Амінокислоти. Пептиди. Білки.

План лекції:

1. Будова амінокислот

2. Загальна характеристика білків та їх класифікація.

3. Елементарний склад білків.

4. Властивості білків:

а) молекулярна маса білків;

б) розчинність білків;

в) амфотерність білків;

г) гідроліз білків;

д) денатурація білків;

е) кольорові реакції білків.

4. Будова білків. Їх структура:

а) первинна

б) вторинна

в) третинна

г) четвертинна

Фізичні та хімічні властивості

Амінокислоти являють собою білі кристалічні речовини з високими температурами плавлення, добре розчинні у воді. Внаслідок наявності в структурі кислотного центру (група — СООН) та основного центру (група — NH₂) амінокислоти кристалізуються з нейтральних водних розчинів у вигляді внутрішніх солей, що дістали назву біполярні іони, або цвіттер-іони:

У хімічному відношенні амінокислоти виявляють властивості первинних амінів та карбонових кислот. По карбоксильній групі вони утворюють функціональні похідні карбонових кислот — солі, складні ефіри, аміди, галогенангідриди.

За участю аміногрупи амінокислоти утворюють солі з мінеральними кислотами, вступають в реакції алкілування, ацилування, реагують з азотистою кислотою, а також дають інші реакції, властиві первинним амінам. Оскільки амінокислоти утворюють солі як з мінеральними кислотами, так і з основами, вони є амфотерним речовинами.

Деякі хімічні перетворення амінокислот представлені на схемах.

Способи добування

Найширше використовуваний, хімічний метод розщеплення рацематів a-амінокислот грунтується на утворенні діастереомерних солей N-ацильних похідних (±)-a-амінокислот з оптично активними основами, наприклад, бруцином або стрихніном. Внаслідок різної розчинності один з діастереомерів утворює осад, а інший, більш розчинний, залишається у розчині. Розділені діастереомерні солі потім розкладають до a-амінокислот.

Ферментативний метод розщеплення оснований на гідролізі N-ацил-a-амінокислот ацилазами або складних ефірів a-амінокислот естеразами.

Гідроліз білків. a-Амінокислоти добувають шляхом лужного, кислотного або ферментативного гідролізу білків. При кислотному гідролізі відбуваються також побічні реакції, наприклад, глутамін аспарагін гідролізуються до глутамінової та аспарагінової кислот, а триптофан розкладається. Лужний гідроліз призводить до рацемізаії a-амінокислот. Тому найширше застосовується ферментативний метод гідролізу. Розділення a-амінокислот у білкових гідролізатах проводять за допомогою іонообмінної хроматографії.

Мікробіологічний синтез. Деякі мікроорганізми в процесі своєї життєдіяльності виробляють певні a-амінокислоти. Ці мікроорганізми вирощують на багатих вуглеводами середовищах — крохмалі, меласі, патоці та ін. Таким способом добувають аспарагінову та глутамінову кислоти, триптофан, лізин та ін.

Хімічні властивості a-амінокислот

Раніше були розглянуті хімічні властивості амінокислот. Також подані реакції, котрі застосовуються у аналізі a-амінокислот, синтезі пептидів або лежать в основі перетворень a-амінокислот в організмі.

Реакції по аміногрупі

Утворення N-ацильниx похідних. При взаємодії a-амінокислот ангідридами або хлорангідридами карбонових кислот утворюють N-ацильні похідні, котрі відносно легко руйнуються до вихідних a-амінокислот. У зв'язку з цим реакція ацилювання використовуєте для блокування (захисту) аміногрупи при синтезі пептидів. Як ацилюючі реагенти використовують бензоксикарбонілхлорид (а) або трет-бутоксикарбоксазид (б):

Захисну карбобензоксигрупу видаляють каталітичним гідролнолізом або дією розчину бромоводню в оцтовій кислоті на холоді:

Трет-бутоксикарбонільну групу руйнують дією трифтороцтової кислоти:

Дезамінування. Під дією азотистої кислоти a-амінокислоти перетвоорюються на відповідні a-гідроксикислоти:

Реакція застосовується в аналітичній практиці (метод Ван-Слайка). За об'ємом азоту, що виділився, визначають кількісний вміст a-амінокислоти.

В організмі a-амінокислоти піддаються окисному дезамінуванню. Реакція відбувається під дією ферментів оксидаз і окисного агенту коферменту НАД:

Трансамінування ( пергаміну вання). Процес проходить тільки в живих організмах. Реакція відбувається за участю ферментів трансаміназ і коферменту піридоксальфосфату між a-аміно- і a-кетокислотами та зводиться до взаємообміну аміно- та карбонільною групами:

Взаємодія з карбонільними сполуками. Формальдегід реагує з a-амінокислотами у водному розчині з утворенням N-гідроксиметильних похідних.

