Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 20
Цель:
а) роль и задачи биохимии;
б) структура и свойства аминокислот и пептидов.
1) Состав живых организмов. Биомолекулы.
2) Свойства аминокислот, входящих в состав белков. Их классификация, стереохимия и кислотно-основные свойства.
3) Пептидные связи между аминокислотами. Структура пептидной связи. Пептиды небелковой природы и их биологическая роль.
1) Биомолекулы. Состав живых организмов.
1.1. Роль и задачи биологической химии
Биохимия – это наука, о химическом строении и функциях веществ, входящих в состав живой материи, и их превращениях в процессах жизнедеятельности.
Главной задачей биохимии является определение основных закономерностей биохимических процессов, выявление взаимосвязи между структурой и функциями биомолекул, участвующих в реакциях клеточного метаболизма.
Объект биохимических исследований – клетки прокариот и эукариот.
В зависимости от объекта исследования можно условно выделить биохимию животных и человека, биохимию растений и микроорганизмов.
Основные направления биохимии:
- статистическая биохимия – изучает химическую природу организма (биоорганическая химия);
- динамическая биохимия – изучает превращение химических веществ в организме;
- функциональная биохимия – изучает роль превращений химических веществ в проявлении функции клеток, тканей, органов, организма.
1.2. Признаки живой материи
Было установлено, что объекты живой природы состоят из «неживых молекул». Если эти молекулы выделить из живого организма (что и делают при проведении исследований в биохимии) и каждый их вид исследовать в отдельности, то можно убедиться, что они подчиняются всем законам физики и химии, описывающим свойства неживой материи.
Однако, объекты живой природы (материи), как системы, обладают рядом свойств, отсутствующих у систем в неживой природе (материи).
Признаки живой материи:
1) способность к метаболизму, т. е. обмену веществ и энергии между организмом и окружающей средой, имеющим ферментативную природу. Метаболизм включает две стадии:
катаболизм, ферментативное расщепление крупных полимерных молекул до простых с выделением энергии химических связей;
анаболизм, ферментативный синтез крупных полимерных молекул из простых молекул с использованием энергии;
2) сложность, высокий уровень структурной организации живой материи. Структурной единицей или единицей биологической активности организма считается клетка: молекулы → мембраны → субклеточные органеллы → клетки → ткани → органы → организм;
3) изменчивость – способность к самостоятельному реагированию на воздействие окружающей среды изменением химического состава и функционирования (принцип обратной связи, приспособляемость);
4) способность к точному самовоспроизведению за счёт передачи наследственной информации.
1.3. Состав живых организмов
Клетки являются обязательными структурными элементами всех известных живых организмов.
Рис. 1.1. Эукариотическая клетка: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – ядерная мембрана; 4 - митохондрии; 5 – лизосомы, 6 - аппарат Гольджи; 7 - пиноцитозный пузырёк; 8 – клеточная мембрана; 9 - эндоплазматический ретикулум
Каждая клетка состоит из огромного числа атомов и молекул. Попробуем разобраться: насколько они универсальны и какие функции выполняют в клетках?
Оказалось, что из периодической системы элементов всего лишь шесть биоэлементов используются для построения подавляющего числа биологически значимых молекул: углерод, кислород, водород, сера, азот и фосфор. Ещё 16 микроэлементов присутствуют в клетках в различных количествах и соотношениях. К ним относятся: железо, медь, цинк, хром и т. д.
Из шести основных биоэлементов наибольшее значение имеет углерод. Основные структуры живой материи состоят из углеродных каркасов. Характерной особенностью атома углерода является способность образовывать углеродные цепи любого размера и конфигурации. Это обусловлено тем, что три из четырёх валентностей углерода могут участвовать в образовании трёхмерного скелета, а четвёртая - связывать ту или иную функциональную группу.
Вещества, образованные на основе углерода, называются органическими соединениями.
Органические соединения могут иметь огромное число углеродных цепей и функциональных групп, причём отдельные части молекулы способны вращаться вокруг одинарных углеродных связей. Они способны также образовывать трёхмерную структуру, играющую первостепенную роль в процессах жизнедеятельности.
1.4. Молекулярные аспекты организации живой материи
Молекулы в клетках можно условно разделить на две группы: малые органические молекулы с молекулярной массой до 1 kDa (килодальтон) и макромолекулы, молекулярная масса которых варьирует от 1 до 103 и более kDa [1 Dа (дальтон) = 0.661·10-24 грамма].
