Proteiner danner det materielle grunnlaget for den kjemiske aktiviteten til cellen. Funksjonene til proteiner i naturen er universelle. Navn proteiner, det mest aksepterte begrepet i russisk litteratur tilsvarer begrepet proteiner(fra gresk proteiner- først). Til dags dato har det blitt gjort store fremskritt i å etablere forholdet mellom strukturen og funksjonene til proteiner, mekanismen for deres deltakelse i de viktigste prosessene i kroppens liv, og i å forstå det molekylære grunnlaget for patogenesen til mange sykdommer.
Avhengig av deres molekylvekt, skilles peptider og proteiner. Peptider har lavere molekylvekt enn proteiner. Peptider har større sannsynlighet for å ha en regulerende funksjon (hormoner, enzymhemmere og -aktivatorer, ionetransportere over membraner, antibiotika, giftstoffer, etc.).
12.1. α -Aminosyrer
12.1.1. Klassifisering
Peptider og proteiner er bygget opp fra α-aminosyrerester. Det totale antallet naturlig forekommende aminosyrer overstiger 100, men noen av dem finnes bare i et visst samfunn av organismer; de 20 viktigste α-aminosyrene finnes konstant i alle proteiner (skjema 12.1).
α-aminosyrer er heterofunksjonelle forbindelser hvis molekyler inneholder både en aminogruppe og en karboksylgruppe ved samme karbonatom.
Opplegg 12.1.De viktigste α-aminosyrene*
* Forkortelser brukes kun for å skrive aminosyrerester i peptid- og proteinmolekyler. ** Essensielle aminosyrer.
Navnene på α-aminosyrer kan konstrueres ved hjelp av substitutiv nomenklatur, men deres trivielle navn brukes oftere.
Trivielle navn for α-aminosyrer er vanligvis assosiert med kilder til isolasjon. Serin er en del av silkefibroin (fra lat. serieus- silkeaktig); Tyrosin ble først isolert fra ost (fra gresk. tyros- ost); glutamin - fra korn gluten (fra tysk. Gluten- lim); asparaginsyre - fra aspargesspirer (fra lat. asparges- asparges).
Mange α-aminosyrer syntetiseres i kroppen. Noen aminosyrer som er nødvendige for proteinsyntesen produseres ikke i kroppen og må komme utenfra. Disse aminosyrene kalles uerstattelig(se diagram 12.1).
Essensielle α-aminosyrer inkluderer:
valin isoleucin metionin tryptofan
leucin lysin treonin fenylalanin
α-aminosyrer er klassifisert på flere måter avhengig av egenskapen som tjener som grunnlag for deres inndeling i grupper.
Et av klassifikasjonstrekkene er den kjemiske naturen til radikalet R. Basert på dette trekket deles aminosyrer inn i alifatiske, aromatiske og heterosykliske (se diagram 12.1).
Alifatiskα -aminosyrer. Dette er den største gruppen. Innenfor den er aminosyrer delt ved hjelp av ytterligere klassifiseringsfunksjoner.
Avhengig av antall karboksylgrupper og aminogrupper i molekylet, skilles følgende:
Nøytrale aminosyrer - en NH-gruppe hver 2 og COOH;
Basiske aminosyrer - to NH-grupper 2 og en gruppe
COOH;
Sure aminosyrer - en NH 2 -gruppe og to COOH-grupper.
Det kan bemerkes at i gruppen av alifatiske nøytrale aminosyrer overstiger ikke antall karbonatomer i kjeden seks. Samtidig er det ingen aminosyrer med fire karbonatomer i kjeden, og aminosyrer med fem og seks karbonatomer har kun en forgrenet struktur (valin, leucin, isoleucin).
En alifatisk radikal kan inneholde "ytterligere" funksjonelle grupper:
Hydroksyl - serin, treonin;
Karboksylsyre - asparaginsyre og glutaminsyre;
Tiol - cystein;
Amid - asparagin, glutamin.
Aromatiskα -aminosyrer. Denne gruppen inkluderer fenylalanin og tyrosin, konstruert på en slik måte at benzenringene i dem er atskilt fra det vanlige α-aminosyrefragmentet av metylengruppen -CH 2-.
Heterosyklisk α -aminosyrer. Histidin og tryptofan som tilhører denne gruppen inneholder heterosykler - henholdsvis imidazol og indol. Strukturen og egenskapene til disse heterosyklene er diskutert nedenfor (se 13.3.1; 13.3.2). Det generelle prinsippet for å konstruere heterosykliske aminosyrer er det samme som aromatiske.
Heterosykliske og aromatiske α-aminosyrer kan betraktes som β-substituerte derivater av alanin.
Aminosyren tilhører også gerosyklisk prolin, hvori den sekundære aminogruppen er inkludert i pyrrolidinet
I kjemien til α-aminosyrer rettes mye oppmerksomhet mot strukturen og egenskapene til "side"-radikalene R, som spiller en viktig rolle i dannelsen av strukturen til proteiner og utførelsen av deres biologiske funksjoner. Av stor betydning er slike egenskaper som polariteten til "side"-radikalene, tilstedeværelsen av funksjonelle grupper i radikalene og evnen til disse funksjonelle gruppene til å ionisere.
Avhengig av sideradikal, aminosyrer med ikke-polar(hydrofobe) radikaler og aminosyrer c polar(hydrofile) radikaler.
Den første gruppen inkluderer aminosyrer med alifatiske sideradikaler - alanin, valin, leucin, isoleucin, metionin - og aromatiske sideradikaler - fenylalanin, tryptofan.
Den andre gruppen inkluderer aminosyrer som har polare funksjonelle grupper i sine radikaler som er i stand til ionisering (ionogen) eller ikke er i stand til å transformere seg til en ionisk tilstand (ikke-ionisk) under kroppsforhold. For eksempel, i tyrosin er hydroksylgruppen ionisk (fenolisk i naturen), i serin er den ikke-ionisk (alkoholisk av natur).
Polare aminosyrer med ioniske grupper i radikaler kan under visse forhold være i en ionisk (anionisk eller kationisk) tilstand.
12.1.2. Stereoisomerisme
Hovedtypen for konstruksjon av α-aminosyrer, dvs. bindingen til det samme karbonatomet med to forskjellige funksjonelle grupper, et radikal og et hydrogenatom, bestemmer i seg selv kiraliteten til α-karbonatomet. Unntaket er den enkleste aminosyren glycin H 2 NCH 2 COOH, som ikke har noe kiralitetssenter.
Konfigurasjonen av α-aminosyrer bestemmes av konfigurasjonsstandarden - glyceraldehyd. Plasseringen av aminogruppen i standard Fischer-projeksjonsformel til venstre (ligner OH-gruppen i l-glysealdehyd) tilsvarer l-konfigurasjonen, og til høyre - til d-konfigurasjonen til det kirale karbonatomet. Av R, I S-systemet har α-karbonatomet i alle α-aminosyrene i l-serien en S-konfigurasjon, og i d-serien en R-konfigurasjon (unntaket er cystein, se 7.1.2) .
