Аминокислоты Лукьян

МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ УКРАИНЫ
ХАРКОВСЬКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ, БЕЛКИ
Методические указания для самостоятельной работы студентов
1-го курса по биологической и биоорганической химии
(модуль 1)
Утверждено
Учёным советом университета
Прот. №10 от 21 ноября 2013 г.
Харьков
2014
1
Аминокислоты, пептиды, белки: Метод. указ. для студентов 1-го курса /
сост. А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров, С.В. Андреева, С.А. Наконечная, Л.В. Лукьянова,
Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ, 2014. – С. 25.
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
2
Тема I. АМИНОКИСЛОТЫ
Мотивационная характеристика темы
Аминокислоты являются простейшими соединениями в структуре
высокомолекулярных веществ – белков – важнейших соединений для
построения тканей человеческого организма.
Учебная цель
Изучить химические свойства аминокислот по их составу и строению.
Учебно-целевые вопросы
1. Усвоить химический состав, строение и классификацию аминокислот.
2. Уметь
охарактеризовать
важнейшие
химические
свойства
аминокислот в зависимости от их состава и строения.
3. Знать методы качественного и количественного определения
аминокислот и уметь проводить соответствующие реакции.
4. Изучить важнейшие превращения аминокислот в организме:
переаминирование, дезаминирование, декарбоксилирование.
Методологические вопросы
1. Гетерофункциональность – один из важнейших признаков
аминокислот, участвующих в процессах жизнедеятельности.
2. Амфотерность аминокислот – проявление закона диалектического
материализма единства и борьбы противоположностей.
Исходный уровень
1. Кислотность и основность органических соединений.
2. Водородная связь.
3. Реакции нуклеофильного замещения в карбоксильной группе.
4. Получение амидов кислот.
5. Основность и нуклеофильность аминогруппы.
6. Окисление тиолов и восстановление дисульфидов.
Практические навыки
1. Уметь иллюстрировать химические свойства аминокислот.
2. Уметь проводить качественные реакции обнаружения аминокислот.
3
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение реакции γ-аминовалериановой кислоты с
метиловым спиртом и специфическую реакцию, протекающую при ее
нагревании.
2. Напишите реакцию получения коламина из соответствующей
аминокислоты. Назовите ее.
3. Напишите в ионном виде уравнение валина с разбавленным раствором
NaOН и соляной кислотой.
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача 1. Приведите важнейшие аминокислоты, входящие в состав
белков. Назовите их.
Эталон решения. Аминокислоты – это гетерофункциональные
соединения, в молекулы которых входят карбоксильные и аминогруппы.
α
основная функция
кислотная функция
COOH
CH
NH2
R радикал
Названия α-аминокислот строятся по систематической номенклатуре, но в
биохимии часто используются тривиальные названия. В биоорганической
химии и биохимии принято использовать трех- и однобуквенные сокращения
тривиальных названий, с помощью которых записывают аминокислотные
остатки в пептидах и белках. По химической природе радикала аминокислоты
делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.
Алифатические аминокислоты (число атомов углерода не более 6):
H CH COOH
глицин (аминоуксусная)
NH2
аланин
CH3
CH
COOH
NH2
валин
(CH3)2
CH
CH
COOH
NH2
лейцин
(CH3)2
CH CH2 CH COOH
NH2
4
CH3 CH2 CH CH COOH
изолейцин
CH3 NH2
серин
Аминокислоты, содержащие ОН-группу:
HO CH2 CH COOH
NH2
CH3 CH CH COOH
треонин
OH NH2
Аминокислоты, содержащие СООН-группу:
HOOC CH2 CH COOH
аспарагиновая кислота
NH2
глутаминовая кислота
HOOC (CH2)2 CH COOH
NH2
аспарагин
Аминокислоты, содержащие NН2СО-группу:
NH2CO CH2 CH COOH
NH2
глутамин
NH2CO
(CH2)2 CH COOH
NH2
лизин
Аминокислоты, содержащие NН2-группу:
H2N (CH2)3 CH2 CH COOH
NH2
аргинин
H2N
C
NH (CH2)3 CH COOH
NH2
NH
цистеин
Аминокислоты, серосодержащие:
HS CH2 CH COOH
NH2
NH2
цистин
S
CH2 CH COOH
S
CH2 CH COOH
NH2
5
Ароматические аминокислоты:
фенилаланин
CH2 CH
COOH
NH2
тирозин
CH2 CH
HO
COOH
NH2
триптофан
Гетероциклические аминокислоты:
CH2 CH COOH
NH2
N
H
гистидин
N
CH2 CH COOH
N
NH2
H
пролин
COOH
N
H
OH
гидроксипролин
COOH
N
H
Задача № 2. Напишите реакцию взаимодействия аланина с раствором
гидроксида натрия и соляной кислотой, гидроксидом меди.