1.4.1. Малые органические молекулы (мономеры)
Аминокислоты, находящиеся в биологических тканях, в основном используются для построения белковых макромолекул. Несмотря на различия в химическом строении, они содержат аминную и карбоксильную группы, соединённые с асимметричным атомом водорода. При помощи пептидных связей они образуют длинные полипептидные цепи – составные части белков.
Сахара (моносахариды) имеют общую формулу C(H2O)n, где n – целое число (от 3 до 7), например глюкоза.
Все сахара содержат гидроксильные, а также альдегидные, либо кетонные группировки. Взаимодействуя друг с другом, моносахариды могут образовывать ди-, три- или олигосахариды.
Сахара являются главным энергетическим субстратом клеток. Кроме того, они образуют связи с белками и липидами, а также являются строительными блоками при образовании более сложных биологических структур.
Жирные кислоты содержат в своём составе гидрофобную углеводородную цепь и гидрофильные карбоксильные группы, образующие амиды и эфиры. Как и углеводы, жирные кислоты являются источниками энергии для организма. В то же время главное их предназначение связано с участием в образовании клеточных мембран.
Мононуклеотиды – трёхкомпонентные структуры, состоящие из азотистых оснований, углевода и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания делятся на пуриновые и пиримидиновые, а сахар (пентоза) – на рибозу и дезоксирибозу. Мононуклеотиды являются составными частями высокополимерных нуклеиновых кислот – носителей генетической информации.
1.4.2. Макромолекулы или биополимеры
Макромолекулы (биополимеры) имеют различную форму и строение, являясь неотъемлемой частью клеток, синтезируются из атомов и небольших молекул и играют основополагающую роль в процессах жизнедеятельности клетки.
Кратко рассмотрим некоторые биополимеры, которые определяют функции и метаболизм всех живых систем.
Белки обладают множеством функций. Они состоят из аминокислот, соединённых в генетически детерминированной последовательности, которая и определяет как структуру, так и функции данных макромолекул. Таким образом, белки являются тем инструментом, при помощи которого геном управляет всеми реакциями клеточного метаболизма.
Полисахариды – высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных единиц – моно- или олигосахаридов. Полисахариды отличаются друг от друга структурой моносахаридных звеньев, молекулярной массой, а также типом гликозидных связей. Они присутствуют почти во всех клетках и выполняют многообразные функции: структурную, энергетическую, резервную и т. д.
Липиды – сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина (иногда сфингозина). В их состав входят фосфорная кислота, азотистые основания и углеводы. Они играют существенную роль в качестве структурных компонентов клетки (биомембраны), а также в качестве энергетических субстратов.
Нуклеиновые кислоты – информационные биополимеры, состоящие из мононуклеотидов, связанных между собой фосфодиэфирной связью. В клетках содержится дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК самая большая макромолекула в живых системах. Она состоит из многих тысяч пар мононуклеотидов, соединённых в определённой последовательности. Для нуклеиновых кислот несвойственно многообразие функций, зато хранение и передача генетической информации является основой размножения и функционирования клеток.
1.5. α-Аминокислоты
Аминокислоты представляют собой основные «строительные» единицы всех белков.
Большинство аминокислот, участвующих в биохимических превращениях, являются карбоновыми кислотами, содержащими карбоксильную и аминную группы, которые находятся у одного и того же углеродного атома. В организме человека найдено 70 аминокислот. Двадцать из них входят в состав белков. Это так называемые протеиногенные аминокислоты.
Общая формула α-аминокислот представлена на Рис. 1.2:
Рис. 1.2. Общая формула аминокислот
Аминокислоты отличаются друг от друга структурой боковых групп, которые в приведенной выше формуле, обозначены через R. Эти группы имеют различную химическую структуру.
1.5.1. Изомерия аминокислот
1.5.1.1. Изомерия положения аминогруппы
Для аминокислот, прежде всего, характерна изомерия положения аминогруппы.
В биологии и химии до сих пор широко распространены названия аминокислот, в которых взаимное расположение аминогруппы по отношению к карбоксильной группе обозначается греческими буквами.
Так, если аминогруппа и карбоксил находятся у одного и того же атома углерода, то такая аминокислота называется α-аминокислотой.
В β-аминокислотах функциональные группа разделены двумя атомами углерода, в γ- - тремя и т.д.
Белки образованы только из α-аминокислот, но в организме встречаются и другие аминокислоты. Например γ-аминомасляная кислота (ГАМК):
CH2(NH2)-CH2-CH2-COOH
Рис. 1.3. γ-аминомасляная кислота
ГАМК играет важную роль в механизме передачи нервного импульса.
