Азотсодержащие вещества в живых организмах
План
1. Функции и классификация аминокислот
2. Свойства аминокислот. Незаменимые аминокислоты
3. Роль белков в процессах жизнедеятельности
4. Строение и общие свойства белков. Уровни организации белковой молекулы
5. Химические связи в молекуле белка. Классификация
1. Функции и классификация аминокислот
Аминокислоты - органические соединения, содержащие одновременно и аминогруппу, и карбоксильную группу. Этим объясняется и своеобразие физико-химических свойств аминокислот и разнообразие реакций, в которых они участвуют. В природных соединениях и в живых организмах встречаются в основном б-аминокислоты, из них только 23 входят в состав белков, и они называются протеиногенными, или белковыми. Другое важнейшее свойство белковых аминокислот связано с оптической активностью: все они являются L-изомерами.
Названия АК сохранились традиционными, они часто именуются по источнику выделения (например, аспарагиновая кислота была выделена из аспарагуса (спаржи), тирозин - из сыра, серии - из шелка, глутаминовая кислота - из растительного белка глутелина так же как и глицин (прежнее название - гликолол) означает "сладкий"). Первые аминокислоты получены в начале XIX в. Сейчас общеупотребительны их краткие названия, например, для аланина: ала, или ala, в полипептидных последовательностях для аминокислот вводят однобуквенные обозначения.
Классификация аминокислот разработана на основе химического строения радикалов. Различают циклические и алифатические (ациклические) аминокислоты. По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты разделяют на:
1 - моноаминомонокарбоновые (глицин, аланин, лейцин и др.);
2 - диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин);
3 - моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты);
4 - диаминодикарбоновые (цистин).
По характеру заряженности боковых радикалов, их полярности аминокислоты классифицируют на:
1 - неполярные, гидрофобные (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан, тирозин);
2 - полярные, незаряженные (серин, треонин, метионин, аспарагин, глутамин, цистеин);
3 - полярные, отрицательно заряженные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты,);
4 - полярные, положительно заряженные (лизин, аргинин, гистидин).
В б-аминокислотах можно выделить:
Анионные группы: -СОО- ;
Катионные группы : -NH3+; =NH+ - NH2 ; -NH-C=NH+2;
Полярные незаряженные группы: -ОН; -СОNH2; -SH;
Неполярные группы: -СН3, алифатические цепи, ароматические циклы (фенилаланин, тирозин и триптофан содержат ароматические циклы).
Пролин в отличие от других 19 аминокислот не аминокислота, а иминокислота, радикал в пролине связан как с б-углеродным атомом, так и с аминогруппой:
Аминокислоты различают по их растворимости в воде. Это связано со способностью радикалов взаимодействовать с водой (гидрироваться). К гидрофильным относят радикалы, содержащие анионные, катионные и полярные незаряженные функциональные группы. К гидрофобным относят радикалы, содержащие метильные группы, алифатические цепи или циклы.
2. Свойства аминокислот. Незаменимые аминокислоты
Пептидные связи соединяют аминокислоты в пептиды. б-карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с б-аминогруппой другой аминокислоты с образованием пептидной связи.
Полипептидные цепи белков представляют собой полипептиды, так называемые линейные полимеры б-аминокислот, 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 б-аминогруппу, называется N-концевым, а имеющий свободную б-карбоксильную группу - С-концевым.
Пептиды -- органические молекулы, в состав которых входит несколько остатков аминокислот, связанных пептидной связью. В зависимости от количества остатков аминокислот и молекулярной массы различают:
1. Низкомолекулярные пептиды, содержащие в своем составе от двух до десяти остатков аминокислот. Например, ди-, три-, тетра-, пента-пептиды и т. д.
2. Пептиды со средней молекулярной массой -- от 500 до 5000 Д, так называемые «средние молекулы».
3. Высокомолекулярные пептиды с молекулярной массой от 5000 до 16000 Д.
