Ю. Н. Климочкин аминокислоты и полипептиды Учебное пособие



страница1/9
Дата27.04.2016
Размер1.94 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


В.А. СМИРНОВ, Ю.Н. КЛИМОЧКИН


Аминокислоты
и полипептиды

Учебное пособие
Часть I


Самара

Самарский государственный технический университет

2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Самарский государственный технический университет»

____________________________________________________________

В.А. СМИРНОВ, Ю.Н. КЛИМОЧКИН

Аминокислоты


и полипептиды

Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

Самара


Самарский государственный технический университет

2007


УДК 571.1. + 577.1

С 50
Р е ц е н з е н т канд. мед. наук С. А. Т у м а к о в


Смирнов В.А.

С 50 Аминокислоты и полипептиды: учеб. пособ. Ч. I./ В.А. Смирнов,


Ю.Н. Климочкин. – Самара. Самар. гос. техн. ун-т., 2007. – 110 с.: ил.
ISBN 978-5-7964-1057-4
Рассмотрены классификация, номенклатура, строение, физико-химические свойства, методы качественного и количественного анализа аминокислот и полипептидов. Приведены методики качественного и количественного титриметрического и спектрального анализа аминокислот и белков.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 020101, 260202, 260204, 260401, 240901.

УДК 571.1. + 577.1

С 50


ISBN 978-5-7964-1057-4 © Смирнов В.А., Климочкин Ю.Н., 2007

© Самарский государственный

технический университет, 2007
ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Биохимия» входит в цикл общепрофессиональных дисциплин для студентов химико-технологического факультета, обучающихся по специальности «Химия» по направлению «Фармацевтическая химия», и факультета пищевых производств Самарского государственного технического университета.

За последние 20-25 лет, благодаря успехам молекулярной биологии и широкому внедрению разнообразных современных методов исследования (спектральных, хроматографических и др.), значительно возрос уровень биохимических исследований как в теоретическом, так и в методическом отношении. Исследования проводятся на различных уровнях организации организмов: молекулярном, субклеточном, клеточном, межклеточном, тканевом, органном. В отличие от традиционно изучаемой медиками и биологами дисциплины «Общая биохимия» настоящее учебное пособие по биохимии ставит своей задачей ознакомить студентов с основами и современными аспектами химии живой материи на уровне клетки и не включает в себя биохимию органов и систем организмов.

Основное внимание уделено физико-химическим свойствам и методам анализа веществ биологического происхождения. Это обусловлено спецификой деятельности специалистов в области фармацевтической химии и переработки пищевых продуктов.

В ассортимент современных лекарственных средств входит значительная группа препаратов биологического происхождения: антибиотики, ферментные препараты, гормоны и др. Эффективная разработка и совершенствование лекарственных средств немыслимы без понимания биохимических процессов в организмах.

Все пищевые предприятия перерабатывают сырье биологического происхождения, поэтому курс биохимии является теоретической базой любой пищевой технологии.

Целями настоящего учебного пособия являются следующие:

1) ознакомить студентов с биологически активными молекулами природного происхождения, такими, как аминокислоты, белки, ферменты, углеводы, липиды, витамины, гормоны и др., и основными путями обмена веществ на уровне клетки;

2) обучить их основным приемам и навыкам, необходимым для профессионального овладения процессами переработки сырья биологического происхождения, методами оценки его качества и качества препаратов биологического происхождения.
1. ВНЕАУДИТОРНАЯ ПОДГОТОВКА

1.1. АМИНОКИСЛОТЫ

1.1.1. СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

Аминокислоты – это органические кислоты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от природы кислотной функции аминокислоты подразделяют на аминокарбоновые, например H2NCH2COOH, аминосульфоновые, например H2N(CH2)2SO2OH, аминофосфоновые и т.д. В живых организмах встречаются, главным образом, аминокарбоновые кислоты (в дальнейшем просто аминокислоты), хотя и редко, но встречаются и аминосульфоновые кислоты, например Н2NCH2CH2SO2OH (таурин – конечный продукт метаболизма цистеина).

Классифицируют аминокислоты по разным признакам: по химическому строению, по участию в синтезе белка in vivo, по кислотно-основным свойствам, по потребности организмов в данной аминокислоте.



По химическому строению аминокарбоновые аминокислоты делятся на аминокислоты ароматического ряда и аминокислоты алифатического ряда. Аминокислоты ароматического ряда составляют лишь весьма небольшой круг веществ, встречающихся в организмах, например пара-аминобензойная кислота (фактор роста микроорганизмов). Основная масса аминокислот, выделенных из разных организмов, относится к классу алифатических аминокислот, т.е. таких аминокислот, в которых амино– и карбоксильная группы связаны с алифатическим атомом углерода.