Эталон решения. Поскольку α-аминокислоты содержат в своем составе
функциональные группы кислотного (–СООН) и основного характера (NH2–),
они являются амфотерными, образуют соли как с кислотами, так и со
щелочами.
6
NaOH
CH3
CH
CH3 CH
COONa
+ H2O
NH2
COOH
HCl
CH3 CH
COOH
+
_
Cl
NH2
NH3
В водном растворе α-аминокислоты существуют в виде равновесной
смеси биполярного иона. В кислой среде они превращаются в катионную
форму молекулы, в щелочной – анионную.
_
_
+H+
_ +OH
CH3 CH COO
CH3 CH COOH
CH3 CH COO
+
+
NH
NH3
NH2
3
биполярный ион
Положение равновесия зависит от рН среды:
сильнокислая среда ← рН среды → сильноосновная среда
Характерным свойством аминокислот является способность образовывать
комплексные медные соли темно-синего цвета, в которых аминогруппа за счет
неподеленной пары электронов образует координационную связь с ионом
двухвалентной меди.
HO
O
OH
O
O
O
O
O
C
C
C
HO
C
OH
Cu
..
..
H2N CH
+ Cu + H2N CH
HC NH2 H2N CH
- 2H2O
CH3
CH3
CH3
CH3
Комплексы аминокислот, как и многоатомных спиртов, имеют хелатное
строение.
Задача № 3. Какие продукты получаются при дезаминировании in vitro и
in vivo тирозина.
Эталон решения. При дезаминировании снижается избыток
α-аминокислот в организме. Дезаминирование
in vivo может быть
неокислительным (бактерии, грибы) и окислительным.
При отщеплении аммиака без участия кислорода и под действием
ферментов образуется α-непредельная кислота (n-оксифенилакриловая).
HO
CH2 CH
NH2
COOH
ïïïï
аспартаза
HO
- NH3
7
CH
CH
COOH
Окислительное дезаминирование происходит с участием ферментов
оксидаз и кофермента НАД+ с выделением NН3 и образованием α-кетокислоты
(n-оксифенилпировиноградной).
HO
CH2 CH
COOH
дегидрогеназа
HO
+ НАД+
NH2
CH2 C
COOH + NН3
О
Вне организма дезаминирование осуществляется азотистой кислотой с
образованием соответствующей оксикислоты и выделением азота:
+ HONO
HO
CH2 CH
COOH
CH CH
HO
COOH + H2O + N2
OH
NH2
Эта реакция используется для количественного определения аминокислот
(метод Ван-Слайка).
Задача № 4. Напишите уравнение реакции взаимодействия глицина с
формальдегидом.
Эталон решения. При взаимодействии α-аминокислот с альдегидами
образуются замещенные имины (основания Шиффа) через стадию образования
карбиноламинов.
O
CH2 COOH
CH2 COOH
CH COOH + H C
+ H2O
N
CH
H
NH CH2(OH)
2
NH2
С помощью этой реакции можно проводить количественное определение
аминокислот методом титрования, так как в этом случае аминогруппа будет
связанной (метод Серонсена).
Задача № 5. Какие продукты получаются при переаминировании
аспирагиновой и пировиноградной кислот?
Эталон решения. В живых организмах под действием ферментов
аминокислоты
испытывают
ряд
биохимических
превращений.
Переаминирование (трансаминирование) – основной путь биосинтеза
α-аминокислот.
Нужная
для
организма
аминокислота-II
синтезируется
из
α-аминокислоты-I, имеющейся в организме в достаточном или избыточном
количестве, путем переноса аминогруппы от одной кислоты к α-кетокислоте.
COOH
COOH
COOH
COOH
HC
NH2 + C
O
C
CH2
O + HC
NH2
CH3
CH2
CH3
пировиноградная
аланин
COOH
COOH
аспарагиноваяя
щавелево-уксусная
8
Реакция осуществляется с
кофермента пиридоксальфосфата.
участием
ферментов
трансаминаз
и
Задача № 6. Напишите схему декарбоксилирования триптофана. Укажите
условия протекания этой реакции in vivo и in vitro.
Эталон решения. Наличие в α-аминокислоте электроноакцепторной
группы способствует стабилизации СОО- иона, в результате чего происходит
процесс декарбоксилирования кислоты с образованием соответствующих
аминов.