1.5.1.2. Оптическая изомерия аминокислот
α-Аминокислоты характеризуются наличием оптической активности,
т. е. они могут вращать плоскость поляризованного света вправо или влево. Это свойство природных аминокислот обусловлено наличием ассиметрического атома углерода или иначе: хирального центра (хиральность от греч. Cheir – рука), т. е. атома углерода с четырьмя различными заместителями.
Все α-аминокислоты, имеющие ассиметричесийй атом углерода, образуют оптические (зеркальные, т. е. которые нельзя совместить) изомеры.
Оптические изомеры принято обозначать латинскими буквами. L- (от лат. Louvus – левый) и D- (от лат dexter – правый).
L-аминокислота D-аминокислота
Рис. 1.4. L и D оптические изомеры α-аминокислот
Считают, что кислота относится к L-ряду, если в написании фишеровской проекции аминогруппа расположена слева (рис. 1.4).
Все природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся именно к L-ряду.
Вся белковая жизнь на земле – «левая». Есть и «исключения», но они только подтверждают правило. Оказывается, D-аминокислоты крайне редко, но все же встречаются в природе.
Например, они присутствуют в оболочке бактерии, которая является возбудителем сибирской язвы. Именно поэтому оболочка бактерии не разрушается ферментами, разрывающими белковые цепи L-аминокислот.
Из 20 α-аминокислот, входящих в состав белков:
1) 17 обладают одним ассиметричным атомом углерода;
2) одна не содержит ассиметричного атома углерода: глицин;
3) две имеют два ассиметричных атома углерода: изолейцин и треонин.
1.5.1.3. Классификация α-аминокислот
В настоящее время существуют различные классификации
α-аминокислот.
В зависимости от строения бокового радикала аминокислоты подразделяют на:
1) неполярные (гидрофобные), содержат неполярный гидрофобный радикал (линейную или разветвленную углеводородную цепочку или ароматическое кольцо);
2) полярные (гидрофильные) незаряженные, содержат полярный гидрофильный радикал (полярные группы: -OH; -NH2; -SH);
3) полярные заряженные, содержат заряженный боковой радикал (заряженные группы : -NH3+ и -COO-).
Наиболее распространенные α-аминокислоты приведены на с. 1.5:
НЕПОЛЯРНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
ПОЛЯРНЫЕ НЕЗАРЯЖЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
ЗАРЯЖЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
Рис. 1.5. Наиболее распространенные α-аминокислоты
Аминокислоты подразделяются так же на:
1) незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, лизин);
2) частично заменимые (аргинин и гистидин);
3) заменимые (аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, пролин, серин, тирозин, цистеин).
Незаменимые аминокислоты не синтезируются в организме человека, но необходимы для нормальной жизнедеятельности. Они должны поступать в организм с пищей. При недостатке незаменимых аминокислот задерживается рост и развитие организма.
Заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека.
Частично заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека, но в незначительных количествах.
Следует отметить, что некоторые природные аминокислоты не участвуют в построении белков но, тем не менее, очень важны для жизнедеятельности организма. Это, помимо уже упоминавшейся ГАМК, например, гормон щитовидной железы - аминокислота тироксин, образующаяся при йодировании тирозина (Рис. 1.6).
Рис. 1.6. Аминокислота тироксин - гормон щитовидной железы
1.5.2. Физико-химические свойства аминокислот
В молекуле аминокислоты одновременно присутствуют две функциональные группы противоположного химического характера: основная (-NH2 - аминогруппа) и кислотная (-COOH - карбоксильная группа).
Эти группы способны к взаимодействию друг с другом, т. е. внутримолекулярной нейтрализации. Протон (Н+) карбоксильной группы может перейти на неподеленную электронную пару атома азота аминогруппы. В связи с этим аминокислоты правильнее представлять в виде так называемых внутренних солей типа (Рис. 1.7):
Рис. 1.7. α-Аминокислота в форме внутренней соли
Эта особенность определяет физические свойства аминокислот. Подобно неорганическим солям, аминокислоты – твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде и мало растворимые в органических растворителях. Некоторые аминокислоты обладают сладким вкусом.
α-Аминокислоты обладают как минимум двумя ионогеннными группами (группами, которые при диссоциации образуют ионы) - карбоксилом и аминогруппой:
Рис. 1.8. Кислотно-основное равновесие в растворе α-аминокислот
В сильно кислой среде α-аминокислоты существуют в виде двухосновной кислоты (Рис. 1.8). В сильно щелочной среде будет преобладать анион.
В нейтральных средах могут присутствовать две незаряженные формы - нейтральная и биполярная (последнюю часто называют цвиттер-ионом).
α-Аминокислоты при нейтральных значениях рН существуют практически полностью в виде цвиттер-иона.