Биологическое значение пептидов. Пептиды обладают значительной биологической активностью, являясь регуляторами ряда процессов жизнедеятельности. В зависимости от характера действия и происхождения пептиды делят на несколько групп:
1. Пептиды-гормоны: например, вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальцитонин, рилизинг-факторы и другие;
2. Пептиды, участвующие в регуляции пищеварения: гастрин, секретин, панкреатический полипептид (ПП), вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и другие;
3. Пептиды крови: глутатион, ангиотензин, брадикинин, каллидин и др.;
4. Нейропептиды: пептиды памяти, пептиды сна, эндорфины, энкефалины и другие;
5. Пептиды, участвующие в сокращении мышц: анзерин, карнозин;
6. Пептиды «средние молекулы» -- внутренние эндотоксины, образующиеся в организме в результате различных патологических процессов, обусловливающих тяжесть протекания заболевания.
Белковые АК - твердые вещества, выделяемые в виде белого порошка, обычно хорошо растворимые в воде и в полярных растворителях. Многие аминокислоты поглощают в ультрафиолетовой (УФ) области, но особенно специфическое поглощение при 280 нм имеют ароматические АК (фенилаланин, тирозин и триптофан) и поэтому содержание белка часто определяют именно по характеру спектра поглощения в УФ-области. АК обладают способностью поддерживать определенные буферные свойства клеточного содержимого, поскольку они содержат функциональные группы, ионизирующиеся при различных значениях рН. Изоэлектрическая точка - такое значение рН, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю. Важнейшая функциональная роль АК состоит в том, что АК - предшественники очень многих биомолекул. Роль АК в оценке пищевой значимости белков для человека и животных велика. Пищевая ценность белков зависит от их аминокислотного состава, поскольку половина белковых АК может синтезироваться в организме человека и животных, а половина АК должна поступать с пищей или кормом. Те аминокислоты, которые могут синтезироваться в организме человека и животных, называются заменимыми, а те, что поступают в готовом виде с пищей и кормом, - незаменимыми: вал, лей, илей, трп, фен, лиз, арг, мет, трео.
Следовательно, нормальная полноценная пища (корм) должна содержать все незаменимые АК.
3. Роль белков в процессах жизнедеятельности
Функции белков:
1. Ферментативная -- в клетке участвуют в биохимических реакциях 2000 различных ферментов, и все они по химической природе -- белки (простые или сложные).
2. Гормональная -- в организме человека 50% всех гормонов имеют белковую природу.
3. Рецепторная -- избирательное связывание различных регуляторов -- гормонов, биогенных аминов, простагландинов, медиаторов, циклических мононуклеотидов, протекает с помощью белков-рецепторов.
4. Структурная (пластическая) -- мембраны всех клеток и субклеточных единиц представляют собой бислой: белки и фосфолипиды, т. е. белки играют роль в формировании всех клеточных структур.
5. Иммунологическая -- гуморальный иммунитет организма человека связан с наличием -глобулинов (антител).
6. Гомеостатическая -- свертывание крови связано с наличием в крови белков свертывания крови (факторов).
7. Противосвертывающая -- антитромбиновая, антитромбопластиковая и фибринолитическая системы связаны с наличием в крови соответствующих белков.
8. Геннорегуляторная -- белки-гистоны, кислые белки играют роль в регуляции процесса трансляции.
9. Транспортная -- перенос О2, ВЖК, липидов, стероидов, витаминов, лекарственных веществ осуществляют различные фракции белков крови.
10. Сократительная -- в работе мышц участвуют белки: актин, миозин, тропонин и тропомиозин.
11. Обезвреживающая -- при отравлениях солями тяжелых металлов (свинец, медь, цинк и др.) и алкалоидами противоядием являются белки (особенно молочных продуктов).
12. Опорная (механическая) -- прочность соединительной, хрящевой и костной ткани за счет белков -- коллагена, эластина, фибронектина.
13. Создание биопотенциалов мембран и клеток и внутренней мембраны митохондрий.
14. Энергетическая -- 1 г. белка, окисляясь до конечных продуктов -- мочевины, углекислого газа и воды, дает 4,1 ккал энергий.
4. Строение и общие свойства белков. Уровни организации белковой молекулы
Белки - существенная составная часть всех клеточных структур.
