Характеристика протеиногенных аминокислот

Химический состав белков

Белки

Лекция 2

(2 часа)

Функции белков

Химический состав белков

Характеристика протеиногенных аминокислот

Структура белков

Классификация белков

Свойства белков и методы исследования

Белки являются структур­ными компонентами органов и тканей, проявляют ферментативную активность (ферменты), участвуют в регуляции метаболизма. Транспортные белки, переносящие протоны и электроны через мембраны обеспечивают биоэнергетику: поглощение света, дыхание, выработку АТФ. Запасные белки (характерны в основном для растений) откладываются в семенах и используются для питания проростков в процессе прорастания. Сжигая АТФ, белки обеспечивают механическую деятельность, участву­ют в движении цитоплазмы и дру­гих клеточных органелл. Важна защитная функция белков: гидролитичес­кие ферменты лизосом и вакуолей расщепляют вредные вещества, попавшие в клетку; гликопротеины участвуют в защите растений от патогенов; белки выполняют криозащитную и антифризную функции. Один белок может вы­полнять две или более функций (неко­торые белки мембран могут выполнять структур­ную и ферментативную функции).

Удивительное разнообразие функций белков и большая распростра­ненность отразились в их названии – протеины (от греческого «рrоtos» - первичный, важнейший). Как правило, содержание белков в растениях ниже, чем у животных: в вегетативных органах количество белка обычно 5-15% от сухой массы. Так, в листьях тимофеевки содержится 7% белка, а в листьях клевера и вики – 15%. Больше белка в семенах: у злаков в среднем 10-20%, у бобовых и масличных – 25-35%. Наиболее богаты белком семена сои – до 40%, а иногда и выше.

В растительных клетках белки обычно связаны с углеводами, липидами и другими соединениями, а также с мембранами, поэтому их трудно извлекать и получать чистые препараты, особенно из вегетативных органов. В связи с этим в растениях лучше изучены белки семян, где их больше и откуда они легче извлекаются.

Белки – органические соединения, имеющие следующий эле­ментарный состав: углерод 51-55 %; кислород 21-23 %; водород 6,6-7,3 %; азот 15-18 %; сера 0,3-2,4 %. В состав некоторых белков входит также фосфор (0,2-2 %), железо и другие элементы. Характерным показателем элементарного состава белков у всех орга­низмов является наличие азота, в среднем его принимают равным 16 %. Относительное постоянство этого показателя дает возможность использовать его для количественного определения белка: относитель­ное значение содержания белкового азота, в процентах, умножают на фактор пересчета – 6,25 (100: 16 = 6,25). По химической природе белки – гетерополимеры, постро­енные из остатков аминокислот. Аминокислотами (АК) называются органические соединения, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами (^—NН₂).

В составе белков обнаружено 20 аминокис­лот (протеиногенных). Несмотря на огромное разнообразие вариантов последователь­ностей аминокислот в белках, каждый конкретный белок отличается строгим постоянством состава АК и их последовательности. Все АК, входящие в состав белков, являются α-аминокислотами, поскольку их аминогруппа (^— NH₂) находится в α-положении, т.е. рядом с карбоксильной:

R

|

Н^—С^—NН₂ R— боковые цепи (боковые радикалы)

|

СООН

Существует 4 основных класса АК, содержащих R-группы следующих типов:

1. Неполярные или гидрофобные – аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, фенилаланин, триптофан. R – представлены углеводородными остатками;

2. Полярные (гидрофильные), но незараженные – глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин. R – полярные незаряженные группы;

3. Отрицательно заряженные (кислые) – аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. R – отрицательно заряженные полярные гидрофильные;

4. Положительно заряженные (основные) – лизин, аргинин, гистидин. R – положительно заряженные гидрофильные.

