Будова і властивості амінокислот і пептидів.
Амінокіслоти- з'єдн ?? ення, в молекулах яких одночасно присутні аміно-і карбоксильні групи. Природні a-амінокислоти є біологічно активними з'єдн ?? еніямі
Будова амінокислот. Все a-амінокислоти можна розглядати як результат заміни атома водню в найпростішої a-амінокислоті - гліцин ?? е - на той чи інший радикал R. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, відповідно до природи радикала R, званого бічним ланцюгом, a-амінокислоти поділяють на 4 групи , що відрізняються гидрофильностью або гидрофобностью бічних ланцюгів, а також здатністю бічного ланцюга проявляти кислотні або основні властивості.
Стереохімія природних a-амінокислот характеризується тим, що вс ?? е вони, крім гліцину, мають асиметричний атом углеродa (атом, пов'язаний і з амино-, і з карбоксильною групою), конфігурація якого повинна бути ототожнена з конфігурацією L- гліцеринового альдегіду шляхом ланцюга хімічних перетворень:
Перетворення або не повинні зачіпати хіральний центр, або повинні протікати строго стереоспеціфічность. Отже, нд ?? е природні a-амінокислоти є енантіомерами.
Конфігурація асиметричного центру амінокислот визначає біологічні властивості як самих амінокислот, так і олиго- і полімерних з'єдн ?? ень, мономерами яких служать залишки амінокислот (ці з'єдн ?? ення називають пептидами).
Властивості амінокислот. Амінокислоти являють себябесцветние кристалічні речовини з досить високими температурами плавлення (понад 230 ° С). Більшість кислот добре розчинні у воді і практично не розчиняються в спирті і діетиловому ефірі, що вказує на солеобразний характер цих речовин. Специфічна розчинність амінокислот обумовлена наявністю в молекулі одночасно аміногрупи (основний характер) і карбоксильної групи (кислотні властивості), завдяки чому амінокислоти належать до амфотерним електролітів (амфоліти).
У водних розчинах і твердому стані амінокислоти існують тільки у вигляді внутрішніх солей - цвіттер-іонів.
Кислотно-основну рівновагу для амінокислоти повинна бути описано:
У разі якщо до розчину амінокислоти докладено електричне поле, то виходячи з показника рН розчину іони амінокислоти будуть переміщатися по-різному: в кислому середовищі при рН <7 аммонийные ионы аминокислот перемещаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН> 7 карбоксилат-іони - до позитивного полюса (аноду). Значення рН, при якому молекула амінокислоти електронейтральна, називають ізоелектричної точкою і позначають РІ. При значенні рН, що дорівнює показнику ПЕ, молекула амінокислоти в електричному полі не переміщається.
Наявність в молекулі одночасно амино- і карбоксильної групи відбивається і на поведінці амінокислот в тих реакціях, в яких бере участь тільки одна з двох функціональних груп.
За участю карбоксильної групи можуть протікати нд ?? е реакції, характерні для карбонових кислот з утворенням відповідних похідних карбонових кислот (складних ефірів, ангідридів, амідів і т.п.).
При цьому потрібно пам'ятати про те, що аминогруппа легко окислюється, в зв'язку з цим, наприклад, для отримання галогенангидридов амінокислот потрібна попередня ацилирование аміногрупи. Після отримання галогенангідриди ацильного захист гідролізується.
Одна з найважливіших реакцій в організмі - декарбоксилирование амінокислот. Відщеплення СО2 відбувається під дією особливих ферментів - декарбоксилаз:
Аміногрупа, яка в аминах проявляє себе як нуклеофил, в біполярному йоні повністю позбавлена нуклеофильности через протонування, в зв'язку з цим ні реакція алкілування за Гофманом, ні ацилирование, свойтвенние амінів, не мають місця в разі амінокислот. Ці реакції можуть відбуватися тільки за умови попереднього депротонування аміногрупи, що досягається використанням реакційного середовища з високим значенням рН, при яких цвіттер-іон повністю перетворений в карбоксилат-аніон.
Алкилирование здійснюють, діючи на отримані солі мінокіслот алкилгалогенидами в присутності підстав (як органічних, так і неорганічних).
Ацилирование також вимагає попереднього перетворення цвіттер-іона в карбоксилат-аніон і успішно протікає при наявності в реакційній середовищі еквівалента підстави (підстава вкрай важливо для зв'язування, що виділяється при ацилированием кислого продукту - галогеноводорода або карбонової кислоти).
