Аминокислоты, белки
Содержание.
Классификация аминокислот.
Синтезы
,
,
-
аминокислот.
Свойства аминокислот: амфотерность, реакция по аминогруппе и карбоксилу.
-
аминокислоты, их роль в природе.
Синтез пептидов.
Белковые вещества:
Классификация.
Строение. Первичная структура, понятие о вторичной, третичной и четвертичной структурах.
Понятие о ферментах.
Классификация аминокислот.
Аминокислотами называются органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от природы кислотной функции аминокислоты подразделяют на аминокарбоновые, например H>2>N(CH>2>)>5>COOH, аминосульфоновые, например H>2>N(CH>2>)>2>SO>3>H, аминофосфоновые, H>2>NCH[P(O)(OH)>2>]>2>, аминоарсиновые, например, H>2>NC>6>H>4>AsO>3>H>2>.
Согласно правилам ИЮПАК название аминокислот производят от названия соответствующей кислоты; взаимное расположение в углеродной цепи карбоксильной и аминной групп обозначают обычно цифрами, в некоторых случаях - греческими буквами. Однако, как правило, пользуются тривиальными названиями аминокислот. ( см. таблицу 1.) .
В зависимости
от положения аминогруппы по отношению
к карбоксилу различают
,
и
-
аминокислоты:
CH>2>CH>2>COOH
NH>2>
-аминопропионовая
кислота
CH>3>CH>2>CHCOOH
NH>2>
-аминомасляная
кислота
CH>2>CH>2>CH>2>COOH
NH>2>
-аминомасляная
кислота
Все
-
аминокислоты, кроме
аминоуксусной (глицина), имеют
асимметрический
-
углеродный атом и существуют
в виде двух энантиомеров. За редким
исключением, природные
-аминокислоты
относятся к L-
ряду (S-конфигурация)
и имеют следующее пространственное
строение:
П
COOH
H>2>N C H
R
о физическим и ряду химических свойств аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Они лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокие температуры плавления. Эти свойства указывают на взаимодействие аминных и кислотных групп, вследствие чего аминокислоты в твёрдом состоянии и в растворе (в широком интервале pH) находятся в цвиттер-ионной форме (т.е. как внутренние соли). Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у-аминокислот,
где обе группы находятся в непосредственной
близости.
-H+ -H+
H>3>N+CH>2>COOH H>3>N+CH>2>COO- H>2>NC>2>COO-
+H+ +H+
кислота цвиттер-ион основание
Цвиттер-ионная структура аминокислот подтверждается их большим дипольным моментом (не менее 5010-30 Кл м), а также полосой поглощения в ИК- спектре твердой аминокислоты или её раствора.
Таблица 1. Важнейшие аминокислоты.
|
Тривиальное название |
Сокр.название ос- татка ами нок-ты |
Формула |
Температура плавления, 0С. |
Растворимость в воде при 250С, г/100г. |
|
Моноаминомонокарбоновые кислоты |
||||
|
Гликокол или глицин |
Gly |
H>2>NCH>2>COOH |
262 |
25 |
|
Аланин |
Ala |
H>2>NCH(CH>3>) COOH |
297 |
16,6 |
|
Валин |
Val |
H>2>NCHCOOH CH(CH>3>)>2> |
315 |
8,85 |
|
Лейцин |
Leu |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH(CH>3>)>2> |
337 |
2,2 |
|
Изолейцин |
He |
H>2>NCHCOOH CH>3 >─ CH ─ C>2>H>5> |
284 |
4,12 |
|
Фенилаланин |
Phe |
H>2>NCHCOOH CH>2>C>6>H>5> |
283 (разл.) |
― |
|
Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды |
||||
|
Аспарагиновая кислота |
Asp(D) |
H>2>NCHCOOH CH>2>COOH |
270 |
0,5 |
|
Аспарагин |
Asn(N) |
H>2>NCHCOOH CH>2>CONH>2> |
236 |
2,5 |
|
Глутаминовая кислота |
Glu(E) |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH>2>COOH |
249 |
0,84 |
|
Глутамин |
Gln(Q) |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH>2>CONH>2> |
185 |
4,2 |
|
Диаминомонокарбоновые кислоты |
||||
|
Орнитин(+) |
Orn |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH>2>CH>2 >NH>2> |
140 |
― |
|
Лизин |
Lys(K) |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH>2>CH>2 >CH>2>NH>2> |
224 |
Хорошо растворим |
|
Аминокислоты |
||||
|
Аргинин |
Arg® |
H>2>NCHCOOH CH>2> CH>2>CH>2 >NH ─ C ─ NH>2> ║ NH |
238 |
15 |
|
Гидроксиаминокислоты |
||||
|
Серин |
Ser(S) |
H>2>NCHCOOH CH>2>OH |
228 |
5 |
|
Треонин |
Tre(T) |
H>2>NCHCOOH CH>2 >(OH)CH>3> |
253 |
20,5 |
|
Тирозин |
Tyr(Y) |
H>2>NCHCOOH CH>2>C>6>H>4>OH-n |
344 |
― |
|
Тиоаминокислоты |
||||
|
Метионин |
Met(M) |
H>2>NCHCOOH CH>2>CH>2>SCH>3> |
283 |
3,5 |
|
|
(Cys)>2> |
2
|
260 |
0,011 |
|
Цистеин |
Cys© |
H>2>NCHCOOH CH>2>SH |
178 |
Хорошо растворим |
|
Гетероциклические аминокислоты |
||||
|
|
Try(W) |
H>2>NCHCOOH H>2>C
NH |
382 |
1,14 |
|
|
Pro(P) |
H>2>C CH>2> H>2>C CHCOOH
NH |
299 |
16,2 |
|
|
Opr |
HOHC CH>2> H>2>C CHCOOH
NH |
270 |
36,1 |
|
|
His(H) |
NH>2>CHCOOH H>2>C ―C ―― CH N NH
CH |
277 |
4,3 |
Цистин
Триптофан
Пролин
Синтезы
,
,
-
аминокислот.