Реакцію покладено в основу кількісного визначення a-амінокислот методом формольного титрування за Серенсеном.

Інші альдегіди та кетони реагують з а-амінокислотами з утворенням основ Шиффа:

Взаємодія з фснілізотіоціапатом (реакція Едмана). При взаємодії a-амінокислот з фенілізотіоціанатом утворюються похідні З-феніл-2-тіогідантоїну. Спочатку в присутності лугу відбувається приєднання фенілізотіоціанату за аміногрупою a-амінокислоти, а потім при нагріванні продукту приєднання в присутності мінеральної кислоти відбувається циклізація з утворенням похідного фенілтіогідантоїну (ФТГ-похідного):

Реакція використовується для установлення будови пептидів (деградація за Едманом).

Взаємодія з 2,4-динітрофторбензолом (реактив Сетера). При взаємодії a-амінокислот з 2,4-динітрофторбензолом (ДНФБ) утворюється N-динітрофенільне похідне (ДНФ-похідне):

Реакція проходить за механізмом S_N. Використовується для визначення будови пептидів.

Реакції по карбоксильній групі

Утворення хелатних сполук. Характерною особливістю a-амінокислот є здатність утворювати міцні хелати комплексні солі з іона важких металів, наприклад:

Незначна розчинність та інтенсивне забарвлення хелатів міді (II) дозволяє використовувати їх в аналітичній практиці для виявлення a-амінокислот.

Утворення складних ефірів. Як карбонові кислоти a-амінокислоти при взаємодії зі спиртами утворюють складні ефіри:

Складні ефіри a-амінокислот розчинні в органічних розчинниках, леткі та добре переганяються. Ці властивості їх використовуються при розділенні суміші a-амінокислот у білкових гідролізатах. З цією метою a-амінокислоти спочатку етерифікують, а потім одержані ефіри піддають перегонці. Для розділення суміші складних ефірів a-амінокислот нині застосовують метод газо-рідинної хроматографії (ГРХ). Ця реакція служить також зручним методом захисту карбоксильної групи при синтезі пептидів.

Утворення галогенангідридів і ангідридів. Аналогічно карбоновим кислотам, a-амінокислоти утворюють галогенангідриди та ангідриди. Перед проведенням реакції спочатку захищають аміногрупу утворенням N-ацильних похідних.

Декарбоксилювання. У зв'язку з наявністю біля a-вуглецевого атома двох сильних електроноакцепторних груп карбоксильної та аміногрупи a-амінокислоти відносно легко декарбоксилюються:

Ідентифікація a-амінокислот

Нінгідринна реакція. Для виявлення a-амінокислот використовується реакція з нінгідрином, в результаті котрої утворюється продукт, забарвлений в синьо-фіолетовий колір з максимумом поглинання при 570 нм:

Нінгідриновий реактив застосовується в хроматографічному аналізі для проявлення хроматограм на папері та в тонкому шарі сорбенту, а також для кількісного колориметричного визначенні a-амінокислот.

Ксантопротеїнова реакція. Це реакція з концентрованою азотною кислотою на a-амінокислоти, що містять у своїй молекулі ароматичні цикли. В результаті останньої відбувається нітрування ароматичного циклу з утворенням нітропохідного, забарвленого у жовтий колір.

Вміст білків:

В м’язах людини – 80%

В шкірі – 63%

В печінці – 57%

В мозок – 45%

В кістках – 28%

Загальна характеристика білків та їх класифікація.

Азотовмісні високомолекулярні сполуки природного походження – білки.

Із органічних речовин, що входять в склад живих організмів, найбільш важливі в біологічному відношенні і найбільш складні по хімічній структурі є якраз білки. З ними ми зустрічаємось всюди, там де має місце життя, та його прояви.

Термін „білки” виник вперше в зв'язку із знаходженням в тканинах тварин і рослин речовин, що подібні по деяких своїх властивостях з яєчним білком (при нагріванні вони розкладаються). Ці речовини Мульдер в 1838 р. назвав протеїнами (з грец. proteous - перший), тобто вони є важливими складовими живої матерії, без якої неможливе життя. Тепер слово „білки” це збірне поняття для цілого класу речовин, які мають багато спільного в складі та властивостях, що присутні в кожній живій клітині і утворюють там основну масу протоплазми.

Класичне визначення ролі білків як основи живого дано сто років тому що „життя це форма існування білкових тіл”. Ця фраза стала крилатою, в ній підкреслюється вирішальне значення білків для життя.

Всі білки в залежності від будови діляться на прості і складні.

Протеїни – практично зустрічаються в усіх тваринних і рослинних клітинах, в більшості рідин організму (плазмі крові, сиворотці молока і т.д.).

Амбуліни менші по масі від глобулінів та розинні у воді, а глобуліни в нейтральних солях. Прості білки складаються тільки з амінокислот.