CH2 NH2
CH2
декарбоксилаза
+ CO2
N триптамин, индолилэтиламид
in vivo
CH2
CH
COOH
H
NH2
N
CH2 NH2
CH2
H
Ba(OH)2, t
+ CO2
in vitro
N
H
Задача № 7. Приведите строение дипептида Гли-Вал. Укажите
пептидную связь. В какой области рН находится изоэлектрическая точка этого
пептида?
Эталон решения. Между аминогруппой одной и карбоксильной группой
другой α-аминокислоты может произойти взаимодействие с образованием
дипептида.
O H
C N , являющихся остатком взаимодействующих
Группа атомов
функциональных групп, называется пептидной связью. Дипептиды, так же как
и аминокислоты, содержат свободную карбоксильную и аминогруппу. Поэтому
они могут, взаимодействуя с молекулой аминокислоты, образовывать
трипептид и т.д. Вещества, состоящие из большого числа аминокислотных
остатков,
называются
полипептидами.
Соединяясь
между
собой,
полипептидные цепи образуют молекулы белков. Наличие у дипептида
кислотной и основной групп определяет рН среды. В данном случае среда
нейтральная.
NH2
CH2 C--OH + H
О
N
CH
H
CH3
NH2
COOH
9
CH2 C
N
CH
О
H
CH3
COOH + H2O
Задача № 8. Приведите примеры межмолекулярной дегидратации при
нагревании α, β, γ-аминокислот.
Эталон решения. При выделении двух молекул воды из двух молекул
воды из двух молекул α–аминокислот получаются циклические соединения –
дикетопиперазины:
H
N
H
COOH

C NH +
CH3 H
H
HN
O
CH3

C H_
C
HC
CH3
t
CH
2 H2O CH3
HOOC
C
O
N
H
В молекулах β-аминокислот атомы водорода у α-углеродного атома
весьма подвижны (С-Н -кислотность). Поэтому β-аминокислоты выделяют не
воду, а аммиак, превращаясь в непредельные карбоновые кислоты:
t
CH2 CH COOH
CH2 CH COOH
- NH3
NH2 H
У γ-аминокислот происходит взаимодействие карбоксильной и
аминогруппы одной молекулы. При этом образуются соединения, называемые
лактамами:
O
O

CH2 C
CH2 C
t
OH
N H + H2O

-H2O

CH2 CH2
CH2 CH2 NH2
γ-аминомасляная кислота
γ-бутилолактам
Вопросы и упражнения
№1
1. Какой продукт получается при декарбоксилировании аспарагиновой
кислоты?
2. Какой цветной реакцией можно доказать наличие бензольного кольца
в аминокислоте?
10
3. В каком виде существует аминокислота валин при физиологическом
значении рН среды?
№2
1. Какой продукт получается при декарбоксилировании α-серина?
Укажите условия протекания этой реакции in vivo и in vitro.
2. Приведите схему дезаминирования серина. Укажите пути протекания
этого процесса в организме.
3. Аминокислоты какого ряда принимают участие в формировании
белковой цепи живых организмов?
№3
1. Какие продукты получаются при дезаминировании in vivo и in vitro
аспарагиновой кислоты?
2. Приведите схемы реакций валина с разбавленным раствором NaОН
при комнатной температуре, соляной кислотой.
3. Определите характер среды в водном растворе метионина.
№4
1. Какие продукты получатся при переаминировании α-изолейцина с
α-кетоглутаровой кислотой?
2. Напишите уравнения реакций взаимодействия лейцина с
формальдегидом, НNО2 , хлористым ацетилом. Какое практическое значение
имеют эти реакции?
3. Определите характер среды в водном растворе лизина.
№5
1. Напишите схему декарбоксилирования триптофана. Укажите условия
протекания этой реакции in vivo и in vitro.
2. Напишите проекционную формулу энантиомеров незаменимых
аминокислот, содержащих в своем составе ароматические кольца, и определите
их принадлежность к L- и D-рядам. Аминокислоты какого ряда принимают
участие в биосинтезе белка?
3. При каком значении рН фенилаланин находится в виде биполярного
иона?
№6
1.
Приведите схемы реакций, по которым из изолейцина образуется
серно-кислая соль, метиловый эфир, α-оксокислота (реакция дезаминирования).
2.
Напишите уравнение реакции декарбоксилирования лизина.
3.
Определите характер среды в водном растворе лейцина.
11
№7
1. Из какой α-аминокислоты путем декарбоксилирования получается
биогенный амин гистамин?
2. Напишите уравнение реакции этерификации аланина с этиловым
спиртом. По какому механизму протекает эта реакция?
3. Приведите схемы реакций солеобразования валина с разбавленным
раствором щелочи, разбавленным раствором серной кислоты, сульфатом меди в
щелочной среде.