-аминокислоты
получают галогенированием карбоновых
кислот или эфиров в
-положение
с последующей заменой галогена на
аминогруппу при обработке амином,
аммиаком или фталимидом калия (по
Габриэлю).
CℓCH>2>―C―OH + NH>3> → CℓCH>2>―C―O- + NH>4>Cℓ
║ ║
O O
-аминоуксусная
кислота
По Штрекеру –
Зелинскому
-аминокислоты
получают из альдегидов:
RCHO + NaCN + NH>4>Cℓ → RCH(NH>2>)CN → RCH(NH>2>)CONH>2> → RCH(NH>2>)COOH
Этот метод позволяет также
получать нитрилы и амиды соответствующих
-аминокислот.
По сходному механизму протекает
образование
-аминофосфоновых
кислот по реакции Кабачника- Филдса,
например:
RCHO + NH>3 > + (C>2>H>5>O)>2>PHO → RCH(NH>2>)P(O)(OC>2>H>5>)>2>
В этой реакции вместо альдегидов могут быть использованы кетоны, а вместо диалкилфосфитов- диалкилтиофосфиты, кислые эфиры алкилфосфонистых кислот RP(OH)OR и диарилфосфиноксиды Ar>2>HPO.
Альдегиды и
кетоны или их более активные производные
– кетали служат для синтеза
-
аминокислот с увеличением
числа углеродных атомов на две единицы.
Для этого их конденсируют с циклическими
производными аминоуксусной кислоты –
азалактонами, гидантоинами, тиогидантоинами,
2,5-пиперазиндионами или с её медными
или кобальтовыми хелатами, например:
HN HN CHC>6>H>5>
С>8>H>5>CHO + C>6>H>5>CH>2>CHNH>2>COOH
O N O O N O
H H
H>2>CO + (H>2>NCH>2>COO)>2>Cu (HOCH>2>)>2>C(NH>2>)COOH
Удобные
предшественники
-аминокислот
аминомалоновый эфир и нитроуксусный
эфир. К их
-углеродным
атомам можно предварительно ввести
желаемые радикалы методами алкилирования
или конденсации.
-кетокислоты
превращают в
-аминокислоты
гидрированием в присутствии NH>3>
или гидрированием их оксимов, гидразонов
и фенилгидразонов.
NOH OH
NH>2>OH ║
CH>3>―C C
OH +
NH>2>NH>2> NH>3> O-
CH>3>―C―C―OH CH>3>―C C H
║ ║ ║ CH>3>―CH―C
O O N―NH>2>
Пировиноградная кислота> >
OH
NH>2>NHC>6>H>5>
CH>3>―C C
║
N―NHC>6>H>5>
O
O
O
O
Можно получать
-аминокислоты
также непосредственно из
-кетонокислот,
действуя на них аммиаком и водородом
над никелевым катализатором:
+ H>2>/Ni
CH>3>―C―C―OH + 2NH>3 >CH>3>―C―C―O- NH>4 >CH>3>―CH―C―O- NH>4>
║ ║ ║ ║ ║
O O HN O H>2>N O
―H>2>O
Некоторые
L--аминокислоты
ввиду сложности синтеза и разделения
оптических изомеров получают
микробиологическим способом (лизин,
триптофан, треонин) или выделяют из
гидролизатов природных белковых
продуктов (пролин, цистин, аргинин,
гистидин).
-
аминосульфоновые кислоты получают при
обработке аммиаком продуктов присоединения
NaHSO>3>
к альдегидам:
RCHO + NaHSO>3 > RCH(OH)SO>3>Na RCH(NH>2>)SO>3>Na
CH>2>=CHCOH + NH>3> H>2>NCH>2>C=O-
║ ║
O
O
,-ненасыщенным
кислотам:
В.М.Родионов
предложил метод, в котором совмещаются
в одной операции получение
,-непредельной
кислоты конденсацией альдегида с
малоновой кислотой и присоединение
аммиака:
O COO-
+
R―C + H>2>C + 2NH>3 > R―CH―CH>2>―C―O-> > NH>4>
║
H COO-> >NH>2 >O > >
―CO>2>
-аминокислоты
получают гидролизом соответствующих
лактамов, которые образуются в результате
перегруппировки Бекмана из оксимов
циклических кетонов под действием
H>2>SO>4>.