Алифатические аминокислоты делятся в зависимости от относительного положения амино– и карбоксильной групп на α-, β-, γ-аминокислоты и т.д., например:
Н2N-CH2-COOH Н2N-CH2-CH2-COOH Н2N-CH2-CH2-CH2-COOH

α-Аминоуксусная β-Аминопропионовая γ-Аминомасляная

кислота (глицин) кислота (β-аланин) кислота (ГАМК)
Основная масса природных аминокислот представлена α-изомерами, а β– и γ-аминокислоты в живых системах представлены единичными случаями. Здесь можно упомянуть нейромедиатор ЦНС млекопитающих γ-аминомасляную кислоту (ГАМК) и β-аланин, являющийся фрагментом кофермента А. α-Аминокислоты чрезвычайно широко распространены в живых организмах любого типа: в растениях, в микроорганизмах, в животных, в морских организмах. Они найдены также в некоторых метеоритах, при этом это такие же аминокислоты, какие входят в состав белков земных организмов.

Все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический (хиральный) α-углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров (L– и D-аминокислот):


L-аминокислота Проекции Фишера D-аминокислота

(S-конфигурация) (R-конфигурация)
Необходимо отметить, что в случае аминокислот символы L и D приняты для обозначения конфигурации α-углеродного атома, а не знака оптического вращения (для указания последнего используются символы + и −). Например, L-цистеин в нейтральном водном растворе является левовращающим (−), напротив, L-аланин – правовращающим (+), хотя также принадлежит к L-ряду. На знак оптического вращения оказывает влияние среда, в которой проводится определение. Так, L-серин в нейтральной среде является лево-, а в кислой – правовращающим.

Абсолютные конфигурации устанавливаются с помощью правила последовательности Куна, Ингольда, Прелога. Для определения конфигурации асимметрического центра Сabdf сначала определяют старшинство групп abdf. Чем больше атомный номер первого атома группы, тем она старше; если они одинаковы, сравнивают атомные номера вторых атомов группы и т.д. Так, в случае α-аминокислот последовательность, соответствующая уменьшению старшинства групп, такова: H2N, COOH, R, H.

Далее нужно смотреть на тетраэдр со стороны, противоположной младшей группе, и если при этом обход оставшихся трех заместителей от старшего к среднему и затем к младшему соответствует движению по часовой стрелке, конфигурация описывается как R (rectus – правая), а если против часовой, то как S (sinister – левая). На вышеприведенных рисунках символ обозначает, что заместитель расположен над плоскостью, --- – за плоскостью, а — – в плоскости бумаги. S-Конфигурация при α-углеродном атоме имеет место у всех α-аминокислот L-ряда, соответственно R-конфигурация присуща D-α аминокислотам.

Все протеиногенные аминокислоты (определение термина см. далее) относятся к L-ряду. Однако за последнее время появилось много данных о наличии D-аминокислот как в свободном состоянии, так и в составе пептидов, главным образом среди продуктов метаболизма микроорганизмов. Остатки D-аминокислот входят в состав многих антибиотиков, например, полимиксин D содержит фрагмент D-серина, грамицидин А – D-лейцина, актиномицин С – D-валина.

Некоторые природные α-аминокислоты (изолейцин, треонин) имеют два асимметрических атома углерода и соответственно существуют в виде двух пар диастереомеров. Эти аминокислоты, встречающиеся в природных белках, относят к нормальному ряду, а соответсвующие им стереоизомеры, полученные синтетическим путем, обозначают как алло-аминокислоты:


L-треонин D-треонин L-алло-треонин D-алло-треонин

2-(S), 3-(R) 2-(R), 3-(S) 2-(S), 3-(S) 2-(R), 3-(R)

Симметричная аминокислота цистин может существовать в трех формах: L-, D- и внутренне компенсированной оптически неактивной – мезо-форме. Природный L-цистин образуется в организме при окислении цистеина, что играет большую роль в формировании нативной структуры белка при его посттрансляционном созревании:




L-цистин D-цистин

мезо-цистин
По участию в синтезе белка in vivo аминокислоты делятся на протеиногенные и непротеиногенные. Протеиногенными называют аминокислоты, которые включаются в состав белков в ходе биосинтеза в рибосомах под генетическим контролем информационной РНК. Их ровно 20, и все они относятся к L-ряду (табл.1.1). В то же время из природных белков выделено к настоящему времени около 30 аминокислот, например L-оксипролин, L-цистин, L-β-оксиглутаминовая кислота и др.:

L-Оксипролин L-β-оксиглутаминовая кислота

4(R)-гидрокси-2(S)-пролин 3(R)-гидрокси-2(S)-глутаминовая кислота
Этот факт объясняется тем, что линейная немодифицированная полипептидная цепь превращается в полноценный функциональный белок в результате многостадийного процесса (созревание), который начинается сразу же после начала трансляции. В процессе созревания белка осуществляются различные ферментативные реакции, такие, как окисление, фосфорилирование, N-гликозилирование, взаимодействие с белками связывания (шапероны – белки, направляющие процесс свертывания цепи). В результате процесса созревания образуются характерные для данного белка вторичная и третичная структуры.

