аминокислоты Reaviz2016

1

К.Э. Герман Зав. кафедрой естественнонаучныхДисциплин Мед.Унив. РЕАВИЗ

Учебники:

В.Эллиот, Д.Эллиот БИОХИМИЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ (Оксфорд)Тюкавкина. Биоорган. Химия.

СЕВЕРИН E.C. БИОХИМИЯ 1 и 2 тома

Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке (в 3 томах)

2

3

«ЖИЗНЬ ЕСТЬ СПОСОБ СУЩЕСТВОВАНИЯ БЕЛКОВЫХ ТЕЛ» -

ФРИДРИХ ЭНГЕЛЬС

4

Функции белковФункции белков ФерментативнаяФерментативная СтроительнаяСтроительная ТранспортнаяТранспортная СократительнаяСократительная РегуляторнаяРегуляторная ПищевПищеваяая ЗащитнЗащитнаяая ЭнергетическаяЭнергетическая

РРецепторнаяецепторная

ПассивнаяПассивная : Наследственно-информационная (от ДНК)Наследственно-информационная (от ДНК)

Мышцы, кости, зубыКоллаген, эластин….Гемоглобин тр.белкиФерментыГормоны, рецепторыАнтителаМиозин, актин

Пептидная связь. Пептиды Наиболее важной реакцией АК является образование амида между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой – образование пептидной связи.

Два аминокислотных остатка, связанные пептидной (амидной) связью, дают дипептид. Трипептид содержит три остатка, тетрапептид – четыре и т. д.

NH2СН─С─N─CH2CO─NHCHCO─NHCHCOОНCH3 CH2C6H5HО

пептидные связи

Сокращенная запись пептида: Н−Ala−Gly−Phe−Gly−ОН

Название данного пептида :

аланилглицинилфенилаланинилглицин

В последнее время доказано, что пептиды служат важным средством «общения» между собой нервных клеток. Пептиды – вездесущие работники ЦНС. Во всем мире изучаются пептиды, регулирующие состояние голода, жажды, боли, агрессии, страха, миграционное поведение птиц и др.

ПЕПТИДЫ

БЕЛКИ

Хотя в природе имеется лишь ограниченное число аминокислот, из них может образоваться большое число пептидов и белков. Например, если рассмотреть лишь трипептиды, которые можно составить из 20 аминокислот, то придем к выводу, что каждый остаток можно выбирать двадцать раз, т. е. 203 = 8000 возможных трипептидов.

Для n остатков имеется 20n возможностей, где n может достигать трехсот.

Полипептиды, содержащие порядка сорока и более остатков с молекулярной массой более 10 000, называются белками.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ИХ СОСТАВУ

БЕЛКИ

Простые состоят только из аминокислот

Сложные состоят из глобулярных бел-ков и небелкового компонента1. Альбумины – нейтр.

(яичный, сыворот. альбумин)

2. Глобулины – нейтральн. (антитела крови, фибрин)3. Гистоны – основные,(связаны с РНК, ДНК)

4. Склеропротеины -(кератин волос,

кожи,сухожилий и др.)

1. Фосфопротеины - (казеин молока) 2. Гликопротеины - (плазма крови)3. Нуклеопротеины -(хромосомы, рибосомы,вирусы

4. Хромопротеины – (гемоглобин, фитохром)5. Липопротеины -компонен-ты мембран

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИИ

Класс белков Характеристика Функция

Фибрилярные

Глобулярные

Промежуточ-ные

длиннные параллель-ные полипептидные цепи; нерастворимы в воде

Структурная, сокра-тительная (мышцы)

полипептидные цепи свернуты в компактные глобулы; растворимы

Каталитическая (ферменты), защитная (антитела) регулятор-ная (гормоны), транс-портная (гемоглобин), рецепторная (зрение, осязание и проч.)

Фибрилярной природы,но растворимые

фибриноген фибрин(раств.) (нераств.)

Ускорители биохимических Ускорители биохимических реакций в клетке.реакций в клетке.

(липаза, амилаза, … )(липаза, амилаза, … )

Липаза языка помогает переваривать, растворять и фракционировать жиры

Амилаза способна гидролизовать полисахаридную цепь крахмала и других длинноцепочечных углеводов в любом месте.

Строительные белки

. Строительные белки

.

.

.