-аминоэтановую
и
-аминоундекановую
кислоты синтезируют из
,,,-тетрахлоралканов
путем их гидролиза конц. H>2>SO>4>
до -хлоралкановых кислот с последующим
аммонолизом:
Cℓ(CH>2>CH>2>)>n>CCℓ>3> → Cℓ(CH>2>CH>2>)>n>COOH → H>2>N(CH>2>CH>2>)>n>COOH
Исходные тетрахлоралканы получают теломеризацией этилена с CCℓ>4>.
Бекмановская перегруппировка оксимов циклических кетонов. Наибольшей практический интерес представляет перегруппировка оксима циклогексанона:
CH>2> CH>2>
H>2>C CH>2> H>2>C CH>2 >H+
NH>2>OH (перегруппировка)
H>2>C C = O H>2>C C = NOH
CH>2> CH>2>
> >циклогексанон оксим
CH>2>
H>2>C CH>2>
H>2>O(H+) CH>2>―CH>2>―CH>2>―CH>2>―CH>2>―C―O-
H>2>C C = O + ║
NH>3 > O
H>2>C―NH
капролактам
-аминокапроновая
кислота
Получаемый этим путем капролактам полимеризуют в высокомолекулярный поликапромид
∙∙∙—NH—(CH>2>)>5>—C— —NH—(CH>2>)>5>—C— —NH—∙∙∙
║ ║ n
O O
O O O >n>
из которого изготовляют капроновое волокно.
Свойства аминокислот: амфотерность, реакция по аминогруппе и карбоксилу.
1. Большинство аминокислот – бесцветные кристаллические вещества, обычно хорошо растворимы в воде, часто сладковаты на вкус.
2. В молекулах аминокислот содержатся две группы с прямо противоположными свойствами: карбоксильная группа-кислотная, и аминогруппа с основными свойствами. Поэтому они обладают одновременно и кислотными и основными свойствами. Как кислоты, аминокислоты образуют со спиртами сложные эфиры, а с металлами и основаниями-соли:
NH>2>CH>2>COOC>2>H>5> NH>2>CH>2>COO >2>Cu]
Этиловый эфир медная соль
аминоуксусной кислоты аминоуксусной кислоты
Для аминокислот особенно характерно образование медных солей, обладающих специфической синей окраской. Эти вещества являются внутренними комплексными солями; в них атом меди связан не только с атомами кислорода, но и с атомами азота аминогрупп:
CH>2>―HN>2>―NH>2>―CH>2>
CO―O―Cu―O―CO
Связь между атомом меди и азота осуществляется дополнительными валентностями( за счет свободной пары электронов азота аминогруппы). Как видно, при этом возникают кольчатые структуры, состоящие из пятичленных циклов. На легкость образования подобных пяти- и шестичленных циклов обратил внимание в 1906г. Л.А. Чугаев и отметил их значительную устойчивость. Медь(и другие металлы) в таких внутрикомплексных соединениях не имеют ионного характера. Водные растворы подобных соединений не проводят в заметной степени электрический ток.
При действии едких щелочей на медные соли аминокислот не происходит выпадания гидрата окиси меди. Однако при действии сероводорода происходит разрушение внутрикомплексного соединения и выпадает труднорастворимая в воде сернистая медью
3. Кислотные свойства в моноаминокислотах выражены весьма слобо-аминокислоты почти не изменяют окраски лакмуса. Таким образом, кислотные свойства карбоксила в них значительно ослаблены.
4. Как амины, аминокислоты образуют соли с кислотами, например:
HCℓ∙NH>2>CH>2>COOH
Но эти соли весьма непрочны и легко разлагаются. Таким образом, основные свойтва аминогруппы в аминокислотах также значительно ослаблены.
5. При действии азотистой кислоты на аминокислоты образуются оксикислоты:
N
H>2>CH>2>COOH
+ NHO>2 >
HOCH>2>COOH
+ N>2 >
+ H>2>O
Эта реакция совершенно аналогична реакции образования спиртов при действии азотистой кислоты на первичные амины.
С галоидангидритами кислот аминокислоты образуют вещества, которые одновременно являются и аминоксилотами и амидами кислот. Так, при действии хлористого ацетила на аминоуксусную кислоту образуется ацетиламиноуксусная килослота:
CH>3>COСℓ
+ NH>2>CH>2>COOH
СH>2>CONHСH>2>COOH
+ HCℓ
ацетиламиноуксусная килослота
Ацетиламиноуксусную кислоту можно рассматривать и как производное аминоуксусной кислоты, в молекуле которой атом водорода аминогруппы замещен ацетилом CH>3>CO- и как ацетамид, в молекуле которого атом водорода аминогруппы замещен остатком уксусной кислоты -CH>2>COOH.
7.
-Аминокислоты
при нагревании
легко отщепляют воду,
причем из двух молекул аминокислоты выделяются две молекулы воды и образуются дикетопиперазины:
CH>2>―СO―OH H―NH CH>2>―СO―NH
+ 2H>2>O
NH―H HO―CO―CH>2> NH―CO ―CH>2>
Дикетопиперазины-циклические соединения, кольцо которых образовано четырьмя атомами углерода и двумя атомами азота. Дикетопиперазины - твердые, хорошо кристаллизующиеся вещества.