Например, предшественник коллагена – линейный проколлаген – прежде чем превратиться в коллаген, вступает в ряд ферментативных реакций. Он подвергается окислению, которое заключается в гидроксилировании остатков пролина и лизина, а также в образовании дисульфидных мостиков между остатками цистеина. Эти процессы обеспечивают правильное скручивание полипептидных цепей в тройную спираль коллагена.



Таблица 1.1
Протеиногенные аминокислоты

№ п/п

R

Название

Сокращенные

обозначения



1

H

Глицин

Gly, (G)

2

CH3

Аланин

Ala, (A)

3

HOCH2

Серин

Ser, (S)

4

HSCH2

Цистеин

Cys, (C)

5

HOOCCH2

Аспарагиновая кислота

Asp, (D)

6

H2NOCCH2

Аспарагин

Asn, (N)

7



Фенилаланин**

Phe, (F)

8



Тирозин

Tyr, (Y)

9



Триптофан **

Trp, (W)

10



Гистидин

His, (H)

11

(CH3)2CH

Валин **

Val, (V)

12

CH3HOCH

Треонин **

Thr, (T)

13

CH3SCH2CH2

Метионин **

Met, (M)

14

HOOCCH2CH2

Глутаминовая кислота

Glu, (E)

15

H2NOCCH2CH2

Глутамин

Gln, (Q)

16

(CH3)2CHCH2

Лейцин **

Leu, (L)

17

CH3CH2(CH3)CH

Изолейцин **

Ile, (I)

18

(H2N)HN=CNH(CH2)2CH2

Аргинин

Arg, (R)

19

H2N(CH2)3CH2

Лизин **

Lys, (K)

20*



Пролин

Pro, (P)
* Приведена формула пролина; ** Незаменимые аминокислоты.

Коферментом, участвующим в процессе окисления остатков L-пролина в проколлагене, является аскорбиновая кислота, дефицит которой вызывает торможение процесса образования коллагена из проколлагена (заболевание – цинга, рис.1.1).




Р и с.1.1. Гидроксилирование остатка пролина в проколлагене:

1 – фермент – проколлагенпролин-4-диоксигеназа-[аскорбат];

2 – остаток L-пролина; 3 – остаток -4-гидрокси-L-пролина (оксипролина);

4 – аскорбиновая кислота; 5 – дегидроаскорбиновая кислота


Кроме протеиногенных и образующихся из них аминокислот, входящих в состав белка, но не являющихся протеиногенными, в организмах обнаружено большое количество непротеиногенных аминокислот, которые не входят в состав белков. Только в растениях и микроорганизмах обнаружено более 200 аминокислот алифатического ряда. Приведем лишь несколько примеров, иллюстрирующих большое разнообразие непротеиногенных аминокислот (рис.1.2). Среди них обнаружены соединения и с различными циклами, в том числе гетероциклами, и с непредельными связями, и с такими элементами, как хлор, бром, йод, селен, и аналоги протеиногенных аминокислот с D-конфигурацией. Что касается D-энантиомеров протеиногенных аминокислот, таких, как D-аланин, D-валин, D-цистеин, D-фенилаланин, D-глутамин и другие, то такие аминокислоты часто входят в состав полипептидных антибиотиков, продуцируемых микроорганизмами, и являются компонентами клеточных стенок многих бактерий.

По кислотно-основным свойствам аминокислоты делятся на кислые, нейтральные и основные. Нейтральные аминокислоты содержат в своей структуре одинаковое количество основных и кислотных групп. В структуре кислых аминокислот количество кислотных групп превышает количество основных, а структуре основных наоборот – количество основных групп превышает количество кислотных. Из протеиногенных аминокислот кислым характером обладают аспарагиновая и глутаминовая кислоты, основным – гистидин, аргинин и лизин, а остальные 15 аминокислот имеет кислотно-основные свойства близкие к нейтральным. Количественной интегральной мерой кислотно-основных свойств является величина pI – изоэлектрическая точка (о pI см. табл. 1.3 в п. 1.1.3).