№8
1. Назовите продукт декарбоксилирования одной карбоксигруппы
аспарагиновой кислоты.
2. Напишите схему реакции солеобразования глутаминовой кислоты.
3. Напишите структуру и определите область рН среды, в которой
находится ИЭТ аспарагиновой кислоты.
№9
1. Напишите схемы реакций взаимодействия лизина с раствором соляной
кислоты, раствором Ва(ОH)2 при нагревании, формальдегидом. Укажите, как
изменится рН среды в последней реакции после ее окончания и каково ее
практическое значение.
2. В какой области рН среды находится ИЭТ аланина?
3. Напишите уравнение реакции декарбоксилирования гистидина.
№ 10
1. Декарбоксилированием
какой
аминокислоты
получается
α-аминомасляная кислота? Можно ли отнести α-аминомасляную кислоту к
группе биогенных аминов?
2. Напишите уравнение реакции этерификации аспарагина с метиловым
спиртом. По какому механизму протекает эта реакция?
3. Приведите структуру и определите область рН среды, в которой
находится ИЭТ глицина.
№ 11
1. Дезаминированием какой аминокислоты можно получить соединение
3-метилгексанон-2-овой кислоты? Будет ли этот процесс окислительным?
2. Каково значение рН валина в изоэлектрической точке?
3. Приведите схему реакции взаимодействия фенилаланина с азотистой
кислотой.
12
№ 12
1. Какие α-аминокислоты можно открыть с помощью ксантопротеиновой
реакции?
2. Назовите продукт декарбоксилирования одной карбоксигруппы
аспарагиновой кислоты.
3. Какие продукты получаются при окислительном и неокислительном
дезаминировании триптофана?
№ 13
1. При действии азотистой кислотой на равные объемы растворов лизина
и лейцина одинаковой концентрации из одной пробирки выделился вдвое
больший объем азота, чем из другой. В какой пробирке находился раствор
лизина?
2. Какой биогенный амин получается при декарбоксилировании
треонина?
3. Напишите схему реакции трансаминирования глицина с щавелевоуксусной кислотой.
№ 14
1. Декарбоксилированием
какой
аминокислоты
получается
α-аминомасляная кислота? Можно ли отнести α-аминомасляную кислоту к
группе биогенных аминов?
2. Какая аминокислота была подвергнута дезаминировании при
получении пировиноградной кислоты?
3. Приведите
схему
реакции
взаимодействия
глутатиона
(γ-глутамилцистеинилглицина) с ацетатом свинца (ІІ).
№ 15
1. Определите характер среды в растворе продуктов взаимодействия
фенилаланина с формальдегидом, этиловым спиртом, хлористым ацетилом.
2. Напишите схему декарбоксилирования гистидина. Укажите условия
протекания реакции.
3. Определите характер среды в водном растворе тирозина.
13
Тема ІІ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ
Мотивационная характеристика темы
Белки являются важнейшими соединениями,
построения тканей человеческого организма.
необходимыми
для
Учебная цель
Уяснить строение и свойства пептидов, химические основы структурной
организации белковых молекул как основу для изучения биологических
функций белков на молекулярном уровне.
Учебно-целевые вопросы
1. Уметь писать схемы процессов образования олигопептидов из
α-аминокислот.
2. Охарактеризовать химические свойства олигопептидов с учетом
природы составляющих их аминокислот.
3. Знать механизм гидролиза пептидов.
4. Иметь представление об основных методах определения первичной
структуры природных пептидов.
5. Изучить принципы синтеза пептидов заданного строения, методы
защиты и активации функциональных групп.
6. Иметь представление о пространственном строении белков и основных
типах взаимодействия, определяющих его.
7. Усвоить строение основных групп пептидов.
Методологические вопросы
Структура
диалектики.
и
свойства
белков
иллюстрируют
основные
законы
Исходный уровень
1. Кислоты и основания в органической химии.
2. Химические
свойства
карбоксильной
группы.
Механизм
нуклеофильного замещения у тригонального атома углерода.
3. Химические свойства аминогруппы. Основность и нуклеофильность
аминогруппы.
Практические навыки
Уметь проводить качественные реакции по обнаружению белков.
14
Контрольные вопросы
1. Приведите строение трипептида Гис-Лиз-Сер. Укажите пептидные
связи, N- и С-конец в молекуле. В какой области (кислотной, щелочной или
нейтральной) находится его изоэлектрическая точка?
2. Приведите синтез трипептида Вал-Гли, используя метод защиты и
активации функциональных групп.
