Шендрик А.Н. Химия белка. Структура, свойства, методы исследования

Подождите немного. Документ загружается.

По полярности R-группы

Полярные

R-группа содержит полярные связи

(С-O, C-N, и О-Н

Неполярные

R-группа содержит только непо-

лярные связи (С-С, С-Н)

Глицин, Серин, Треонин, Цисте-

ин

Тирозин, Аспаригиновая кисло-

та,

Глутаминовая кислота, Аспара-

гин,

Глутамин, Аргинин, Лизин, Гис-

тидин

Аланин, Валин, Лейцин, Изолей-

цин,

Метионин, Фенилаланин, Трип-

тофан

Пролин

По ионным свойствам R-группы

Кислые

R-группа может нести

отрицательный заряд

Основные

R-группа может

нести положитель-

ный заряд

Нейтральные

R-группа

незаряжена

Аспариагиновая ки-

слота

Глутаминовая кислота

Цистеин

Тирозин

Аргинин

Лизин

Гистидин

Глицин, Аланин, Ва-

лин, Лейцин, Изолей-

цин, Метионин, Фени-

лаланин, Серин, Трео-

нин, Аспаригин, Глу-

тамин, Пролин, Трип-

тофан

По питательной ценности

Незаменимые

Не синтезируются в организме че-

ловека

Заменимые

синтезируются в организме

человека

Треонин, Метионин, Валин, Лей-

цин,

Изолейцин, Фенилаланин, Трип-

тофан,

Лизин, Аргинин, Гистидин

Глицин, Аланин, Серин, Цистеин

Пролин, Аспарагиновая кислота,

Глутаминовая кислота, Аспара-

гин,

Глутамин, Тирозин

HC CH

CCH

COOH

CHCH

CH COOH

Аминокислоты с неполярными R-группами хуже растворяются в воде.

Это аминокислоты с алифатическими радикалами: аланин, валин, лейцин,

изолейцин. К ним же можно отнести фенилаланин, триптофан и метионин.

Полярность гидроксилсодержащих аминокислот обусловлена наличи-

ем в них большого дипольного момента и способностью ОН-групп образо-

вывать водородные связи. Все полярные аминокислоты хорошо растворимы

в воде.

Гидроксильная группа в тирозине ведет себя скорее как неполярная из-

за наличия фенильного кольца.

Глицин и пролин - особые аминокислоты. Их структура значительно

отличается от остальных α-аминокислот. Глицин не имеет асимметричного

(хирального) атома углерода и не является, поэтому оптически активным со-

единением. Пролин - иминокислота, поэтому ее конформационные парамет-

ры отличаются от всех остальных R-остатков. В белках пролин ведет себя

чаще как неполярный остаток.

Редкие аминокислоты белков

Помимо рассмотренных выше 20 наиболее распространенных амино-

кислот из гидролизатов некоторых специализированных белков выделены

некоторые другие аминокислоты. Все они являются, как правило, производ-

ными обычных аминокислот, т.е. модифицированными аминокислотами.

Примеры некоторых из них.

4-Оксипролин, встречается в фибриллярном белке коллаге-

не и некоторых растительных белках;

5-Оксилизин, также найден в гидролизатах

коллагена;

HOOCCHCH

Десмозин

Изодесмозин

Десмозин и изодесмо-

зин выделены из гидролиза-

тов фибриллярного белка

эластина. Похоже, что эти

аминокислоты содержаться только в этом белке. Структура их необычна: 4-е

молекулы лизина, соединенные своими R-группами, образуют замещенное

пиридиновое кольцо. Возможно, что благодаря именно такой структуре эти

аминокислоты могут образовывать 4-е радиально расходящиеся пептидные

цепи. Результатом есть то, что эластин, в отличие от других фибриллярных

белков, способен деформироваться (растягиваться) в двух взаимно перпен-

дикулярных направлениях.

Тироксин (Т4, Т3) - тетра(три)иодотиронин

(CH

)

(CH

)

(CH

)

(CH

)

N COOH

COOH

HOOC

(CH

)

(CH

)

(CH

)

(CH

)

COOH

NCOOH

HOOC

Т4 и Т3 (если I* замещен на Н) - иодсодержащие аминокислоты, которые

синтезируются из тирозина в щитовидной железе. Они являются важными

гормонами, регулирующими процессы роста и развития организма.

