Аминокилоты, пептиды и белки

Аминокислоты

Важнейшие природные α-аминокислоты L-ряда: а) с неполярным (гидрофобным) заместителем: аланин (Ала, Ala), валин (Вал, Val), лейцин (Лей, Leu), изолейцин (Иле, Ile), пролин (Про, Pro), фенилаланин (Фен, Phe), триптофан (Три, Trp), метионин (Мет, Met); б) с полярным (гидрофильным) заместителем: глицин (Гли, Gly), серин (Сер, Ser), треонин (Тре, Thn), аспарагин (Асн, Asn), глутамин (Глн, Gln); в) кислотные: аспарагиновая кислота (Асп, Asp), глутаминовая кислота (Глу, Glu), цистеин (Цис, Cys), тирозин (Тир, Tyr); г) основные: лизин (Лиз, Lys), аргинин (Арг, Arg), гистидин (Гис, His). Заменимые и незаменимые аминокислоты. Стереохимия α-аминокислот.

β-Аланин (3-аминопропионовая кислота) как составная часть пантотеновой кислоты, относящейся к витаминам группы В и входящей в состав кофермента А. γ-Аминомасляная кислота (ГАМК), ее роль в организме.

Лабораторные методы получения α-аминокислот: взаимодействием карбонильных соединений с синильной кислотой в присутствии аммиака, аммонолизом α-галогенкарбоновых кислот. Биосинтез α-аминокислот из оксокарбоновых путем взаимодействия последних с аммиаком с последующим восстановлением имино – группы. Реакция трансамини-рования между α-аминокислотой (донор аминогруппы) и α-оксокислотой (акцептор аминогруппы) как метод получения новых α-аминокилот и регулирования их содержания в клетке. Кофермент пиридоксальфосфат как переносчик аминогруппы:

- взаимодействие альдегидной группы пиридоксальфосфата с амино-группой α-аминокислоты (в организме наиболее часто глутаминовая кислота) с образованием имина I,

- превращение имина I в имин II с другим расположением С = N связи вследствие имин – иминной таутомерии,

- гидролиз имина II с образованием α-оксокислоты (α- кетоглутаровой кислоты из глутаминовой кислоты) и пиридоксамино-фосфата,

- взаимодействие пиридоксаминофосфата с новой α-оксокислотой протекающее в обратном направлении с образованием новой α-аминокислоты и пиридоксальфосфата.

Кислотно – основные свойства аминокислот. Прототропная таутомерия: таутомер с неионизированной структурой и таутомер с биполярной структурой. Изоэлектрическая точка (pI), зависимость формы нахождения аминокислоты в водном растворе (молекулы, катиона или аниона) в зависимости от рН среды. Взаимодействие таутомера с биполярной структурой с кислотами и щелочами – образование двух типов солей. Нахождение в растворах кислотных аминокислот в виде катиона, молекулы, моноаниона и дианиона; основных аминокислот – в виде аниона, молекулы, монокатиона и дикатиона.

Электрофильно – нуклеофильные свойства аминокислот. Амино-кислоты как доноры ацильных групп (электрофильные свойства за счет карбонильного фрагмента), нуклеофильные свойства аминокислот, обусловленные наличием неподеленной электронной пары на атоме азота.

Реакции ацилирования. Аминокислоты как донор ацильной группы: образование аммонийных солей сложных эфиров при взаимодействии аминокислот со спиртами в присутствии сильных кислот (аминогруппа блокирована протоном: -NH₃⁺). Аминокислоты как акцептор ацильной группы: образование N-ацильных производных при взаимодействии аминокислот с хлорангидридами карбоновых кислот в щелочной среде (карбоксильная группа блокирована переводом в карбоксилат йон). Общий способ защиты функциональных групп аминокислот – снижение электрофильности карбонильного атома углерода в результате введения сильного электронодонора (например, превращения карбоксильной группы в сложноэфирную); снижение нуклеофильности атома азота за счет введения сильного электрогоакцептора (например, превращения аминогруппы в N-ацильную). Основные требования к защитным группам: избирательность введения, надежная инактивация защищаемой группы, легкость удаления (обычно гидролизом или гидрогенолизом). Образование хлорангидридов при взаимодействии N-защищенных аминокислот с SOCI₂, смешанных ангидридов при взаимодействии с этилхлорформиатом. Повышение электрофильности карбонильного углерода в смешанном ангидриде аминокислоты и этилформиата; взаимодействие последнего со спиртами и аминами с образованием О- и N-ацильных производных, СО₂ и этанола. Реакция взаимного ацилирования незащищенных α-аминокислот с образованием дикетопиперазина.

Реакции алкилирования. Образование бетаинов аминокислот при исчерпывающем алкилировании аминокислот, защищенных по карбоксильной группе, алкилгалогенидами в щелочной среде. Реакции трансметилирования с участием бетаина, например, взаимодействие бетаина с гомоцистеином с образованием метионина и N,N-диметилглицина.

