Основната аминокиселина е. Аминокиселините са структурни мономери на протеините. Според структурата на страничния радикал

Аминокиселините са карбоксилни киселини, съдържащи аминогрупа и карбоксилна група. Естествените аминокиселини са 2-аминокарбоксилни киселини или α-аминокиселини, въпреки че има аминокиселини като β-аланин, таурин, γ-аминомаслена киселина. Обобщената формула на α-аминокиселина изглежда така:

α-аминокиселините имат четири различни заместителя при въглерод 2, т.е. всички α-аминокиселини, с изключение на глицина, имат асиметричен (хирален) въглероден атом и съществуват под формата на два енантиомера - L- и D-аминокиселини. Естествените аминокиселини принадлежат към L-серията. D-аминокиселините се намират в бактерии и пептидни антибиотици.

Всички аминокиселини във водни разтвори могат да съществуват под формата на биполярни йони и общият им заряд зависи от pH на средата. Стойността на pH, при която общият заряд е нула, се нарича изоелектрична точка. В изоелектричната точка аминокиселината е цвитерион, т.е. нейната аминова група е протонирана, а нейната карбоксилна група е дисоциирана. В областта на неутралното рН повечето аминокиселини са цвитериони:

Аминокиселините не абсорбират светлината във видимата област на спектъра, ароматните аминокиселини абсорбират светлината в UV областта на спектъра: триптофан и тирозин при 280 nm, фенилаланин при 260 nm.

Аминокиселините се характеризират с някои химични реакции, които са от голямо значение за лабораторната практика: цветен нинхидринов тест за α-аминогрупата, реакции, характерни за сулфхидрилни, фенолни и други групи аминокиселинни радикали, ацелиране и образуване на бази на Шиф при аминогрупи , естерификация при карбоксилни групи.

Биологична роля на аминокиселините:

1) са структурни елементи на пептиди и протеини, така наречените протеиногенни аминокиселини. Протеините съдържат 20 аминокиселини, които са кодирани от генетичния код и се включват в протеините по време на транслацията, някои от тях могат да бъдат фосфорилирани, ацилирани или хидроксилирани;

2) могат да бъдат структурни елементи на други природни съединения - коензими, жлъчни киселини, антибиотици;

3) са сигнални молекули. Някои от аминокиселините са невротрансмитери или прекурсори на невротрансмитери, хормони и хистохормони;

4) са най-важните метаболити, например някои аминокиселини са прекурсори на растителни алкалоиди или служат като донори на азот или са жизненоважни компоненти на храненето.

Класификацията на протеиногенните аминокиселини се основава на структурата и полярността на страничните вериги:

1. Алифатни аминокиселини:

глицин, гли,G,Gly

аланин, ала, A, Ala

Валин, вал,V,Val*

левцин, леи,L,Leu*

изолевцин, тиня,аз, Иле*

Тези аминокиселини не съдържат хетероатоми или циклични групи в страничната верига и се характеризират с отчетливо ниска полярност.

цистеин, цис, C, Cys

метионин, мет, M, Met*

3. Ароматни аминокиселини:

фенилаланин, сешоар,F,Phe*

тирозин, стрелбище, Y, Tyr

триптофан, три, W, Trp*

хистидин, gis, H, Неговата

Ароматните аминокиселини съдържат мезомерни резонансно стабилизирани пръстени. В тази група само аминокиселината фенилаланин проявява ниска полярност, тирозинът и триптофанът се характеризират със забележима полярност, а хистидинът дори има висока полярност. Хистидинът може също да бъде класифициран като основна аминокиселина.

4. Неутрални аминокиселини:

серин, сиво,S,Ser

треонин, тре, T, Thr*

аспарагин, asn, N, Asn

глутамин, gln, Q, Gln

Неутралните аминокиселини съдържат хидроксилни или карбоксамидни групи. Въпреки че амидните групи са нейонни, молекулите на аспарагин и глутамин са силно полярни.

5. Киселинни аминокиселини:

Аспарагинова киселина (аспартат), аспид, D, Asp

Глутаминова киселина (глутамат), глу, E, Glu

Карбоксилните групи на страничните вериги на киселинните аминокиселини са напълно йонизирани в целия диапазон от физиологични стойности на pH.

6. Есенциални аминокиселини:

Лизин, л от, K, Lys*

аргинин, арг, R, Arg

Страничните вериги на основните аминокиселини са напълно протонирани в областта на неутралното рН. Силно основна и много полярна аминокиселина е аргининът, който съдържа гуанидинова група.

7. Имино киселина:

пролин, относно,P,Pro

Страничната верига на пролина се състои от петчленен пръстен, съдържащ α-въглероден атом и α-амино група. Следователно пролинът, строго погледнато, не е аминокиселина, а иминокиселина. Азотният атом в пръстена е слаба основа и не се протонира при физиологични стойности на pH. Поради своята циклична структура, пролинът предизвиква извивки в полипептидната верига, което е много важно за структурата на колагена.

Някои от изброените аминокиселини не могат да се синтезират в човешкия организъм и трябва да се набавят с храната. Тези незаменими аминокиселини са маркирани със звездички.

Както беше посочено по-горе, протеиногенните аминокиселини са предшественици на няколко ценни биологично активни молекули.

Два биогенни амина, β-аланин и цистеамин, са част от коензим А (коензимите са производни на водоразтворими витамини, които образуват активния център на сложни ензими). β-аланинът се образува чрез декарбоксилиране на аспарагинова киселина, а цистеаминът - чрез декарбоксилиране на цистеин:

β-аланин цистеамин

Остатъкът от глутаминова киселина е част от друг коензим - тетрахидрофолиева киселина, производно на витамин Bc.

Други биологично ценни молекули са конюгати на жлъчни киселини с аминокиселината глицин. Тези конюгати са по-силни киселини от основните, образуват се в черния дроб и присъстват в жлъчката под формата на соли.

Гликохолева киселина

Протеиногенните аминокиселини са прекурсори на някои антибиотици - биологично активни вещества, синтезирани от микроорганизми и потискащи пролиферацията на бактерии, вируси и клетки. Най-известните от тях са пеницилините и цефалоспорините, които съставляват групата на β-лактамните антибиотици и се произвеждат от плесените от рода Пеницил. Те се характеризират с наличието в структурата си на реактивен β-лактамен пръстен, с помощта на който инхибират синтеза на клетъчните стени на грам-отрицателните микроорганизми.

Обща формула на пеницилините

От аминокиселините чрез декарбоксилиране се получават биогенни амини - невротрансмитери, хормони и хистохормони.

Самите аминокиселини глицин и глутамат са невротрансмитери в централната нервна система.

допамин (невротрансмитер) норепинефрин (невротрансмитер)

адреналин (хормон) хистамин (трансмитер и хистохормон)

серотонин (невротрансмитер и хистохормон) GABA (невротрансмитер)

Тироксин (хормон)

Производно на аминокиселината триптофан е най-известният естествено срещащ се ауксин, индолилоцетната киселина. Ауксините са регулатори на растежа на растенията, стимулират диференциацията на растящите тъкани, растежа на камбия, корените, ускоряват растежа на плодовете и опадането на старите листа; техните антагонисти са абсцизовата киселина.

