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