АК – амфотерные электролиты, так как аминогруппа имеет основные свойства, а карбоксильная – кислотные. В водных растворах в интервале рН от 4 до 9 АК существуют преимущественно в виде биполярных ионов – цвиттер-ионов:

R

|

СНNН₃ ⁺

|

СОО ^—

В кислой среде карбоксил нейтрализуется – АК реагирует как катион:

R R

| |

СНNН₃⁺ + Н⁺ СН–NН₃⁺

| |

СОО^— – Н⁺ СООН

Биполярный ион Катион

В щелочной среде цвиттер-ион АК теряет протон – АК реагирует как анион:

R R

| |

СНNН₃⁺ + ОН СН–NН₂ + Н₂О

| |

СОО^— – ОН СОО^—

При нейтральном рН карбоксильные группы АК пол­ностью диссоциированы. В биохимической литературе такие АК принято обозначать с использованием окончания (-ат), например: глутаминовая кислота – глутамат, пировиноградная – пируват и т. д.

Для всех АК характерны реакции с участием аминогрупп, карбоксильных групп или реакционноспособ­ных групп в боковых цепях (^— SH, ^— S ^— S ^—, ^— ОН и др.). Поэтому АК могут реагировать как с основаниями, так и с кислотами, образуя соли:

R R

| |

СНNН₂ СНN⁺Н₃ Cl^—

| |

СООNa СООН

Натриевая соль Солянокислая соль

При взаимодействии АК с азотистой кислотой образуются гидроксикислота и газообразный азот. Реакция лежит в основе количественного определения АК по методу Д. Ван Слайка.

R R

| |

CHNH₂ + HNO₂ СНОН + N₂ + Н₂0

| |

СООН СООН

Аминогруппа АК легко вступает в реакцию с формальдегидом с образованием метиленаминокислот:

R O R

| // |

CHNH₂ + HC СН–N=CH₂ + Н₂0

| \ |

СООН H СООН

После блокирования аминогрупп свободные карбоксильные группы можно оттитровать щелочью. На этой реакции основан метод формольного титрования, который применяют для количественного определе­ния АК.

Карбоксильная группа может реагировать со спирта­ми, образуя сложные эфиры:

О

//

R–СН–СООН + С₂Н₅ОН R–СН–С + H₂О

| | \

NH₂ NH₂ О–С₂Н₅

Эта реакция используется для разделения и определения АК помощью фракционной перегонки их эфиров в вакууме.

Специфическая реакция нингидрина (трикетогидринденгидрата) с α-аминокис-лотами обнаруживает и количественно определять маленькие концентрации АК:

	+ R–СН–СООН   + RCHO + CO2 + NH2 Гидриндантин

О

Гидриндантин реагирует с избытком нингидрина в присутствии аммиака, при этом образуется комплексное соединение сине-фиолетово­го цвета с максимумом поглощения около 570 нм.

Все АК, за исключением глицина, имеют асимметриче­ский атом углерода (т.е. атом углерода с четырьмя различными за­местителями) и поэтому являются оптически активными соединениями. Все АК, встречаю­щиеся в белках, принадлежат к L-ряду.

Следует учитывать, что символы L и D относятся к абсолютной кон­фигурации аминокислот, а не к направлению вращения плоскости по­ляризации света, которое в настоящее время принято обозначать зна­ком (+) или (^—).

Такие L-аминокислоты, как гистидин, лейцин, метионин, цистеин, треонин, фенилаланин, в нейтральных водных растворах являются левовращающими, в то время как аланин, валин, изолейцин, аргинин, лизин и некоторые другие – правовращающими.

Высшие растения и большинство микроорганизмов синтезируют все 20 АК, входящих в состав белков. Применительно к жи­вотным организмам АК можно разделить на две группы: заменимые и незаменимые. Заменимые АК синтезируются в организме, а незаменимые должны поступать с пищей. Биологическая ценность белков определяется содержанием в них незаменимых АК. Аминокислоты могут быть производными жирных и ароматических кислот. В связи с этим выделяют две группы АК: ацикличе­ские (алифатические) и циклические.