De fleste a-aminosyrer inneholder ett asymmetrisk karbonatom per molekyl og eksisterer som to optisk aktive enantiomerer og ett optisk inaktivt racemat. Nesten alle naturlige α-aminosyrer tilhører l-serien.
Aminosyrene isoleucin, treonin og 4-hydroksyprolin inneholder to kiralitetssentre i molekylet.
Slike aminosyrer kan eksistere som fire stereoisomerer, som representerer to par enantiomerer, som hver danner et racemat. For å bygge animalske proteiner brukes bare én av enantiomerene.
Stereoisomerismen til isoleucin ligner den tidligere diskuterte stereoisomerismen til treonin (se 7.1.3). Av de fire stereoisomerene inneholder proteiner l-isoleucin med S-konfigurasjonen av begge asymmetriske karbonatomer C-α og C-β. Navnene på et annet par enantiomerer som er diastereomerer med hensyn til leucin bruker prefikset Hallo-.
Spaltning av racemater. Kilden til α-aminosyrer i l-serien er proteiner, som utsettes for hydrolytisk spaltning for dette formålet. På grunn av det store behovet for individuelle enantiomerer (for syntese av proteiner, medisinske stoffer, etc.) kjemisk metoder for å bryte ned syntetiske racemiske aminosyrer. Foretrukket enzymatiske metode for fordøyelse ved hjelp av enzymer. For tiden brukes kromatografi på kirale sorbenter for å separere racemiske blandinger.
12.1.3. Syre-base egenskaper
Amfoterisiteten til aminosyrer bestemmes av sur (COOH) og basisk (NH 2) funksjonelle grupper i molekylene deres. Aminosyrer danner salter med både alkalier og syrer.
I krystallinsk tilstand eksisterer α-aminosyrer som dipolare ioner H3N+ - CHR-COO- (vanlig brukt notasjon
Strukturen til aminosyren i ikke-ionisert form er kun for enkelhets skyld).
I vandig løsning eksisterer aminosyrer i form av en likevektsblanding av dipolare ion, kationiske og anioniske former.
Likevektsposisjonen avhenger av pH i mediet. For alle aminosyrer dominerer kationiske former i sterkt sure (pH 1-2) og anioniske former i sterkt alkaliske (pH > 11) miljøer.
Den ioniske strukturen bestemmer en rekke spesifikke egenskaper til aminosyrer: høyt smeltepunkt (over 200? C), løselighet i vann og uløselighet i ikke-polare organiske løsningsmidler. Evnen til de fleste aminosyrer til å løse seg godt i vann er en viktig faktor for å sikre deres biologiske funksjon, absorpsjon av aminosyrer, transport i kroppen osv. er forbundet med det.
En fullt protonert aminosyre (kationisk form), sett fra Brønsteds teori, er en dibasisk syre,
Ved å donere ett proton, blir en slik dibasisk syre til en svak monobasisk syre - et dipolart ion med en syregruppe NH 3 + . Deprotonering av det dipolare ionet fører til produksjon av den anioniske formen av aminosyren - karboksylationet, som er en Brønsted-base. Verdiene preger
De grunnleggende sure egenskapene til karboksylgruppen til aminosyrer varierer vanligvis fra 1 til 3; verdier pK a2 karakteriserer surheten til ammoniumgruppen - fra 9 til 10 (tabell 12.1).
Tabell 12.1.Syre-base egenskaper til de viktigste α-aminosyrene
Likevektsposisjonen, dvs. forholdet mellom forskjellige former for en aminosyre, i en vandig løsning ved visse pH-verdier avhenger betydelig av strukturen til radikalet, hovedsakelig av tilstedeværelsen av ioniske grupper i den, og spiller rollen som ytterligere sure og basiske sentre.
pH-verdien der konsentrasjonen av dipolare ioner er maksimal, og minimumskonsentrasjonene av kationiske og anioniske former av en aminosyre er like, kallesisoelektrisk punkt (p/).
Nøytralα -aminosyrer. Disse aminosyrene betyr noepIlitt lavere enn 7 (5,5-6,3) på grunn av større evne til å ionisere karboksylgruppen under påvirkning av -/- effekten av NH 2 -gruppen. For eksempel har alanin et isoelektrisk punkt ved pH 6,0.
Surα -aminosyrer. Disse aminosyrene har en ekstra karboksylgruppe i radikalet og er i fullstendig protonert form i et sterkt surt miljø. Sure aminosyrer er tribasiske (ifølge Brøndsted) med tre betydningerpK a,som kan sees i eksemplet med asparaginsyre (p/ 3,0).
For sure aminosyrer (asparaginsyre og glutaminsyre) er det isoelektriske punktet ved en pH mye lavere enn 7 (se tabell 12.1). I kroppen ved fysiologiske pH-verdier (for eksempel blod pH 7,3-7,5), er disse syrene i anionisk form, siden begge karboksylgruppene er ionisert.
Grunnleggendeα -aminosyrer. Når det gjelder basiske aminosyrer, er de isoelektriske punktene lokalisert i pH-området over 7. I et sterkt surt miljø er disse forbindelsene også tribasiske syrer, hvis ioniseringsstadier er illustrert med eksemplet med lysin (p/ 9,8) .
I kroppen finnes grunnleggende aminosyrer i form av kationer, det vil si at begge aminogruppene er protonert.
Generelt ingen α-aminosyre in vivoer ikke ved sitt isoelektriske punkt og faller ikke inn i en tilstand som tilsvarer den laveste løseligheten i vann. Alle aminosyrer i kroppen er i ionisk form.
12.1.4. Analytisk viktige reaksjoner α -aminosyrer
α-aminosyrer, som heterofunksjonelle forbindelser, inngår i reaksjoner som er karakteristiske for både karboksyl- og aminogruppene. Noen kjemiske egenskaper til aminosyrer skyldes de funksjonelle gruppene i radikalet. Denne delen diskuterer reaksjoner som er av praktisk betydning for identifisering og analyse av aminosyrer.
Forestring.Når aminosyrer reagerer med alkoholer i nærvær av en syrekatalysator (for eksempel hydrogenkloridgass), oppnås estere i form av hydroklorider i godt utbytte. For å isolere frie estere behandles reaksjonsblandingen med ammoniakkgass.
Aminosyreestere har ikke en dipolar struktur, derfor, i motsetning til modersyrene, oppløses de i organiske løsningsmidler og er flyktige. Glysin er således et krystallinsk stoff med et høyt smeltepunkt (292°C), og dets metylester er en væske med et kokepunkt på 130°C. Analyse av aminosyreestere kan utføres ved bruk av gass-væskekromatografi.
Reaksjon med formaldehyd. Av praktisk betydning er reaksjonen med formaldehyd, som ligger til grunn for den kvantitative bestemmelsen av aminosyrer ved metoden formol titrering(Sørensen-metoden).
Den amfotere naturen til aminosyrer tillater ikke direkte titrering med alkali for analytiske formål. Interaksjonen mellom aminosyrer og formaldehyd gir relativt stabile aminoalkoholer (se 5.3) - N-hydroksymetylderivater, hvor den frie karboksylgruppen deretter titreres med alkali.