CH>2>―СH―COOH
CH>2> = CH―COOH + NH>2>
NH>2 >H
-
Аминопропиновая кислота
акриловая кислота
-
Аминокслоты при нагревании теряют
аммиак, переходя в непредельные кислоты:
-
Аминокслоты легко отщепляют воду,
образуя лактамы:
CH>2>―СH>2>―CH>2>―CO CH>2>―СH>2>―CH>2>―CO
+ 2H>2>O
NH―H HO NH
Лактамы можно рассматривать как внутренние амиды.
8.Аминокислоты образуют сложные эфиры при действии хлористого водорода на них спиртовые растворы. При этом, разумеется, образуется солянокислые соли эфиров, из которых свободные эфиры можно получить, удаляя хлористый водород окисью серебра, окисью свинца или триэтиламином:
+
+
NH>3>—CH>2>—C—O–
+ C>2>H>5>OH
+ HCℓ NH>3>—CH>2>—C—OC>2>H>5>
Cℓ–
║ ║
O
O
+
2
NH>3>—CH>2>—C—OC>2>H>5>
Cℓ– +
Ag>2>O
NH>2>—CH>2>—C—OC>2>H>5>
+ 2AgCℓ–
+ H>2>O
║ ║
O
O
Эфиры обычных аминокислот - жидкости, перегоняющиеся в вакууме. Именно этерификацией суммы аминокислот, получающихся в результате гидролиза белка, разгонкой в вакууме и последующим гидролизом Э.Фишер выделил индивидуальные аминокислоты и дал способ установления аминокислотного состава белков.
При действии пятихлористого фосфора на аминокислоты образуются солянокислые соли хлорангидридов аминокислот, довольно неустойчивые соединения, при отщеплении HCℓ образующие совсем неустойчивые свободные хлорангидриды:
+
+
NH>3>—CH>2>—C—O–
+ PCℓ>5>
NH>3>—CH>2>—C—Cℓ
Cℓ–
+ POCℓ>3>
║ ║
O
O
10. Аминокислоты ацилируются по аминогруппе:
+
NH>2>—CH>2>—C—O–
+ CH>2>—C
O CH>3>—C—NH—CH>2>—C—OH
+ CH>3>—C—OH
║ ║ ║ ║ ║
O O >2> O O O
ацетилгликокол
+
NH>2>—CH>2>—C—O–
+ C>6>H>5>—C—Сℓ
C>6>H>5>—C—NH—CH>2>—C—OH
+ HСℓ
║ ║ ║ ║
O O O O
бензоилгликокол
(гиппуровая кислота)
Образующаяся в последней из написанных реакций гиппуровая кислота – вещество, в виде которого травоядные животные выделяют с мочой небезвредную бензойную кислоту, попадающую в организм с пищей.
11. Аминокислоты можно алкилировать по аминогруппе. Алкилированием глицина получается метиламиноуксосная кислота-саркозин
+ +
NH>3>—CH>2>—C—O–
+ CH>2>I
CH>3>NH>2>—CH>2>—C—O–
+ HI
║ ║
O O
саркозин
которая в связанном виде содержится в некоторых белках
При избытке иодистого метила образуется замещенная на четвертичноаммониевую группировку уксусная кислота
+
+
NH>3>—CH>2>—C—O–
+ 3CH>3>I
(CH>3>)>3>N—CH>2>—C—OH
I–
+ 2HI
║ ║
O
O
от которой можно отщепить HI и получить бетаин, лучше синтезируемый из триметиламина и хлоруксусной кислоты:
+
(СH>3>)>3>N
+ CℓCH>2>—C—ONa
(CH>3>)>3>N—CH>2>—C—O–
+ NaCℓ
║ ║
O O
бетаин
Бетаин, получивший свое название от свеклы(Beta vulgaris), в соке которой он находится, дал название и всему классу внутренних солей, в которых анион и катион связаны внутри одной молекулы. В этом смысле говорят о бетаинобразной структуре самих аминокислот:
+ +
H>3>N—CH>2>—C—O– (CH>3>)>3>N—CH>2>—C—O–
║ ║
O O
Бетаины обладают большим дипольным моментом и солеобразны (тверды, нелетучи, водорастворимы).
-
аминокислоты, их роль в природе.
В молекулах
большинства
-аминокислот
содержится асимметрический атом
углерода; природные аминокислоты
существуют в виде оптических антиподов.
Те из антиподов, конфигурация которых
аналогична конфигурации правовращающего
глицеринового альдегида, обозначаются
буквой D;
буквой L
обозначаются антиподы, конфигурация
которых соответствует конфигурации
левовращающего глицеринового альдегида:
COOH COOH
H――NH>2 >NH>2>――H
D-кофигурация L-кофигурация
(природные аминокислоты)
Конфигурация
-асимметрического
атома углерода у всех природных
-аминокислот
одинаковая, все они относятся к L-ряду.
