Белки, аминокислоты, пептиды (свойства и строение)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Строение и свойства аминокислот

Среди азотсодержащих органических веществ имеются соединения с  двойственной функцией. Особенно важными  из них являются аминокислоты.

В клетках и тканях живых  организмов встречается около 300 различных  аминокислот, но только 20 (α-аминокислоты) из них служат звеньями (мономерами), из которых построены пептиды  и белки всех организмов (поэтому  их называют белковыми аминокислотами). Последовательность расположения этих аминокислот в белках закодирована в последовательности нуклеотидов  соответствующих генов. Остальные  аминокислоты встречаются как в  виде свободных молекул, так и  в связанном виде. Многие из аминокислот  встречаются лишь в определенных организмах, а есть и такие, которые  обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. Большинство микроорганизмов и  растения синтезируют необходимые  им аминокислоты; животные и человек  не способны к образованию так  называемых незаменимых аминокислот, получаемых с пищей. Аминокислоты участвуют  в обмене белков и углеводов, в  образовании важных для организмов соединений (например, пуриновых и  пиримидиновых оснований, являющихся неотъемлемой частью нуклеиновых кислот), входят в состав гормонов, витаминов, алкалоидов, пигментов, токсинов, антибиотиков и т. д.; некоторые аминокислоты служат посредниками при передаче нервных  импульсов.

 Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводородном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами.

Классификация

 

  Аминокислоты классифицируют  по структурным признакам. 

1.     В зависимости  от взаимного расположения амино- и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на α-, β-, γ-, δ-, ε- и т. д.

2.     В зависимости  от количества функциональных  групп различают кислые, нейтральные  и основные.

3.     По характеру  углеводородного радикала различают  алифатические (жирные), ароматические,  серосодержащие и гетероциклические  аминокислоты. Приведенные выше  аминокислоты относятся к жирному  ряду.

Примером ароматической  аминокислоты может служить пара-аминобензойная кислота:

 Примером гетероциклической  аминокислоты может служить триптофан –  незаменимая α- аминокислота:

                                                                      CH–COOH

       │

      NH2

Номенклатура

По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Нумерация углеродной цепи с атома углерода карбоксильной группы.                                                                                                       

Например:            

Часто используется также  другой способ построения названий аминокислот, согласно которому, к тривиальному названию карбоновой кислоты добавляется приставка амино- с указанием положения аминогруппы буквой греческого алфавита.

Пример:                   

Для α-аминокислот R-CH(NH2)COOH, которые играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, применяются тривиальные названия.

 Таблица. Некоторые  важнейшие α-аминокислоты

Аминокислота	Сокращенное обозначение	Строение радикала ( R )
Глицин	Gly (Гли)	H -
Аланин	Ala (Ала)	CH3 -
Валин	Val (Вал)	(CH3)2CH -
Лейцин	Leu (Лей)	(CH3)2CH – CH2 -
Серин	Ser (Сер)	OH- CH2 -
Тирозин	Tyr (Тир)	HO – C6H4 – CH2 -
Аспарагиновая кислота	Asp (Асп)	HOOC – CH2 -
Глутаминовая кислота	Glu (Глу)	HOOC – CH2 – CH2 -
Цистеин	Cys (Цис)	HS – CH2 -
Аспарагин	Asn (Асн)	O = C – CH2 –          │       NH2
Лизин	Lys (Лиз)	NH2 – CH2- CH2 – CH2 -
Фенилаланин	Phen (Фен)	C6H5 – CH2 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Если в молекуле аминокислоты содержится две аминогруппы, то в ее названии используется приставка диамино-, три группы NH2 – триамино- и т.д.

Пример:                                

Наличие двух или трех карбоксильных  групп отражается в названии суффиксом  –диовая или -триовая кислота:

Изомерия

1. Изомерия углеродного  скелета

2. Изомерия положения  функциональных групп

3. Оптическая изомерия

α-аминокислоты, кроме глицина NН2-CH2-COOH.