Реакция с формальдегилом. Реакция моноанионов аминокислот со свободной аминогруппой в слабо щелочной среде (рН ≈ 7) с формальдегидом с образованием N-метилольных производных как основная причина денатурации белков в его присутствии. Количественное определение аминокислот методом формольного титрования (по Серенсену).

Окислительно – восстановительные свойства. Тиол – дисульфидное равновесие цистеин (восстановитель) / цистин (окислитель) - (φ₀´= – 0,22 В). Антиоксидантное действие цистеина (защита белков от окислителей). Противолучевое действие цистеина, основанное на нейтрализации цистеином токсичных форм кислорода (·ОН, ·НО₂, Н₂О₂,·О₂), а также короткоживущих сильных восстановителей: гидратированного электрона и атомарного водорода. Окисление цистеина в цистеиновую кислоту с последующим декарбоксилированием до таурина. Взаимодействии таурина с холевой кислотой с образование тауринхолевой кислоты, принимающей активное участие в эмульгировании и всасывании жиров в организме.

Декарбоксилирование. Декарбоксилирование α-аминокислот в лабораторных условиях под действием Ва(ОН)₂. Декарбоксилирование α-аминокислот in vivo под действием пиридоксальфосфата: образование альдимина, его декарбоксилирование с последующим гидролизом с образованием биогенного амина и регенерацией пиридоксальфосфата:

Исходная α-аминокислота	Биогенный амин
Серин	2-Аминоэтанол (коламин)
Цистеин	2-Аминоэтантиол
Лизин	Пентаметилендиамин
Аспарагиновая кислота	β-Аланин
Глутаминовая кислота	γ-Аминомасляная кислота (ГАМК)
Гистидин	Гистамин
Триптофан	Триптамин

Альдольное расщепление. В альдимине образованном пиридоксаль-фосфатом с серином и треонином (содержат в β-положении электроноакцепторную гидроксильную группу) сильнополяризованная связь С_α - С_β разрывается с образованием глицина и, в случае серина, формальдегид, а из треонина – ацетальдегид.

Прямое дезаминирование. В альдимине, образуемым пиридоксаль-фосфатом с серином, треонином или цистеином, вследствии сильной поляризации связи С_α – Н происходит внутримолекулярное отщепление Н₂О или Н₂S с образованием енаминокислоты. Прототропная таутомерная перегруппировка енаминокислоты в α-иминокислоту и гидролиз последней приводит к соответствующей α-оксокислоте.

Трансаминирование. Передача аминогруппы от α-аминокислоты, выступающей донором аминогруппы, на α-оксокислоту, являющуюся акцептором аминогруппы. В качестве переносчика аминогруппы выступает пиридоксальфосфат. При этом образуются новые α-аминокислота и α-оксокислота.

Окислительное дезаминирование. Превращение α-аминокислот в α-гидроксикислоты при действии азотистой кислоты. Использование этой реакции для количественного определения аминных групп в аминокислотах и белках.

Частичное дезаминирование аргинина молекулярным кислородом. Образование оксида азота (II) и цитрулина при окислении аргинина молекулярным кислородом в присутствии NO-синтазы и НАДФ(Н). Роль оксида азота (II) в устранении ксенобиотиков и регуляции кровяного давления.

Взаимодействие с нингидрином. Окисление α-аминокислот нингидри-ном, сопровождаемая их дезаминированием и декарбоксилированием и образованием сине-фиолетового красителя. Использование данной реакции для визуального обнаружения α-аминокислот при проявлении хроматограмм и электрофореграмм.

Окислительное дезаминирование аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот под действием дегидрогеназ в присутствии НАД⁺ или НАДФ⁺:

- дегдрирование α-аминокислоты в α-иминокислоту,

- гидролиз α-иминокислоты в соответствующую α-оксокислоту.

Пептиды

Пептиды как продукты поликонденсации α-аминокислот, остатки которых соединены между собой пептидными (амидными) группами –CO-NH-. Планарная транс-структура пептидной группы с трансоидной конформацией в расположении заместителей R аминокислотных остатков. Олигопептиды (до 10 остатков аминокислот) и полипептиды (до 100 остатков аминокислот).

Образование дипептидов при ацилировании аминокислот с защищенной карбоксильной группой и со свободной аминогруппой аминокислотой с защищенной аминогруппой и с активированной карбонильной группой с последующим снятием защитных групп. Обратимая защита аминогруппы с помощью карбобензоксигруппы С₆Н₅-СН₂-О-СО- (вводится с помощью карбобензоксихлорида С₆Н₅-СН₂-О-СО-Cl и снимается каталитическим гидрированием или NH₄Br в жидком аммиаке), а также третичнобутоксикарбонильной группы (СН₃)₃С-О-СО- (вводится с помощью третичнобутил- п -нитрофенилкарбоната (СН₃)₃С-О-СО-О-С₆Н₄NO₂- п и удаляется с помощью HBr в уксусной кислоте). Защита карбоксильной группы путем перевода в сложноэфирную (например, третичнобутиловый эфир, образующийся при переэтерификации с третичнобутилацетатом в присутствии хлорной кислоты и расщепляющийся при действии трифторуксусной кислоты).