Склдні білки – складаються з білкової та небілкової групи.

а) нуклеопротеїни – небілкова частина відноситься до нуклеїнових кислот;

б) небілкова частина хромопротеїнів забарвлені сполуки;

в) фосфопротеїни – мають у складі залишки фосфорної кислоти;

г) ліпопротеїни – небілкова частина –ліпіди;

д) глюкопротеїни – небілкова частина – вуглеводи.

Вони контролюють тисячі хімічних реакцій: біоенергетика, живлення, дихання, м’язове скорочення, білкові гормони розкачують маятник наших емоцій, імунітет теж залежить від білків.

2. Елементарний склад білків.

Формули білків:

гемоглобін – С₃₀₃₂Н₄₈₇₆О₈₇₂N₇₈₀S₆Fe₄

При вивченні хімічної структури простого білка було встановлено, що основною його структурною одиницею – мономером – являються амінокислоти. Таким чином білки – це високомолекулярні, органічні, N – вмісні біополімери, які складаються в основному з амінокислот.

Амінокислота''' — це азотовмісна карбонова кислота, тобто — це хімічна сполукаа, молекула якої одночасно містить аміногрупу –NH₂ та карбоксильну групу –СООН, і вуглецевий скелет. За тим, до якого атому вуглецю приєднана аміно- група, амінокислоти поділяються на α, β, γ При цьому α-амінокислотами називаються такі, в яких карбоксильна та [[аміногрупа]] приєднані до одного і того ж атому вуглецю; β-амінокислотами — такі, де аміногрупа приєднана до атому вуглецю, сусіднього з тим, до якого приєднана карбоксильна

До складу протеїнів входять 20 α-амінокислот, які кодуються генетичним кодом і називаються протеїногенними або стандартними амінокислотами. Окрім них в організмі продукуються і інші амінокислоти, що називаються непротеїногенними або нестандартними. Одна із стандартних амінокислот, [[пролін]], має вторинну аміногрупу (=NH замість –NH2 , яка також часто називається іміногрупою.

3. Властивості білків і будова амінокислот.

а) Молекулярна маса білків – для визначення молекулярної маси існує ряд методів:

кріоскопічний. осмометричний, седиментації

Найбільш точним є метод седиментації який проводиться в ультрацентрифузі. Він заснований на різній швидкості осадження білків в залежності від молекулярної маси: з великою масою білки осідають при малій швидкості руху ротора центрифуги, а білки з малою масою - при високих швидкостях його руху.

Вивчення різних білків показало, що всі вони мають велику молекулярною масою. Молекулярна маса їх виражається десятками, сотнями і тисячами, а в деяких білків і декілька мільйонів.

альбумін) – 36000

гемоглобін) – 152000

м'язи (міозин) – 500000

б) розчинність білків

Ми вже згадували класифікуючи білки, що одні з них альбуміни розчинні у воді, а глобуліни тільки в нейтральних солях. А є білки, що зовсім не розчиняються.

Розчинні білки утворюють колоїдні розчини.

в) амфотерність білків

NH₂ – аміногрупа – гр. основ. орг.

О

∕∕

-С – карбоксильна гр. – гр. орг. кислот.

\

ОН

Амінокислоти будуть себе проявляти як основи взаємодіючи з кислотами, і як кислоти взаємодіючи з основами.

Отже, амінокислоти це органічні амфотерні сполуки.

Амінокислоти можуть реагувати між собою з утворенням пептидних зв*язків:

20 амінокислот , що входять до складу білків

Аланін	Лейцин
Аргінін	Лізин
Аспарагін	Метіонін
Аспарагінова кислота	Пролін
Валін	Серин
Гістидин	Тирозин
Гліцин	Треонін
Глутамін	Триптофан
Глютамін	Феніламін
Глютамінова кислота	Цистеїн
Ізолейцин

г) гідроліз білків

Для вивчення хімічного складу білків застосовують гідроліз – процес розщеплення білків на складові частини при участі води і нагрівання.

Гідроліз буває:

Кислотний лужний ферментативний

для кислого гідролізу використовують концентровані розчини H₂SO₄ i HCl і нагрівання при 100-110⁰С.

Для лужного - використовують розчини лугів.

ферментативний проходить з участю ферментів (біологічних каталізаторів) і при температурі 37-38⁰С.

Кінцевими продуктами гідролізу простих білків являються тільки амінокислоти.

д) денатурація білка

Під впливом різних фізичних і хімічних факторів – високої температури, ряду хімічних речовин, опромінення, механічної дії – слабкі водневі зв’язки що підтримують вторинну і третинну структури (але не первинну, рвуться і молекула розгортається).