Kvalitative reaksjoner. Et trekk ved kjemien til aminosyrer og proteiner er bruken av en rekke kvalitative (farge) reaksjoner, som tidligere dannet grunnlaget for kjemisk analyse. I dag, når forskning utføres ved hjelp av fysisk-kjemiske metoder, fortsetter mange kvalitative reaksjoner å bli brukt for påvisning av α-aminosyrer, for eksempel i kromatografisk analyse.
Kelasjon. Med kationer av tungmetaller danner α-aminosyrer som bifunksjonelle forbindelser intrakomplekse salter, for eksempel med nylaget kobber(11)hydroksid under milde forhold oppnås godt krystalliserende chelater
blått kobber(11) salter (en av de uspesifikke metodene for påvisning av α-aminosyrer).
Ninhydrinreaksjon. Den generelle kvalitative reaksjonen til α-aminosyrer er reaksjonen med ninhydrin. Reaksjonsproduktet har en blåfiolett farge, som brukes til visuell påvisning av aminosyrer på kromatogrammer (på papir, i et tynt lag), samt for spektrofotometrisk bestemmelse på aminosyreanalysatorer (produktet absorberer lys i området ved 550-570 nm).
Deaminering. Under laboratorieforhold utføres denne reaksjonen ved påvirkning av salpetersyre på α-aminosyrer (se 4.3). I dette tilfellet dannes den tilsvarende α-hydroksysyren og det frigjøres nitrogengass, hvis volum brukes til å bestemme mengden aminosyre som har reagert (Van-Slyke-metoden).
Xantoproteinreaksjon. Denne reaksjonen brukes til å oppdage aromatiske og heterosykliske aminosyrer - fenylalanin, tyrosin, histidin, tryptofan. For eksempel, når konsentrert salpetersyre virker på tyrosin, dannes et nitroderivat, farget gult. I et alkalisk miljø blir fargen oransje på grunn av ionisering av den fenoliske hydroksylgruppen og en økning i anionets bidrag til konjugering.
Det er også en rekke private reaksjoner som tillater påvisning av individuelle aminosyrer.
Tryptofan påvist ved reaksjon med p-(dimetylamino)benzaldehyd i svovelsyre ved tilsynekomsten av en rød-fiolett farge (Ehrlich-reaksjon). Denne reaksjonen brukes til kvantitativ analyse av tryptofan i proteinnedbrytningsprodukter.
Cystein oppdaget gjennom flere kvalitative reaksjoner basert på reaktiviteten til merkaptogruppen den inneholder. For eksempel, når en proteinløsning med blyacetat (CH3COO)2Pb varmes opp i et alkalisk medium, dannes et svart bunnfall av blysulfid PbS, noe som indikerer tilstedeværelsen av cystein i proteiner.
12.1.5. Biologisk viktige kjemiske reaksjoner
I kroppen, under påvirkning av forskjellige enzymer, utføres en rekke viktige kjemiske transformasjoner av aminosyrer. Slike transformasjoner inkluderer transaminering, dekarboksylering, eliminering, aldolspaltning, oksidativ deaminering og oksidasjon av tiolgrupper.
Transaminering er hovedveien for biosyntese av α-aminosyrer fra α-oksosyrer. Donoren av aminogruppen er en aminosyre som er tilstede i celler i tilstrekkelig mengde eller overskudd, og dens akseptor er en a-oksosyre. I dette tilfellet omdannes aminosyren til en oksosyre, og oksosyren til en aminosyre med tilsvarende struktur av radikaler. Som et resultat er transaminering en reversibel prosess for utveksling av amino- og oksogrupper. Et eksempel på en slik reaksjon er produksjonen av l-glutaminsyre fra 2-oksoglutarsyre. Donoraminosyren kan for eksempel være l-asparaginsyre.
α-aminosyrer inneholder en elektrontrekkende aminogruppe (nærmere bestemt en protonert aminogruppe NH) i α-posisjon til karboksylgruppen 3 +), og er derfor i stand til dekarboksylering.
Elimineringkarakteristisk for aminosyrer hvor sideradikalet i β-posisjon til karboksylgruppen inneholder en elektron-tiltrekkende funksjonell gruppe, for eksempel hydroksyl eller tiol. Elimineringen deres fører til middels reaktive α-enaminosyrer, som lett forvandles til tautomere iminosyrer (analogi med keto-enol tautomerisme). Som et resultat av hydrering ved C=N-bindingen og påfølgende eliminering av ammoniakkmolekylet, omdannes α-iminosyrer til α-oksosyrer.
Denne typen transformasjon kalles eliminering-hydrering. Et eksempel er produksjon av pyrodruesyre fra serin.
Aldol-spaltning forekommer i tilfelle av α-aminosyrer, som inneholder en hydroksylgruppe i β-posisjon. For eksempel brytes serin ned til glycin og formaldehyd (sistnevnte frigjøres ikke i fri form, men binder seg umiddelbart til koenzymet).
Oksidativ deaminering kan utføres med deltagelse av enzymer og koenzym NAD+ eller NADP+ (se 14.3). α-aminosyrer kan omdannes til α-oksosyrer ikke bare gjennom transaminering, men også gjennom oksidativ deaminering. For eksempel dannes α-oksoglutarsyre fra l-glutaminsyre. I det første trinnet av reaksjonen dehydrogeneres (oksideres) glutaminsyre til a-iminoglutarsyre
syrer. I det andre trinnet oppstår hydrolyse, noe som resulterer i α-oksoglutarsyre og ammoniakk. Hydrolysestadiet skjer uten deltakelse av et enzym.
Reaksjonen av reduktiv aminering av α-oksosyrer skjer i motsatt retning. α-oksoglutarsyre, som alltid finnes i cellene (som et produkt av karbohydratmetabolismen), omdannes på denne måten til L-glutaminsyre.
Oksidasjon av tiolgrupper ligger til grunn for interkonverteringer av cystein og cystinrester, og gir en rekke redoksprosesser i cellen. Cystein, som alle tioler (se 4.1.2), oksideres lett for å danne et disulfid, cystin. Disulfidbindingen i cystin reduseres lett for å danne cystein.
På grunn av tiolgruppens evne til lett å oksidere, utfører cystein en beskyttende funksjon når kroppen utsettes for stoffer med høy oksidativ kapasitet. I tillegg var det det første stoffet som viste anti-strålingseffekter. Cystein brukes i farmasøytisk praksis som stabilisator for legemidler.
Omdannelse av cystein til cystin resulterer i dannelse av disulfidbindinger, for eksempel redusert glutation
(se 12.2.3).
12.2. Primærstruktur av peptider og proteiner
Konvensjonelt antas det at peptider inneholder opptil 100 aminosyrerester i et molekyl (som tilsvarer en molekylvekt på opptil 10 tusen), og proteiner inneholder mer enn 100 aminosyrerester (molekylvekt fra 10 tusen til flere millioner) .
