Аминокислоты. ПЕПТИДЫ. белки

Аминокислоты

Аминокислотами называются соединения, в молекуле которых содержатся одновременно аминные и карбоксильные группы. Аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в углеводородном радикале которых атомы водорода замещены на одну или более аминогрупп. Аминокислоты, которые не синтезируются в организме животных, называются незаменимыми. Аминокислоты важны тем, что из них синтезируют белок, в которых они связаны пептидной связью.

b CH3–	a CH–COOH a- аминопропионовая кислота I NH2
b CH2– I NH2	a CH2–COOH b- аминопропионовая кислота

Чаще всего термин "аминокислота" применяют для обозначения карбоновых кислот, аминогруппа которых находится в α- положении, т.е. для α - аминокислот. В зависимости от природы радикала (R) – аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.

Способы получения

1. Важнейший источник аминокислот – природные белки, при гидролизе которых образуются смеси α-аминокислот. Разделение этой смеси – довольно сложная задача, однако по обыкновению одна или две аминокислоты образуются в значительно больших количествах, чем все другие, и их удается выделить достаточно просто.

2. Синтез аминокислот из галогенозамещенных кислот действием аммиака.

Химические свойства

1. Некоторые свойства аминокислот, в частности высокая температура плавления, объясняется своеобразным их строением. Кислотная (–COOH) и основная (–NH₂) группы в молекуле аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя внутренние соли (биполярные ионы). Например, для глицина

H2N-CH2-COOH « H3N+-CH2-COO-

2. Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера α-аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

H2N–	CH–COOH + HCl ® [H3N+– I R	CH–COOH]Cl-(хлористоводородная соль a-аминокислоты) I R
H2N–	CH–COOH + NaOH ® H2N– I R	CH–COO-Na+(натриевая соль a-аминокислоты) + H2O I R

3. В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

Этиловый эфир аланина

4. a- Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N- ацильные производные a- аминокислот (символ "N" означает, что ацил связан с атомом азота).

N – ацетилаланин

5. a- Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

H2N–	H I CH–	O II C–OH + H–NH–	CH3 I CH–	O II C–OH ®
	глицин	аланин
® H2N–	H I CH–	O II C–NH–	CH3 I CH–	O II C–OH + H2O
	глицилаланин

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

Связь –

O II C–NH – называется пептидной связью.

6. При действии азотистой кислоты на аминокислоты реакция протекает так же, как и в случае аминов. Из первичных аминов образуются спирты, из аминокислот - оксикислоты.

Особую группу составляют реакции, связанные с наличием и взаимными влиянием амино- и карбоксильных групп. Это отношение аминокислот к нагреванию. a-Аминокислоты при нагревании, отщепляя воду, образуют циклические соединения – дикетопиперазины. b-Аминокислоты при нагревании выделяют аммиак и превращаются в непредельные кислоты. g- и d-Аминокислоты легко отщепляют воду и циклизуются, образуя циклические амиды – лактамы.

a-Аминокислоты при взаимодействии с гидроксидом меди (II) образуют комплексные соли:

Пептиды. Белки

Пептиды и белки - представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков α - аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

Ни один из известных нам живых организмов не обходится без белков. Белки служат питательными веществами, они регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов – катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д. Как видно, функции белков в природе универсальны. Белки входят в состав мозга, внутренних органов, костей, кожи, волосяного покрова и т.д. Основным источником a- аминокислот для живого организма служат пищевые белки, которые в результате ферментативного гидролиза в желудочно-кишечном тракте дают a- аминокислоты. Многие a- аминокислоты синтезируются в организме, а некоторые необходимые для синтеза белков a- аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, треонин, метионин, триптофан и др. (см.таблицу). При некоторых заболеваниях человека перечень незаменимых аминокислот расширяется.

Пептиды и белки различают в зависимости от величины молекулярной массы. Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (соответствует молекулярной массе до 10000), а белки - свыше 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10000 до нескольких миллионов). При этом в пептидах различают олигопептиды, содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, содержащие до 100 аминокислотных остатков.

Конструкция полипептидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся метиновых (CH) и пептидных (CONH) групп. Различия такой цепи заключаются в боковых радикалах, связанных с метиновой группой, и характеризующих ту или иную аминокислоту. Один конец цепи со свободной аминогруппой называется N– концом, другой, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называется C– концом. Пептидные и белковые цепи записываются с N– конца. Иногда пользуются специальными обозначениями: на N– конце пишется NH– группа или только атом водорода –H, а на C– конце - либо карбоксильная COOH– группа, либо только гидроксильная OH– группа.

Для полипептидов и белков характерны четыре уровня пространственной организации, которые принято называть первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Первичная структура белка - специфическая аминокислотная последовательность, т.е. порядок чередования a- аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Вторичная структура белка - конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и CO. Одна из моделей вторичной структуры – a- спираль.