.

.

Современный рентгеновский монокристальный дифрактометр стоит ~1 000 000 USD. Данный Bruker APEX приобретен на средства, выделенные указом Президента РФ для радиохимических исследований

21

Отбор кристаллов под микроскопом

22

Установка монокристаллов в гониометр

23

Правильно установленный монокристалл и система отражений от него в обратном пространстве

24

25

Характер Н-связи в новом соединении Сaffeine*Co(H2O)6(ReO4)](ReO4)

Н-связь: связь между ЭОАН-связь: связь между ЭОА11 и атомом Н, связанном ковалентно с ЭОА и атомом Н, связанном ковалентно с ЭОА22

European Synchrotron REuropean Synchrotron Radiation adiation

FFacilityacility

1 млрд евро1 млрд евро19 19 странстранP=844m, P=844m, 6 6 ГэВГэВ

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Рентгенограмма миоглобина (из мышц кашалота). По распреде-лению и интенсивности дифрак-ционных пятен определяют по-ложение отдельных атомов в молекуле.

Конформация (третичная струк-тура) миоглобина, установле-нная на основе рентгено-структурного анализа с высо-ким разрешением.

МОДЕЛЬ МИОГЛОБИНА

В настоящее время в международной базе данных

описанытысячи структур

синтетических аминокислот и 65000 структур природных

белков

29

Аминокислоты

Соединение, которое содержит одновременно и кислотную функциональную группу, и аминогруппу, является аминокислотой.

H2N CH

R

COOH

30

В процессе биосинтеза белка в полипептидную цепь включаются 20 α-аминокислот, кодируемых генетическим кодом.

Помимо этих аминокислот, называемых протеиногенными, или стандартными, в некоторых белках присутствуют специфические нестандартные аминокислоты, возникающие из стандартных в процессе посттрансляционных модификаций .

В последнее время к протеиногенным аминокислотам иногда причисляют селеноцистеинселеноцистеин (Sec, U) и пирролизин (Pyl, O). Это так называемые 21-я и 22-я аминокислоты.

31

32

Название Сокращение Структурная формула

(pI)

Глицин gly 5.97

Аланин ala 6.02

Валин val 5.97

Лейцин leu 5.98

Пролин pro 6.10

Фенилаланин phe 5.88

Триптофан try 6.88

H2NCH2COOH

CH3CHCOOH

NH2

(CH3)2CHCHCOOH

NH2(CH3)2CHCH2CHCOOH

NH2NH

COOH

C6H5CH2CHCOOH

NH2

CH3CHCOOH

NH2

ГИДРОФОБНЫЕ

33

Aспарaгиновая кислота asp

3.2

Аспарагин asn 5.41

Глутаминовая кислота

glu 3.22

Лизин lys 9.74

Аргинин arg 10.76

H2N(O)CCH2CHCOOH

NH2

HOOCCH2CH2CHCOOH

NH2

H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

CHN

H2NNH CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

ГИДРОФИЛЬНЫЕ

34

Треонин tre 5.80

Гистидин his7.58

Тирозин tyr 5.65

Цистеин

Серин

cySH

Ser

5.02

5.78

N

NH CH2CHCOOH

NH2

HO CH2CHCOOH

NH2

HSCH2CHCOOH

NH2

СПЕЦИАЛЬНЫЕ

35

Эксперимент Миллера — Юри — известный классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.

Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном, о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды.

Эксперимент Миллера — Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.[1]

36

Незаменимые аминокислоты

Незаменимыми называются аминокислоты, которые не могут быть синтезированы организмом

из веществ, поступающих с небелковой пищей, в количествах,

достаточных для того, чтобы удовлетворить физиологические

потребности организма.

37

Незаменимые аминокислотыСледующие 8 аминокислот принято считать незаменимыми для организма человека и большинства животных: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и фенилаланин, треонин, триптофан и валин.валин.

Классификация аминокислот на заменимые и незаменимые не лишена недостатков. К примеру, тирозин является заменимой аминокислотой только при условии достаточного поступления фенилаланина. Для больных фенилкетонурией ТИРОЗИН становится незаменимой аминокислотой. АРГИНИН синтезируется в организме человека и считается заменимой аминокислотой, но в связи с некоторыми особенностями его метаболизма при определённых физиологических состояниях организма может быть приравнен к незаменимым. Гистидин также синтезируется в организме человека, но не всегда в достаточных количествах, потому должен поступать с пищей.