Индолилоцетна киселина

Производни на аминокиселините са и алкалоиди - естествени азотсъдържащи съединения с основен характер, образувани в растенията. Тези съединения са изключително активни физиологични съединения, широко използвани в медицината. Примери за алкалоиди включват производното на фенилаланина папаверин, изохинолинов алкалоид от сънотворния мак (антиспазматично средство) и производното на триптофан физостигмин, индолов алкалоид от калабарски боб (антихолинестеразно лекарство):

папаверин физостигмин

Аминокиселините са изключително популярни обекти на биотехнологиите. Има много възможности за химичен синтез на аминокиселини, но резултатът е рацемати на аминокиселини. Тъй като само L-изомерите на аминокиселините са подходящи за хранителната промишленост и медицината, рацемичните смеси трябва да бъдат разделени на енантиомери, което представлява сериозен проблем. Следователно биотехнологичният подход е по-популярен: ензимен синтез с помощта на имобилизирани ензими и микробиологичен синтез с използване на цели микробни клетки. И в двата последни случая се получават чисти L-изомери.

Аминокиселините се използват като хранителни добавки и фуражни компоненти. Глутаминовата киселина подобрява вкуса на месото, валинът и левцинът подобряват вкуса на печивата, глицинът и цистеинът се използват като антиоксиданти при консервиране. D-триптофанът може да бъде заместител на захарта, тъй като е в пъти по-сладък. Лизинът се добавя към храната на селскостопанските животни, тъй като повечето растителни протеини съдържат малки количества от незаменимата аминокиселина лизин.

Аминокиселините се използват широко в медицинската практика. Това са аминокиселини като метионин, хистидин, глутаминова и аспарагинова киселина, глицин, цистеин, валин.

През последното десетилетие аминокиселините започнаха да се добавят към козметичните продукти за грижа за кожата и косата.

Химически модифицираните аминокиселини също се използват широко в промишлеността като повърхностноактивни вещества при синтеза на полимери, при производството на детергенти, емулгатори и добавки към горива.

ПРОТЕИНИ

Протеините са високомолекулни вещества, състоящи се от аминокиселини, свързани с пептидни връзки.

Именно протеините са продукт на генетична информация, предавана от поколение на поколение и осъществяват всички жизнени процеси в клетката.

Функции на протеините:

1. Каталитична функция. Най-многобройната група протеини се състои от ензими - протеини с каталитична активност, които ускоряват химичните реакции. Примери за ензими са пепсин, алкохол дехидрогеназа, глутамин синтетаза.

2. Структурообразуваща функция. Структурните протеини са отговорни за поддържането на формата и стабилността на клетките и тъканите, те включват кератини, колаген, фиброин.

3. Транспортна функция. Транспортните протеини пренасят молекули или йони от един орган в друг или през мембрани в клетката, например хемоглобин, серумен албумин, йонни канали.

4. Защитна функция. Протеините на системата за хомеостаза защитават организма от патогени, чужда информация, загуба на кръв - имуноглобулини, фибриноген, тромбин.

5. Регулаторна функция. Протеините изпълняват функциите на сигнални вещества - някои хормони, хистохормони и невротрансмитери, са рецептори за сигнални вещества от всякаква структура и осигуряват по-нататъшно предаване на сигнала в биохимичните сигнални вериги на клетката. Примерите включват растежния хормон соматотропин, хормона инсулин, Н- и М-холинергичните рецептори.

6. Двигателна функция. С помощта на протеини се осъществяват процесите на свиване и други биологични движения. Примерите включват тубулин, актин и миозин.

7. Резервна функция. Растенията съдържат резервни протеини, които са ценни хранителни вещества; в телата на животните мускулните протеини служат като резервни хранителни вещества, които се мобилизират, когато е абсолютно необходимо.

Протеините се характеризират с наличието на няколко нива на структурна организация.

Първична структураПротеинът е последователност от аминокиселинни остатъци в полипептидна верига. Пептидната връзка е карбоксамидна връзка между α-карбоксилната група на една аминокиселина и α-аминогрупата на друга аминокиселина.

Аланилфенилаланилцистеилпролин

Пептидната връзка има няколко характеристики:

а) тя е резонансно стабилизирана и поради това се намира практически в една и съща равнина - планарна; въртенето около C-N връзката изисква много енергия и е трудно;

б) -CO-NH- връзката има специален характер, тя е по-малка от обикновената, но по-голяма от двойната, т.е. има кето-енолна тавтомерия:

в) заместители по отношение на пептидната връзка са в транс-позиция;

г) пептидният скелет е заобиколен от странични вериги от различно естество, взаимодействащи с околните молекули на разтворителя, свободните карбоксилни и амино групи се йонизират, образувайки катионни и анионни центрове на протеиновата молекула. В зависимост от съотношението им протеиновата молекула получава общ положителен или отрицателен заряд, а също така се характеризира с една или друга стойност на pH на околната среда, когато достигне изоелектричната точка на протеина. Радикалите образуват солни, етерни и дисулфидни мостове вътре в протеиновата молекула и също така определят обхвата на реакциите, характерни за протеините.

Понастоящем се приема, че полимерите, състоящи се от 100 или повече аминокиселинни остатъка, се считат за протеини, полипептидите са полимери, състоящи се от 50-100 аминокиселинни остатъка, а нискомолекулните пептиди са полимери, състоящи се от по-малко от 50 аминокиселинни остатъка.

Някои пептиди с ниско молекулно тегло играят независима биологична роля. Примери за някои от тези пептиди:

Глутатионът - γ-gluc-cis-gly - е един от най-разпространените вътреклетъчни пептиди, участва в редокс процесите в клетките и преноса на аминокиселини през биологичните мембрани.

Карнозин - β-ala-gis - пептид, съдържащ се в животинските мускули, елиминира продуктите от разграждането на липидния пероксид, ускорява разграждането на въглехидратите в мускулите и участва в енергийния метаболизъм в мускулите под формата на фосфат.

Вазопресинът е хормон на задния дял на хипофизната жлеза, участващ в регулирането на водния метаболизъм в организма:

Фалоидинът е отровен полипептид на мухоморката, в незначителни концентрации причинява смъртта на тялото поради освобождаването на ензими и калиеви йони от клетките:

Грамицидинът е антибиотик, който действа върху много грам-положителни бактерии, променя пропускливостта на биологичните мембрани към съединения с ниско молекулно тегло и причинява клетъчна смърт:

Мет-енкефалин - тир-гли-гли-фен-мет - пептид, синтезиран в невроните и намаляващ болката.

Вторична структура на протеинае пространствена структура, образувана в резултат на взаимодействия между функционални групи на пептидния скелет.

Пептидната верига съдържа много CO и NH групи от пептидни връзки, всяка от които е потенциално способна да участва в образуването на водородни връзки. Има два основни типа структури, които позволяват това да се случи: α-спирала, при която веригата е навита като телефонен кабел, и сгъната β-структура, при която удължени участъци от една или повече вериги са положени една до друга страна. И двете структури са много стабилни.

α-спиралата се характеризира с изключително плътно опаковане на усуканата полипептидна верига; за всяко завъртане на дясната спирала има 3,6 аминокиселинни остатъка, чиито радикали винаги са насочени навън и леко назад, т.е. началото на полипептидната верига.

Основни характеристики на α-спиралата:

1) α-спиралата се стабилизира чрез водородни връзки между водородния атом при азота на пептидната група и карбонилния кислород на остатъка, разположен на четири позиции по веригата;

2) всички пептидни групи участват в образуването на водородна връзка, което осигурява максимална стабилност на α-спиралата;

3) всички азотни и кислородни атоми на пептидни групи участват в образуването на водородни връзки, което значително намалява хидрофилността на α-спиралните области и повишава тяхната хидрофобност;

4) α-спиралата се образува спонтанно и е най-стабилната конформация на полипептидната верига, съответстваща на минималната свободна енергия;

5) в полипептидна верига от L-аминокиселини дясната спирала, която обикновено се среща в протеините, е много по-стабилна от лявата.