I sin tur, i gruppen av peptider er det vanlig å skille oligopeptider(lavmolekylære peptider) som ikke inneholder mer enn 10 aminosyrerester i kjeden, og polypeptider, hvis kjede inkluderer opptil 100 aminosyrerester. Makromolekyler med et antall aminosyrerester som nærmer seg eller litt over 100 skiller ikke mellom polypeptider og proteiner; disse begrepene brukes ofte som synonymer.
Et peptid- og proteinmolekyl kan formelt representeres som et produkt av polykondensasjon av α-aminosyrer, som skjer med dannelsen av en peptid- (amid)binding mellom monomerenheter (skjema 12.2).
Utformingen av polyamidkjeden er den samme for hele utvalget av peptider og proteiner. Denne kjeden har en uforgrenet struktur og består av alternerende peptid (amid) grupper -CO-NH- og fragmenter -CH(R)-.
Den ene enden av kjeden inneholder en aminosyre med en fri NH-gruppe 2, kalles N-terminalen, den andre kalles C-terminalen,
Opplegg 12.2.Prinsippet for å konstruere en peptidkjede
som inneholder en aminosyre med en fri COOH-gruppe. Peptid- og proteinkjeder skrives fra N-terminalen.
12.2.1. Strukturen til peptidgruppen
I peptid (amid) gruppen -CO-NH- er karbonatomet i en tilstand av sp2 hybridisering. Det ensomme elektronparet i nitrogenatomet går inn i konjugering med π-elektronene til C=O-dobbeltbindingen. Fra et synspunkt om elektronisk struktur er peptidgruppen et tresenter p,π-konjugert system (se 2.3.1), hvor elektrontettheten forskyves mot det mer elektronegative oksygenatomet. C-, O- og N-atomene som danner et konjugert system er lokalisert i samme plan. Elektrontetthetsfordelingen i amidgruppen kan representeres ved bruk av grensestrukturene (I) og (II) eller elektrontetthetsforskyvningen som et resultat av +M- og -M-effektene av henholdsvis NH- og C=O-gruppene (III).
Som et resultat av konjugering oppstår en viss justering av bindingslengder. C=O-dobbeltbindingen utvides til 0,124 nm sammenlignet med vanlig lengde på 0,121 nm, og C-N-bindingen blir kortere - 0,132 nm sammenlignet med 0,147 nm i det vanlige tilfellet (fig. 12.1). Det plane konjugerte systemet i peptidgruppen forårsaker vanskeligheter med å rotere rundt C-N-bindingen (rotasjonsbarrieren er 63-84 kJ/mol). Dermed bestemmer den elektroniske strukturen en ganske stiv flat strukturen til peptidgruppen.
Som det fremgår av fig. 12.1, er a-karbonatomene til aminosyrerester lokalisert i peptidgruppens plan på motsatte sider av C-N-bindingen, dvs. i en mer gunstig transposisjon: sideradikalene R i aminosyrerester vil i dette tilfellet være de fjerneste fra hverandre i verdensrommet.
Polypeptidkjeden har en overraskende jevn struktur og kan representeres som en serie av hverandre plassert i en vinkel.
Ris. 12.1.Planarrangement av peptidgruppen -CO-NH- og a-karbonatomer av aminosyrerester
til hverandre plan av peptidgrupper koblet til hverandre gjennom α-karbonatomer med Cα-N og Cα-Csp bindinger 2 (Fig. 12.2). Rotasjon rundt disse enkeltbindingene er svært begrenset på grunn av vanskeligheter med romlig plassering av sideradikaler av aminosyrerester. Dermed bestemmer den elektroniske og romlige strukturen til peptidgruppen i stor grad strukturen til polypeptidkjeden som helhet.
Ris. 12.2.Den relative plasseringen av planene til peptidgruppene i polypeptidkjeden
12.2.2. Sammensetning og aminosyresekvens
Med en jevnt konstruert polyamidkjede bestemmes spesifisiteten til peptider og proteiner av to viktigste egenskaper - aminosyresammensetning og aminosyresekvens.
Aminosyresammensetningen til peptider og proteiner er naturen og det kvantitative forholdet mellom deres a-aminosyrer.
Aminosyresammensetningen bestemmes ved å analysere peptid- og proteinhydrolysater, hovedsakelig ved kromatografiske metoder. For tiden utføres slik analyse ved bruk av aminosyreanalysatorer.
Amidbindinger er i stand til å hydrolysere både i sure og alkaliske miljøer (se 8.3.3). Peptider og proteiner hydrolyseres for å danne enten kortere kjeder - dette er den såkalte delvis hydrolyse, eller blandinger av aminosyrer (i ionisk form) - fullstendig hydrolyse. Hydrolyse utføres vanligvis i et surt miljø, siden mange aminosyrer er ustabile under alkaliske hydrolyseforhold. Det skal bemerkes at amidgruppene av asparagin og glutamin også er gjenstand for hydrolyse.
Den primære strukturen til peptider og proteiner er aminosyresekvensen, dvs. rekkefølgen for veksling av a-aminosyrerester.
Den primære strukturen bestemmes ved å sekvensielt fjerne aminosyrer fra hver ende av kjeden og identifisere dem.
12.2.3. Struktur og nomenklatur av peptider
Peptidnavn konstrueres ved å sekvensielt liste opp aminosyrerester, med utgangspunkt i N-terminalen, med tillegg av et suffiks-il, bortsett fra den siste C-terminale aminosyren, som dens fulle navn beholdes for. Med andre ord, navnene
aminosyrer som kom inn i dannelsen av en peptidbinding på grunn av "deres" COOH-gruppe ender i navnet på peptidet med -il: alanil, valyl osv. (for asparagin- og glutaminsyrerester brukes henholdsvis navnene "aspartyl" og "glutamyl"). Navnene og symbolene på aminosyrer indikerer at de tilhører l -rad, med mindre annet er angitt ( d eller dl).
Noen ganger i den forkortede notasjonen indikerer symbolene H (som en del av en aminogruppe) og OH (som en del av en karboksylgruppe) usubstitusjonen av de funksjonelle gruppene til terminale aminosyrer. Denne metoden er praktisk for å avbilde funksjonelle derivater av peptider; for eksempel er amidet til peptidet ovenfor ved den C-terminale aminosyren skrevet H-Asn-Gly-Phe-NH2.
Peptider finnes i alle organismer. I motsetning til proteiner har de en mer heterogen aminosyresammensetning, spesielt inkluderer de ganske ofte aminosyrer d -rad. Strukturelt er de også mer forskjellige: de inneholder sykliske fragmenter, forgrenede kjeder, etc.
En av de vanligste representantene for tripeptider er glutation- finnes i kroppen til alle dyr, planter og bakterier.
Cystein i sammensetningen av glutation gjør det mulig for glutation å eksistere i både redusert og oksidert form.
Glutation er involvert i en rekke redoksprosesser. Det fungerer som en proteinbeskytter, dvs. et stoff som beskytter proteiner med frie SH-tiolgrupper mot oksidasjon med dannelse av disulfidbindinger -S-S-. Dette gjelder de proteiner som en slik prosess er uønsket for. I disse tilfellene tar glutation på seg virkningen av et oksidasjonsmiddel og "beskytter" dermed proteinet. Under oksidasjonen av glutation oppstår intermolekylær tverrbinding av to tripeptidfragmenter på grunn av en disulfidbinding. Prosessen er reversibel.