В результаті денатурації властивості білка змінюються. Він втрачає розчинність, стає доступним дії травних ферментів втрачає властиві йому функції. Явище денатурації процес оборотний, тобто розгорнутий поліпептидний ланцюг здатний знову закрутитися в спіраль.

Цю властивість денатурації використовують в клініці, коли при отравленні важкими металами хворому дають пити молоко або сирі яйця, щоб метали денатуруючи білки цих продуктів адсорбувалися на їх поверхні і не діяли на слизові стінок кишечнику і не всмоктувалися в кров.

) кольорові реакції

Білки дають характерні кольорові реакції за якими можна розпізнати серед інших речовин. Наприклад, від азотної концентрованої кислоти з'являється жовте забарвлення.

Так звана біуретова реакція дає синьо-фіолетове забарвлення, коли до білка додати розчину NaOH + CuSO₄.

Будова білків. Їх структура: первинна, вторинна, третинна, четвертинна.

Білки – це високомолекулярні, органічні, азотовмісні біополімери, які складаються з амінокислот.

В поліпептидних ланцюгах амінокислотні залишки повторюються багато разів. При цьому кожний індивідуальний білок має свою строгу послідовність амінокислотних ланок.

Так як в алфавіті з букв складаються слова, так з 20 амінокислот може утворитися безмежна кількість білків.

Специфічна, унікальна для кожного окремого білка послідовність амінокислот – наз. первинною структурою.

В поліпептидних ланцюгах амінокислотні залишки повторюються багато разів. При цьому кожний індивідуальний білок має свою строгу послідовність амінокислотних ланок.

Так як в алфавіті з букв складаються слова, так з 20 амінокислот може утворитися безмежна кількість білків.

Специфічна, унікальна для кожного окремого білка послідовність амінокислот – називається. первинною структурою білка. Послідуючі дослідження показали, що поліпептидний ланцюг знаходиться в закрученому вигляді -спіралі. Дана спіралізація забезпечується водневими зв’язками, які виникають між залишками карбоксильних і амідних груп, розміщених на протилежних витках спіралі.

Скручений в спіраль поліпептидний ланцюг, що з’єднаний водневими зв’язками дає нам – вторинну структуру білка Ще складнішу просторову конфігурацію білка має третинна структура білка. Третинна структура підтримується взаємодією між функціональними групами R-поліпептидного ланцюга.

Зближення - може давати сольовий місток, карбоксильна з гідроксилом дає складноефірний місток, атоми сірки дисульфідні (-S-S-) містки.

Третинна структура зумовлює специфічну біологічну активність білка. У живих організмах є ще складніші конфігурації білка типу четвертинного структури.

За хімічною природою ферменти – це білки, що проявляють каталітичні властивості, тобто вони прискорюють перебіг різних хімічних процесів, які відбуваються в живому організмі. Ферментам притаманні всі фізико-хімічні властивості білків: висока молекулярна маса, розщеплення до амінокислот під час гідролізу, утворення колоїдоподібних розчинів; вони не стійкі до впливу високих температур та солей важких металів, проявляють антигенні властивості, піддаються фракціонуванню. Як і білки, ферменти поділяються на прості й складні. Прості, або однокомпонентні, ферменти містять у своєму складі тільки амінокислоти. Наприклад, пепсин, уреаза, РНКаза та інші. Більшість ферментів є двокомпонентними, тобто складаються з білкової і небілкової (простетичної) частин. Їх називають ще голоферментами, а їх складові, відповідно, апоферментами (білкова частина) і простетичною групою, або коферментом (небілкова частина ферменту)

Простетична група міцно і постійно зв’язана з апоферментом. Якщо небілкова частина ферменту зв’язана з апоферментом непостійно, тобто знаходиться в дисоційованому стані й приєднується до апоферменту тільки під час каталітичного процесу, то її називають коферментом, іноді – кофактором.

Усе ж термін кофактор більше вживається в тих випадках, коли небілкова частина ферменту представлена якимось мікроелементом (металом), якому притаманна ще й функція активатора. Загалом, небілкова частина складного ферменту – низькомолекулярна і термостабільна, тоді як білкова – високомолекулярна і термолабільна. Важливо, що апофермент і кофермент проявляють ферментативні властивості тільки при їх поєднанні.

Апофермент у складному ферменті вказує на тип перетворень, відповідає за так звану специфічність дії ферменту. Небілкова частина голоферменту сприяє зв’язуванню ферменту з речовиною, на яку він діє (субстратом), здійснює передачу електронів, атомів, іонів з однієї речовини в іншу. Важливо, що одна і та ж небілкова речовина в одних ферментах може бути зв’язана з білковою міцно (як простетична), а в інших – слабо, і то лише під час реакції (кофермент). Наприклад, ФАД легко відщеплюється від білкової частини оксидази D‑амінокислот, а з ферментами тканинного дихання він утворює міцний зв’язок.