3. Дайте определение вторичной структуры белков. Представьте
схематично вид α-спирального и β-структурного участков полипептидной цепи.
Какими видами взаимодействия определяется их стабилизация? Покажите
образование водородных связей на участке полипептидной цепи Вал-Три-ТирСер-Ала.
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача № 1. Напишите строение дипептида Гли-Ала и определите
область рН среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.
Эталон решения. При изучении аминокислот указывалось, что
конденсация двух или нескольких молекул α-аминокислот приводит к
образованию пептидов:
H2N
CH2
O
C
+ H2N
OH
O
H
CH2 C
N
O
CH
CH3
C
H2N
OH
O
CH
CH3
C
+ H2O
OH
Еще в 1891 году А. В. Данилевский высказал предположение, что
аминокислоты в пептидах и белках соединяются с помощью пептидных связей,
образованных карбоксильной группой одной кислоты и аминогруппой другой.
Амидные связи этого типа называются пептидными связями:
O H
C N
Поскольку атом углерода в этой группе находится в состоянии
2
sp -гибридизации, все атомы, образующие пептидную связь, расположены в
одной плоскости.
По числу аминокислотных остатков, участвующих в построении
пептидов, различают олигопептиды и полипептиды. Названия пептидов
образуют из названий соответствующих аминокислот, причем аминокислоты,
участвующие в образовании пептидной цепи своей карбоксильной группой,
получают суффикс -ил:
O H
O
H2N CH2 C N CH C
OH
CH3
глицилаланин
15
Обычно при названии пептидов используют трехбуквенные обозначения
(Гли-Ала).
Аминокислоты, расположенные по концам пептида, имеют свободные
функциональные группы. Аминокислота со свободной аминогруппой на одном
конце пептида называется "N-концевой аминокислотой", а со свободной
карбоксильной группой на другом – "С-концевой аминокислотой".
Поскольку в нашем случае в составе пептида одна аминогруппа и одна
карбоксильная группа, то изоэлектрическая точка, суммарный заряд белков
которой равен нулю, будет находиться в рН 6. Ориентировочно значение рІ =
(рКCOOН + рКNH2) является характерной константой белков. Изоэлектрическая
точка большинства белков животных тканей лежит в пределах 5,5-7,0, что
свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. Однако в
природе имеются белки, у которых рІ лежит при крайних значениях рН среды.
В частности, рI пепсина (фермента желудочного сока) равна 1, а сальмина
(основного белка из молока семги) – около 12. Из приведенных аминокислот
могут быть получены еще три пептида: Гли-Гли, Ала-Гли, Ала-Ала.
Аминокислотный состав пептидов можно установить, проведя их полный
гидролиз,
и
идентифицировать
образовавшиеся
аминокислоты
хроматографическими методами. Белок полностью гидролизуется при
кипячении 1 %-й соляной кислотой в течение 24 чаcов.
Для получения пептида заданного состава аминогруппу одной
аминокислоты и карбоксильную группу другой необходимо временно
блокировать защитными группами. Кроме того, требуется активация
карбоксильной группы, которая должна составить пептидную связь, так как
карбоновые кислоты обычно реагируют с аминами, образуя соли.
Для защиты карбоксильной группы ее превращают а сложноэфирную:
O
+
O
.
Н
H2N CH C +
H2N CH C O R + H2O
R
.
HO
OH
CH3
CH3
Защита аминогруппы обычно проводится ацилированием:
O
O
O
O
..
R1 C NH CH C
R1 C
+ H2N CH C
- HCl
OH
Cl
OH
CH3
CH3
Карбоксильную
хлорангидрид:
O
R1
C
NH
CH
CH3
группу
аминокислоты
O
O
C
OH
активируют,
+ PCl5
R1
C
NH
в
O
CH
CH3
16
превращая
C
Cl
+ POCl3 + HCl
Образование пептидной связи:
O
O
R1 C NH CH C
+ NH
Cl
CH3
H
O
O
- HCl
NH
C
R1
CH
NH
H
C
CH
O
R
- HCl
CH3
H
O + HOH, Н+
CH C
C N
O
пептидная
CH3
CH3 связзь
CH
O
+ HOH, Н+
O
NH
C
CH3
R
O
C
CH
+ R1
O
CH3
O
C
OH
H
+ R
OH
Снятие защиты производят гидролизом в кислой среде.
Как видно, синтез дипептида по приведенной схеме состоит из
нескольких стадий, а для синтеза полипептидов необходимо огромное число
стадий.
Для проверки правильности аминокислотной последовательности
необходимо поочередно отщеплять с "N–конца" или "С-конца". Известно
несколько методов определения последовательности аминокислотных остатков.