38

Валин(2-амино-3-метилбутановая кислота) алифатическая α-аминокислота, входит в состав практически всех известных белков. Названо в честь растения валерианы.

ГистидинГистиди́н (L-α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота) гетероциклическая α-аминокислота.Гистидин входит в состав активных центров множества ферментов, является предшественником в биосинтезе гистамина.

Изолейцин

Ile; 2-амино-3-метилпентановая кислота) - алифатическая α-аминокислота, имеющая химическую формулу HO2CCH(NH2)CH(CH3)CH2CH3 и входящая в состав всех природных белков.

Лейцин Leu 2-амино-4-метилпентановая кислота; от греч. leukos — «белый») — алифатическая аминокислота с химической формулой HO2CCH(NH2)CH2CH(CH3)2

Лизин

2,6-диаминогексановая кислота — алифатическая аминокислота с выраженными свойствами основания; незаменимая аминокислота.

МетионинМетионин — алифатическая серосодержащая α-аминкислота. Метионин также служит в организме донором метильных групп (в составе S-аденозил-метионина) при биосинтезе холина, адреналина.

ТреонинТреони́н (α-амино-β-гидроксимасляная кислота; 2-амино-3-гидроксибутановая кислота) — гидроксиаминокислота; молекула содержит два хиральных центра, что обусловливает существование четырёх оптических изомеров: L- и D-треонина (3D), а также L- и D-аллотреонина (3L).

Триптофан

Триптофа́н — (β-индолиламинопропионовая кислота, сокр.: Три, Трп, Trp, W) — ароматическая альфа-аминокислота.

Фенилаланин

Фенилалани́н (α-амино-β-фенилпропионовая кислота, сокр.: Фен, Phe, F) — ароматическая альфа-аминокислота.

Кислотно-основные свойства

H2N CH

R

COO- H+

OH- H3N CH

R

COO-OH-H+

H3N CH

R

COOH

H2N CH

R

COOH ê è ñëû é ðàñòâî ðù åë î ÷í î é ðàñòâî ð

48

Кислотно-основные свойства

H2NCHCOOH

R

H3NCHCOO-

R

49

не ионная форма;

идеализированная аминокислота

цвиттер-ион;аминокислота в растворе с pH = pI

Изоэлектрическая точка (рI)

50

Изоэлектрической точкой называется такое значение pH, имеющее определенное значение для каждой аминокислоты, при котором содержание диполярного иона (цвиттер-иона) максимальноpI = ½(pKa1 + pKa2) для 2 заряж.

группpI = (pKa1 + pKa2 + pKa3)/3 для 3

Химические свойства аминокислот

Реакции аминогруппы

CH3CHCOOH + [HNO2]

NH2

CH3CHCOOH + N2 + H2O

OHàëàí èí ì î ëî ÷í àÿ

êèñëî òà

51

Метод Ван-Слайка

Химические свойства аминокислот

Реакции аминогруппы

RCHCOOH + R'C

NH2

O

H -H2O RCHCOOH

N CHR'

î ñí î âàí èåØ èô ô à

52

Химические свойства аминокислотРеакции карбоксильной группы

CH3CHCOOH + CH3OH

NH2

HCl-H2O CH3CHCOOCH3

NH3+Cl-

NH3-NH4Cl

CH3CHCOOCH3

NH2ì åòèëî âû é ýô èð

àëàí èí à

ãèäðî õëî ðèäì åòèëî âî ãî ýô èðà

àëàí èí à

àëàí èí

53

Химические свойства аминокислотРеакции карбоксильной группы

HOCH2CHCOOH

NH2

HOCH2CH2NH2 + CO2

ñåðèíêî ëàì èí

HOOCCHCH2CH2COOH

NH2

H2NCH2CH2CH2COOH + CO2

ãëóòàì èí î âàÿ êèñëî òà

4-àì èí î áóòàí î âàÿ êèñëî òà

54

Химические свойства аминокислотКачественные реакции

òèðî çèí æåëòàÿ î êðàñêà

HO

CH2CHCOOH

NH2

HNO3-H2O

HO

CH2CHCOOH

NH2

O2N

2NaOH

Na+ -O

CH2CHCOO- Na+

NH2

O2N

î ðàí æåâàÿ î êðàñêà55

Ксантопротеиновая реакция

Химические свойства аминокислотКачественные реакции

C

C

O

O

OH

OH

í èí ãèäðèí

56

• Биуретовая реакция(с гидроксидом меди (II) Cu(OH)2 )