Възможността за образуване на α-спирала се определя от първичната структура на протеина. Някои аминокиселини предотвратяват усукването на пептидния скелет. Например, съседните карбоксилни групи на глутамат и аспартат взаимно се отблъскват, което предотвратява образуването на водородни връзки в α-спиралата. По същата причина верижната спирализация е трудна на места, където положително заредените остатъци от лизин и аргинин са разположени близо един до друг. Пролинът обаче играе най-голямата роля в разрушаването на α-спиралата. Първо, в пролина азотният атом е част от твърд пръстен, който предотвратява въртенето около N-C връзката, и второ, пролинът не образува водородна връзка поради отсъствието на водород при азотния атом.

β-листът е слоеста структура, образувана от водородни връзки между линейно подредени пептидни фрагменти. И двете вериги могат да бъдат независими или да принадлежат към една и съща полипептидна молекула. Ако веригите са ориентирани в една и съща посока, тогава такава β-структура се нарича паралелна. В случай на противоположни посоки на веригата, т.е. когато N-краят на една верига съвпада с С-края на друга верига, β-структурата се нарича антипаралелна. Антипаралелен β-лист с почти линейни водородни мостове е енергийно по-предпочитан.

паралелен β-лист антипаралелен β-лист

За разлика от α-спиралата, която е наситена с водородни връзки, всеки участък от β-листовата верига е отворен за образуване на допълнителни водородни връзки. Страничните радикали на аминокиселините са ориентирани почти перпендикулярно на равнината на листа, последователно нагоре и надолу.

В тези области, където пептидната верига се огъва доста рязко, често има β-контур. Това е къс фрагмент, в който 4 аминокиселинни остатъка са огънати на 180° и са стабилизирани от един водороден мост между първия и четвъртия остатък. Големите аминокиселинни радикали пречат на образуването на β-примката, така че тя най-често включва най-малката аминокиселина, глицин.

Суправторична структура на протеина– това е някакъв специфичен ред на редуване на вторични структури. Под домейн се разбира отделна част от протеинова молекула, която има определена степен на структурна и функционална автономност. Домейните сега се считат за основни елементи на структурата на протеиновите молекули и връзката и естеството на подреждането на α-спиралите и β-листовете предоставя повече за разбиране на еволюцията на протеиновите молекули и филогенетичните взаимоотношения, отколкото сравнение на първичните структури. Основната задача на еволюцията е да проектира все повече и повече нови протеини. Има безкрайно малък шанс случайно да се синтезира аминокиселинна последователност, която да отговаря на условията на опаковката и да гарантира изпълнението на функционални задачи. Следователно е обичайно да се откриват протеини с различни функции, но толкова сходни по структура, че изглежда, че са имали общ предшественик или са еволюирали един от друг. Изглежда, че еволюцията, когато е изправена пред необходимостта да реши определен проблем, предпочита да не проектира протеини за тази цел от самото начало, а да адаптира вече добре установени структури за тази цел, адаптирайки ги за нови цели.

Някои примери за често повтарящи се надвторични структури:

1) αα’ – протеини, съдържащи само α-спирали (миоглобин, хемоглобин);

2) ββ’ – протеини, съдържащи само β-структури (имуноглобулини, супероксиддисмутаза);

3) βαβ’ – β-бъчвообразна структура, всеки β-слой е разположен вътре в цевта и е свързан с α-спирала, разположена на повърхността на молекулата (триозофосфоизомераза, лактатдехидрогеназа);

4) „цинков пръст“ - протеинов фрагмент, състоящ се от 20 аминокиселинни остатъка, цинковият атом е свързан с два цистеинови остатъка и два хистидинови остатъка, което води до образуването на „пръст“ от приблизително 12 аминокиселинни остатъка, което може да се свързва с регулаторните области на ДНК молекулата;

5) „левцинова ципа“ - взаимодействащите протеини имат α-спирална област, съдържаща най-малко 4 левцинови остатъка, те са разположени на 6 аминокиселини една от друга, тоест те са на повърхността на всеки втори завой и могат да образуват хидрофобни връзки с левцинови остатъци друг протеин. С помощта на левцинови ципи, например, молекулите на силно основни хистонови протеини могат да бъдат комплексирани, преодолявайки положителен заряд.

Третична структура на протеина- това е пространственото разположение на белтъчната молекула, стабилизирано от връзките между страничните радикали на аминокиселините.

Видове връзки, които стабилизират третичната структура на протеина:

електростатичен водороден хидрофобен дисулфид

взаимодействие комуникация взаимодействие комуникация

В зависимост от нагъването на третичната структура, протеините могат да се класифицират на два основни типа - фибриларни и глобуларни.

Фибриларните протеини са дълги, нишковидни молекули, неразтворими във вода, полипептидните вериги на които са удължени по едната ос. Това са главно структурни и контрактилни протеини. Някои примери за най-често срещаните фибриларни протеини:

1. α-кератини. Синтезиран от епидермалните клетки. Те представляват почти цялото сухо тегло на косата, козината, перата, рогата, ноктите, ноктите, перата, люспите, копитата и черупката на костенурката, както и значителна част от теглото на външния слой на кожата. Това е цяло семейство протеини; те са сходни по аминокиселинен състав, съдържат много цистеинови остатъци и имат еднакво пространствено разположение на полипептидните вериги. В космените клетки полипептидните вериги на кератина първо се организират във влакна, от които след това се образуват структури като въже или усукан кабел, като в крайна сметка изпълват цялото пространство на клетката. Космените клетки се сплескват и накрая умират, а клетъчните стени образуват тръбна обвивка, наречена кутикула около всеки косъм. В α-кератина полипептидните вериги имат формата на α-спирала, усукана една около друга в трижилен кабел с образуване на кръстосани дисулфидни връзки. N-терминалните остатъци са разположени от едната страна (успоредно). Кератините са неразтворими във вода поради преобладаването на аминокиселини в техния състав с неполярни странични радикали, които са обърнати към водната фаза. По време на къдрене протичат следните процеси: първо дисулфидните мостове се разрушават чрез редукция с тиоли и след това, когато косата получи необходимата форма, тя се изсушава чрез нагряване, докато поради окисляване с атмосферен кислород се образуват нови дисулфидни мостове , които запазват формата на прическата.

2. β-кератини. Те включват фиброин от коприна и паяжина. Те са антипаралелни β-нагънати слоеве с преобладаване на глицин, аланин и серин в състава.

3. Колаген. Най-често срещаният протеин при висшите животни и основният фибриларен протеин на съединителната тъкан. Колагенът се синтезира във фибробластите и хондроцитите – специализирани клетки на съединителната тъкан, от които след това се изхвърля. Колагеновите влакна се намират в кожата, сухожилията, хрущялите и костите. Те не се разтягат, по-здрави са от стоманената тел, а колагеновите фибрили се характеризират с напречни ивици. При варене във вода влакнестият, неразтворим и несмилаем колаген се превръща в желатин чрез хидролиза на някои от ковалентните връзки. Колагенът съдържа 35% глицин, 11% аланин, 21% пролин и 4-хидроксипролин (аминокиселина, уникална за колагена и еластина). Този състав определя относително ниската хранителна стойност на желатина като хранителен протеин. Колагеновите фибрили са съставени от повтарящи се полипептидни субединици, наречени тропоколаген. Тези субединици са подредени по протежение на фибрила под формата на успоредни снопове по начин от глава до опашка. Изместването на главите дава характерните напречни ивици. Кухините в тази структура, ако е необходимо, могат да служат като място за отлагане на кристали от хидроксиапатит Ca 5 (OH) (PO 4) 3, който играе важна роля в минерализацията на костите.