Третичная структура белка - трехмерная конфигурация закрученной спирали в пространстве, образованная за счет дисульфидных мостиков –S–S– между цистеиновыми остатками и ионных взаимодействий.

Четвертичная структура белка - структура, образующаяся за счет взаимодействия между разными полипептидными цепями. Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков, например гемоглобина.

Химические свойства

1. Денатурация. Утрата белком природной (нативной) конформации, сопровождающаяся обычно потерей его биологической функции, называется денатурацией. С точки зрения структуры белка – это разрушение вторичной и третичной структур белка, обусловленное воздействием кислот, щелочей, нагревания, радиации и т.д. Первичная структура белка при денатурации сохраняется. Денатурация может быть обратимой (так называемая, ренатурация) и необратимой. Пример необратимой денатурации при тепловом воздействии – свертывание яичного альбумина при варке яиц.

2. Гидролиз белков – разрушение первичной структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов, приводящее к образованию α-аминокислот, из которых он был составлен.

3. Качественные реакции на белки:

а) Биуретовая реакция – фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II) в щелочном растворе. Такую реакцию дают все соединения, содержащие пептидную связь.

б) Ксантопротеиновая реакция – появление желтого окрашивания при действии концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина).

в) Реакция Миллона.

г) Нингидринная реакция.

Вопросы для самоконтроля

1. Как подразделяются аминокислоты в зависимости от строения углеродного радикала, количества карбоксильных и аминогрупп, входящих в молекулы аминокислоты?

2. Напишите реакции диссоциации аминокислот. Объясните, почему они обладают амфотерными свойствами?

3. Какие соединения называются полипептидами?

4. Классификация белков. Какие белки называются простыми, сложными?

5. Назовите основные качественные реакции на белки.

Контрольные задания

74. Подвергните нагреванию a-, β-, γ-аминобутановые кислоты. Назовите полученные соединения.

75. В чем заключается амфотерность аминокислот? Напишите уравнения соответствующих реакций.

76. Напишите уравнения реакций действия соляной кислоты: а) на глицин; б) на аланин. Назовите полученные соединения.

77. Напишите уравнения реакций KOH: а) с аланином; б) лейцином. Назовите полученные соединения.

78. Напишите схемы реакций, при которых образуются: а) метиловый эфир глицина; б) этиловый эфир аланина.

79. Напишите уравнения реакций получения амида аланина, хлорангидрида глицина.

80. Напишите уравнения действия азотистой кислоты на: г) глицин; б) аланин; в) лизин. Назовите полученные соединения.

81. Напишите уравнения реакций взаимодействия следующих соединений: а) глицина и хлористого ацетила; б) аланина и хлорангидрида пропионовой кислоты.

82. Напишите уравнения реакций ацилирования при действии уксусного ангидрида на аминокислоты: а) глицин; б) аланин; в) глутаминовую кислоту.

83. Напишите уравнения реакций, протекающих при нагревании: а) γ-аминовалериановой кислоты; б) β-аминоизомасляной кислоты; в) α-аминомасляной кислоты. Назовите образующиеся соединения.

84. Напишите уравнения реакций получения аминокислот, исходя из: а) α-хлормасляной кислоты; б) α-хлоризомасляной кислоты. Назовите аминокислоты.

85. Напишите схему последовательных превращений при оксинитрильном синтезе α-аминокислот, если в качестве исходных соединений взять: а) пропионовый альдегид; б) бутанон. Назовите аминокислоты и промежуточные соединения.

86. Напишите схемы образования дипептидов: а) из глицина и валина; б) из аланина и изолейцина; в) из серина и лейцина. Назовите дипептиды.

87. Напишите схемы образования дипептидов: а) из аланина и глицина; б) из аланина и цистина; в) из лейцина и фенилаланина.

88. Получите дипептид фенилаланил-глицин, используя метод защиты амино- и карбоксильной групп.

89. С глицином проведите следующие реакции: а) с метиловым спиртом; б) с аммиаком; в) с гидроксидом натрия.

90. Получите трипептид аланил-глицил-серин, используя метод защиты амино- и карбоксильной групп.

91. Напишите реакции трансаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования a-аминокислот на примере лейцина.

92. Напишите схему получения трипептида из глицина, аланина, цистеина, используя метод защиты амино- и карбоксильной групп.

93. Напишите уравнение реакции 2-метилпропановой кислоты с бромом, и полученного соединения с избытком аммиака.

94. Напишите уравнения реакций взаимодействия глицина с водным раствором щелочи и соляной кислотой.

95. Подвергните нагреванию α-, β-, γ-аминопентановые кислоты.

96. Напишите биологически важные химические реакции a-аминокислот (трансаминирование, дезаминирование и декарбоксилирование) на примере аланина.

97. Что такое полипептиды? Какие соединения называются белками? Напишите формулу трипептида глицил-серил-аланина. Отметьте пептидную связь.