• Нингидринная реакция

Химические свойства аминокислотСпецифические реакции ,,-аминокислот

-àëàí èí

C

CH

NHC

CH

HN

CH3 CH3

O

O

123 4

56

3,6-äèì åòèë-2,5-äèêåòî ï èï åðàçèí

àì è äí û åãðóï ï û

CH3 CH

C OHO

N H

H

CH3CH

CHOO

NH

H

+

+

-H2Ot

57

Реакции Реакции -аминокислот-аминокислот

Химические свойства аминокислотСпецифические реакции ,,-аминокислот

CH2

NH2

CH COOH

H

t-NH3

CH2 CH COOH

-àëàí èíàêðèëî âàÿ êèñëî òà

58

Реакции Реакции -аминокислот-аминокислот

Пептиды и белки

Ñ

O

NH

59

Пептиды — соединения, построенные из нескольких остатков -аминокислот, связанных амидной (пептидной) связью.

60Пептиды и белки

H2N CH

R

C

O

OH + H NH CH

R'

C

O

OH + H NH CH

R''

C

O

OH

H2N CH

R

C

O

NH CH

R'

C

O

NH CH

R''

COOH

Ï åï òè äí àÿ ãðóï ï à

-2H2O

Ï åï òè äí àÿ ñâÿçüN-ê î í åö C-ê î í åö

61Пептиды и белки

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ


H2N CH

CH3

C

O

NH CH2 C

O

NH CH COOH

CH2OH

àëàí èë ãëèöèë ñåðèí

Àëàí èëãëèöèëñåðèí

62

64

Серин в ферментах Центром этой «машины» является аминокислота серин, которая активируется с помощью гистидина и аспартата.

Вместе эти три аминокислоты были названы «системой передачи заряда).

Гистидин и аспарат помогают в удалении атома водорода от серина (белого цвета), что делает его более реакционноспособным при атаке на цепь целевого белка.

Трипсины ряда животных получены в кристаллическом виде (впервые в 1932). Молекула бычьего трипсина (молекулярная масса около 24 кДа) состоит из 223 аминокислотных остатков, образующих одну полипептидную цепь, и содержит 6 дисульфидных связей. Изоэлектрическая точка трипсина лежит при pH 10,8, а оптимум каталитической активности — при pH 7,8—8,0.Трипсины относятся к группе сериновых протеаз и содержат в активном центре отатки серина и гистидина.

Пепсин и Трипсин — ферменты класса гидролаз, расщепляющие пептиды и белки

Активный участок (Ser-His-Asp) расположен в центре молекулы трипсина (закрытая форма ), который недоступен молекулам растворителя.

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ, H-bond

69

Э1 … H - Э2

Э = O, N

Система фиксации инородного пептида в якорном участке

фермента (по Д.Дефо )

71

Водородные связи при образовании

α-Спиралив белках

Пространственное строение α-спирализованного участка полипептидной цепи и образование водородных связей, участвующих в формировании

α-спирали

72

Водородные связи Водородные связи при формировании вторичной структуры белка в виде β-складчатого слоя

Н – СВЯЗИ в ДНК

74

Водородные связи при взаимодействии белка с лигандом

А и Б – некомплементарное взаимодействие и разрушение связей между белком и лигандом;В – комплементарное взаимодействие белка с лигандом.

Водородные связи в строении активного центра Водородные связи в строении активного центра ферментафермента

А – присоединение субстрата к ферменту в активном центре. Б – положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента в первичной структуре белка.

В – активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами аминокислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химические превращения субстрата.75

Система фиксации инородного пептида в якорном участке фермента (по Д. Дефо )

Серин разрывает пептидную связь, используя «систему

передачи заряда»

Бифуркатная водороднаясвязь

В гистидине –В гистидине –два азота идва азота иароматическоеароматическоекольцокольцо

В аспартате – два электро-отрицательнатома О

1

2

3

78

Водородные связи при связывании гексокиназы с глюкозой

Кофакторы (металлы)Кофакторы (металлы)Участие ионов магния в присоединении

субстрата в активном центре гексокиназы

79

В активном центре В активном центре гексокиназы есть гексокиназы есть участки связывания участки связывания для молекулы для молекулы глюкозы и глюкозы и комплекса комплекса MgMg2+2+ - -АТФ. АТФ.