Наибольший
интерес представляют
20
-аминокислот,
входящих в состав белковых молекул.
Принадлежность
природных аминокислот к
-аминокислотам
легко устанавливается по их способности
образовывать дикетопиперазины и
характерные внутрикомплексные медные
соли. Азотистая кислота превращает их
в
-оксикислоты,
из которых многие известные уже со
второй половины XVIII
столетия. Если при этом получается
неизвестная оксикислота, то аминогруппу
можно заменить на хлор действием
хлористого нитролиза
R R
+ │ │
NH>3>—CH—C—O–
+ NOCℓ
Cℓ—CH—C—OH
+ N>2>
+ H>2>O
║ ║
O O
а затем, заменив действием цинка в кислой среде хлор на водород, получить известную карбоновую кислоту(в случае аминодикарбоновых кислот-двухосновную). Таким путем, например, из валина образуется изовалериановая кислота, из лейцина – изокапроновая, из глутаминовой – глутаровая, которые легко идентифицировать по каким-либо твердым производным (например по анилидам).
Синтез пептидов.
Дипептидами
называются
-амино-N-ациламинокислоты
R—CH—C—NH—CH—C—O–
│+ ║ │ ║
NH>3 > O R’ O
Полипептиды построены по тому же амидному принципу из нескольких одинаковых или разных аминокислот. Они называются по числу участвующих остатков аминокислот ди-, три- и т.д. полипептидами.
Дипетиды с
одинаковыми
-аминокислотными
остатками можно получить гидролитическим
размыканием дикетопиперазинов. Дипетиды
с любыми
-аминокислотными
остатками были получены Э. Фишером
путем ацилирования аминокислоты по
аминогруппе хлорангидритом
-галоидзамещенной
кислоты и последующей заменой
-галоида
на аминогруппу действием аммиака:
Сℓ—CH—C—Сℓ
H>2>N—CH—C—OH
Сℓ—CH—C—NH—CH—C—OH
+ HСℓ
│ ║ │ ║ │ ║ │ ║
R > > O R’ O R > > O R’ O
Сℓ—CH—C—NH—CH—C—OH
+ 2NH>3
>
H>2>N—CH—C—NH—CH—C—O–
+ NH>4>Сℓ
│ ║ │ ║ │ ║ │ ║
R > > O R’ O R > > O R’ O
Подобная же последовательность реакций, примененная к полученному дипетиту, приведет к трипетиду и т.д. Э. Фишер получил таким путем октадекапептид, состоящий из 18 остатков аминокислот.
В более новых методах синтеза полипептидов исходят из хлорангидридов аминокислот(или из иных функциональных производных аминокислот с резко выраженной ацилирующей способностью) с защищенной аминогруппой. Такая защита необходима, чтобы хлорангидрид первой аминокислоты не проацилировал себе подобную молекулу, а осуществил связь со второй аминокислотой . Защита аминогруппы ацетилированием мало удобна, так как условия удаления ацетильной группы гидролизом таковы, что сам ди или полипептид будет гидролизоваться, распадаясь на аминокислоты. Поэтому аминогруппу кислоты, предназначенной в качестве ацилирующего агента и превращаемой для этого в хлорангидрид, защищают, в водя в аминогруппу такую группировку, которую можно удалить из дипептида гидролизом в очень мягких условиях или каким-либо другим методом. Например группу CF>3>CO- можно удалить обработкой слабой щелочью или гидрогенолизом; группу C>6>H>5>CH>2>OCO- легко удалить гидрированием над палладиевым катализатором, восстановлением раствора натрия в жидком аммиаке или действием гидрозина; фталильная группа под действием гидразина отщепляется в виде
CO
NH
C>6>H>4 >│> >
NH
CO
Что касается того, в форме какого функционального производного должен находится карбоксил защищенной описанным способом аминокислоты, то чаще чем хлорангидриды, применяют легко ацитилирующие эфиры или смешанные ангидриды, например:
HN—CH—C—O— —NO>2 >или HN—CH—C— —O—C—OR’
│ │ ║ │
│ ║ ║
X R O X R O O
где X- защищающий аминогруппу заместитель, R’- остаток пространственно затрудненного алифатического спирта, например (CH>3>)>2>CH—CH>2>OH, что обеспечивает разрыв ацилирующей молекулы по линии, намеченной пунктиром.
Совершенно иное дело-получение полипептидов, даже с высоким молекулярным весом, из остатков одной кислоты. Для этой цели выработан следующий метод(Лейхс), рассмотренный на примере глицина (R=H):
R
│
C>6>H>5>CH>2>—O—C—Cℓ
+ H>2>N—CH—C—OH
║ ║
O O
R
│
C>6>H>5>CH>2>—O—C—NH—CH—C—OH
║ ║
O
O O
R R—CH—C
│
нагревание
C>6>H>5>CH>2>—O—C—NH—CH—C—Cℓ
O
║ ║
O
O HN — C
O
Такие циклические внутренние смешанные ангидриды при нагревании распадаются с выделением CO>2> и образованием высокомолекулярных полипетидов:
O
R—CH—C R R
│
│
n
O nCO>2>
+ —HN—CH—C—(HN—CH—C—)>n-1>
║ ║
HN — C O O
O
В химии белков и полипептидов для сокращения принято писать формулы, обозначая остатки аминокислот буквами. Например, Glu- обозначение глутаминовой кислоты, Cys- цистеина, Gly- глицина и т.д. Сокращенная формула глутатиона будет в таком изображении
Gly—Cys—Gly
Белковые вещества. Классификация.