Физические  свойства

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250°С) температурами  плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и  поэтому нехарактерны. Плавление  сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

Получение

1. Из карбоновых кислот  по схеме:

1 стадия:           

                                                     2     1

R-CH2-COOH + Cl2 t, hν → R-CH-COOH + HCl               (р. Замещения)

                                                     │

                                                    Cl

                                             2-хлоркарбоновая кислота

  2 стадия:

                                               α

R-CH-COOH + 2NH3 → R-CH-COOH + NH4Cl

     │                                       │

    Cl                                    NH2

                                       α -аминокарбоновая кислота

2. Гидролиз полипептидов (белков):

 CH2-CO-NH-CH-COOH + H2O ↔  CH2-COOH + CH3-CH-COOH

   │                   │                                      │                             │

NH2               CH3                              NH2                       NH2

глицил-аланин (дипептид)           глицин                 аланин

3. Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые  в процессе жизнедеятельности  продуцируют α - аминокислоты  белков.

Химические  свойства

Аминокислоты амфотерные органические соединения, для них характерны кислотно-основные свойства.

I. Общие свойства

1. Внутримолекулярная нейтрализация  → образуется биполярный цвиттер-ион:

Водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что  молекулы аминокислот существуют в  виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе:

                                +             -

  NH2 - CH2 - COOH  ↔ NH3 - CH2 - COO

                                        цвиттер-ион

 Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, кислую или щелочную среду в зависимости от количества функциональных групп.

2. Поликонденсация → образуются  полипептиды (белки):

 При взаимодействии  двух α-аминокислот образуется дипептид.

3. Разложение → Амин + Углекислый газ:

NH2-CH2-COOH  → NH2-CH3 + CO2↑

II. Свойства корбоксильной группы (кислотность)

1. С основаниями → образуются  соли:

 NH2-CH2-COOH + NaOH → NH2-CH2-COONa + H2O

                                                 натриевая соль аминоуксусной кмслоты

2. Со спиртами → образуются  сложные эфиры – летучие вещества (р. этерификации):

NH2-CH2-COOH + CH3OH   HCl(газ)→ NH2-CH2-COOCH3 + H2O

                                                                  метиловый эфир аминоуксусной кислоты

3. С аммиаком → образуются  амиды:

NH2-CH(R)-COOH + H-NH2 → NH2-CH(R)-CONH2 + H2O

4. Практическое значение  имеет внутримолекулярное взаимодействие  функциональных групп ε-аминокапроновой кислоты, в результате которого образуется ε-капролактам (полупродукт для получения капрона):

III. Свойства аминогруппы  (основность)

1. С сильными кислотами  → соли:

HOOC-CH2-NH2 + HCl → [HOOC-CH2-NH3]Cl

                                          или HOOC-CH2-NH2*HCl

2. С азотистой кислотой (подобно первичным аминам):

NH2-CH(R)-COOH + HNO2 → HO-CH(R)-COOH + N2↑+ H2O

                                                  Гидроксокислота

Измерение объёма выделившегося  азота позволяет определить количество аминокислоты (метод Ван-Слайка)                                     

IV. Качественная реакция

1. Все аминокислоты окисляются  нингидрином с образованием продуктов сине-фиолетового цвета!

2. С ионами тяжелых  металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Комплексы меди (II), имеющие глубокую синюю окраску, используются для обнаружения α-аминокислот.

 Применение

Молекулы аминокислот – это те кирпичики, из которых построены все растительные и животные белки; аминокислоты, необходимые для построения белков организма, человек и животные получают в составе белков пищи;

 

2. Строение и свойства пептидов

Петиды – это полиамиды, построенные из  a -аминокислот. По числу аминокислотных остатков в молекуле пептида различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д.  Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называют олигопептидами, более 10 аминокислотных остатков – полипептидами. Природные полипептиды, включающие более 100 аминокислотных остатков, называют белками.