В результате В результате ферментативной ферментативной реакции происходит реакции происходит перенос концевого перенос концевого γγ-фосфатного -фосфатного остатка молекулы остатка молекулы АТФ на глюкозу с АТФ на глюкозу с образованием образованием глюкозо-6-фосфата.глюкозо-6-фосфата.

«Правильно зафиксированный АТФ в«Правильно зафиксированный АТФ ванестезии не нуждается» анестезии не нуждается»

Охота на вирус СПИДа

A Handy EnzymeThis ribbon representation of the RT active domain illustrates its hand-like structure, showing fingers (blue), palm (pink) and thumb (green). The active site (red atoms), where DNA is elongated, is in the palm region. Also shown is an RT-inhibitor drug (yellow) in the pocket where it binds.

http://www.psc.edu/science/2000/madrid/getting_a_grip_on_aids.html


82

Первичная структура белка инсулина не позволяет увидеть , как он работает...

83

Первичная структура пептидов и белков — это последовательность аминокислотных остатков в

полипептидной цепи.

Разные уровни организации структуры

белков


Вторичная структура белков

85



86



87

ОБРАЗОВАНИЕ ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ (изображены пунктирными линиями) в молекуле полипептида



88

ОБЪЕМНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА в форме -спирали. Водородные связи показаны зелеными пунктирными линиями



89

-спираль молекулы белка



90ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ -СТРУКТУРА, состоящая из трех полипептидных молекул



91АНТИПАРАЛЛЕЛЬНАЯ -СТРУКТУРА, состоящая из трех полипептидных молекул



92ОБРАЗОВАНИЕ -СТРУКТУРЫ внутри одной полипептидной цепи



93-структура белка



94

А – участок полипептидной цепи, соединенный водородными связями (зеленые пунктирные линии). Б – условное изображение -структуры в форме плоской ленты, проходящей через атомы полимерной цепи (атомы водорода не показаны).



95

Вторичная структура белка — это более высокий уровень структурной организации, в котором закрепление конформации происходит за счет водородных связей между пептидными группами.


Третичная структура белков

96

РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ БЕЛКА КРАМБИНА. А– структурная формула в пространственном изображении. Б – структура в виде объемной модели. В – третичная структура молекулы. Г – сочетание вариантов А и В. Д – упрощенное изображение третичной структуры. Е – третичная структура с дисульфидными мостиками.

Пептиды и белки Ионные взаимодействия

(CH2)4NH3+

NH CH CO ï åï òèäí àÿ ñâÿçü

-OOCCH

CH NHCO

î ñòàòî ê ëèçèí à

î ñòàòî êàñï àðãèí î âî é êèñëî òû

è î í í î å âçàè ì î äåé ñòâè å

97

Пептиды и белки Дисульфидные взаимодействия

CH2SH

CH2SH

[O]

[H]CH2SCH2S

Äè ñóëüô è äí àÿ ñâÿçü

98


Глобулярные белки

99

ГЛОБУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА АЛЬБУМИНА (белок куриного яйца). В структуре помимо дисульфидных мостиков присутствуют свободные сульфгидридные HS-группы цистеина, которые в процессе разложения белка легко образуют сероводород – источник запаха тухлых яиц. Дисульфидные мостики намного более устойчивы и при разложении белка сероводород не образуют


Фибриллярные белки

100

ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН – основной компонент натурального шелка и паутины


Четвертичная структура белков

101

ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ферритина при объединении молекул в единый ансамбль


Четвертичная структура белков

102

НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ФИБРИЛЛЯРНОГО БЕЛКА КОЛЛАГЕНА. На примере коллагена можно видеть, что в образовании фибриллярных белков могут участвовать как -спирали, так и -структуры. То же и для глобулярных белков, в них могут быть оба типа третичных структур

Пептиды и белки Денатурация белков

103

Денатурация белков — это разрушение их природной (нативной) пространственной структуры с сохранением первичной структуры

аминокислоты Reaviz2016

Education