Белки ― высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью ―CO―NH―.
Каждый Б. характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белка лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов - высокоспецифичных катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки. Они же формируют остов клеточных органелл (митохондрий, мембран и др.). Расхождение хромосом при делении клетки, движение жгутиков, работа мышц животных и человека осуществляются по единому механизму при посредстве белка сократительной системы (напр., Актин, Миозин). Важную группу составляют регуляторные белки, контролирующие биосинтез белка и нуклеиновых кислот. К регуляторным белкам относятся также пептидно-белковые гормоны, которые секретируются эндокринными железами. Информация о состоянии внешней среды, различные регуляторные сигналы (в т. ч. гормональные) воспринимаются клеткой с помощью спец. рецепторных белков, располагающихся на наружной поверхности плазматической мембраны. Эти белки играют важную роль в передаче нервного возбуждения и в ориентированном движении клетки (хемотаксисе). В активном транспорте ионов, липидов, сахаров и аминокислот через биологические мембраны участвуют транспортные белки, или белки-переносчики. К последним относятся также гемоглобин и миоглобин, осуществляющие перенос кислорода. Преобразование и утилизация энергии, поступающей в организм с питанием, а также энергии солнечного излучения происходят при участии белков биоэнергетической системы (напр., родопсин, цитохромы). Большое значение имеют пищевые и запасные белки ( напр., Казеин, Проламины), играющие важную роль в развитии и функционировании организмов. Защитные системы высших организмов формируются защитными белками, к которым относятся иммуноглобулины (ответственны за иммунитет), белки комплемента (ответственны за лизис чужеродных клеток и активацию иммунологической функции), белки системы свертывания крови ( напр. Тромбин, Фибрин) и противовирусный белок интерферон.
По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислотных остатков (протеины), и сложные (протеиды). Сложные могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеиды), углевода (гликопротеины) или нуклеиновой кислоты (геномы некоторых вирусов).
По ряду характерных свойств протеины можно разделить на несколько подгрупп:
Альбумины. Они растворимы в воде, свёртываются при нагревании, нейтральны, сравнительно трудно осаждаются растворами солей. Примерами их могут служить: альбумин белка куриного яйца, альбумин кровяной сыворотки, альбумин мускульной ткани, молочный альбумин.
Глобулины. Они нерастворимы в воде, но растворяются в очень слабых растворах солей. Более концентрированными растворами солей они вновь осаждаются; осаждение происходит при меньшей концентрации, чем та, которая необходима для осаждения альбуминов. Эти белки являются очень слабыми кислотами. Примерами глобулинов могут служить: фибриноген, глобулин кровяной сыворотки, глобулин мускульной ткани, глобулин белка куриного яйца.
Гистоны. Белки основного характера. Находятся в виде нуклеопротеидов в лейкоцитах и красных кровяных шариках.
Протамины. Не содержат серы, обладают сравнительно сильными основными свойствами, дают кристаллические соли; содержатся (в виде нуклеопротеинов) в сперматозоидах рыб.
Проламины. Находятся в зернах различных хлебных злаков. Замечательной их особенностью является растворимость в 80% -ном спирте. Представителем этих белков может служить глиадин, составляющий главную часть клейковины.
Склеропротеины. Нерастворимые белки, которые составляют наружный покров тела животного и находятся в скелете и в соединительной ткани. К ним относятся кератин, коллагены, эластин, фиброин.
Керотин является главной составной частью волос, рогов, копыт, ногтей, перьев и верхнего слоя кожи. Скорлупа куриного яйца состоит из извести и кератина. Если растворить известь скорлупы яйца в кислоте, то останется мягкая кожа, состоящая из кератина; из кератина состоит кожица, которая следует за скорлупой яйца. По химическому составу кератин богат серой.
Коллагены. Чрезвычайно распространены в живых организмах. Из коллагенов состоит соединительная ткань; они находятся в хрящах. Кости позвоночных животных состоят из неорганических веществ (фосфорнокислого и углекислого кальция), жира и коллагенов.
При кипячении с водой или при действии перегретого водяного пара коллагены образуют клей. Если из костей извлечь жир и потом, обработав их кислотой, растворить фосфорнокислый кальций, то останется белковое вещество-оссеин. При обработке оссеина перегретым водяным паром он переходит в клей. Чистый костяной клей называется желатиной. Особенно чистая желатина получается из рыбьего пузыря кипячением с водой.
Эластин входит в состав жил и других эластичных веществ соединительной ткани.
Нити сырого шелка состоят из белкового вещества-фиброина, покрытого другим белковым веществом, играющим роль шелкового клея,-серицином. При кипячении с водой шелк освобождается от клея который при этом переходит в раствор.
