ВолГУ / Биохимия для биологов / 2014-2015 Лекция 1 Введение в биохимию. Аминокислоты – мономеры белков. Строение, свойства и функции Валерий Зайцев, к.б.н. ВолГУ, кафедра биоинженерии и биоинформатики странение и использование на условиях лицензии ve Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 /wiki.creativecommons.org/images/3/3a/Attribution_3.0_СС_BY-NC-SA_rus.pdf
Вводная лекция по биохимии для студентов-биологов (бакалавриат).
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ВолГУ / Биохимия для биологов / 2014-2015
Лекция 1
Введение в биохимию.Аминокислоты – мономеры белков.Строение, свойства и функции
Валерий Зайцев, к.б.н.ВолГУ, кафедра биоинженерии и биоинформатики
Распространение и использование на условиях лицензииCreative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0http://wiki.creativecommons.org/images/3/3a/Attribution_3.0_СС_BY-NC-SA_rus.pdf
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 2
Что такое биохимия?
Биохимия – наука, которая изучает химический состав биологических объектов и протекающие в живых организмах химические процессы во взаимосвязи этих процессов между собой и с функционированием организма.
Живые системы – открытые самоорганизующиеся системы, взаимодействующие с
окружающей средой путем обмена материе, энергией и информацией и
обладающие специфическими признаками жизни:
1. гомеостазом
2. организацией
3. обменом веществ
4. ростом
5. адаптацией
6. способностью отвечать на стимулы
7. воспроизводством
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 3
Разделы биохимии
• Статическая биохимия
• Динамическая биохимия
• Функциональная биохимия
• Структурная биохимия
• Биохимия систем
• Частная биохимия
• Расчетная биохимия
• Аналитическая биохимия
• Препаративная биохимия
• Прикладная биохимия
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 4
Возможные биологические функции молекул
• Пластическая
• Строительная
• Каталитическая
• Структурная
• Регуляторная
• Транспортная
• Сигнальная
• Энергетическая
• Питательная
• Запасающая
• Защитная
• Двигательная
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 5
Живые существа и белки
Земная жизнь обязана своим существованием удивительному разнообразию молекул, относящихся с химической точки зрения к одной и той же группе соединений – белкам.
С одной стороны, структурное разнообразие белков позволило стать им «реализаторами» самых разнородных функций, необходимых для жизнедеятельности.
С другой стороны, сходство строения всех белков позволило клеткам использовать для синтеза столь разнообразных молекул один и тот же универсальный процесс.
«Жизнь – способ существования белковых тел»Фридрих Энгельс
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 6
Биологические функции белков
• Каталитическая
• Структурная
• Транспортная
• Регуляторная
• Сигнальная
• Запасающая
• Защитная
• Двигательная
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 7
Химическая природа белков
• Белки – линейные неразветвленные гетерополимеры, состоящие из
20 видов L--аминокислот
• Последовательность аминокислот в таких полимерах определяется
структурой генов, их кодирующих
• Эти полимеры (полипептидные цепи) образуются путем
матричного биосинтеза на рибосомах клетки
• Длина полипетидных цепей различных белков может варьировать
от нескольких десятков до более чем тысячи мономеров
• Молекулярную массу белков принято выражать в килодальтонах
(сокращенно: кДа). 1 кДа равен тысяче дальтон. 1 дальтон, в свою
очередь является единицей атомной массы, численно равной 1/12 от
массы атома 12С
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 8
Что такое аминокислоты?
Аминокислоты – это класс органических соединений, которые одновременно содержат в своем составе аминные (одну или больше) и карбоксильные (одну или больше) группы.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 9
β-Аминокислоты
• Не образует стереоизомеров
• Участвует в биосинтезе биологически активных пептидов
• β-Аланин → пантотеновая
кислота (B15) → кофермент
А (CoA) → обмен жиров
• Избыток β-аланина → парестезии
β-Аланин
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 10
Карнозин
• Образуется из β-аланина и гистидина
• У человека больше всего в скелетных мышцах (25 ммоль/кг сухой массы) и головном мозге
• Компонент буферной системы клеток
• Активирует гликолиз и окислительное фосфорилирование → больше АТФ !
• Антиоксидант + связывает 2-валентные катионы (могут быть токсичными!)
• Может замедлять рост опухолей, ослаблять диабетическую нейропатию, алкогольное повреждение печени
• Образуется непосредственно из β-аланина и метилгистидина или путем метилиривония карнозина
• Преимущественно встречается в мышечной ткани
• Важный компонент буферной системы клеток (вклад до 20%)
• Активирует гликолиз и окислительное фосфорилирование → больше АТФ !
• Антиоксидант + связывает 2-валентные катионы (могут быть токсичными!)
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 12
β-Пептиды
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 13
β-Пептиды – перспективные фармагенты
• В отличие от обычных пептидов, β-пептиды гораздо легче и чаще образуют различные виды вторичной (пространственной) структуры.
• Стабильность вторичной структуры β-пептидов также выше, чем у обычных пептидов.
• Перспективы клинического использования β-пептидов связаны с их высокой стабильностью против протеолитической деградации. Это свойство может дать существенные преимущества при создании пептидных лекарственных средств.