12.3. Sekundær struktur av polypeptider og proteiner
Polypeptider og proteiner med høy molekylvekt, sammen med primærstrukturen, er også preget av høyere organiseringsnivåer, som kalles sekundær, tertiær Og kvartær strukturer.
Den sekundære strukturen er beskrevet av den romlige orienteringen til hovedpolypeptidkjeden, den tertiære strukturen av den tredimensjonale arkitekturen til hele proteinmolekylet. Både sekundær og tertiær struktur er assosiert med det ordnede arrangementet av den makromolekylære kjeden i rommet. Den tertiære og kvaternære strukturen til proteiner diskuteres i et biokjemikurs.
Det ble vist ved beregning at en av de mest gunstige konformasjonene for en polypeptidkjede er et arrangement i rommet i form av en høyrehendt helix, kalt α-helix(Fig. 12.3, a).
Det romlige arrangementet til en α-helikal polypeptidkjede kan forestilles ved å forestille seg at den vikler seg rundt en viss
Ris. 12.3.a-helikal konformasjon av polypeptidkjeden
sylinder (se fig. 12.3, b). I gjennomsnitt er det 3,6 aminosyrerester per omdreining av helixen, helixens stigning er 0,54 nm, og diameteren er 0,5 nm. Planene til to nabopeptidgrupper er plassert i en vinkel på 108°, og sideradikalene til aminosyrer er plassert på utsiden av helixen, det vil si at de er rettet som om fra overflaten av sylinderen.
Hovedrollen i å sikre en slik kjedekonformasjon spilles av hydrogenbindinger, som i α-helixen dannes mellom karbonyloksygenatomet til hver første og hydrogenatomet til NH-gruppen til hver femte aminosyrerest.
Hydrogenbindinger er rettet nesten parallelt med aksen til α-helixen. De holder kjeden vridd.
Typisk er proteinkjeder ikke helt spiralformede, men bare delvis. Proteiner som myoglobin og hemoglobin inneholder ganske lange α-heliske områder, som myoglobinkjeden
75 % spiralisert. I mange andre proteiner kan andelen spiralformede områder i kjeden være liten.
En annen type sekundær struktur av polypeptider og proteiner er β-struktur, også kalt brettet ark, eller foldet lag. Forlengede polypeptidkjeder er ordnet i foldede ark, koblet sammen med mange hydrogenbindinger mellom peptidgruppene til disse kjedene (fig. 12.4). Mange proteiner inneholder både a-helikale og β-sheetstrukturer.
Ris. 12.4.Sekundær struktur av polypeptidkjeden i form av et foldet ark (β-struktur)
Generelle kjennetegn (struktur, klassifisering, nomenklatur, isomerisme).
Den viktigste strukturelle enheten til proteiner er a-aminosyrer. Det finnes omtrent 300 aminosyrer i naturen. 20 forskjellige a-aminosyrer ble funnet i proteiner (en av dem, prolin, er det ikke amino-, A imino syre). Alle andre aminosyrer eksisterer i fri tilstand eller som en del av korte peptider, eller komplekser med andre organiske stoffer.
a-aminosyrer er derivater av karboksylsyrer der ett hydrogenatom er erstattet med en aminogruppe (–NH2) ved a-karbonatomet, for eksempel:
Aminosyrer er forskjellige i strukturen og egenskapene til radikalet R. Radikalet kan representere fettsyrerester, aromatiske ringer og heterosykler. Takket være dette er hver aminosyre utstyrt med spesifikke egenskaper som bestemmer de kjemiske, fysiske egenskapene og fysiologiske funksjonene til proteiner i kroppen.
Det er takket være aminosyreradikaler at proteiner har en rekke unike funksjoner som ikke er karakteristiske for andre biopolymerer og har kjemisk individualitet.
Aminosyrer med b- eller g-posisjonen til aminogruppen er mye mindre vanlige i levende organismer, for eksempel:
Klassifisering og nomenklatur av aminosyrer.
Det finnes flere typer klassifiseringer av aminosyrer som utgjør proteiner.
A) En av klassifiseringene er basert på den kjemiske strukturen til aminosyreradikaler. Aminosyrer skilles ut:
1. Alifatisk - glysin, alanin, valin, leucin, isoleucin:
2. Hydroksylholdig – serin, treonin:
4. Aromatisk – fenylalanin, tyrosin, tryptofan:
5. Med aniondannende grupper i sidekjedene - asparaginsyre og glutaminsyre:
6. og amider av asparaginsyre og glutaminsyre - asparagin, glutamin.
7. De viktigste er arginin, histidin, lysin.
8. Iminosyre – prolin
 |
B) Den andre typen klassifisering er basert på polariteten til R-gruppene av aminosyrer.
Skille polare og ikke-polare aminosyrer. Ikke-polare radikaler har upolare C–C, C–H-bindinger; det er åtte slike aminosyrer: alanin, valin, leucin, isoleucin, metionin, fenylalanin, tryptofan, prolin.
Alle andre aminosyrer er til polaren(i R-gruppen er det polare bindinger C–O, C–N, –OH, S–H). Jo flere aminosyrer med polare grupper i et protein, desto høyere reaktivitet. Funksjonene til et protein avhenger i stor grad av dets reaktivitet. Enzymer kjennetegnes av et spesielt stort antall polare grupper. Og omvendt, det er svært få av dem i et slikt protein som keratin (hår, negler).
B) Aminosyrer klassifiseres også basert på de ioniske egenskapene til R-grupper(Tabell 1).
Sur(ved pH = 7 kan R-gruppen ha en negativ ladning) disse er asparaginsyre, glutaminsyrer, cystein og tyrosin.
Grunnleggende(ved pH=7 kan R-gruppen ha en positiv ladning) - disse er arginin, lysin, histidin.
Alle andre aminosyrer tilhører nøytral (gruppe R er uladet).
Tabell 1 – Klassifisering av aminosyrer basert på polaritet
R-gruppe.
R-grupper
Asparaginsyre
Glutaminsyre
4. Positivt ladet
R-grupper
Histidin
G) Aminosyrer er delt inn etter antall amin- og karboksylgrupper:
– til monoamin monokarboksylsyre inneholdende en karboksyl- og en amingruppe;
– monoaminodikarbonsyre(to karboksyl- og en amingruppe);
– diaminomonokarboksylsyre(to amin- og en karboksylgruppe).
E) I henhold til deres evne til å syntetiseres i menneske- og dyrekropper, er alle aminosyrer delt inn:
– til utskiftbare,
- uerstattelig,
– delvis uerstattelig.
Essensielle aminosyrer kan ikke syntetiseres i menneskekroppen og dyr, de må tilføres mat. Det er åtte absolutt essensielle aminosyrer: valin, leucin, isoleucin, treonin, tryptofan, metionin, lysin, fenylalanin.
Delvis essensielt - syntetisert i kroppen, men i utilstrekkelige mengder, så de må delvis tilføres mat. Disse aminosyrene er arganin, histidin, tyrosin.