Тропоколагеновите субединици се състоят от три полипептидни вериги, плътно навити в тринишково въже, различно от α- и β-кератините. При някои колагени и трите вериги имат еднаква аминокиселинна последователност, докато при други само две вериги са идентични, а третата е различна. Полипептидната верига на тропоколагена образува лява спирала, само с три аминокиселинни остатъка на завъртане поради извивките на веригата, причинени от пролин и хидроксипролин. Трите вериги са свързани една с друга, в допълнение към водородните връзки, чрез връзка от ковалентен тип, образувана между два лизинови остатъка, разположени в съседни вериги:

С напредването на възрастта се образуват повече напречни връзки в и между субединиците на тропоколагена, което прави колагеновите фибрили по-твърди и по-чупливи, а това променя механичните свойства на хрущяла и сухожилията, прави костите по-чупливи и намалява прозрачността на роговицата. .

4. Еластин. Съдържа се в жълтата еластична тъкан на връзките и еластичния слой на съединителната тъкан в стените на големите артерии. Основната субединица на еластиновите фибрили е тропоеластин. Еластинът е богат на глицин и аланин, съдържа много лизин и малко пролин. Спираловидните участъци на еластина се разтягат, когато се приложи напрежение, но се връщат към първоначалната си дължина, когато натоварването се премахне. Лизиновите остатъци на четири различни вериги образуват ковалентни връзки помежду си и позволяват на еластина да се разтяга обратимо във всички посоки.

Глобуларните протеини са протеини, чиято полипептидна верига е нагъната в компактна глобула и са способни да изпълняват голямо разнообразие от функции.

Най-удобно е да се разгледа третичната структура на глобуларните протеини, като се използва примерът на миоглобина. Миоглобинът е сравнително малък протеин, свързващ кислорода, който се намира в мускулните клетки. Съхранява свързания кислород и подпомага преноса му в митохондриите. Молекулата на миоглобина съдържа една полипептидна верига и една хемогрупа (хем) - комплекс от протопорфирин с желязо. Основни свойства на миоглобина:

а) молекулата на миоглобина е толкова компактна, че в нея могат да се поберат само 4 водни молекули;

б) всички полярни аминокиселинни остатъци, с изключение на два, са разположени на външната повърхност на молекулата и всички те са в хидратирано състояние;

в) повечето от хидрофобните аминокиселинни остатъци са разположени вътре в молекулата на миоглобина и по този начин са защитени от контакт с вода;

г) всеки от четирите пролинови остатъка в миоглобиновата молекула е разположен на мястото на огъване на полипептидната верига; остатъците на серин, треонин и аспарагин са разположени на други места на огъване, тъй като такива аминокиселини предотвратяват образуването на α-спирала, ако те са разположени един до друг;

д) плоска група хем се намира в кухина (джоб) близо до повърхността на молекулата, атомът на желязото има две координационни връзки, насочени перпендикулярно на равнината на хема, едната от тях е свързана с хистидиновия остатък 93, а другата служи за свързване кислородна молекула.

Започвайки от третичната структура, протеинът става способен да изпълнява присъщите си биологични функции. Основата на функционирането на протеините е, че когато на повърхността на протеина се постави третична структура, се образуват области, които могат да прикрепят други молекули, наречени лиганди. Високата специфичност на взаимодействието на протеина с лиганда се осигурява от комплементарността на структурата на активния център към структурата на лиганда. Допълването е пространственото и химическо съответствие на взаимодействащите си повърхности. За повечето протеини третичната структура е максималното ниво на нагъване.

Кватернерна протеинова структура– характеристика на протеини, състоящи се от две или повече полипептидни вериги, свързани една с друга изключително чрез нековалентни връзки, главно електростатични и водородни. Най-често протеините съдържат две или четири субединици; повече от четири субединици обикновено съдържат регулаторни протеини.

Протеините, които имат кватернерна структура, често се наричат олигомерни. Има хомомерни и хетеромерни протеини. Хомомерните протеини включват протеини, в които всички субединици имат еднаква структура, например ензимът каталаза се състои от четири абсолютно идентични субединици. Хетеромерните протеини имат различни субединици; например ензимът РНК полимераза се състои от пет структурно различни субединици, които изпълняват различни функции.

Взаимодействието на една субединица със специфичен лиганд причинява конформационни промени в целия олигомерен протеин и променя афинитета на други субединици към лиганди; това свойство е в основата на способността на олигомерните протеини да претърпят алостерична регулация.

Кватернерната структура на протеина може да се разгледа на примера на хемоглобина. Съдържа четири полипептидни вериги и четири хем простетични групи, в които железните атоми са във формата на желязо Fe 2+. Белтъчната част на молекулата, глобин, се състои от две α-вериги и две β-вериги, съдържащи до 70% α-спирали. Всяка от четирите вериги има характерна третична структура и една хемогрупа е свързана с всяка верига. Хемите на различните вериги са разположени сравнително далеч една от друга и имат различни ъгли на наклон. Малко директни контакти се образуват между две α-вериги и две β-вериги, докато множество контакти от типа α 1 β 1 и α 2 β 2, образувани от хидрофобни радикали, възникват между α и β веригите. Между α 1 β 1 и α 2 β 2 остава канал.

За разлика от миоглобина, хемоглобинът се характеризира със значително по-нисък афинитет към кислорода, което му позволява при ниски парциални налягания на кислорода, съществуващи в тъканите, да им отдаде значителна част от свързания кислород. Кислородът се свързва по-лесно от желязото на хемоглобина при по-високи стойности на pH и ниски концентрации на CO 2, характерни за алвеолите на белите дробове; освобождаването на кислород от хемоглобина се благоприятства от по-ниските стойности на pH и високите концентрации на CO 2, характерни за тъканите.

В допълнение към кислорода хемоглобинът пренася водородни йони, които се свързват с хистидиновите остатъци във веригите. Хемоглобинът също носи въглероден диоксид, който се свързва с крайната аминогрупа на всяка от четирите полипептидни вериги, което води до образуването на карбаминохемоглобин:

Веществото 2,3-дифосфоглицерат (DPG) присъства в еритроцитите в доста високи концентрации, съдържанието му се увеличава при издигане на голяма надморска височина и по време на хипоксия, което улеснява освобождаването на кислород от хемоглобина в тъканите. DPG се намира в канала между α 1 β 1 и α 2 β 2, взаимодействайки с положително замърсени групи от β-вериги. Когато хемоглобинът свързва кислорода, DPG се изтласква от кухината. Червените кръвни клетки на някои птици съдържат не DPG, а инозитол хексафосфат, който допълнително намалява афинитета на хемоглобина към кислорода.

2,3-дифосфоглицерат (DPG)

HbA е нормален хемоглобин за възрастни, HbF е фетален хемоглобин, има по-голям афинитет към O 2, HbS е хемоглобин при сърповидноклетъчна анемия. Сърповидноклетъчната анемия е сериозно наследствено заболяване, причинено от генетична аномалия на хемоглобина. В кръвта на болните хора има необичайно голям брой тънки сърповидни червени кръвни клетки, които, първо, лесно се разкъсват и второ, запушват кръвоносните капиляри. На молекулярно ниво хемоглобин S се различава от хемоглобин А с един аминокиселинен остатък в позиция 6 на β-веригите, където се намира валин вместо остатък от глутаминова киселина. По този начин хемоглобин S съдържа два по-малко отрицателни заряда; появата на валин води до появата на „лепкав“ хидрофобен контакт на повърхността на молекулата; в резултат на това по време на деоксигенирането молекулите на дезоксихемоглобин S се слепват и образуват неразтворими, необичайно дълги нишковидни агрегати, водещи до деформация на червените кръвни клетки.

Няма причина да се смята, че има независим генетичен контрол върху формирането на нивата на структурна организация на протеина над първичната, тъй като първичната структура определя вторичната, третичната и четвъртичната (ако има такива). Естествената конформация на протеин е термодинамично най-стабилната структура при дадени условия.

