Природные α-аминокислоты.

Курский государственный медицинский университет
Кафедра биоорганической химии
Аминокислоты.
Пептиды и белки
Цель:
Получить представление о
взаимосвязи химического строения и
биологической роли аминокислот,
пептидов и белков
План лекции
1. Медико-биологическое значение аминокислот, пептидов и
белков;
2. Строение, классификация аминокислот
3. Стереоизомерия α-аминокислот
4. Способы получения аминокислот
5. Общие и специфические химические свойства аминокислот
6. Химические свойства α-аминокислот in vitro;
7. Реакции α-аминокислот in vivo;
8. Первичная структура пептидов и белков;
9. Пространственное строение молекул белков.
Аминокислоты
- это органические гетерофункциональные
соединения, молекулы которых содержат
одновременно карбоксильную группу-СООН и
аминогруппу -NН2
α
R1
СH
O
C
OH
NH2
Например, глицин:
CH2 -COOH
NH2
Классификация аминокислот
в зависимости от местоположения
функциональных групп в УВ-скелете молекулы
алифатические
ароматические
CH3 -CH-COOH
NH2
2-аминопропановая кислота
α(2)-аминопропионовая кислота
аланин
о-аминобензойная кислота
антрониловая кислота
Классификация аминокислот
в зависимости от взаимного местоположения
функциональных групп
γ
α-аминокислоты
α
CH2-CH2-CH2-COOH
CH3 -CH-COOH
NH2
γ-аминокислоты
NH2
β-аминокислоты
β
CH3-CH-CH2-COOH
NH2
Принципы классификации
α-аминокислот
Природа радикала
По возможности синтеза
Число функциональных групп
(-СООН; -NH2)
Классификация
в зависимости от природы радикала R:
R-CH-COOH
NH2
1 алифатические CH3 -CH-COOH
NH2
Аланин
2 ароматические
CH2 -CH-COOH
Фенилаланин NH2
3 гетероциклические N
N
H
CH2 -CH-COOH
NH2 Гистидин
Классификация
алифатических α-аминокислот
по содержанию «дополнительных» функциональных групп
R-CH-COOH
NH2
Содержащие –ОН группу
-серин (НО–СН2–)
Серосодержащие
-цистеин (НS–СН2–)
-треонин (СН3–СН–)
-метионин
(CH3–S–CH2–CH2–)
ОН
Классификация
в зависимости от
числа карбоксильных и аминогрупп
- Нейтральные – одна NH2 и одна СООН группы
Моноаминомонокарбоновые
CH3 -CH-COOH
Аланин
NH
2
- Основные – две NH2 и одна СООН группы
Диаминомонокарбоновые
H2 N-CH2 -CH2 -CH2 -CH2 -CH-COOH
Лизин
NH2
- Кислые - одна NH2 и две СООН группы
Моноаминодикарбоновые
HOOC-CH2 -CH-COOH
Аспарагиновая кислота
NH2
Классификация α-аминокислот
по возможности синтеза
Заменимые
синтезируются в
организме
Незаменимые
не синтезируются в
организме
-валин
-лейцин
-изолейцин
-лизин
-треонин
-метионин
-фенилаланин
-триптофан
Стереоизомерия α-аминокислот
*
CH3 -CH-COOH
NH2
COOH
COOH
аланин
NH2
H
CH3
D-аланин
H
H2 N
CH3
L-аланин
Физические свойства
Аминокислоты:
 бесцветные кристаллические
вещества
 сладкие на вкус
 хорошо растворяются в воде
0
 имеют температуру плавления 220 0
315 С.
Химические свойства
Аминокислоты, являясь амфотерными соединениями,
могут проявлять как основные, так и кислотные
свойства, вступая в соответствующие реакции:
О
NH2
Основные свойства
R1
C
OH
Кислотные свойства
Основные свойства
..
NH2
О
CH2
H+
C
Cl-
OH
О
NH3+
CH2
Cl-
C
OH
гидрохлорид
Кислотные свойства
O
NH2
CH2
Na
C
OH
OH
О
NH2
CH2
H
C
ONa
OH
В твердом состоянии α-аминокислоты существуют в виде биполярных
(цвиттер) ионов
H
H
N
R1
СН2
O
C
O
биполярный ион
H
В водном растворе α-аминокислоты существуют в виде
равновесной смеси
биполярного иона, катионной и анионной форм.