Ikke-essensielle aminosyrer syntetiseres i menneskekroppen i tilstrekkelige mengder fra andre forbindelser. Planter kan syntetisere alle aminosyrer.
Isomerisme
I molekylene til alle naturlige aminosyrer (med unntak av glycin) har a-karbonatomet alle fire valensbindinger okkupert av forskjellige substituenter; et slikt karbonatom er asymmetrisk, og kalles kiralt atom. Som et resultat har løsninger av aminosyrer optisk aktivitet - de roterer planet av planpolarisert lys. Antall mulige stereoisomerer er nøyaktig 2n, hvor n er antall asymmetriske karbonatomer. For glycin n = 0, for treonin n = 2. Alle andre 17 proteinaminosyrer inneholder ett asymmetrisk karbonatom, de kan eksistere i form av to optiske isomerer.
Som standard ved avgjørelse L Og D- aminosyrekonfigurasjoner, konfigurasjonen av stereoisomerer av glyceraldehyd brukes.
Plasseringen i Fischer-projeksjonsformelen til NH 2-gruppen til venstre tilsvarer L-konfigurasjoner, og til høyre - D-konfigurasjoner.
Det skal bemerkes at bokstavene L Og D betyr at et stoff, i sin stereokjemiske konfigurasjon, tilhører L eller D rad, uavhengig av rotasjonsretningen.
I tillegg til de 20 standard aminosyrene som finnes i nesten alle proteiner, finnes det også ikke-standard aminosyrer som er komponenter av kun noen typer proteiner – disse aminosyrene kalles også modifisert(hydroksyprolin og hydroksylysin).
Kvitteringsmetoder
– Aminosyrer er av ekstremt stor fysiologisk betydning. Proteiner og polypeptider er bygget opp av aminosyrerester.
Under hydrolyse av proteiner Dyre- og planteorganismer produserer aminosyrer.
Syntetiske metoder for å oppnå aminosyrer:
– Effekten av ammoniakk på halogenerte syrer
– Det oppnås α-aminosyrer effekten av ammoniakk på oksynitriler
Aminosyrer, proteiner og peptider er eksempler på forbindelsene beskrevet nedenfor. Mange biologisk aktive molekyler inneholder flere kjemisk forskjellige funksjonelle grupper som kan samhandle med hverandre og med hverandres funksjonelle grupper.
Aminosyrer.
Aminosyrer- organiske bifunksjonelle forbindelser, som inkluderer en karboksylgruppe - UNS, og aminogruppen er N.H. 2 .
Skille α Og β - aminosyrer:
Finnes for det meste i naturen α -syrer. Proteiner inneholder 19 aminosyrer og en iminosyre ( C5H 9NEI 2 ):
Det enkleste aminosyre- glycin. De gjenværende aminosyrene kan deles inn i følgende hovedgrupper:
1) homologer av glycin - alanin, valin, leucin, isoleucin.
Innhenting av aminosyrer.
Kjemiske egenskaper til aminosyrer.
Aminosyrer- dette er amfotere forbindelser, fordi inneholder 2 motsatte funksjonelle grupper - en aminogruppe og en hydroksylgruppe. Derfor reagerer de med både syrer og alkalier:
Syre-base transformasjon kan representeres som:
I et surt miljø fungerer α-aminosyrer som baser (ved aminogruppen), og i et alkalisk miljø fungerer de som syrer (ved karboksylgruppen). Radikalet (R) til noen aminosyrer kan også ioniseres, og derfor kan alle aminosyrer deles inn i ladede og uladede (ved en fysiologisk pH-verdi på 6,0 - 8,0) (se tabell 4). Eksempler på førstnevnte inkluderer asparaginsyre og lysin:
Hvis aminosyreradikalene er nøytrale, så påvirker de ikke dissosiasjonen av α-karboksyl- eller α-aminogruppen, og pK-verdiene (den negative logaritmen som indikerer pH-verdien ved hvilken disse gruppene er halvt dissosiert) forblir relativt sett konstant.
pK-verdiene for α-karboksylgruppen (pK 1) og α-aminogruppen (pK 2) er svært forskjellige. Ved pH< pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН >pK 2 er nesten alle aminosyremolekyler negativt ladet, siden α-karboksylgruppen er i en dissosiert tilstand.
Følgelig, avhengig av pH i miljøet, har aminosyrer totalt null positiv eller negativ ladning. pH-verdien hvor den totale ladningen til molekylet er null og det ikke beveger seg i det elektriske feltet til verken katoden eller anoden kalles det isoelektriske punktet og betegnes pI.
For nøytrale α-aminosyrer er pI-verdien funnet som det aritmetiske gjennomsnittet mellom to pK-verdier:
Når pH i løsningen er mindre enn pI, protoneres aminosyrene og, blir positivt ladet, beveger de seg i det elektriske feltet til katoden. Det motsatte bildet er observert ved pH > pI.
For aminosyrer som inneholder ladede (sure eller basiske) radikaler, avhenger det isoelektriske punktet av surheten eller basiciteten til disse radikalene og deres pK (pK 3). pI-verdien for dem er funnet ved å bruke følgende formler:
for sure aminosyrer:
for basiske aminosyrer:
I cellene og den intercellulære væsken i menneske- og dyrekroppen er pH i miljøet nær nøytral, derfor har basiske aminosyrer (lysin, arginin) en positiv ladning (kationer), sure aminosyrer (asparaginsyre, glutaminsyre) har en negativ ladning (anioner), og resten eksisterer i form av bipolar zwitterion.
Stereokjemi av aminosyrer
Et viktig trekk ved protein α-aminosyrer er deres optiske aktivitet. Med unntak av glycin er de alle bygd asymmetrisk, og når de er oppløst i vann eller saltsyre, er de derfor i stand til å rotere lysets polariseringsplan. Aminosyrer eksisterer i form av romlige isomerer som tilhører D- eller L-serien. L- eller D-konfigurasjonen bestemmes av typen struktur til forbindelsen i forhold til det asymmetriske karbonatomet (et karbonatom bundet til fire forskjellige atomer eller grupper av atomer). I formler er et asymmetrisk karbonatom betegnet med en stjerne. Figur 3 viser projeksjonsmodellene av L- og D-konfigurasjonen av aminosyrer, som så å si er speilbilder av hverandre. Alle de 18 optisk aktive proteinaminosyrene tilhører L-serien. Imidlertid finnes D-aminosyrer i cellene til mange mikroorganismer og i antibiotika som produseres av noen av dem.