Характеристическое значение рH, при котором концентрация цвиттер-иона максимальна, называют изоэлектрической точкой (pI). Поскольку в целом молекула цвиттер-иона электронейтральна, электропроводность раствора в такой точке будет минимальной, а молекула аминокислоты не будет смещаться в электрическом поле.
1.5.3. Химические свойства аминокислот
Так как аминокислоты имеют в своем составе как кислотную, так и основную группы, они способны реагировать и с кислотами, и с основаниями, т. е., можно сказать, что аминокислоты являются амфотерными органическими соединениями.
Химические свойства аминокислот определяются их радикалами:
реакции солеобразования протекают по аминной и карбоксильной группам;
реакции окисления-восстановления – по –SH- и -S-S-группам;
реакции алкилирования (взаимодействия с гидроксильными группами спиртов) и ацилирования по NH2-, OH- и COOH-группам;
реакция фофорилирования - по OH-группам.
1.5.4. Пептидная связь. Структура пептидной связи
В определенных условиях (например, при воздействии определенных ферментов), аминокислоты способны реагировать друг с другом. В результате взаимодействия α-аминогруппы (—NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислоты возникает пептидная связь.
Образование пептидной связи можно представить себе, как отщепление молекулы воды от присоединяющихся к друг другу карбоксильной и аминогрупп (Рис. 1.9):
Рис. 1.9 Образование пептидной с вязи
Пептидная связь, характерная для первичной структуры белков, не является полностью одинарной. Её длина составляет 0.132 нм, что является средним значением между истинной одинарной связью C-N (0.149 нм) и истинной двойной связью C=N (0,127 нм). По некоторым данным, пептидная связь является частично двойной и частично одинарной:
Рис 1.10. Пептидная связь
Пептидная связь имеет плоскую структуру (планарная связь), т. е. все четыре атома (C, N, O, H) лежат в одной плоскости, и характеризуется определённой жёсткостью, т. е..
Эти свойства пептидной связи обеспечиваются так называемой sp2-гибридизацией электронов N и С' атомов, отсутствием вращения вокруг C´-N связи
Давайте более подробно остановимся на тонкой (электронной) структуре пептидной связи.
Электронные формулы C, N и O:
Углерод, азот и кислород относятся ко 2-му периоду, т. е. имеют два энергетических уровня. На втором (внешнем) энергетическом уровне локализованы два энергетических подуровня: s и p. Электронные формулы этих элементов имеют следующий вид:
Углерод C 1s2 2s2 2p2
Азот N 1s2 2s2 2p3
Кислород O 1s2 2s2 2p4
Рис. 1.11 Энергетические уровни атома углерода
Образованию ковалентной пептидной связи предшествует sp2-гибридизация атомных орбит атомов углерода и азота.
Рис. 1.12 sp2 гибридизация
sp2-гибридизация преобразует одну сферическую s- и две вытянутые p-орбиты электронов атома в три sp2-орбиты. Эти три орбиты вовлекают атом в три ковалентные связи, лежащие в одной плоскости.
Вовлеченные в sp2-гибридизацию электроны ковалентно связанных C' и N атомов создают "делокализованное" электронное облако, охватывающее оба эти атома, и распространяющиеся также — через связь С-О — на атом О (именно поэтому связи C'=N и C=O рисуются как равноправные "полуторные").
Рис. 1.13 Делокализация ковалентной связи при образовании пептидной связи
Ковалентная связь считается локализованной, если ее электронная пара находится в поле двух ядер и связывает только два атома.
Делокализованная связь – связь, электронная пара которой рассредоточена между несколькими (более 2) ядрами атомов. Такая делокализация (рассредоточение) электронов характерна для сопряженных π-связей, т.е. кратных связей, чередующихся с одинарными.
Рассредоточение электронов – энергетически выгодный процесс, т.к. приводит к снижению энергии молекулы. Необходимым условием делокализации р-электронов является π-перекрывание р-атомных орбиталей соседних sp2-атомов.
Однако у C и N атомов есть еще p-электроны кроме тех, что уже задействованных в sp2 орбитах. И так как эти p-орбиты имеют форму "восьмерок", перпендикулярных всем трем sp2-орбитам, то дополнительная связь этих p-электронов — связь, требующая сближения "восьмерочных" орбит и "обобществления" (т.е. переходов с атома на атом) находящихся на них электронов, - это обобществление p-электронов препятствует вращению вокруг С'-N связи.
Атом кислорода карбоксильной группы и атом водорода аминогруппы могут находятся в цис- или транс-положении относительно связи –C-N-.