Положение равновесия зависит от pH среды
pH 1,0
сильнокислая среда
R-CH-COOH
+
NH3
катион
H
pH 7,0
+
R-CH-COO+
NH3
цвиттер-ион
pH 11,0
сильнощелочная среда
OH
R-CH-COONH2
анион
Изоэлектрическая точка α-аминокислоты – это то
значение pH раствора, при котором большинство
молекул существуют в виде биполярных ионов, а
концентрации катионной и анионной форм
минимальны и равны.
Свойства карбоксильной (-СООН) группы
CH3OH
HClгаз
метиловый эфир
CH3-CH-COOH
NH2
CH3-CH-COOCH3
+ H 2O
NH2
SOCl2
O
CH3-CH-C
NH2
хлорангидрид
Cl
+ SO2
+ HCl
Свойства амино- (-NH2) группы
(CH СO) O CH3-CH-COOH
3
2
NH-C-CH3
O
N-ацетильное
производное
CH3-CH-COOH
NH2
+ CH3COOH
O
H-C-H
CH3-CH-COOH
NH-CH2OH
N-метилольное производное
R-CH-COOH
HNO2
R-CH-COOH + N2
OH
NH2
α-аминокислота
α-гидроксикислота
Дезаминирование in vitro
+ H2O
Специфические свойства
декарбоксилирование
in vitro
R-CH-COOH
NH2
Ba(OH)2
to
R-CH2 + BaCO3
NH2
+ H2O
Специфические свойства
α-аминокислот
O
CH3-CH-C
OH
HN
H +
H
NH
HO
C-CH-CH3
O
to
H3 C
HC
HN
C
NH
C
O
O
+ 2 H 2O
CH
CH3
дикетопиперазин
Качественные реакции на α-аминокислоты
O
H2 N
C
R-CH
OH
+ Cu2+ +
NH2
CH-R
HO
C
O
O
C
R-CH
H2N
O
NH2
Cu
O
O
CH-R
C
комплексная медная соль α-аминокислоты
O
OH
OH
+ H2 N-CH-COOH
R
O
нингидрин
O
O
O
N
+ R-C
+ CO2
H
O
OH
продукт сине-фиолетового цвета
Качественная реакция на ароматические
α-аминокислоты (ксантопротеиновая)
HNO3
CH2 -CH-COOH
HO
тирозин
to
NH2
NaOH
HO
O2 N
CH2 -CH-COOH
NH2
продукт нитрования
продукт
оранжевого
цвета
Качественная реакция на
серосодержащие α-аминокислоты
NaOH
CH2 -CH-COOH
SH NH2
цистеин
to
продукты разложения
(Na2S)
(CH3COO)2Pb
PbS
Специфические свойства
β-аминокислот
H
to
δ+
CH2
NH2
C
COOH
H
β-аминопропионовая
кислота
CH2=CH-COOH
акриловая кислота
+ NH3
Специфические свойства
γ-аминокислот
O
CH2 CH2 CH2 C
to
OH
NH
H γ-аминомасляная
C
H 2C
H 2C
кислота
O
OH
NH
H
CH2
O
H2C
H2C
C
NH
CH2
γ-бутиролактам
Гидролиз лактамов
H2O, HCl
O
H2C
H2C
CH2-CH2-CH2-COOH
to
+
Cl
NH3
C
гидрохлорид
γ-аминомасляной кислоты
NH
CH2
γ-бутиролактам
H2O, NaOH
to
CH2-CH2-CH2-COONa
NH2
натриевая соль
Реакции α-аминокислот in vivo
• декарбоксилирование
• дезаминирование
- окислительное;
- неокислительное
• переаминирование
• образование пептидной связи
Декарбоксилирование α-аминокислот
N
N
H
CH2 -CH-COOH
NH2
гистидин
декарбоксилазы
N
N
H
CH2 -CH2 -NH2 +
гистамин
CO2
Неокислительное дезаминирование
HOOC-CH2-CH-COOH
NH2
аспарагиновая кислота
аспартаза
HOOC-CH=CH-COOH + NH3
фумаровая кислота
Окислительное дезаминирование
[O]
CH3 -CH-COOH
фермент
NH
NH2
α-иминокислота
аланин
H2O
фермент
CH3 -C-COOH
CH3 -C-COOH + NH3
O пировиноградная
кислота
Реакция переаминирования