В одном из них (метод Сенджера или метод ДНФ) пептид взаимодействует с
2,4-динитрофторбензолом в слабощелочной среде:
O H
NO2
F
+ H2N
- HF
NH
NO2
пептид з ДНФ ялрлыком
+ H+
NO2
N
C
CH3
NO2
NO2
CH
NH
+ HOH
NO2
CH
O
H
C
N
CH
C
R
O
CH3
- HF
+ H+
CH
R
CH
....
C
....
+ HOH
O
гидролиз в кислой среде
COOH
+ смесь аминокислот
CH3
При гидролизе N-концевая аминокислота остается с остатком ДНФ; ее
выделяют и идентифицирует. Эту аминокислоту можно связать
17
фенилизотиоционатом – С6Н5 – N = С = S (ступенчатая деструкция по Эдману).
Для определения аминокислотной последовательности используют также
частичный кислотный или ферментативный гидролиз.
Задача №2. Приведите схему твердофазного синтеза полипептида.
Эталон решения. Перспективный метод синтеза пептидов предложил в
1963 году Мерифилд. Позже этот метод получил название твердофазного
синтеза пептидов. Он проводится на ионно-обманной смоле, содержащей
группы СН2Cl. На первой стадии соль аминокислоты защищенной группой
присоединяется к твердому носителю с образованием так называемой "якорной
связи".
R1
Cмола
CH2Cl + NaO
смола
CH2
C
CH
N
C
O
R
R
O
O
снятие ацильной защиты
C
CH
O
R
O
R
HOOC
NH
CH
COR
CH2
смола
NH2
NHCOR
CH2
смола
CH
O
C
добавление следующей аминокислоты,
"защищенной с N- концяа "
CH NH2
O
R
R1
C
CH
N
C
O
R
R
O
CH
NHCOR
Если снять защиту, синтез можно вести дальше. После наращивания пептидной
связи нужной величины гидролизуют «якорную» связь в присутствии
бромисто-водородной и уксусной кислот:
R1
Cмола
CH2
O
C
CH
N
C
O
R
R
O
CH
HBr, CH3COOH
NH2
OH
cмола
CH2
O + C
H
O
CH
N
... C
R
H
O
CH
R
NH2
полипептид
В настоящее время трехфазный синтез проводится в автоматическом
синтезаторе.
Все
реакции
проходят
в
запрограммированной
последовательности в одной реакционной камере, в которую дозирующими
микронасосами подаются в определенной последовательности необходимые
реактивы. В таком синтезаторе можно присоединять шесть аминокислотных
остатков к растущей полипептидной цепи за 24 часа.
18
Полипептиды являются структурными компонентами белковых молекул.
Задача № 3. Опишите типы взаимодействия, которые могут возникнуть
на участке полипептидной цепи со следующей аминокислотной
последовательностью: Цис-Глу-Гли-Ала-Вал-Сер-Лиз-Фен-Цис.
Эталон
решения.
Типы
взаимодействий,
стабилизирующих
пространственное строение, т.е. вторичную, третичную и четвертичную
структуры пептидов и белков, определяются прежде всего их первичной
структурой.
Любая полипептидная цепь построена из чередующихся мономерных
звеньев α-аминокислот, связанных пептидными группами (первичная
структура), между которыми образуются водородные связи. Такие связи
образуются между атомом водорода, связанным с атомом азота, и атомом
N H... O C
кислорода карбонильной группы:
.
Такие водородные связи стабилизируют вторичную структуру белковой
молекулы в виде спирали (спираль Поллинга). Такие воздействия могли бы
возникнуть между Глу (1) и Сер (5), Гли (1) и Лиз (5), Ала (1) и Фен (5)
рассматриваемой полипептидной цепи. Поскольку α-спираль образуется из
одного типа звеньев ,
C CH N C
H O
O R
ее размеры довольно постоянны, один виток включает 3,7 аминокислотных
остатков, расстояние между отдельными витками 5,44 А. Если бы α-спираль
была единственным типом вторичной структуры белков, то они были бы
жесткими, палочкообразными образованиями. Но так как полипептидные цепи
обладают достаточной гибкостью, следует заключить, что α-спираль составляет
лишь отдельные участки полипептидной цепи. Отклонение от α-спиральной
формы может вызываться различными факторами, в частности, наличием
пролина, оксипролина и валина в пептидной цепи. После образования
пептидной связи в остатках пролина и оксипролина отсутствует амидный
водород, и они не могут участвовать в образовании водородных связей.