Съвременното протеиново хранене не може да се представи без отчитане на ролята на отделните аминокиселини. Дори при общ положителен протеинов баланс, тялото на животното може да изпитва липса на протеин. Това се дължи на факта, че усвояването на отделните аминокиселини е взаимосвързано помежду си; дефицитът или излишъкът на една аминокиселина може да доведе до дефицит на друга.
Някои аминокиселини не се синтезират в човешкото и животинското тяло. Наричат ги незаменими. Има само десет такива аминокиселини. Четири от тях са критични (ограничаващи) – най-често ограничават растежа и развитието на животните.
В диети за домашни птици основните лимитиращи аминокиселини са метионин и цистин, в диети за свине – лизин. Тялото трябва да получава достатъчно количество от основната ограничаваща киселина с храната, така че другите аминокиселини да могат ефективно да се използват за синтеза на протеини.

Този принцип е илюстриран от "цевта на Liebig", където нивото на запълване на цевта представлява нивото на протеинов синтез в тялото на животното. Най-късата дъска в цевта „ограничава“ способността за задържане на течност в нея. Ако тази дъска се удължи, тогава обемът на течността, задържана в цевта, ще се увеличи до нивото на втората ограничителна дъска.
Най-важният фактор, определящ продуктивността на животното, е балансът на съдържащите се в него аминокиселини в съответствие с физиологичните нужди. Многобройни изследвания са доказали, че при прасетата, в зависимост от породата и пола, нуждата от аминокиселини се различава количествено. Но съотношението на незаменимите аминокиселини за синтеза на 1 g протеин е същото. Това съотношение на незаменими аминокиселини към лизин, като основна ограничаваща аминокиселина, се нарича „идеален протеин“ или „идеален аминокиселинен профил“. (

Лизин

е част от почти всички протеини от животински, растителен и микробен произход, но зърнените протеини са бедни на лизин.

Лизинът регулира репродуктивната функция, неговият дефицит нарушава образуването на сперматозоиди и яйцеклетки.
Необходим за растежа на младите животни и образуването на тъканни протеини. Лизинът участва в синтеза на нуклеопротеини, хромопротеини (хемоглобин), като по този начин регулира пигментацията на козината на животните. Регулира количеството на продуктите от разпада на протеините в тъканите и органите.
Насърчава усвояването на калций
Участва във функционалната активност на нервната и ендокринната система, регулира метаболизма на протеини и въглехидрати, но когато реагира с въглехидрати, лизинът става недостъпен за абсорбция.
Лизинът е изходното вещество при образуването на карнитин, който играе важна роля в метаболизма на мазнините.

Метионин и цистинсяросъдържащи аминокиселини. В този случай метионинът може да се трансформира в цистин, така че тези аминокиселини се разпределят заедно и ако има дефицит, в диетата се въвеждат добавки с метионин. И двете аминокиселини участват в образуването на кожни производни - коса, пера; заедно с витамин Е регулират отстраняването на излишните мазнини от черния дроб и са необходими за растежа и възпроизводството на клетките и червените кръвни клетки. Ако има липса на метионин, цистинът е неактивен. Въпреки това не трябва да се допуска значителен излишък на метионин в диетата.

Метионин

насърчава отлагането на мазнини в мускулите, необходим е за образуването на нови органични съединения холин (витамин B4), креатин, адреналин, ниацин (витамин B5) и др.
Дефицитът на метионин в диетата води до намаляване на нивото на плазмените протеини (албумин), причинява анемия (нивото на хемоглобина в кръвта намалява), докато едновременната липса на витамин Е и селен допринася за развитието на мускулна дистрофия. Недостатъчното количество метионин в храната причинява забавяне на растежа на младите животни, загуба на апетит, намалена производителност, увеличени разходи за храна, затлъстяване на черния дроб, нарушена бъбречна функция, анемия и изтощение.
Излишъкът от метионин нарушава използването на азот, причинява дегенеративни промени в черния дроб, бъбреците, панкреаса и увеличава нуждата от аргинин и глицин. При голям излишък на метионин се наблюдава дисбаланс (балансът на аминокиселините е нарушен, който се основава на резки отклонения от оптималното съотношение на незаменимите аминокиселини в диетата), което е придружено от метаболитни нарушения и инхибиране на скоростта на растеж. при млади животни.
Цистинът е аминокиселина, съдържаща сяра, взаимозаменяема с метионин, участва в окислително-възстановителните процеси, метаболизма на протеини, въглехидрати и жлъчни киселини, насърчава образуването на вещества, които неутрализират чревните отрови, активира инсулина, заедно с триптофан, цистинът участва в синтеза в черния дроб на жлъчните киселини, необходими за усвояването на продуктите от смилането на мазнините от червата, използвани за синтеза на глутатион. Цистинът има способността да абсорбира ултравиолетовите лъчи. При липса на цистин има цироза на черния дроб, забавяне на оперението и растежа на перата при млади птици, крехкост и загуба (скубане) на пера при възрастни птици и намалена устойчивост на инфекциозни заболявания.

Триптофан

определя физиологичната активност на ензимите на храносмилателния тракт, окислителните ензими в клетките и редица хормони, участва в обновяването на протеините на кръвната плазма, определя нормалното функциониране на ендокринния и хемопоетичния апарат, репродуктивната система, синтеза на гама-глобулини , хемоглобин, никотинова киселина, лилаво око и др. В случай на дефицит в диетата на триптофан, растежът на младите животни се забавя, производството на яйца на кокошките носачки намалява, разходите за фураж за производство се увеличават, ендокринните и половите жлези атрофират , настъпва слепота, развива се анемия (броят на червените кръвни клетки и нивото на хемоглобина в кръвта намалява), устойчивостта и имунните свойства на организма, оплождането и люпимостта на яйцата намаляват. При прасета, хранени с диета с ниско съдържание на триптофан, приемът на храна намалява, появява се извратен апетит, четината става по-груба и изтъняла, забелязва се омазняване на черния дроб. Дефицитът на тази аминокиселина също води до стерилитет, повишена възбудимост, конвулсии, образуване на катаракта, отрицателен азотен баланс и загуба на живо тегло. Триптофанът, като прекурсор (провитамин) на никотиновата киселина, предотвратява развитието на пелагра.

Биологична роля на аминокиселините:

са структурни елементи на пептиди и протеини, така наречените протеиногенни аминокиселини. Протеините съдържат 20 аминокиселини, които са кодирани от генетичния код и се включват в протеините по време на транслацията, някои от тях могат да бъдат фосфорилирани, ацилирани или хидроксилирани;

могат да бъдат структурни елементи на други природни съединения - коензими, жлъчни киселини, антибиотици;

са сигнални молекули. Някои от аминокиселините са невротрансмитери или прекурсори на невротрансмитери, хормони и хистохормони;

са най-важните метаболити, например някои аминокиселини са прекурсори на растителни алкалоиди или служат като донори на азот, или са жизненоважни компоненти на храненето.

1. Алифатни аминокиселини:

глицин, гли,G,Gly

аланин, ала, A, Ala

валин, вал,V,Val*

левцин, леи,L,Leu*

изолевцин, тиня,аз, Иле*

цистеин, цис, Cys

метионин, мет,M,Met*

3. Ароматни аминокиселини:

фенилаланин, сешоар,F,Phe*

тирозин, стрелбище,Y,Тир

триптофан, три,W,Trp*

хистидин, gis,H,Неговото

4. Неутрални аминокиселини:

серин, сиво,S,Ser

треонин, тре,T,Thr*

аспарагин, asn, N,Asn

глутамин, gln, Q,Gln

5. Киселинни аминокиселини:

аспарагинова киселина (аспартат), аспид,D,Asp

глутаминова киселина (глутамат), глу, E, Glu

6. Есенциални аминокиселини:

лизин, л от, K,Lys*

аргинин, арг,R,Arg

7. Имино киселина:

пролин, относно,P,Pro

β-аланин
цистеамин

гликохолева киселина

обща формула на пеницилините

Самите аминокиселини глицин и глутамат са невротрансмитери в централната нервна система.