Карбодиимидный метод синтеза полипептидов:

- получение карбобензоксихлорида взаимодействием бензилового спирта с фосгеном (COCl₂),

- защита аминогруппы аминокислоты, начинающей полипептидную цепь реакцией с карбобензоксихлоридом,

- защита карбоксильной группы аминокислоты, продолжающей полипептидную цепь, переводом в сложноэфирную,

- активирование карбонильного углерода аминокислоты с защищенной аминогруппой реакцией с дициклогексилкарбодиимидом (образуется О-ацилированная дициклогексилмочевина),

- взаимодействие О-ацилированной дициклогексилмочевины с эфиром аминокислоты с образованием дициклогексилмочевины и дипептида с защищенными концевыми функциональными группами,

- снятие защитных групп: карбобензоксигруппы гидрированием (освобождается аминогруппа и образуются толуол и СО₂), сложноэфирной – гидролизом.

Кислотно-основные свойства (при наличии заместителей в составляющих полипептид аминокислотах, проявляющих основные или кислотные свойства). Нахождение пептидов в водных растворах преимущественно в виде катионов (рН ‹ pI), молекул (рН = pI), анионов (рН › pI). Буферные системы на основе дипептидов карнозина и ансерина, находящихся в мышцах человека и состоящих из β-аланина и гистидина или его N-метилпроизводного соответственно (рК_а ≈ 6.0).

Комплексообразующие свойства. Пептиды как полидентатные лиганды – комплексоны. Транспорт через липидные клеточные мембраны катионов К⁺ с помощью пептида валиномицина (циклическая молекула валиномицина напоминает «бублик», внутренняя полость которого полярна и соответствует по размеру катиону К⁺, в то время как внешняя поверхность «бублика» гидрофобна). Транспорт через липидные клеточные мембраны катионов Na⁺ с помощью циклического пептида грамицидина S (имеет форму пересекающей мембрану трубки, внешняя поверхность которой гидрофобна, а внутренняя – полярна).

Окислительно – восстановительные свойства. Тиол – дисульфидное равновесие трипептида глутатиона (Глу–Цис–Гли) за счет тиольных групп цистеина. Защитная функция глутатиона в организме: восстановленная форма GSH как антиоксидант, окисленная GS – SG как ловушка радикальных частиц восстановителей.

Метод установления строения полипептидов (порядок расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи) по Эдману:

- взаимодействие концевой аминогруппы полипептидной цепи с фенилизотиоцианатом (C₆H₅-N=C=S) с образованием тиомочевинной метки концевой аминокислоты,

- гидролиз по амидной связи (-CO-NH-) под действием CF₃COOH с отщеплением замещенного фенилтиогидантоина,

- каждый последующий цикл вышеприведенных реакций приводит к укорочению полипептидной цепи на одну аминокислоту (позволяет анализировать последовательность из ~ 50 аминокислот).

Расщепление полипептида на фрагменты:

- химическим путем – расщепление с помощью бромциана Br-C≡N пептидной связи по остаткам метионина,

- ферментативно: гидролитическое расщепление трипсином пептидных связей, образованных аргинином или лизином с любой другой аминокислотой, за исключением пролина,

- расщепление дисульфидных мостиковых связей действием 2-меркаптоэтанола.

Белки

Определение первичной структуры белка: аминокислотного состава и последовательности распределения аминокислотных остатков в полимерной белковой цепочке.

Основные типы взаимодействия между полипептидными цепями и различными участками одной и той же полипептидной цепи: ион-ионное, водородная связь, гидратация полярных групп, дисульфидная связь, взаимодействия Ван-дер-Ваальса между неполярными заместителями, гидрофобные взаимодействия (приводящее к выталкиванию молекул воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей), донорно-акцепторная связь между ионом комплексообразователя и лигандными группами белка.

Вторичная структура белка, обусловленная водородными связями

>С=О···Н-N<: α-спираль (кератин волос, миозин мышц), β-складчатая структура белка (фиброин шелка). Неупорядоченная структура отдельных фрагментов белка.

Третичная структура белка как самоорганизация белковой цепи в пространстве в строго определенное трехмерное образование в результате взаимодействия аминокислотных радикалов между собой и с молекулами окружающего раствора. Роль дисульфидных связей в формировании и поддержании третичной структуры белка.

Четвертичная структура белка как комплекс из нескольких полипептидных цепочек связанных между собой связями – водородными, ионными, ковалентными: дисульфидными, сложноэфирными, амидными (на примере иммуноглобулинов, четыре полипептидных фрагментов которых связаны между собой дисульфидными мостиками).

Фибриллярные и глобулярные белки.

Дата добавления: 2015-06-30