Освіта підстав Шиффа (як типова реакція амінів) властиво і амінокислотам; найбільш часто використовують реакції амінокислот з бензальдегідом:
На освіту підстав Шиффа заснована реакція ідентифікації амінокислот, відома як''нінгідріновая проба'', широко застосовувана для візуалізації зон амінокислот (виникає інтенсивне син ?? е-фіолетове забарвлення) при їх хроматографическом і електрофоретичному розділ ?? еніі, а також для кількісного определ ?? ення змісту амінокислот в розчинах:
Дезамінування амінокислот, як і будь-якого первинного аміну, протікає при дії на амінокислоти азотної кислоти. Ця реакція лежить в основі методу определ ?? ення вмісту азоту і кількості аминогрупп в амінокислотах (метод Ван-Слайка).
Біосинтез амінокислот. Всі природні a-амінокислоти ділять на незамінні (валін, гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, фенілаланін), які надходять в організм тільки з зовнішнього середовища, і замінні, синтез яких відбувається в організмі. Біосинтез a-амінокислот може відбуватися на основі не амінокислот, наприклад по реакції відновлення a-кетокислот під дією НАДН. Реакція стереоспеціфічность внаслідок стереоспеціфічность НАДН.
В якості вихідних речовин при біосинтезі амінокислот можуть виступати інші амінокислоти. Наприклад, реакція транс-амінування (переамінування) є основною при синтезі a-амінокислот в організмі.
Каталізаторами і учасниками цього процесу є ферменти (амінотрансферази) і кофермент піридоксальфосфат, який служить переносником аміногрупи.
Пептиди. Амино- і карбоксильні групи амінокислот можуть реагувати один з одним, навіть якщо вони знаходяться в одній молекулі. Ще більш реальним є утворення межмолекуляр-ної амідного зв'язку. Аміди, що утворилися в результаті взаємодії деякого числа амінокислот, називають пептидами. З огляду на залежність відрахували амінокислотних залишків розрізняють ді-, три-, тетра-, пентапептіди і т.д. При цьому пептиди молекулярної масою не більше 10 000 називають олигопептидами, молекулярною масою понад 10 000 - поліпептидами, або білками. Амідні зв'язку в складі пептидів називають пептидними.
Пептидная угруповання характеризується рядом властивостей.
1. Пептидная угруповання має жорстку планарную структуру, т. Е. Нд ?? е атоми, що входять до неї, розташовуються в одній площині.
2. Атоми кисню і водню пептидного угруповання природних пептидів і білків знаходяться в транс-положенні по відношенню до зв'язку С-N, так як при транс-конфігурації заступник ?? їй бічні ланцюга виявляються найбільш віддалені один від одного, що важливо для стабілізації структури білкової молекули.
3. Пептидная група являє собою трехцентровую р, p-пов'язану систему, яка утворюється внаслідок делокалізації електронної густини між атомами кисню, вуглецю та азоту. Довжини зв'язків С-О і С-N виявляються практично оди-наково.
4. Пептидний зв'язок стійка при температурі 310 К в середовищах, близьких до нейтральної (фізіологічні умови). У кислої і лужної середовищах зв'язок піддається гідролізу. В умовах організму гідроліз відбувається ферментативно.
5. Додаткові, як правило, Нековалентні, зв'язку між пептидного групою і бічними ланцюгами обумовлюють існування різних конформацій білкової молекули. Наприклад, внутрішньо-молекулярні водневі зв'язку (N-Н - О = С) стабілізують вторинну структуру білка.
6. Пептидная угруповання може існувати в двох резонансних формах (кетонної і енольной). Ці властивості пептидного угруповання визначають будову поліпептидного ланцюга:
Поліпептидний ланцюг складається з регулярно повторюваних ділянок, що утворюють остов молекули, і варіабельних ділянок - бічних радикалів амінокислотних залишків. Початком поліпептидного ланцюга вважають кінець, що несе вільну аміногрупу (N-кінець), а закінчується поліпептидний ланцюг вільної карбоксильної групою (С-кінець).
Як правило, при зображенні формули пептиду N-кінець розташовують зліва, а С-кінець - справа:
Називають пептид, послідовно перераховуючи, починаючи з N-кінця, назви амінокислот, що входять в пептид; при цьому суфікс''-ін'' замінюють на суфікс''-іл'' для вс ?? ех амінокислот, крім С-кінцевий. Для опису будови пептидів застосовують не традиційні структурні формули, а скорочені позначення, що дозволяють зробити запис більш компактною.