 Строение  пептидов

Формально пептиды можно  рассматривать как продукты поликонденсации  аминокислот.

Аминокислотные остатки  в пептиде связаны амидными (пептидными) связями. Один конец цепи, на котором  находится аминокислота со свободной  аминогруппой, называют N-концом. Другой конец, на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называют С-концом. Пептиды принято  записывать и называть, начиная с N-конца.

Название пептида строят на основе тривиальных названий, входящих в его состав аминокислотных остатков, которые перечисляют, начиная с N-конца. При этом в названиях всех аминокислот  за исключением С-концевой суффикс “ин” заменяют на суффикс “ил”. Для сокращенного обозначения пептидов используют трехбуквенные обозначения входящих в его состав аминокислот.

                                                           

Пептид характеризуется  аминокислотным составом и аминокислотной последовательностью. Аминокислотный состав пептида может быть установлен путем полного гидролиза пептида (расщепления до аминокислот) с последующим  качественным и количественным анализом образовавшихся аминокислот методом  ионобменной хроматографии или ГЖХ-анализом сложных эфиров аминокислот. Полный гидролиз пептидов проводят в кислой среде при кипячении их с 6н. HCl.

Одному и тому же аминокислотному  составу отвечает несколько пептидов. Так, из 2-х разных аминокислот может  быть построено 2 дипептида, из трех разных аминокислот – 6 трипептидов, из n разных аминокислот n! пептидов одинакового состава. Например, составу Gly:Ala:Val=1:1:1 отвечают следующие 6 трипептидов.

Gly-Ala-Val Gly- Val-Ala Val-Gly-Ala Val-Ala-Gly Ala-Gly-Val Ala-Val-Glu

Таким образом, для полной характеристики пептида необходимо знать его аминокислотный состав и аминокислотную последовательность.

Определение аминокислотной последовательности

Для определения аминокислотной последовательности используют комбинацию двух методов: определение концевых аминокислот и частичный гидролиз.

Определение N-концевых аминокислот.

Метод Сегнера. Пептид обрабатывают 2,4-динитрофтробензолом (ДНФБ), а затем полностью гидролизуют. Из гидролизата выделяют и идентифицируют ДНФ-производное N-концевой аминокислоты.

 Метод Эдмана состоит во взаимодействии N-концевой аминокислоты с фенилизотиоцианатом в щелочной среде. При дальнейшей обработке слабой кислотой без нагревания происходит отщепление от цепи “меченой” концевой аминокислоты в виде фенилгидантоинового (ФТГ) производного.

 Преимущество этого метода состоит в том, что при отщеплении N-концевой аминокислоты пептид не разрушается и операцию по отщеплению можно повторять. Метод Эдмана используют в автоматическом приборе – секвенаторе, с помощью которого можно осуществить 40 – 50 стадий отщепления, идентифицируя полученные на каждой стадии ФТГ-производные методом газожидкостной хроматографии.

Частичный гидролиз полипептидов

При частичном гидролизе  пептиды расщепляются с образованием более коротких цепей. Частичный  гидролиз проводят с помощью ферментов, которые гидролизуют пептидные связи избирательно, например, только с N-конца (аминопептидазы) или только с С-конца (карбоксипептидазы). Существуют ферменты, расщепляющие пептидные связи только между определенными аминокислотами. Меняя условия гидролиза, можно разбить пептид на различные фрагменты, которые перекрываются по составляющим их аминокислотным остаткам. Анализ продуктов частичного гидролиза позволяет воссоздать структуру исходного пептида. Рассмотрим простейший пример установления структуры трипептида. Частичный гидролиз по двум разным направлениям трипептида неизвестного строения дает продукты представленные на схеме.

Единственный трипептид, структура которого не противоречит продуктам частичного гидролиза – Gly-Ala-Phe.

Установление аминокислотной последовательности пептидов, содержащих несколько десятков аминокислотных остатков, – более сложная задача, которая требует комбинации различных  методов.