фермент
HOOC-CH2 -CH-COOH + CH3 -C-COOH
O
NH2
аспарагиновая
кислота
пировиноградная
кислота
HOOC-CH2 -C-COOH + CH3 -CH-COOH
O
щавелевоуксусная
кислота
NH2
аланин
Методы количественного
определения α-аминокислот
- метод формольного титрования;
- метод Фишера;
- метод Ван-Слайка;
- электрофорез
Пептиды и белки
Медико-биологическое значение
пептидов и белков
Регуляторная функция
(ферменты)
Защитная функция
(иммуноглобулины)
Транспортная функция
(гемоглобин)
Структурная функция
(коллаген)
O
H2 N-CH-C
R
O
+ H2 N-CH-C
OH
R'
O
+ H2 N-CH-C
OH
R''
OH
пептидная связь
N-конец
O
O
H2 N-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-COOH
R
R"
R'
трипептид
C-конец
O
O
H2 N-CH-C NH-CH2 -C
CH3
Ала
Гли
O
NH-CH-C OH
CH2 -C6 H5
Фен
аланил глицил фенилаланин
Электронное строение пептидной
связи
O
H
C .. C
N
H
R
O
C
N
H
Кислотный гидролиз
H2 N-CH2 -CO-NH-CH-COOH
глицилаланин
CH3
H2O, H+,to
+
+
H3 N-CH2 -COOH + H3 N-CH-COOH
Cl
Cl
CH
гидрохлорид
глицина
3
гидрохлорид
аланина
Щелочной гидролиз
H2 N-CH2 -CO-NH-CH-COOH
глицилаланин
CH3
H2O, NaOH,to
H2 N-CH2 -COONa +
натриевая соль
глицина
H2 N-CH-COONa
CH3
натриевая соль
аланина
Ферментативный гидролиз
H2 N-CH2 -CO-NH-CH-COOH
глицилаланин
CH3
H2O, ферменты
H2 N-CH2 -COOH
глицин
+
H2 N-CH-COOH
CH3
аланин
Качественная реакция на
пептидные связи
Биуретовая реакция
Белок + Cu(OH)2
красно-фиолетовое
окрашивание
Уровни организации
полипептидной цепи
Первичный
пептидная связь
Вторичный
пептидная,
водородная связи
Четвертичный
водородная связь,
гидрофобное
взаимодействие
Третичный
пептидная, водородная,
ионная, дисульфидная связи,
гидрофобное взаимодействие
Первичная структура белка – это определенная
аминокислотная последовательность,
т.е.порядок чередования аминокислотных остатков
в молекуле белка.
Цистеин
Н
Первичная структура характеризуется
-аминокислотным составом;
-аминокислотной последовательностью
Вторичная структура белка – определенное
пространственное расположение полипептидной
цепи.
• α-спираль
• β-складчатая структура
α-спираль
На один виток
спирали – 3,6
аминокислотных
остатка.
β-складчатая структура
(параллельная)
N-конец
N-конец
R-HC
C =O:
H- N
R-HC
C =O
H- N
CH-R
O= C
C H-R
:O= C
N-H
R-HC
C-конец
N -H
R-HC
C-конец
β-складчатая структура
(антипараллельная)
N-конец
C-конец
R-HC
CH-R
C =O:
H-N
H- N
C =O
CH-R
R-HC
O= C
N-H
N-H
R-HC
C-конец
:O= C
CH-R
N-конец
Третичная структура белка
C =O
H- N
O= C
H-N
O= C
CH-CH2 -COOH +
H2 N-(CH2 )4 -H C
Асп
Лиз
CH-CH2 -COO -
N-H
C =O
+
H3 N-(CH2 )4 -HC
N-H
ионная связь
H- N
O= C
C =O
CH-CH2 -SH
Цис
+
HS-CH2 -HC
N-H
[O]
Цис
H- N
O= C
C =O
CH-CH2 -S- S-CH2 -HC
N-H
дисульфидный
мостик
+ H2O