H O
H O
H O
N
C
N
C
N
C
Кроме внутрицепочечных существуют водородные связи, возникающие
между различными цепями (межцепочечные водородные связи). Они
стабилизируют другой вид вторичной структуры, так называемую структуру
складчатого
листа
или
β-конформацию.
Она
возникает
между
19
антипараллельными цепями, которые создают наиболее благоприятные условия
для образования водородных связей между ними.
H
N
C
C
H
H
N
C
C
H
N
..
.H
H
N
R
C
O
... ...
O
O
R
C
O
C
H
R1
H
C
H
β-конформация найдена в β-кератине и в фибрионе желтка. Под
третичной структурой белков понимают суммарную конформацию или
пространственную упорядоченность отдельных участков полипептидных цепей
в целом.
В то время как вторичная структура белка определяется водородными
связями, многочисленные изгибы полипептидной цепи, придающие белкам
третичную структуру, зависят не только от пептидных и водородных связей, но
и от других типов взаимодействия, а именно электростатических
взаимодействий между карбоксильными группами и аминогруппами, не
участвующими в образовании пептидных связей: дисульфидных связей в
цистине, гидрофобных взаимодействий.
Основные виды взаимодействий, фиксирующие вторичную и третичную
структуры пептидов и белков в свободном виде, представлены ниже.
Ковалентные
Нековалентные
дисульфидные связи
ионные связи
водородные
между
образуются за счет
между пептидными группами
пространственно
притяжения между межцепочные внутрицепочные
сближенными
разноименными
цистеиновыми
заряженными
- складчатая
- спираль
остатками
группами
структура
стабилизируют третичную структуру
стабилизируют вторичную и
третичную структуру
Для проявления биологической активности некоторые белки должны
образовывать четвертичные структуры – макрокомплекс, состоящий из
нескольких белковых молекул. При этом каждый белок является как бы
мономером, а четвертичная структура определяет степень ассоциации таких
мономеров в биологически активном материале.
20
Задача № 4. Приведите схему строения биологически активных
нуклеопротеидов.
Эталон решения. До сих пор рассматривались белки, состоящие только
из аминокислот. Такие белки называются простыми или протеинами. В состав
сложных белков – протеидов, кроме аминокислот, входят вещества небелковой
природы, так называемые простатические группы – углеводы, липиды,
нуклеиновые кислоты и т.д.
К наиболее важным в биологическом отношении белковым веществам
относятся нуклеопротеиды – с ними связаны процессы деления клеток,
хранение и передача наследственных свойств.
В животных организмах встречаются два типа нуклеопротеидов:
рибонуклеопротеиды (РНП) и дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП). Около 50%
массы нуклеопротеида составляет белок. При взаимодействии молекул ДНК и
РНК с белковыми молекулами связывающую роль играют фосфорная кислота и
аминогруппы диаминокислот.
NH2
CH3
N
O
O-
N
CH2
O
P
O
H
O
H
H
O . . . H N+
3
в цепь полипептида
OH
H
OH
в цепь нуклеотида
Примером сложных белков (хромопротеидов) является гемоглобин. В его
состав в качестве небелковой части входит гем. Белковая часть – глобин –
содержит четыре полипептгидные цепи. Связь гема с пептидной цепью
осуществляется ионом железа, который координационно связан с остатком
гистидина пептидной цепи:
CH
CH2
COOH
N
N
N
N
NH2
Fe
N
H
N
Хромопротеидами являются также миоглобин – белок мышечной ткани,
ферменты: каталаза, пероксидаза и т.д. Большинство хромопротеидов содержат
в своем составе какой-либо металл (железо, медь, молибден и др.).
Металлопротеиды играют важную роль в процессах биологического окисления
в тканях.
21
В гликопротеидах в качестве простетических групп содержатся
различные производные углеводов: Д-глюкозамин, Д-глюкуроновая кислота; в
липотропеидах – жиры, фосфатиды, стерины. Образование комплекса белков с
липидами способствует растворимости последних и обусловливает
транспортировку их в тканях.
Вопросы и упражнения
№1
1. Покажите образование водородной связи между Ала и
соответствующими аминокислотными остатками (с написанием их формул) в
фрагменте спирали белковой молекулы Гли-Ала-Вал-Иле-Тир-Вал.
2. Напишите строение трипептида Гис-Три-Лиз и определите область рН
среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.
3.
Приведите
пример
образования
дисульфидного
мостика,
стабилизирующего третичную структуру белковой молекулы.
№2
1. Чем обусловлена первичная структура белка?
2. Напишите строение трипептида Гли-Вал-Фен и определите область рН
среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.
3. Приведите строение пептидной связи.
№3
1. Представьте схематично вид α-спирального участка в белковой
молекуле.