Протеиды также можно разделить на несколько групп: фосфоропротеиды содержат в своем составе фосфор. Они, в противоположность протаминам, обладающим, как указано выше, основными свойствами, имеют определенно выраженный кислотный характер.
Главнейшим представителем фосфоропротеидов является казеин молока. Он обладает настолько ясно выраженным кислотным характером, что разлагает углекислые соли с выделением углекислого газа. Казеин растворяется в слабых растворах щелочей, образуя с ними соли. Соли казеина называются казеинатами.
При нагревании казеин не свертывается. При действии кислот на соли казеина он выделяется в свободном виде. Этим объясняется свертывание молока при прокисании.
Казеин применяется для изготовления твердой, напоминающей рог пластмассы-галалита).Для получения галалита казеин смешивают с водой, красками и наполнителями, прессуют под давлением, и полученные пластины обрабатывают формалином. Казеин содержит фосфор в виде сложного эфира фосфорной кислоты.
Из других фосфоропротеинов следует отметить вителлин, который находится в желтке куриного яйца.
Нуклеопротеиды находятся в клеточных ядрах. При осторожном гидролизе они расщепляются на белок и нуклеиновую кислоту.
Нуклеиновые кислоты являются весьма сложными веществами, расщепляющимися при гидролизе на фосфорную кислоту, углеводы и азотосодержащие органические вещества группы пиримидина и группы пурина.
Хромопротеиды. Под этим названием известны протеиды, которые представляют собой сочетание белков с окрашенными веществами. Из хромопротеидов наиболее изучен гемоглобин красящее вещество красных кровяных шариков. Гемоглобин, соединяясь с кислородом,
превращается в оксигемоглобин, который, отдавая свой кислород другим веществам, снова превращается в гемоглобин. Значение гемоглобина в жизни человека и животных очень велико. Он играет роль переносчика кислорода от легких к тканям. Образовавшийся в легких оксигемоглабин кровью разносится по телу и, отдавая свой кислород, способствует протекание в организме окислительных процессов. Кроме того, гемоглобин вместе с плазмой крови осуществляет регуляцию величины pH крови и перенос углекислоты в организме.
Характерной особенностью гемоглобина является его способность соединятся с окисью углерода, после чего он теряет способность соединяться с кислородом. Этим объясняется ядовитое действии окиси углерода.
Гемоглобин представляет собой соединение белка глобина с красящим началом гемохромогеном. Вне организма гемоглобин, при действии воздуха, превращается в метгемоглобин, который отличается от оксигемоглобына прочностью связи с кислородом. При обработке ледяной уксусной кислотой метгемоглобин расщепляется с образованием глобина и гематина C>34>H>32>O>4>N>4>Fe(OH). Обработкой метгемоглобина тем же реактивом, но в присутствии NaCℓ, получается хлористая соль гематина, называемая гемином, C>34>H>32>O>4>N>4>FeCℓ. Гемин образует характерные красно-коричневые таблички, которые дают возможность открыть присутствие крови в пятнах даже через несколько лет. Гематин очень близок к гемохромогену, но все же от него отличается.
Глюкопротеиды. Некоторые белки этой группы встречаются в слизистых соединениях животных организмов и обусловливаются свойства этих выделений тянуться в нити даже при сравнительно большом разбавлении. Эти белки образуются в подчелюстной железе(подчелюстная железа-одна из слюнных желез),печени, железах желудка и кишечника. Другие глюкопротеиды находятся в хрящах, яичном белке, стекловидном теле глаза и т.д. Исследованные представители глюкопротеидов являются сочетанием белков с веществами, содержащими остатки некоторых производных углеводов, серной и уксусной кислот.
Строение белковых молекул.
Практически
все белки построены из 20
-аминокислот,
принадлежащих, за исключением глицина,
к L-ряду. Аминокислоты соединены между
собой пептидными связями, образованными
карбоксильной и
-аминогруппами
соседних аминокислотных остатков
Белковая молекула может состоять из
одной или нескольких цепей, содержащих
от 50 до нескольких сотен (иногда –более
тысячи) аминокислотных остатков.
Молекулы, содержащие менее 50 остатков
часто относят к пептидам . В состав
многих молекул входят остатки цистина,
дисульфидные связи которых ковалентно
связывают участки одной или нескольких
цепей. В нативном состоянии макромолекулы
белка обладают специфичной конформацией.
Характерная для данного белка конформация
определяется последовательностью
аминокислотных остатков и стабилизируется
водородными связями между пептидными
и боковыми группами аминокислотных
остатков, а также гидрофобными и
электростатическими взаимодействиями.
Различают четыре уровня организации белковых молекул.
Первичной структурой называют последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Все белки различаются по первичной структуре, потенциально их возможное число практически неограничено.
Вторичная
структура белка
– это
-спираль,
которая образуется в результате
скручивания полипептидной цепи за счет
водородных связей между группами: ―C―
и ―N―
.
║ ║
O H
В одном витке спирали обычно содержится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали – 0,544 нм.