допамин (невротрансмитер) норепинефрин (невротрансмитер)

адреналин (хормон) хистамин (трансмитер и хистохормон)

серотонин (невротрансмитер и хистохормон) GABA (невротрансмитер)

тироксин (хормон)

индолилоцетна киселина

папаверин физостигмин

ПРОТЕИНИ

Протеините са високомолекулни вещества, състоящи се от аминокиселини, свързани с пептидни връзки.

Функции на протеините:

Каталитична функция. Най-многобройната група протеини се състои от ензими - протеини с каталитична активност, които ускоряват химичните реакции. Примери за ензими са пепсин, алкохол дехидрогеназа, глутамин синтетаза.

Структурообразуваща функция. Структурните протеини са отговорни за поддържането на формата и стабилността на клетките и тъканите, те включват кератини, колаген, фиброин.

Транспортна функция. Транспортните протеини пренасят молекули или йони от един орган в друг или през мембрани в клетката, например хемоглобин, серумен албумин, йонни канали.

Защитна функция. Протеините на системата за хомеостаза защитават организма от патогени, чужда информация, загуба на кръв - имуноглобулини, фибриноген, тромбин.

Регулаторна функция. Протеините изпълняват функциите на сигнални вещества - някои хормони, хистохормони и невротрансмитери, са рецептори за сигнални вещества от всякаква структура и осигуряват по-нататъшно предаване на сигнала в биохимичните сигнални вериги на клетката. Примерите включват растежния хормон соматотропин, хормона инсулин, Н- и М-холинергичните рецептори.

Двигателна функция. С помощта на протеини се осъществяват процесите на свиване и други биологични движения. Примерите включват тубулин, актин и миозин.

Резервна функция. Растенията съдържат резервни протеини, които са ценни хранителни вещества; в телата на животните мускулните протеини служат като резервни хранителни вещества, които се мобилизират, когато е абсолютно необходимо.

Протеините се характеризират с наличието на няколко нива на структурна организация.

аланилфенилаланилцистеилпролин

Пептидната връзка има няколко характеристики:

в) заместители по отношение на пептидната връзка са в транс-позиция;

Някои пептиди с ниско молекулно тегло играят независима биологична роля. Примери за някои от тези пептиди:

Мет-енкефалин - тир-гли-гли-фен-мет - пептид, синтезиран в невроните и намаляващ болката.

Основни характеристики на α-спиралата:

α-спиралата се стабилизира чрез водородни връзки между водородния атом при азота на пептидната група и карбонилния кислород на остатъка, разположен на четири позиции по веригата;

Всички пептидни групи участват в образуването на водородна връзка, това осигурява максимална стабилност на α-спиралата;

всички азотни и кислородни атоми на пептидни групи участват в образуването на водородни връзки, което значително намалява хидрофилността на α-спиралните области и повишава тяхната хидрофобност;

α-спиралата се образува спонтанно и е най-стабилната конформация на полипептидната верига, съответстваща на минималната свободна енергия;

В полипептидна верига от L-аминокиселини, дясната спирала, която обикновено се среща в протеините, е много по-стабилна от лявата.

паралелен β-лист антипаралелен β-лист

Някои примери за често повтарящи се надвторични структури:

αα’ – протеини, съдържащи само α-спирали (миоглобин, хемоглобин);

ββ’ – протеини, съдържащи само β-структури (имуноглобулини, супероксиддисмутаза);

βαβ’ – структура на β-бъчва, всеки β-слой е разположен вътре в цевта и е свързан с α-спирала, разположена на повърхността на молекулата (триозофосфоизомераза, лактатдехидрогеназа);

„цинков пръст“ - протеинов фрагмент, състоящ се от 20 аминокиселинни остатъка, цинковият атом е свързан с два цистеинови остатъка и два хистидинови остатъка, което води до образуването на „пръст“ от приблизително 12 аминокиселинни остатъка, които могат да се свързват към регулаторните области на ДНК молекулата;

„левцинова ципа“ - взаимодействащите протеини имат α-спирална област, съдържаща най-малко 4 левцинови остатъка, те са разположени на 6 аминокиселини една от друга, т.е. те са на повърхността на всеки втори оборот и могат да образуват хидрофобни връзки с левцинови остатъци на друг протеин . С помощта на левцинови ципи, например, молекулите на силно основни хистонови протеини могат да бъдат комплексирани, преодолявайки положителен заряд.

Видове връзки, които стабилизират третичната структура на протеина:

електростатичен водороден хидрофобен дисулфид

взаимодействие комуникация взаимодействие комуникация

α-кератини. Синтезиран от епидермалните клетки. Те представляват почти цялото сухо тегло на косата, козината, перата, рогата, ноктите, ноктите, перата, люспите, копитата и черупката на костенурката, както и значителна част от теглото на външния слой на кожата. Това е цяло семейство протеини; те са сходни по аминокиселинен състав, съдържат много цистеинови остатъци и имат еднакво пространствено разположение на полипептидните вериги. В космените клетки полипептидните вериги на кератина първо се организират във влакна, от които след това се образуват структури като въже или усукан кабел, като в крайна сметка изпълват цялото пространство на клетката. Космените клетки се сплескват и накрая умират, а клетъчните стени образуват тръбна обвивка, наречена кутикула около всеки косъм. В α-кератина полипептидните вериги имат формата на α-спирала, усукана една около друга в трижилен кабел с образуване на кръстосани дисулфидни връзки. N-терминалните остатъци са разположени от едната страна (успоредно). Кератините са неразтворими във вода поради преобладаването на аминокиселини в техния състав с неполярни странични радикали, които са обърнати към водната фаза. По време на къдрене протичат следните процеси: първо дисулфидните мостове се разрушават чрез редукция с тиоли и след това, когато косата получи необходимата форма, тя се изсушава чрез нагряване, докато поради окисляване с атмосферен кислород се образуват нови дисулфидни мостове , които запазват формата на прическата.

β-кератини. Те включват фиброин от коприна и паяжина. Те са антипаралелни β-нагънати слоеве с преобладаване на глицин, аланин и серин в състава.

Колаген. Най-често срещаният протеин при висшите животни и основният фибриларен протеин на съединителната тъкан. Колагенът се синтезира във фибробластите и хондроцитите – специализирани клетки на съединителната тъкан, от които след това се изхвърля. Колагеновите влакна се намират в кожата, сухожилията, хрущялите и костите. Те не се разтягат, по-здрави са от стоманената тел, а колагеновите фибрили се характеризират с напречни ивици. При варене във вода влакнестият, неразтворим и несмилаем колаген се превръща в желатин чрез хидролиза на някои от ковалентните връзки. Колагенът съдържа 35% глицин, 11% аланин, 21% пролин и 4-хидроксипролин (аминокиселина, уникална за колагена и еластина). Този състав определя относително ниската хранителна стойност на желатина като хранителен протеин. Колагеновите фибрили са съставени от повтарящи се полипептидни субединици, наречени тропоколаген. Тези субединици са подредени по протежение на фибрила под формата на успоредни снопове по начин от глава до опашка. Изместването на главите дава характерните напречни ивици. Кухините в тази структура, ако е необходимо, могат да служат като място за отлагане на кристали от хидроксиапатит Ca 5 (OH) (PO 4) 3, който играе важна роля в минерализацията на костите.