1-Аминоциклопропанкарбоновая кислота

(биогенный источник этилена в растениях)


Селеноцистеин (активный центр

глутатионпероксидазы)




Иботеновая кислота (яд мухомора)




γ-Метилен-L-глутаминовая

кислота (арахис, тюльпаны)

Витамин U (капуста)



Тироксин (гормон щитовидной

железы)
Р и с.1.2. Некоторые непротеиногенные аминокислоты
По потребности организма человека в аминокислотах их делят на заменимые и незаменимые. 8 из 20 протеиногенных аминокислот не синтезируются в организме человека и должны поступать вместе с пищей. Эти аминокислоты называют незаменимыми (отмечены ** в табл. 1.1).

Номенклатура природных аминокислот характеризуется широким распространением тривиальных названий. По мере открытия аминокислот, выделяемых из продуктов гидролиза различных белков, они получали название в зависимости от своих характерных свойств или происхождения белка. Например, аспарагин (от греч. аsparagos – спаржа), глицин (гликокол, от греч. glucos – сладкий). Названия, составленные по систематической номенклатуре, малоупотребительны из-за своей громоздкости. Например, триптофан по систематической номенклатуре называется α-амино-β-индолилпропионовая кислота. Но даже более короткие тривиальные названия являются слишком длинными при обозначении аминокислотной последовательности полипептидов. В связи с этим приняты международные сокращенные трехбуквенные обозначения аминокислот, а в 1968 г. комиссией IUPAC-IUB рекомендовано при написании аминокислотных последовательностей белков использовать однобуквенные обозначения аминокислот (см. табл.1.1).

1.1.2. Биологические функции аминокислот

В живых организмах аминокислоты выполняют ряд функций, важнейшими из которых являются следующие:


  • структурные элементы белков;

  • структурные элементы других природных соединений;

  • исходные соединения для образования в организмах биогенных аминов и родственных соединений;

  • нейромедиаторы и медиаторы;

  • метаболиты.

Структурные элементы белков. В состав белков входят 20 протеиногенных аминокислот (см. табл. 1.1), последовательность которых кодируется генетическим кодом и которые постоянно обнаруживаются в белках. Некоторые из них подвергаются посттрансляционной модификации, т.е. могут быть фосфорилированы, ацилированы, гидроксилированы (см. рис. 1.1) и др.

Структурные элементы других природных соединений. Изучение биосинтеза пенициллина с использованием меченых атомов показало, что в образовании молекулы этого антибиотика принимают участие аминокислоты цистеин и валин (рис. 1.3).


Цистеин


Р и с.1.3. Биосинтез пенициллина
Аминокислоты и их производные входят в состав различных азотистых соединений, коферментов, антибиотиков, пептидов и др. Например, фрагмент аминокислоты β-аланина (β-Ala) входит в структуру кофермента А (КоА), а глутаминовой кислоты – в структуру тетрагидрофолевой кислоты (кофермент THF):


β-Ala

Кофермент А (КоА)


Glu

Тетрагидрофолевая кислота (кофермент THF)

В живых организмах различных типов, и в особенности в животных, широко представлены пептиды. Среди них обнаружены соединения с разнообразными биологическими функциями (см. гл. 2 «Полипептиды»). Все пептиды, так же, как и белки, образуются из аминокислот, но в отличие от последних могут включать в себя не только протеиногенные аминокислоты, но и непротеиногенные, связанные друг с другом не только пептидными связями, но, например, сложноэфирными и др. В качестве примера приведем формулу простого линейного трипептида – глутатиона. Он присутствует во всех живых организмах и находится обычно в межклеточном пространстве в достаточно высокой концентрации:


γ-L-Глутамил-L-цистеинил-глицин – глутатион (G-SH)


Так как он был выделен почти 80 лет назад, его физиологические функции изучены достаточно хорошо: он защищает тиольные группы белков, инактивирует радикальные частицы, разрушает перекисные соединения, выполняет роль кофермента метилглиоксилазы.

Каталог: sites -> oldorganic.samgtu.ru -> files
sites -> Мобильный телефон стал неотъемлемым атрибутом повседневной жизни человека, удобно устроившись в нашем кармане или сумочке. Он приносит нам множество возможностей, невообразимых ещё каких-то десять лет назад
sites -> Хроническая сердечная недостаточность и депрессия у лиц пожилого возраста
sites -> Ирвин Ялом Лечение от любви и другие психотерапевтические новеллы
sites -> Оценка элементного статуса в определении нутриентной обеспеченности организма. Значение нарушений элементного статуса при различной патологии
sites -> Проблема безопасности продуктов питания


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница