результате относительно слабых связей между атомами водорода и свободной парой - электронов отрицательного элемента полипептидной цепи белка, например между водородным атомом >NH-группы одной пептидной связи и атомами кислорода >СО-группы другой:

                          Если водородные связи образуются в пределах одной полипептидной цепи, то она закручивается в спираль; водородные связи стабилизируют спиральную конформацию полипептидной цепи. При образовании водородных мостиков между двумя пептидными цепями создаются структуры складчатого типа. Большое количество водородных связей обеспечивает высокую стабильность молекулы белка.

                          Третичная структура. Спиральные полипептидные цепи жестко фиксируются за счет взаимодействия боковых групп, аминокислот, приобретая специфическую для каждого белка пространственную структуру (конформацию). Это третичная структура белка. В зависимости от расположения полипептидных цепей форма молекул белка может варьировать от фибриллярной (вытянутой, нитеобразной) до глобулярной (округлой).

                          Связи, стабилизирующие третичную структуру образуются между боковыми радикалами аминокислот и их функциональными группами. Связи могут быть сильными (ковалентными) и слабыми (полярными и ван-дер-ваальсовыми).

                          Гидрофобные (ван-дер-ваальсовы), ионные и водородные связи слабые, но так как они многократно повторяются в белке, то играют важную роль в формировании третичной структуры.

                          При укладке третичной структуры α-спираль или полипептидная цепь белка стремится принять энергетически (термодинамически) выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. В связи с этим гидрофобные радикалы аминокислот, избегая воды формируют ван-дер-ваальсовы связи внутри белковой молекулы, а гидрофильные группы аминокислот располагаются ближе к наружной поверхности и связывают воду. В центре белковой глобулы практически нет воды, а на ее поверхности формируется гидратная оболочка.

                          При укладке третичной структуры α-спираль приобретает определенную форму в трехмерном пространстве

                          Типы связей, участвующие в формировании третичной структуры белка

                          1. Слабые связи:

                          – гидрофобная связь (ван-дер-ваальсова) – образуется между гидрофобными (неполярными) радикалами аминокислот;

                          – водородные связи – образуются между полярными незаряженными радикалами аминокислот;

                          – ионные или электростатические связи – образуются между полярными заряженными радикалами аминокислот.

                          2. Сильные связи (ковалентные):

                          – дисульфидная связь – образуется между двумя молекулами цистеина

                          – псевдопептидная (ложнопептидная) связь – образуется между карбоксильной группой радикала одной аминокислоты и аминогруппой радикала другой аминокислоты;

                          – сложно-эфирная связь – образуется между гидроксильной группой серина или треонина и карбоксильной группой радикалов глутаминовой и аспарагиновой кислот.

                          Четвертичная структура. Под четвертичной структурой белков понимают структурную связь двух или нескольких пространственно организованных полипептидных цепей, которые, объединяясь, образуют биологически активную молекулу. Молекулы многих белков состоят из нескольких полипептидиых цепей, субъединиц, соединенных между собой непептидными связями: водородными, ионными или гидрофобными, которые и образуют четвертичную структуру. Если взаимное расположение субъединиц будет смещено, то это может вызвать различные изменения функции белка.

                          Все виды структуры белка имеют большое значение для проявления каталитической активности фермента и регуляторного действия ферментов в клетке.
                            Что происходит при различных видах денатурации белка? Какие существуют основные факторы, вызывающие денатурацию белка?

                            Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы.

                            Практически любое заметное изменение внешних условий, например, нагревание или существенное изменение pH приводит к последовательному нарушению четвертичной, третичной и вторичной структур белка. Обычно денатурация вызывается повышением температуры, действием сильных кислот и щелочей, солей тяжёлых металлов, некоторых растворителей (спирт), радиации и др.

                            Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации частиц белка в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование «белка» при жарке яиц.

                            Факторы, вызывающие денатурацию белков

                            Факторы, которые вызывают денатурацию белков, можно разделить на физические и химические.

                            Физические факторы

                            1. Высокие температуры. Для разных белков характерна различная чувствительность к тепловому воздействию. Часть белков подвергается денатурации уже при 40-500С. Такие белки называют термолабильными. Другие белки денатурируют при гораздо более высоких температурах, они являются термостабильными.

                            2. Ультрафиолетовое облучение

                            3. Рентгеновское и радиоактивное облучение

                            4. Ультразвук

                            5. Механическое воздействие (например, вибрация).

                            Химические факторы

                            1. Концентрированные кислоты и щелочи. Например, трихлоруксусная кислота (органическая), азотная кислота (неорганическая).

                            2. Соли тяжелых металлов (например, CuSO4).

                            3. Органические растворители (этиловый спирт, ацетон)

                            4. Растительные алкалоиды.

                            5. Мочевина в высоких концентрациях

                            6. Другие вещества, способные нарушать слабые типы связей в молекулах белков.

                            Воздействие факторами денатурации применяют для стерилизации оборудования и инструментов, а также как антисептики.
                            перейти в каталог файлов


связь с админом