Поняття''строеніе пептіда'' (так само як і''первічная структура белка'') включає в себе наступні характеристики:
1) загальне число амінокислотних залишків;
2) перелік амінокислот, що входять до складу пептиду, і зазначення кількості амінокислотних залишків кожного виду (амінокислотний склад пептиду або білка);
3) послідовність зв'язування амінокислот один з одним (даний параметр називають амінокислотною послідовністю; він відображає так звану первинну структуру пептиду або білка); послідовність записують зліва направо від N-кінця до С-кінця.
Метод Едмана (определ ?? ення первинної структури поліпептиду) полягає у взаємодії N-кінцевої амінокислоти з фенілізотіоціанатом в лужному середовищі. При подальшій обробці слабкою кислотою без нагрівання відбувається відщеплення від ланцюга''меченой'' кінцевий ФТГ-амінокислоти. ФТГ-амінокислота ідентифікується методами тонкошарової або газорідинної хроматографії. Перевага методу Едмана полягає в тому, що при відщепленні кожної кінцевий a-амінокислоти інша частина пептидної молекули не руйнується і операції по отщеплению можна повторювати.
Метод Едмана придатний для відтворення на автоматичному приладі - секвенатор.
Особливості розчинення полімерів. Розміри макромолекул високомолекулярних з'єдн ?? ень (ВМС) сумірні з розмірами колоїдних частинок, що обумовлює спільність ряду властивостей, характерних для колоїдних розчинів і розчинів ВМС.
До таких властивостей відносять малу швидкість дифузії розчинених частинок, нездатність їх проникати через мембрани, ефект Фарадея-Тиндаля і ін.
Рівновага в розчинах ВМС встановлюється повільніше, ніж в справжніх розчинах, і, розчиненню, як правило, передує набухання. Набуханням називають мимовільний процес однобічної дифузії низькомолекулярного розчинника в полімер, що супроводжується збільшенням обсягу і маси ВМС.
Розрізняють необмежену і обмежене набухання. У першому випадку полімер поглинає рідину, а потім при тій же температурі поступово переходить в розчин (розчинення желатину або крохмалю в гарячій воді). При обмеженому набуханні процес практично зупиняється на стадії утворення гетерогенної системи, що складається з двох фаз: набряклий полімер та низькомолекулярний розчинник. В цьому випадку рівноважної системою є гель. Приклад обмеженого набухання - набухання желатину або крохмалю в холодній воді, набухання гуми в бензолі. Тип набухання залежить від гнучкості полімерного ланцюга: чим більш гнучкою є полімерна ланцюг, тим більше ступінь набухання і тим вище ймовірність утворення розчину. Кількісно здатність полімеру набухати в тих чи інших розчинниках характеризують ступенем набухання.
Для амфотерних поліелектролітів ступінь набухання залежить від рН середовища. Білки в ізоелектричному стані мають мінімальні значення ступеня гідратації, набухання, розчинності. Залежність ступеня набухання білка від рН середовища виражається кривою з двома максимумами і одним мінімумом, який відповідає ізоелектричної точці.
Якісні реакції. Для ідентифікації деяких пептидів і білків використовують так звані''цветние реакціі''.
Універсальна реакція на пептидную групу - поява червоно-фіолетового забарвлення при додаванні до розчину білка іонів міді (II) в лужному середовищі (биуретовая реакція).
Реакція на залишки ароматичних амінокислот - тирозину і фенілаланіну - поява жовтого забарвлення при обробці розчину білка концентрованою азотною кислотою (ксантопротеїнова реакція).
Серасодержащіе білки дають чорне забарвлення при нагріванні з розчином ацетату свинцю (II) в лужному середовищі (реакція Фоля).
За складом білки поділяються на прості (некон'югірованная) і складні (кон'юговані). При гідролізі простих білків в якості продуктів розщеплення виходять тільки a-амінокислоти. Складні білки поряд із власне білкової частиною, що складається з a- амінокислот, містять органічну або неорганічну частини непептідние природи, звані простетичної групами.
Прикладами складних білків можуть служити транспортні білки миоглобин і гемоглобін, в яких білкова частина - глобин - з'єдн ?? ена з простетичної групою - гемом. За типом простетичної групи їх відносять до гемопротеинов. Фосфопротеіни містять залишок фосфорної кислоти, метал-лопротеіни - іони металу.