• Разработаны β-пептиды со свойствами, сходными с активностью природных пептидных антибиотиков магаининов, но – в отличие от последних – не разрушающихся протеолитическими ферментами.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 14
γ-Аминокислоты
• Образуется из глутаминовой кислоты
• Важнейший тормозной нейромедиатор в ЦНС у высших животных
γ-Аминомасляная кислота (ГАМК)
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 15
Стереоизомерия аминокислот
Стереоизомеры (пространственные изомеры) – молекулы, характеризующиеся неодинаковым пространственным расположением отдельных атомов при одинаковом порядке их соединения между собой.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 16
Пространственная изомерия
1. Пространственная изомерия (стереоизомерия) возникает в результате
различий в пространственной конфигурации молекул, имеющих
одинаковое химическое строение. В отличие от структурной изомерии
при пространственной изомерии порядок расположения всех атомов в
молекуле вещества совершенно одинаков, но конфигурация их
отличается.
2. Хиральность – невозможность совместить молекулу с её зеркальным
отражением любой комбинацией вращений и перемещений в
трёхмерном пространстве. В общем случае, чтобы атом углерода в
какой-либо молекуле оказался хиральным, он должен содержать
четыре различных заместителя, например как α-атом углерода в α-
аминокислотах (за исключением глицина).
3. Известны номенклатуры хиральных стереоизомеров R/S, +/– и L/D.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 17
Номенклатура стереоизомеров аминокислот
• Обычно употребляется L/D-номенклатура
• Система L/D позволяет назвать оптический изомер по пространственной конфигурации его атомов, опираясь на особенности стереоизомерии молекулы глицеральдегида. По этой системе L-
конфигурация приписывается стереоизомеру, у которого в проекций Фишера реперная группа находится слева от вертикальной линии (от лат. laevus – левый). Соответственно, если реперная группа расположена в проекции Фишера справа, стереоизомер имеет D-конфигурацию (от лат. dexter – правый). У аминокислот такой реперной группой будет являться аминогруппа
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 18
Стереоизомерия аминокислот
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 19
D-Аминокислоты
• Не включаются в белки животных при синтезе на рибосомах.
• Обычно являются продуктами деятельности бактерий, так как входят в составбактериальной стенки и различных бактериальных пептидов (в т.ч. пептидных антибиотиков).
• Синтезируются также грибами и рядом низших животных.
• Однако D-α-аминокислоты могут обнаруживаться и в белках человека и высших животных.
• Рацемизация ! Это спонтанное превращение определенного стереоизомера (например, L) в оптически неактивную смесь равных количеств обоих стереоизомеров (L и D).
• Скорость рацемизации аминокислот очень мала (например, для аспарагиновой кислоты в составе дентина она составляет всего около 0,01% в год), а время жизни большинства белковых молекул в нашем организме исчисляется днями и неделями, а порой даже часами.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 20
Роль D-аминокислот у млекопитающих
• D-аспарагиновая кислота является регулятором секреции ряда гормонов.
• D-серин выполняет нейромодуляторные и нейромедиаторные функции в центральной нервной системе, причем снижение его содержания в головном мозге способно приводить к развитию шизофрении.
• NG-нитро-D-аргинин ингибирует активность NO-синтазы и тем самым снижает продукцию оксида азота, что способствует сужению сосудов и повышению кровяного давления.
• D-аланин выполняет какие-то еще не установленные точно функции в центральной нервной системе: известно, что при развитии болезни Альцгеймера повышается содержание D-аланина в сером веществе головного мозга и содержание D-аланина и D-серина в спинномозговой жидкости.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 21
Протеиногенные аминокислоты
Протеиногенные аминокислоты – аминокислоты, которые включаются в состав белков путем биосинтеза на рибосомах.
только L-α-аминокислоты могут включаться в состав белков !
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 22
«Классические» протеиногенные аминокислоты
Leu 9,1%
Ala 7,8%
Gly 7,2%
Ser 6,8%
Val 6,6%
Glu 6,3%
Lys 5,9%
Thr 5,9%
Asp 5,3%
Ile 5,3%
Pro 5,2%
Arg 5,1%
Asn 4,3%
Gln 4,2%
Phe 3,9%
Tyr 3,2%
His 2,3%
Met 2,3%
Cys 1,9%
Trp 1,4%
Средняя распространенность в белках
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 23
«Новые» протеиногенные аминокислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 24
Некоторые аминокислоты, иногда встречающиеся в белках
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 25
Амфотерность аминокислот
• Амфотерность – способность химических соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства.
• Цвиттер-ион – молекула, которая содержит заряженные функциональные группы одновременно с положительным и отрицательным зарядом и имеет суммарный нулевой заряд.
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 26
Механизмы образования заряженных групп
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 27
Зависимость заряда аминокислот от значения рН
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 28
Типичная кривая титрования аминокислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 29
У каких аминокислот заряд на боковой цепи?
Аминокислота Величина pKa боковой цепи
Asp 3,90
Glu 4,07
His 6,04
Cys 8,18
Tyr 10,46
Lys 10,54
Arg 12,48
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 30
У каких аминокислот заряд на боковой цепи?
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 31
Кривая титрования глутаминовой кислоты
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 32
Кривая титрования гистидина
CC BY-NC-SA 3.0 2013, Валерий Зайцев 33
Классификации аминокислот
Классифицирующий признак
Выделяемые группы Аминокислоты
Заряд боковой цепи в физиологических условиях
Отрицательно заряженные
Asp, Glu, Sec
Положительно заряженные
Lys, Arg, His
Незаряженные Все остальные
Гидрофобность Гидрофобные Gly, Ala, Leu, Ile, Val, Phe, Trp, Cys, Met, Pro