Ris. 3. Konfigurasjon av L- og D-aminosyrer
Proteinstruktur
Basert på resultatene av å studere produktene av proteinhydrolyse og de fremsatt av A.Ya. Danilevskys ideer om rollen til peptidbindinger -CO-NH- i konstruksjonen av et proteinmolekyl, foreslo den tyske forskeren E. Fischer peptidteorien om proteinstruktur på begynnelsen av det 20. århundre. I følge denne teorien er proteiner lineære polymerer av α-aminosyrer koblet med peptidbindinger - polypeptider:
I hvert peptid har en terminal aminosyrerest en fri a-aminogruppe (N-terminus) og den andre har en fri a-karboksylgruppe (C-terminus). Strukturen til peptider er vanligvis avbildet med utgangspunkt i den N-terminale aminosyren. I dette tilfellet er aminosyrerester betegnet med symboler. For eksempel: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Denne oppføringen angir et peptid der den N-terminale α-aminosyren er dannes av alanin, og C-terminalen - cystein. Når du leser en slik post, endres avslutningene på navnene på alle syrer, bortsett fra de siste, til "silt": alanyl-tyrosyl-leucyl-seryl-tyrosyl-cystein. Lengden på peptidkjeden i peptider og proteiner som finnes i kroppen varierer fra to til hundrevis og tusenvis av aminosyrerester.
For å bestemme aminosyresammensetningen blir proteiner (peptider) utsatt for hydrolyse:
I et nøytralt miljø går denne reaksjonen veldig sakte, men akselererer i nærvær av syrer eller alkalier. Vanligvis utføres proteinhydrolyse i en forseglet ampulle i en 6 M saltsyreløsning ved 105 ° C; under slike forhold oppstår fullstendig desintegrasjon i løpet av omtrent en dag. I noen tilfeller hydrolyseres proteinet under mildere forhold (ved en temperatur på 37-40 ° C) under påvirkning av biologiske enzymkatalysatorer i flere timer.
Deretter separeres aminosyrene i hydrolysatet ved kromatografi på ionebytterharpikser (sulfopolystyrenkationbytter), og en separat fraksjon av hver aminosyre isoleres. For å vaske ut aminosyrer fra ionebytterkolonnen, brukes buffere med økende pH-verdier. Aspartat, som har en sur sidekjede, fjernes først; arginin med hovedsidekjeden vaskes ut sist. Sekvensen for fjerning av aminosyrer fra kolonnen bestemmes av utlutningsprofilen til standard aminosyrer. Fraksjonerte aminosyrer bestemmes av fargen som dannes ved oppvarming med ninhydrin:
I denne reaksjonen omdannes fargeløst ninhydrin; til et blåfiolett produkt, hvis fargeintensitet (ved 570 nm) er proporsjonal med mengden aminosyre (bare prolin gir en gul farge). Ved å måle intensiteten av farging, er det mulig å beregne konsentrasjonen av hver aminosyre i hydrolysatet og antall rester av hver av dem i proteinet som studeres.
For tiden utføres en slik analyse ved hjelp av automatiske enheter - aminosyreanalysatorer (se nedenfor Fig. Diagram av enheten). Enheten viser resultatet av analysen i form av en graf over konsentrasjonene av individuelle aminosyrer. Denne metoden har funnet bred anvendelse i studiet av sammensetningen av næringsstoffer og klinisk praksis; med dens hjelp kan du på 2-3 timer få et fullstendig bilde av den kvalitative sammensetningen av aminosyrer i produkter og biologiske væsker.
Aminosyrer er organiske karboksylsyrer hvor minst ett av hydrogenatomene i hydrokarbonkjeden er erstattet med en aminogruppe. Avhengig av posisjonen til -NH2-gruppen, skilles α, β, γ osv. L-aminosyrer. Til dags dato har opptil 200 forskjellige aminosyrer blitt funnet i forskjellige gjenstander i den levende verden. Menneskekroppen inneholder rundt 60 forskjellige aminosyrer og deres derivater, men ikke alle er en del av proteiner.
Aminosyrer er delt inn i to grupper:
- proteinogen (del av proteiner)
Blant dem er det viktigste (det er bare 20 av dem) og sjeldne. Sjeldne proteinaminosyrer (for eksempel hydroksyprolin, hydroksylysin, aminositronsyre, etc.) er faktisk derivater av de samme 20 aminosyrene.
De resterende aminosyrene er ikke involvert i konstruksjonen av proteiner; de finnes i cellen enten i fri form (som metabolske produkter) eller er en del av andre ikke-proteinforbindelser. For eksempel er aminosyrene ornitin og citrullin mellomprodukter i dannelsen av den proteinogene aminosyren arginin og er involvert i ureasyntesesyklusen; γ-amino-smørsyre finnes også i fri form og spiller rollen som en mediator i overføringen av nerveimpulser; β-alanin er en del av vitaminet pantotensyre.
- ikke-proteinogen (ikke involvert i dannelsen av proteiner)
Ikke-proteinogene aminosyrer, i motsetning til proteinogene, er mer forskjellige, spesielt de som finnes i sopp og høyere planter. Proteinogene aminosyrer er involvert i konstruksjonen av mange forskjellige proteiner, uavhengig av type organisme, og ikke-proteinogene aminosyrer kan til og med være giftige for en organisme av en annen art, det vil si at de oppfører seg som vanlige fremmedstoffer. For eksempel er kanavanin, dienkolsyre og β-cyano-alanin isolert fra planter giftige for mennesker.
Struktur og klassifisering av proteinogene aminosyrer
I det enkleste tilfellet er radikal R representert av et hydrogenatom (glycin), men det kan også ha en kompleks struktur. Derfor skiller α-aminosyrer seg fra hverandre først og fremst i strukturen til sideradikalet, og følgelig i de fysisk-kjemiske egenskapene som ligger i disse radikalene. Tre klassifiseringer av aminosyrer er akseptert:
Den gitte fysiologiske klassifiseringen av aminosyrer er ikke universell, i motsetning til de to første klassifiseringene, og er til en viss grad vilkårlig, siden den bare er gyldig for organismer av en gitt art. Imidlertid er den absolutte essensiteten til åtte aminosyrer universell for alle typer organismer (tabell 2 viser data for noen representanter for virveldyr og insekter [forestilling] ).
| Tabell 2. Essensielle (+), ikke-essensielle (-) og semi-essensielle (±) aminosyrer for noen virveldyr og insekter (etter Lyubka et al., 1975) | |||||||
| Aminosyrer | Menneskelig | Rotte | Mus | Kylling | Laks | Mygg | Bie |
| Glycin | - | - | - | + | - | + | - |
| Alanya | - | - | - | - | - | - | - |
| Valin | + | + | + | + | + | + | + |
| Leucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Isoleucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Cystein | - | - | - | - | - | - | - |
| Metionin | + | + | + | + | + | + | + |
| Serin | - | - | - | - | - | - | - |
| Treonin | + | + | + | + | + | + | + |
| Asparaginsyre | - | - | - | - | - | - | - |
| Glutaminsyre | - | - | - | - | - | - | - |
| Lysin | + | + | + | + | + | + | + |
| Arginin | ± | ± | + | + | + | + | + |
| Fenylalanin | + | + | + | + | + | + | + |
| Tyrosin | ± | ± | + | + | - | - | - |
| Histidin | ± | + | + | + | + | + | + |
| Tryptofan | + | + | + | + | + | + | + |
| Proline | - | - | - | - | - | - | - |
For rotter og mus er det allerede ni essensielle aminosyrer (histidin er lagt til de åtte kjente). Normal vekst og utvikling av kylling er bare mulig i nærvær av elleve essensielle aminosyrer (histidin, arginin, tyrosin er tilsatt), det vil si at aminosyrer som er semi-essensielle for mennesker er helt essensielle for kylling. For mygg er glycin en helt essensiell aminosyre, og tyrosin er tvert imot en ikke-essensiell aminosyre.