2. Напишите строение трипептида γ-Глу-Цис-Гли. В какой области рН
среды находится его изоэлектрическая точка?
3. Чем обусловлено гидрофобное взаимодействие в белках?
№4
1. Представьте схематично вид β-структурного участка белковой цепи.
2. Напишите схему синтеза дипептида Вал-Ала.
3. Приведите схему взаимодействия гема с гистидиновым остатком.
№5
1. Какой вид взаимодействия фиксирует вторичную структуру белковой
цепи?
2. Напишите схему синтеза дипептида Вал-Тир.
22
3. Приведите наиболее выгодную конформацию полипептидной цепи.
№6
1. Какое число аминокислотных остатков приходится на один шаг
спирали? Между какими из них по счету образуются водородные связи?
2. Приведите строение трипептида Гли-Фен-Мет.
3. Какова природа связей обусловливающих третичную структуру белка?
№7
1. Дайте определение третичной структуры белков.
2. Напишите схему синтеза дипептида Ала-Вал.
3. Дайте характеристику глобулярных и фибриллярных белков.
№8
1. Представьте схематично вид α-спирального и β-структурного участков
полипептидной цепи. Какими видами взаимодействия определяется их
стабилизация?
2. Напишите строение трипептида Вал-Ала-Гли. Укажите рН среды в
изоэлектрической точке.
3. Чем обусловлена четвертичная структура белков?
№9
1. Разберите образование водородных связей в полипептидных цепях с
участием Вал, Гли, Тир.
2. Напишите строение трипептида Лей-Глу-Цис.
3. Объясните механизм денатурации белка.
№ 10
1. К какому типу взаимодействия могут приводить пространственно
сближенные аминокислотные остатки двух молекул цистеина?
2. Напишите строение трипептида Арг-Сер-Гли. В какой области рН
среды находится ИЭТ трипептида?
3. Схематично представьте водородные связи, определяющие α-спираль.
№ 11
1. Представьте пример нарушения третичной структуры белковой
молекулы, стабилизированной дисульфидными мостиками.
2. Приведите схему образования дипептида Вал-Сер.
23
3. Какое число аминокислотных остатков приходится на один шаг
спирали, между какими из них по счету образуются водородные связи?
№ 12
1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно
сближенные аминокислотные остатки двух молекул аланина?
2. Напишите строение трипептида Тре-Асп-Вал.
3. Объясните механизм денатурации белка.
№ 13
1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно
сближенные аминокислотные остатки лизина и аспарагиновой кислоты?
2. Приведите схему образования дипептида Гли-Тир.
3. Схематично
представьте
водородные
связи,
определяющие
α-конформацию белков.
№ 14
1. Дайте определение вторичной структуры белка. Схематично
представьте вид α-спирального и β-структурного участков цепи.
2. Напишите строение трипептида Тре-Гли-Ала.
3. Напишите схему взаимодействия АТФ с тирозином. С каким концом
мРНК будет взаимодействовать полученный аминоациладенилотный комплекс
(в схеме реакции используйте структуру концевого нуклеотида)?
№ 15
1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно
сближенные молекулы лизина и глутаминовой кислоты?
2. Приведите схему образования дипептида Гли-Тир.
3. Приведите схему окислительно-восстановительных реакций между
пространственно сближенными остатками цистеина в полипептидной цепи.
24
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. М.: Медицина,
1985.
2. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии. Под
ред. Тюкавкиной Н. А. – М.: Медицина, 1985.
3. Губський Ю. І. Біоорганічна хімія. Вінниця: − Нова книга, 2004.
4. Шаповал Л. Г., Чеховський В. Д., Петюніна В. М. Навчальний посібник
з органічної хімії. – Харків: ХДМУ, 1994.
5. Теоретический курс по биологической и биоорганической химии
(учебное пособие). Модуль 1. Биологически важные классы биоорганических
соединений. Биополимеры и их структурные компоненты / Сыровая А.О.,
Шаповал Л.Г., Петюнина В.Н., Ткачук Н.М., Шапарева Л.П., Макаров В.А.,
Чеховской В.Д., Грабовецкая Е.Р., Бачинский Р.О., Наконечная С.А. – Харьков,
ХНМУ. – 2013.
25
Учебное издание
Аминокислоты, пептиды, белки: методические указания для
самостоятельной работы студентов 1-го курса по биологической и
биоорганической химии (Модуль 1)
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
Ответственный за выпуск: Лукьянова Л. В.
План 2014. Ризография.
Усл. печ. стр. 1,25, тираж 100 экз.
ФЛП Томенко Ю.И.
г. Харьков, пл. Руднева, 4
26