Аминокислоты не встречающиеся в белках

Таких аминокислот известно около 150. Большая часть из них являют-

ся производными α-аминокислот, содержащихся в белках. Встречаются так-

же β-, γ- и δ-аминокислоты. Кроме того они могут иметь как L-, так и D-

конформацию. Пример - D-глутаминовая кислота, обнаруженная в клеточ-

ных стенках бактерий. Некоторые аминокислоты этой группы играют роль

важнейших предшественников или промежуточных продуктов метаболизма.

Например, β-аланин служит предшественником пантотеновой кислоты (ви-

тамина), а цитрулин и орнитин (см. структуры ниже) - промежуточные про-

дукты синтеза аргинина:

Орнитин + СО

+ NH

→

цитрулин (+NH

)→ ар-

гинин → мочевина + ор-

нитин.

γ-Аминомасляная кислота является продуктом декарбоксилирования

глутаминовой кислоты. Она функционирует как химический агент в передаче

нервных импульсов.

Ряд небелковых аминокислот растительного происхождения, например

канаванин, дьенколевая кислота, β-цианоаланин, токсичны для других форм

жизни. Для примера структуры некоторых из этих аминокислот приведены в

таблице 1.1

NCH

COOH

HN CH

COOHCH

Таблица 1.1

Структура некоторых небелковых аминокислот.

Структура Название

COOH

γ-аминомасляная

кислота

COOH

β-аланин

NCCH

CHCOOH

β-цианоаланин

HO CH

CHCOOH

3,5-дииодтирозин

CHC

CHCOOH

3-метилгистидин

NCN

OCH

COOH

канаванин

HOOCCHCH

SCH

CHCOOH

дьенколевая

кислота

CHC O CH

CHCOOH

L-азасерин

HOOC CH CH

C COOH

γ-метиленглутами-

новая кислота

1.1.4 Стереоизомерия аминокислот

Все, за исключением глицина, α-аминокислоты имеют хиральный атом

углерода (атом с четырьмя различными заместителями). Эта структурная

особенность аминокислот обуславливает реальное существование их в двух

различных стереоизомерных формах. Они (формы) отличаются друг от друга

различной пространственной ориентацией заместителей при α-углеродном

атоме. В ряду наиболее распространенных 20 белковых аминокислот треонин

и изолейцин имеют по два асимметричных атома углерода.

Соединения с хиральным атомом углерода подразделяются на два

энантиомера, которые обозначаются как L- и D-стереоизомеры. Эти изомеры

можно рассматривать как две несовместимые в пространстве конформации,

которые в паре составляют зеркальное отражение одна - другой. В качестве

стандарта для отнесения энантиомеров оптически активных соединений к L-

или D-ряду выбраны стереоизомеры глицеральдегида.

L-СТЕРЕОИЗОМЕР D-СТЕРЕОИЗОМЕР

Энантиомеры глицеральдегида разделены на L- и D-стереоизомеры по

следующему формальному признаку. Если молекула альдегида занимает в

пространстве такое положение, что группы -СНО и -СН

ОН расположены за

плоскостью рисунка и направлены вверх и вниз соответственно, а заместите

ли -Н и -ОН расположены над плоскостью рисунка, то группа -ОН в L-

изомере направлена влево, а D - вправо.

L- и D-энантиомеры не следует путать с оптическими антиподами, ко-

торые различаются между собой направлением (левовращающие, правовра-

щающие) и величиной угла вращения плоскости поляризации света. L- и D-

Энантиомеры могут быть как лево- так и правовращающими. Величины

удельного вращения некоторых L- и D-аминокислот в воде при рН=7 (облу-

чающий свет: D-линия натрия при λ = 5461 Å) приведены ниже:

L-аланин +1.8 L-серин -7.5

L-лейцин -11.0 L-пролин -86.2

L-изолейцин +12.4 L-триптофан -33.7

L-фенилалинин -34.5 D-аланин -1.8

L-глутаминовая кислота +12.0 D-глутаминовая кислота -12.0

L-аспаригиновая кислота +5.0 D-лизин -13.5

Величина удельного вращения аминокислоты зависит от рН-среды и

максимальна в изоэлектрической точке.

Таким образом, L- и D-стереоизомеры характеризуют абсолютную

конформацию молекулы в пространстве, а оптическая активность является

лишь признаком наличия хирального атома углерода в молекуле, и направ-

ление вращения плоскости поляризации света не несет информации о при-

надлежности стереоизомера к L- или D-ряду. Поэтому, направление враще-

ния плоскости поляризации обозначают малыми латинскими буквами l и d,

т.е. вращающие влево и вправо соответственно.