Рис. 1.14 Цис- и транс-форма пептидной связи
Экспериментально доказана большая устойчивость транс-формы.
1.5. Пептиды
Поскольку дипептид также содержит свободную карбоксильную и аминогруппы, то к нему с помощью новых пептидных связей могут присоединяться новые аминокислотные мономеры; в результате образуется олиго- или полипептид (Рис. 1.15).
Рис. .15 Пентапептид (пептид из пяти аминокислотных остатков). R1, R2 и т.д. — боковые радикалы аминокислот. Пептидный остов молекулы выделен утолщенными линиями.
Пептидная цепь имеет одно направление и два разных конца — N-конец, несущий свободную аминогруппу первой аминокислоты, и С-конец, несущий свободную карбоксильную группу последней аминокислоты. В пептидах аминокислотные остатки связаны в цепочку последовательно. Цепочку амидных групп и α-углеродных атомов называют пептидным остовом молекулы (выделен на Рис. 1.15).
1.5.1. Конформация полипептидной цепи
Таким образом, полипептидная цепь составлена из ряда жёстких плоскостей, чередующихся с группировками CHR (Рис. 1.16):
Рис 1.16 Полипетидная цепь состоит из ряда жёстких плоскостей, чередующихся с группировками CHR
Атомы углерода и азота в цепи располагаются приблизительно в одной плоскости, в то время как атомы водорода и радикалы группировок CHR направлены к этой плоскости под углом 109º28´.
Пептидный остов молекулы полипептида окружен разнообразными по химической природе боковыми радикалами. Характер радикалов оказывает большое влияние на пространственную конфигурацию полипептидной цепи, определяет круг химических реакций, свойственных боковым цепям.
Каждый аминокислотный остаток, за исключением концевых, принимает участие в образовании двух пептидных связей (с предыдущим и последующим фрагментами). Поскольку вращение вокруг связи C—N затруднено, повороты возможны только вокруг связей N--Cα и Cα--C ). Такие повороты измеряются двугранными углами φ и ψ. Угол φ характеризует поворот вокруг связи N---Cα, а следовательно, положение предшествующей пептидной связи; угол ψ характеризует поворот вокруг связи Сα—С, т. е. положение последующей связи.
Форма пептидной молекулы определяется (белковой) этими углами между плоскостями, в которой лежат атомы пептидной связи, разделёнными друг от друга –CH-R-группами, что ведёт к возникновению определённых вторичных структур.
1.5.2. Номенклатура пептидов
Поскольку аминокислоты в составе пептидов находятся в форме ацилов (кислотных остатков), то в названии пептидов им придают характерное для ацилов окончание «ил». Название концевой аминокислоты со свободной карбоксильной группой оставляют без изменений (Рис. 1.17).
Рис. 1.17 Трипептид аланилсерилфенилаланин
Название пептида начинают с аминокислоты, сохранившей свободную α-аминогруппу. Для того чтобы назвать конкретный пептид, достаточно перечислить (начиная с N-конца) последовательность входящих в его состав аминокислотных остатков.
1.5.3. Пептиды небелковой природы и их биологическая роль
Почти все клетки содержат свободные пептиды. В настоящее время из природных источников выделено более сотни индивидуальных пептидов, детально изучено их строение, свойства и биологическая активность.
В качестве примера приведём строении глутатиона – одного из наиболее широко распространённых внутриклеточных пептидов так называемого полимодального действия, принимающего участие в переносе аминокислот через мембрану, в окислительно-восстановительных и других процессах в клетке (Рис. 1.18).
Рис. 1.18 Пептид небелковой природы глутатион или γ-глутамилцистеинилглицин
Некоторые природные пептиды-антибиотики (синтезируются микроорганизмам) имеют циклическое строение: грамицидин S, бацитрицин A, циклоспорин А (Рис. 1.19). В их состав могут входить непротоиногенные аминокислоты и D-изомеры.
Рис. 1.19. Циклоспорин А – пептид-антибитик, имеющий циклическое строение
Циклоспорин A (cyclosporin A) - лекарственное вещество, подавляющее функции иммунной системы; назначается для предотвращения и лечения отторжения пересаженных органов или костного мозга.
Роль пептидов в процессе жизнедеятельности организмов многообразна. Многие из них служат гормонами (инсулин, глюкагон, гормон роста и др.). Некоторые являются сильнейшими ядами (яды змей, пауков, насекомых, высших грибов) антибиотиками, регуляторами психической деятельности.
Значительное число природных пептидов удалось синтезировать. Искусственным путём получены сотни аналогов природных пептидов, ряд которых обладает более сильным биологическим действием.