98. Что такое фибриллярные белки? Приведите примеры фибриллярных белков.

99. Какие белки называются глобулярными?

100. Дайте краткую характеристику структуры и биологической роли миоглобина.

101. Какие существуют уровни белковой структуры?

102. Назовите типы вторичной структуры. Укажите их основные характеристики.

103. Что представляют собой третичная и четвертичная структуры белка?

104. Каким методом можно определить N-концевую аминокислоту в белке? Напишите на примере глицилвалина.

105. Какие методы используют при определении С-концевой аминокислоты? Напишите на примере валилсерина.

106. Перечислите основные свойства белков.

107. Установление аминокислотной последовательности. Метод Эдмана на примере трипептида - серилфенилаланилглицина.

108. Химические свойства белков. Цветные реакции на белки (напишите химические реакции)..

109. Что такое денатурация белка? Чем ее можно вызвать?

110. Почему белки ведут себя как буферы?

111. Что такое сложные белки?

112. Укажите методы, которые применяют для определения последовательности аминокислотных остатков в пептиде. Проиллюстрируйте их на примере глицилаланилфенилаланина.

113. Напишите формулы: а) изомерных дипептидов, составленных из глицина и аланина; б) изомерных трипептидов, составленных из глицина, аланина и серина. Назовите их.

114. Приведите примеры, позволяющие определять N-и C-концевые аминокислоты в полипептиде. Проиллюстрируйте их на примере трипептида – фенилаланилвалилглицина.

115. Напишите структурную формулу трипептида, при полном гидролизе которого образуется глицин, аланин и цистеин, а при частичном гидролизе- аланилглицин и глицилцистеин.

116. Используя метод защиты аминогруппы карбобензоксихлоридом (С₆Н₅СН₂ОСОСI), осуществите синтез трипептидов; а) глицилаланилглицина; б) аланилглицилфенилаланина.

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты –это биологические катализаторы белковой природы, образуемые живой клеткой. Ускоряя многочисленные реакции, протекающие в живом организме, ферменты являются движущей силой обмена веществ.

По своей функции ферменты являются биологическими катализаторами. Сущность действия ферментов, так же как неорганических катализаторов, заключается:

· в активации молекул реагирующих веществ;

· в разбиении реакции на несколько стадий, энергетический барьер каждой из которых ниже такового общей реакции.

Ферменты являются белками, обладают третичной и четвертичной структурой и имеют все свойства белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин, трипсин, лизоци, папаин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Сложные ферменты (холоферменты) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор. Кофактор, в свою очередь, может называться коферментомили простетическойгруппой. Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа(в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы(содержат пиридоксальфосфат) (функция), пероксидаза(содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Все ферменты в зависимости от типа катализируемой реакции подразделяются на 6 классов:

1 Оксидоредуктазы – катализируют окислительно - восстановительные реакции.

2 Трансферазы – катализируют реакции переноса различных химических групп с одной молекулы на другую.

3 Гидролазы – катализируют реакции гидролиза.

4 Лиазы – катализируют реакции отщепления от субстратов негидролитическим путем той или иной химической группы с образованием двойной связи или присоединение химической группы по месту двойной связи.

5 Изомеразы – катализируют реакции изомеризации органических соединений.

6 Лигазы, или синтетазы – катализируют реакции синтеза веществ, сопровождающиеся расщеплением высокоэнергетической связи в молекуле АТФ или аналогичного нуклеозидтрифосфата.

Контрольные задания

1. Что такое ферменты?
2. Какова природа ферментов?
3. Приведите примеры ферментов протеинов.
4. Приведите примеры ферментов протеидов.
5. Какие факторы влияют на ферментативную активность?
6. Что такое специфичность фермента? Назовите виды специфичности.
7. Приведите примеры субстратной специфичности.
8. Приведите примеры групповой (относительной) специфичности.
9. Приведите примеры стереоспецифичности.
10. Что такое активный центр фермента?
11. Какую модель взаимодействия фермента и субстрата предложил Фишер?
12. Что такое модель индуцированного соответствия?
13. Какова последовательность событий в ходе ферментативного катализа?
14. Что понимают под активностью фермента?
15. Что такое ингибиторы?
16. Назовите типы ингибирования.
17. Каков механизм специфического необратимого ингибирования? Приведите примеры.
18. Каков механизм неспецифического необратимого ингибирования? Приведите примеры.
19. Что такое конкурентное ингибирование? Приведите примеры.
20. Что такое аллостерический центр?
21. Каков механизм аллостерического ингибирования? Какова его роль? Приведите примеры.
22. Что такое активаторы? Как ионы металлов активируют фермент?
23. Какова роль ионов металлов в катализе?
24. Какими способами регулируется активность ферментов?
25. На чем основана классификация ферментов?
26. Как используются ферменты в медицине, сельском хозяйстве и научных исследованиях? Приведите примеры.