В состав белков входят только L-аминокислоты:

CHNH

COOH

CNH

COOH

L-аминокислота D-аминокислота

При изображении структурной формулы стереоизомеров принято об-

щее правило: направление связи в пространстве обозначается сектором (тре-

угольником)-

-влево, - вправо, -вверх, -вниз. Относительно плос-

кости рисунка:

-над плоскостью, -за плоскостью.

До настоящего времени неизвестно ни одного случая вхождения в белковые

молекулы D-аминокислот. В свободном состоянии и в качестве компонентов

небелковых структур D-аминокислоты встречаются в клетках живых орга-

низмов и выделены из различных источников, в том числе и из организма че-

ловека. В качестве примера можно привести вещество клеточной стенки бак-

терий - это тетрапептид: L-ala - D-glu - L-lys - D-ala, и пептидные антибиоти-

ки: бацитрацин А, который синтезируется штаммами бактерии «Bacilus li-

cheniformis»

грамицидин S

и грамицидин S, выделяемых Bacilus brevis (где orn =

(NH

)COOHCH(CH

)

) - -орнитин:

Ile(L)

Orn(D)

Lys(L)

Asp(L)

His(L)

Phe (D)

Asp(D)

Ile(L)

Glu(D)

Le u(L)

Cys(L)

Ile(L)

Le u(L) Orn(L)

Pro(L)

Va l(L)

Phe (D)

Leu(L)Orn(L)

Va l(L)

Pro(L)

Phe (D)

Процесс перехода аминокислот из L- в D-форму и наоборот называется

рацемизацией. При этом, равновесие L ↔ D in vivo смещено в сторону L-

формы. После гибели организма процесс рацемизации протекает самопроиз-

вольно и завершается установлением неметаболического (термодинамиче-

ского) состояния равновесия. Время достижения такого равновесия может

быть большим и составляет иногда десятки тысяч лет, что находит практиче-

ское применение. Например, измерение соотношения D/L-энантиомеров ас-

парагиновой кислоты в образцах окаменелых костей положены в основу но-

вого метода датирования. Он хорошо дополняет другие методы, например

радиоуглеродный.

Установлено также, что повышение D/L-отношения для аспарагиновой

кислоты в зубах животных хорошо коррелирует с их биологическим возрас-

том. Измерения выполнены на зубах потому, что белки зубных тканей

(эмаль, дентин) не регенерируются в течении жизни.

Аминокислоты с двумя хиральными атомами углерода могут сущест-

вовать в четырех стереоизомерных формах. Для треонина все они обнаруже-

ны. Ту форму треонина, которую выделяют из гидролизатов белков условно

называют L-формой, а ее зеркальное отражение - D-формой.

COOH

HNH

L-треонин D-треонин

Два других стереоизомера - диастереоизо-

меры или алло-формы также являются зер-

кальным отражением друг друга:

L-алло-треонин D-алло-треонин

COOH

HNH

HHO

COOH

OHH

В аминокислотах с двумя хиральными атомами отнесение к L- или D-

ряду проводят по положению заместителей при α-углеродном атоме

1.1.5 Электронные спектры поглощения

и кислотно-основные свойства аминокислот в растворах

Электронные спектры поглощения

Все аминокислоты по-

глощают свет в дальней ульт-

рафиолетовой области (< 220

нм). В УФ-области поглощают

три из 20 белковых аминокис-

лот: тирозин, триптофан (λ

max

280 нм), и фенилаланин (λ

max

260 нм.) (см.рис.). Большинст-

во белков содержит остатки

тирозина, что служит основой

для быстрого и удобного ана-

лиза их методом УФ-спектроскопии.

Цистеин слабо поглощает при 240 нм. (из-за наличия дисульфидной

группы).

1.1.5.1 Буферные системы.

Уравнение Гендерсона-Хассельбальха

Буферная система - это раствор, который препятствует изменению

концентрации ионов водорода при добавлении к нему кислоты или щелочи.

Или - это раствор, который способен поддерживать, в известных пределах,

постоянное значение рН при введении доноров Н

(кислот) или акцепторов

(оснований). Буферные свойства поддерживаются в растворах присутст

220 240 260 280 300

нм

0,2

0,4

0,6

0,8

Оптическая плотность, D

Триптофан

Тирозин

Фен