При гидролитическом расщеплении белков кислотами, щелочами или протеолитическими ферментами они распадаются на составные части - аминокислоты. Размеры белковых молекул в среднем составляют 5-6 нм, а молекулярная масса от 5000 до 500 000 Да. Белки растворимы в воде и сольватированы (окружены молекулами воды), в зависимости от аминокислотного состава несут определенный заряд и имеют определенную изоэлектрическую точку.
Белки находятся в природном, или нативном состоянии, если они обладают определенным строением, окружены молекулами воды (сольва- тированы) и не находятся в нейтральном состоянии. Если нарушается природная структура белка, то наступает его денатурация. Денатурация может возникнуть, например, под влиянием высокой температуры, органических растворителей, сильных кислот или оснований, солей тяжелых металлов.
Первая теория строения белков была предложена Г. Мульдером, ее поддерживали И. Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма. Она называлась "теория протеина" и предполагала, что белки состоят из минимальных структурных единиц - протеинов. А.Я. Данилевский в 80-х годах XIX в. доказал, что белки состоят из аминокислот, соединенных такими же связями, как в биурете.
Первичная структура -- последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, образуется за счет пептидных связей, возникающих за счет альфа-карбоксильной группы одной аминокислоты и альфа-аминогруппы последующей аминокислоты.
Вторичная структура -- способ укладки полипептидной цепи в альфа-спираль или - структуру за счет менее прочных водородных связей (Н+ …О-).
Третичная структура -- пространственная укладка - спирали или полипептидной цепи в определенную конформацию за счет четырех видов связей:
1. водородных: Н+ …О-,
2. ионных (солеобразующих): ,
3. дисульфидных: --S--S--;
4. гидрофобных (сил Ван-дер-Ваальса).
Третичная структура -- субъединица.
Четвертичная структура-- «комплекс субъединиц способных к диссоциации, (Джон Бернал), или объединение в определенном порядке двух и большего количества субъединиц в молекулу олигомерного белка.
5. Химические связи в молекуле белка. Классификация
В состав молекулы белка входит большое количество аминокислот с различными функциональными группами, поэтому определение химических связей внутри нативной (природной) молекулы белка представляет серьезные трудности, в особенности характер лабильных связей. Силы, которые возникают между аминокислотами в процессе синтеза белка, соответствуют двум типам связей - прочным и слабым.
Прочные связи. Прочная связь не может быть нарушена при беспорядочном тепловом движении. Скелет, или первичная структура, такой большой молекулы, как белок, скреплен именно такими связями. Следовательно, к числу прочных связей относятся прежде всего ковалентные связи, и наиболее значительная из них - пептидная связь. Ее чистота в молекуле белка соответствует числу аминокислотных остатков.
Пептидная связь образуется при взаимодействии аминогруппы одной кислоты с кислотным остатком другой, при этом выделяется молекула воды:
Доказательством существования в белках пептидной связи может служить биуретовая реакция, на которую впервые обратил внимание А.Я. Данилевский в связи с изучением свойств белковых веществ.
Биурет - вещество с повторяющейся группой -СО-NH-, которое в присутствии солей меди в щелочной среде, как и другие вещества аналогичного строения, образует цветные комплексные соли типа:
Эта реакция послужила началом создания теории пептидного строения белковых веществ.
Второе доказательство существования пептидной связи в белках - присутствие аминокислот и низкомолекулярных пептидов в гидролизатах белков (кислотных, щелочных, ферментативных). Число свободных a-аминогрупп и карбоксильных групп, не участвующих в образовании пептидной связи, равно количеству полипептидных цепей, имеющихся в исследуемом белке. Исследование специфического действия на белки некоторых протеолитических ферментов также показало существование пептидной связи, так как специфичность действия фермента сводится к разрушению полипептидной цепи. На основе всего этого было установлено, что главной прочной ковалентной связью в белках является пептидная связь. При этом выявлено, что в построении полипептидной цепи участвуют только a-аминогруппы и кислотные остатки, расположенные с a-аминогруппой. Следовательно, полипептидная цепь, составляющая белок, не имеет разветвлений.