Под третичной структурой белка понимают расположение его полипептидной цепи в пространстве. Существенное влияние на формирование третичной структуры оказывают размер, форма и полярность аминокислотных остатков. Третичная структура многих белков составляется из нескольких компактных глобул, называемых доменами. Между собой домены обычно бывают связаны тонкими перемычками – вытянутыми полипептидными цепями.
Термин четвертичная структура относится к макромолекулам, в состав которых входит несколько полипептидных цепей (субъединиц), не связанных между собой ковалентно. Между собой эти субъединицы соединяются водородными, ионными, гидрофобными и другими связями. Примером может служить макромолекула гемоглобина.
-спираль
(пунктирные линии – водородные связи.
Понятие о ферментах.
Катализ многочисленных биохимических реакций, протекающих в растительных и животных организмах и их клетках, так же как и в одноклеточных микроорганизмах, совершается ферментами (энзимами).
Ферменты представляют, собой вещества или чисто белковые структуры, или протеиды-белки, связанные с небелковой простетической группой. Число уже известных ферментов очень велико. Считают, что одна клетка бактерии использует до 1000 разных ферментов. Однако лишь для не многих установлено строение. Примерами чисто белковых ферментов могут служить протеолитические ферменты пищеварения, такие как пепсин и трипсин. Известны случаи, когда один и тот же белок несет в организме и структурную и ферментную функцию. Примером служит белок мышц миозин, каталитически разлагающий аденозинтрифосфат – реакция, в данном случае дающая энергию сокращения мышцы.
Витамины – группы веществ обычно довольно сложной структуры, часто очень далеких химически друг от друга и объединяемых только по биологическому признаку. Это – требуемые в микроколичествах, но совершенно необходимые составные части пищи, недостаток которых вызывает болезнь, а отсутствие – гибель организма. Используя витамины(но не только их), организм человека и животных и строит свои ферменты. Одно и тоже вещество, служащее для организмов одного вида витамином, для других организмов может и не быть витамином по двум причинам: либо он может его синтезировать сам. Так аскорбиновая кислота – витамин для человека, но для крысы она не является витамином, так как организм крысы создает ее из глюкозы. Некоторые витамины имеют весьма универсальный характер и необходимы всем организмам – от одноклеточных(дрожжей и бактерий) до человека. Зеленые растения способны производить все свои вещества из минеральных исходных веществ и CO>2> и, следовательно, не нуждаются в витаминах.
Для действия ряда белковых ферментов в организме необходимо присутствие микроколичеств ионов некоторых металлов-активаторов (Mg, Zn, Mo, Mn, Cu), которые витаминами не считаются. В состав некоторых коферментов и соответствующих витаминов входят металлы (железо, кобальт). Очень существенна роль микроколичеств металлов (микроэлементов) для развития растений; по-видимому, эти микроэлементы используются для постороения ферментов и служат как бы «витаминами растений».
Ферменты являются катализатороми, но отличаются от обычных катализаторов. Так им свойственны:
Гораздо большая специфичность по отношению к структуре катализируемого объекта и по отношению к реакции.
Полная стереохимическая специфичность.
Гораздо большая скорость протекания ферментных реакций по сравнению с теми же реакциями, катализируемыми обычнами катализаторами.
Невысокие оптимумы температуры их действия(обычно активность ферментов резко падает к 50ОС и в интервале 50-100ОС действие их полностью прекращается).
Денатурируемость- необратимая потеря каталитической активности при нагревании до 50-100ОС. Существуют, однако, ферменты (трипсин, рибонуклеаза), активность которых восстанавливается по охлаждении даже после кипячения.
Существование оптимума кислотной среды для действия каждого фермента.
Высокая скорость ферментативных реакций объясняется, с одной стороны, как всегда при катализе, сильным снижением энергии активации реакции. Так, при катализе, сильным снижением энергии активации реакции. Так, при гидролизе казеина кислотой энергии активации 20,6 ккал/моль, а при гидролизе трипсином-только 12 ккал/моль. Гидролиз сахарозы кислотой требует энергии активации 25,5 ккал/моль, а ферментативный (сахарозой)-лишь 12-13 ккал/моль. С другой стороны, в ферментативных реакциях не меньшую роль играет предэкспоненциальный множитель уравнения Арреннуса, так как величина этого множителя, как правило, на много порядков выше, чем в реакциях обычного типа. Есть доказательство того , что ферменты содержат центры(«карманы»), фиксирующие субстрат на поверхности их молекул, и вторые центры, осуществляющие реакцию. Фермент может быть активен в том смысле, что он подтягивает активный центр к месту действия, несколько изменяя свою вторичную или третичную структуру.
Список используемой литературы:
А.Н.Несмеянов, Н.А.Несмеянов «Начала органической химии», т.1, 2.
Б.А.Павлов, А.П.Терентьев «Курс органической химии».
Химическая энциклопедия, т. 1.
Дж.Робертс, М.Касерио «Основы органической химии».
Шабаров Ю.С. «Органическая химия»
Саратовский Государственный Университет им. Н.Г.Чернышевского.
Реферат
Тема: Аминокислоты. Белки.
Выполнила: Чих Татьяна
гр. 212.
1999г.
2