еластин. Съдържа се в жълтата еластична тъкан на връзките и еластичния слой на съединителната тъкан в стените на големите артерии. Основната субединица на еластиновите фибрили е тропоеластин. Еластинът е богат на глицин и аланин, съдържа много лизин и малко пролин. Спираловидните участъци на еластина се разтягат, когато се приложи напрежение, но се връщат към първоначалната си дължина, когато натоварването се премахне. Лизиновите остатъци на четири различни вериги образуват ковалентни връзки помежду си и позволяват на еластина да се разтяга обратимо във всички посоки.

а) молекулата на миоглобина е толкова компактна, че в нея могат да се поберат само 4 водни молекули;

2,3-дифосфоглицерат (DPG)

Протеините формират материалната основа на химическата активност на клетката. Функциите на протеините в природата са универсални. Име протеини,най-приетият термин в руската литература съответства на термина протеини(от гръцки протеиос- първи). Към днешна дата са направени големи крачки в установяването на връзката между структурата и функциите на протеините, механизма на тяхното участие в най-важните процеси на живота на тялото и в разбирането на молекулярната основа на патогенезата на много заболявания.

В зависимост от молекулното им тегло се разграничават пептиди и протеини. Пептидите имат по-ниско молекулно тегло от протеините. По-вероятно е пептидите да имат регулаторна функция (хормони, ензимни инхибитори и активатори, йонни транспортери през мембрани, антибиотици, токсини и др.).

12.1. α -Аминокиселини

12.1.1. Класификация

Пептидите и протеините са изградени от α-аминокиселинни остатъци. Общият брой на естествено срещащите се аминокиселини надхвърля 100, но някои от тях се срещат само в определена общност от организми; 20-те най-важни α-аминокиселини се намират постоянно във всички протеини (Схема 12.1).

α-Аминокиселините са хетерофункционални съединения, чиито молекули съдържат както аминогрупа, така и карбоксилна група при един и същ въглероден атом.

Схема 12.1.Най-важните α-аминокиселини*

* Съкращенията се използват само за записване на аминокиселинни остатъци в пептидни и протеинови молекули. ** Есенциални аминокиселини.

Имената на α-аминокиселините могат да бъдат конструирани с помощта на заместваща номенклатура, но техните тривиални имена се използват по-често.

Тривиалните имена за α-аминокиселини обикновено се свързват с източници на изолиране. Серинът е част от копринения фиброин (от лат. сериозен- копринен); Тирозинът е изолиран за първи път от сирене (от гръцки. тирос- сирене); глутамин - от зърнен глутен (от нем. Глутен- лепило); аспарагинова киселина - от кълнове от аспержи (от лат. аспержи- аспержи).

Много α-аминокиселини се синтезират в организма. Някои аминокиселини, необходими за синтеза на протеини, не се произвеждат в тялото и трябва да идват отвън. Тези аминокиселини се наричат незаменим(виж диаграма 12.1).

Есенциалните α-аминокиселини включват:

валин изолевцин метионин триптофан

левцин лизин треонин фенилаланин

α-Аминокиселините се класифицират по няколко начина в зависимост от характеристиката, която служи като основа за разделянето им на групи.

Един от класификационните признаци е химическата природа на радикала R. Въз основа на този признак аминокиселините се разделят на алифатни, ароматни и хетероциклични (виж диаграма 12.1).

Алифатниα -аминокиселини.Това е най-голямата група. В него аминокиселините са разделени с помощта на допълнителни класификационни характеристики.

В зависимост от броя на карбоксилните групи и аминогрупите в молекулата се разграничават:

Неутрални аминокиселини - по една NH група 2 и СООН;

Основни аминокиселини - две NH групи 2 и една група

СООН;

Киселинни аминокиселини - една NH 2 група и две COOH групи.

Може да се отбележи, че в групата на алифатните неутрални аминокиселини броят на въглеродните атоми във веригата не надвишава шест. В същото време във веригата няма аминокиселини с четири въглеродни атома, а аминокиселините с пет и шест въглеродни атома имат само разклонена структура (валин, левцин, изолевцин).

Алифатният радикал може да съдържа "допълнителни" функционални групи:

Хидроксил - серин, треонин;

Карбоксилни - аспарагинова и глутаминова киселини;

Тиол - цистеин;

Амид - аспарагин, глутамин.

Ароматниα -аминокиселини.Тази група включва фенилаланин и тирозин, конструирани по такъв начин, че бензеновите пръстени в тях са отделени от общия α-аминокиселинен фрагмент от метиленовата група -CH 2-.

Хетероцикличен α -аминокиселини.Хистидинът и триптофанът, принадлежащи към тази група, съдържат хетероцикли - съответно имидазол и индол. Структурата и свойствата на тези хетероцикли са обсъдени по-долу (вижте 13.3.1; 13.3.2). Общият принцип на конструиране на хетероцикличните аминокиселини е същият като ароматните.

Хетероцикличните и ароматните α-аминокиселини могат да се разглеждат като β-заместени производни на аланин.

Аминокиселината също принадлежи към героцикличните пролин,в който вторичната амино група е включена в пиролидина

В химията на α-аминокиселините се обръща много внимание на структурата и свойствата на "страничните" радикали R, които играят важна роля при формирането на структурата на протеините и изпълнението на техните биологични функции. От голямо значение са такива характеристики като полярността на "страничните" радикали, наличието на функционални групи в радикалите и способността на тези функционални групи да се йонизират.

В зависимост от страничния радикал, аминокиселините с неполярни(хидрофобни) радикали и аминокиселини c полярен(хидрофилни) радикали.

Първата група включва аминокиселини с алифатни странични радикали - аланин, валин, левцин, изолевцин, метионин - и ароматни странични радикали - фенилаланин, триптофан.

Втората група включва аминокиселини, които имат полярни функционални групи в техните радикали, които са способни на йонизация (йоногенни) или не могат да се трансформират в йонно състояние (нейонни) при условия на тялото. Например в тирозина хидроксилната група е йонна (фенолна по природа), в серина тя е нейонна (алкохолна по природа).

Полярните аминокиселини с йонни групи в радикалите при определени условия могат да бъдат в йонно (анионно или катионно) състояние.

12.1.2. Стереоизомерия

Основният тип конструкция на α-аминокиселините, т.е. връзката на един и същ въглероден атом с две различни функционални групи, радикал и водороден атом, сам по себе си предопределя хиралността на α-въглеродния атом. Изключение прави най-простата аминокиселина глицин Н 2 NCH 2 COOH, който няма център на хиралност.

Конфигурацията на α-аминокиселините се определя от конфигурационния стандарт - глицералдехид. Разположението на аминогрупата в стандартната проекционна формула на Фишер вляво (подобно на ОН групата в l-глицералдехид) съответства на l-конфигурацията, а вдясно - на d-конфигурацията на хиралния въглероден атом. от R,В S-системата α-въглеродният атом във всички α-аминокиселини от l-серията има S-конфигурация, а в d-серията R-конфигурация (изключение е цистеинът, вижте 7.1.2) .

Повечето α-аминокиселини съдържат един асиметричен въглероден атом на молекула и съществуват като два оптически активни енантиомера и един оптически неактивен рацемат. Почти всички естествени α-аминокиселини принадлежат към l-серията.

Аминокиселините изолевцин, треонин и 4-хидроксипролин съдържат два хирални центъра в молекулата.

Такива аминокиселини могат да съществуват като четири стереоизомера, представляващи две двойки енантиомери, всяка от които образува рацемат. За изграждане на животински протеини се използва само един от енантиомерите.