Dette betyr at for forskjellige typer organismer er betydelige avvik i behovet for individuelle aminosyrer mulig, som bestemmes av egenskapene til deres metabolisme.
Sammensetningen av essensielle aminosyrer som har utviklet seg for hver type organisme, eller den såkalte auxotrofien av organismen i forhold til aminosyrer, reflekterer mest sannsynlig ønsket om minimale energikostnader for syntese av aminosyrer. Det er faktisk mer lønnsomt å motta et ferdig produkt enn å produsere det selv. Derfor bruker organismer som bruker essensielle aminosyrer omtrent 20 % mindre energi enn de som syntetiserer alle aminosyrer. På den annen side, under evolusjonen, har det ikke blitt bevart noen livsformer som ville være helt avhengig av tilførsel av alle aminosyrer utenfra. Det ville være vanskelig for dem å tilpasse seg endringer i det ytre miljøet, gitt at aminosyrer er materialet for syntese av et slikt stoff som protein, uten hvilket liv er umulig.
Fysisk-kjemiske egenskaper til aminosyrer
Syre-base egenskaper av aminosyrer . I henhold til deres kjemiske egenskaper er aminosyrer amfotere elektrolytter, det vil si at de kombinerer egenskapene til både syrer og baser.
Syregrupper av aminosyrer: karboksyl (-COOH -> -COO - + H +), protonert α-aminogruppe (-NH + 3 -> -NH 2 + H +).
Hovedgruppene av aminosyrer: dissosiert karboksyl (-COO - + H + -> -COOH) og α-aminogruppe (-NH 2 + H + -> NH + 3).
For hver aminosyre er det minst to syredissosiasjonskonstanter pKa - en for -COOH-gruppen, og den andre for a-aminogruppen.
I en vandig løsning kan det eksistere tre former for aminosyrer (fig. 1.)
Det er bevist at i vandige løsninger er aminosyrer i form av en dipol; eller zwitterion.
Påvirkning av pH på ionisering av aminosyrer . Endring av pH i miljøet fra sur til alkalisk påvirker ladningen av oppløste aminosyrer. I et surt miljø (pH<7) все аминокислоты несут положительный заряд (существуют в виде катиона), так как избыток протонов в среде подавляет диссоциацию карбоксильной группы:
I et surt miljø beveger aminosyrer seg mot katoden i et elektrisk felt.
I et alkalisk miljø (pH>7), hvor det er et overskudd av OH - ioner, er aminosyrer i form av negativt ladede ioner (anioner), siden NH + 3-gruppen dissosieres:
I dette tilfellet beveger aminosyrer seg i et elektrisk felt til anoden.
Følgelig, avhengig av pH i miljøet, har aminosyrer totalt null, positiv eller negativ ladning.
Tilstanden der ladningen til en aminosyre er null kalles isoelektrisk. pH-verdien der denne tilstanden oppstår og aminosyren ikke beveger seg i det elektriske feltet til verken anoden eller katoden kalles det isoelektriske punktet og betegnes pH I. Det isoelektriske punktet gjenspeiler meget nøyaktig syre-baseegenskapene til ulike grupper i aminosyrer og er en av de viktige konstantene som karakteriserer en aminosyre.
Det isoelektriske punktet til ikke-polare (hydrofobe) aminosyrer nærmer seg den nøytrale pH-verdien (fra 5,5 for fenylalanin til 6,3 for prolin); for sure har det lave verdier (for glutaminsyre 3,2, for asparaginsyre 2,8). Det isoelektriske punktet for cystein og cystin er 5,0, noe som indikerer de svake sure egenskapene til disse aminosyrene. De grunnleggende aminosyrene - histidin og spesielt lysin og arginin - har et isoelektrisk punkt betydelig høyere enn 7.
I cellene og den intercellulære væsken i menneske- og dyrekroppen er pH i miljøet nær nøytral, derfor har basiske aminosyrer (lysin, arginin) en total positiv ladning (kationer), sure aminosyrer (asparaginsyre og glutamin) har en negativ ladning (anioner), og resten eksisterer i formen dipol. Sure og basiske aminosyrer er mer hydrert enn alle andre aminosyrer.
Aminosyrestereoisomerisme
Alle proteinogene aminosyrer, med unntak av glycin, har minst ett asymmetrisk karbonatom (C*) og har optisk aktivitet, de fleste av dem er venstredrejende. De eksisterer som romlige isomerer, eller stereoisomerer. Basert på arrangementet av substituenter rundt det asymmetriske karbonatomet, klassifiseres stereoisomerer i L- eller D-serien.
L- og D-isomerer er relatert til hverandre som et objekt og dets speilbilde, derfor kalles de også speilisomerer eller enantiomerer. Aminosyrene treonin og isoleucin har hver to asymmetriske karbonatomer, så de har fire stereoisomerer. For eksempel, i tillegg til L- og D-treonin, har treonin to til, som kalles diastereomerer eller alloformer: L-allotreonin og D-allotreonin.
Alle aminosyrer som utgjør proteiner tilhører L-serien. Det ble antatt at D-aminosyrer ikke fantes i naturen. Imidlertid ble polypeptider funnet i form av polymerer av D-glutaminsyre i kapslene til sporebærende bakterier (miltbrannbasill, potetbasill og høybasill); D-glutaminsyre og D-alanin er en del av mukopeptidene i celleveggen til noen bakterier. D-aminosyrer finnes også i antibiotika produsert av mikroorganismer (se tabell 3).
Kanskje D-aminosyrer viste seg å være mer egnet for beskyttende funksjoner til organismer (både bakteriekapselen og antibiotika tjener dette formålet), mens L-aminosyrer er nødvendig av kroppen for å bygge proteiner.
Fordeling av individuelle aminosyrer i ulike proteiner
Til dags dato har aminosyresammensetningen til mange proteiner av mikrobiell, plante- og animalsk opprinnelse blitt dechiffrert. Alanin, glycin, leucin og serier finnes oftest i proteiner. Imidlertid har hvert protein sin egen aminosyresammensetning. For eksempel inneholder protaminer (enkle proteiner som finnes i fiskemelk) opptil 85 % arginin, men de mangler sykliske, sure og svovelholdige aminosyrer, treonin og lysin. Fibroin - naturlig silkeprotein, inneholder opptil 50% glycin; Kollagen, proteinet i sener, inneholder sjeldne aminosyrer (hydroksylysin, hydroksyprolin), som er fraværende i andre proteiner.
Aminosyresammensetningen til proteiner bestemmes ikke av tilgjengeligheten eller uerstattbarheten til en bestemt aminosyre, men av formålet med proteinet, dets funksjon. Rekkefølgen av aminosyrer i et protein bestemmes av den genetiske koden.
| Side 2 | totalt antall sider: 7 |