Стереоизомерията на изолевцин е подобна на обсъдената по-рано стереоизомерия на треонин (вижте 7.1.3). От четирите стереоизомера, протеините съдържат l-изолевцин с S конфигурация на двата асиметрични въглеродни атома C-α и C-β. Имената на друга двойка енантиомери, които са диастереомери по отношение на левцин, използват префикса Здравейте-.

Разцепване на рацемати. Източникът на α-аминокиселини от l-серията са протеини, които за тази цел се подлагат на хидролитично разцепване. Поради голямата нужда от отделни енантиомери (за синтеза на протеини, лекарствени вещества и др.) химическиметоди за разграждане на синтетични рацемични аминокиселини. Предпочитан ензименметод на храносмилане с помощта на ензими. Понастоящем хроматографията върху хирални сорбенти се използва за разделяне на рацемични смеси.

12.1.3. Киселинно-базови свойства

Амфотерността на аминокиселините се определя от киселинни (COOH) и основни (NH 2) функционални групи в техните молекули. Аминокиселините образуват соли както с основи, така и с киселини.

В кристално състояние α-аминокиселините съществуват като диполярни йони H3N+ - CHR-COO- (често използвано обозначение

Структурата на аминокиселината в нейонизирана форма е само за удобство).

Във воден разтвор аминокиселините съществуват под формата на равновесна смес от двуполюсен йон, катионни и анионни форми.

Равновесното положение зависи от pH на средата. За всички аминокиселини катионните форми преобладават в силно киселинни (pH 1-2) и анионните форми в силно алкални (pH > 11) среди.

Йонната структура определя редица специфични свойства на аминокиселините: висока точка на топене (над 200 ° С), разтворимост във вода и неразтворимост в неполярни органични разтворители. Способността на повечето аминокиселини да се разтварят добре във вода е важен фактор за осигуряване на тяхното биологично функциониране, с което са свързани усвояването на аминокиселините, транспортирането им в тялото и др.

Напълно протонирана аминокиселина (катионна форма), от гледна точка на теорията на Brønsted, е двуосновна киселина,

Отдавайки един протон, такава двуосновна киселина се превръща в слаба едноосновна киселина - двуполюсен йон с една киселинна група NH 3 + . Депротонирането на диполярния йон води до получаване на анионната форма на аминокиселината - карбоксилатен йон, който е база на Брьонстед. Стойностите характеризират

Основните киселинни свойства на карбоксилната група на аминокиселините обикновено варират от 1 до 3; стойности pK a2характеризиращ киселинността на амониевата група - от 9 до 10 (Таблица 12.1).

Таблица 12.1.Киселинно-алкални свойства на най-важните α-аминокиселини

Равновесното положение, т.е. съотношението на различни форми на аминокиселина, във воден разтвор при определени стойности на рН значително зависи от структурата на радикала, главно от наличието на йонни групи в него, играещи ролята на допълнителни киселинни и основни центрове.

Стойността на рН, при която концентрацията на диполярни йони е максимална, а минималните концентрации на катионни и анионни форми на аминокиселина са равни, се наричаизоелектрична точка (p/).

Неутраленα -аминокиселини.Тези аминокиселини имат значениеpIмалко по-ниска от 7 (5,5-6,3) поради по-голямата способност за йонизиране на карбоксилната група под влияние на -/- ефекта на NH 2 групата. Например аланинът има изоелектрична точка при pH 6,0.

киселоα -аминокиселини.Тези аминокиселини имат допълнителна карбоксилна група в радикала и са в напълно протонирана форма в силно кисела среда. Киселинните аминокиселини са триосновни (според Брьонстед) с три значенияpK a,както може да се види в примера с аспарагиновата киселина (p/ 3.0).

За киселинните аминокиселини (аспарагинова и глутаминова) изоелектричната точка е при рН много по-ниско от 7 (виж таблица 12.1). В тялото при физиологични стойности на рН (например рН на кръвта 7,3-7,5) тези киселини са в анионна форма, тъй като и двете карбоксилни групи са йонизирани.

Основенα -аминокиселини.В случай на основни аминокиселини, изоелектричните точки са разположени в областта на рН над 7. В силно кисела среда тези съединения също са триосновни киселини, йонизационните етапи на които са илюстрирани с примера на лизин (p/ 9,8) .

В тялото основните аминокиселини се намират под формата на катиони, тоест и двете аминогрупи са протонирани.

По принцип няма α-аминокиселина in vivoне е в своята изоелектрична точка и не попада в състояние, съответстващо на най-ниската разтворимост във вода. Всички аминокиселини в тялото са в йонна форма.

12.1.4. Аналитично важни реакции α -аминокиселини

α-Аминокиселините, като хетерофункционални съединения, влизат в реакции, характерни както за карбоксилната, така и за аминогрупата. Някои химични свойства на аминокиселините се дължат на функционалните групи в радикала. Този раздел обсъжда реакции, които са от практическо значение за идентифицирането и анализа на аминокиселини.

Естерификация.Когато аминокиселините реагират с алкохоли в присъствието на киселинен катализатор (например газ хлороводород), се получават естери под формата на хидрохлориди с добър добив. За да се изолират свободни естери, реакционната смес се третира с газ амоняк.

Аминокиселинните естери нямат диполярна структура, следователно, за разлика от изходните киселини, те се разтварят в органични разтворители и са летливи. Така глицинът е кристално вещество с висока точка на топене (292°C), а неговият метилов естер е течност с точка на кипене 130°C. Анализът на естери на аминокиселини може да се извърши с помощта на газово-течна хроматография.

Реакция с формалдехид. От практическо значение е реакцията с формалдехид, която е в основата на количественото определяне на аминокиселините по метода формолно титруване(метод на Sørensen).

Амфотерният характер на аминокиселините не позволява директно титруване с алкали за аналитични цели. Взаимодействието на аминокиселини с формалдехид произвежда относително стабилни аминоалкохоли (виж 5.3) - N-хидроксиметилови производни, чиято свободна карбоксилна група след това се титрува с основа.

Качествени реакции. Характеристика на химията на аминокиселините и протеините е използването на множество качествени (цветни) реакции, които преди това са формирали основата на химичния анализ. Днес, когато изследванията се извършват с помощта на физикохимични методи, много качествени реакции продължават да се използват за откриване на α-аминокиселини, например при хроматографски анализ.

Хелатиране. С катиони на тежки метали, α-аминокиселините като бифункционални съединения образуват вътрешнокомплексни соли, например с прясно приготвен меден (11) хидроксид при меки условия се получават добре кристализиращи хелати

соли на синя мед (11) (един от неспецифичните методи за откриване на α-аминокиселини).

Нинхидринова реакция. Общата качествена реакция на α-аминокиселините е реакцията с нинхидрин. Реакционният продукт има синьо-виолетов цвят, който се използва за визуално откриване на аминокиселини на хроматограми (на хартия, в тънък слой), както и за спектрофотометрично определяне на аминокиселинни анализатори (продуктът абсорбира светлина в областта на 550-570 nm).

Дезаминиране. В лабораторни условия тази реакция се осъществява чрез действието на азотиста киселина върху α-аминокиселини (виж 4.3). В този случай се образува съответната α-хидрокси киселина и се отделя азотен газ, чийто обем се използва за определяне на количеството реагирала аминокиселина (метод на Van-Slyke).

Ксантопротеинова реакция. Тази реакция се използва за откриване на ароматни и хетероциклични аминокиселини - фенилаланин, тирозин, хистидин, триптофан. Например, когато концентрирана азотна киселина действа върху тирозина, се образува нитропроизводно, оцветено в жълто. В алкална среда цветът става оранжев поради йонизация на фенолната хидроксилна група и увеличаване на приноса на аниона към конюгацията.

Съществуват и редица частни реакции, които позволяват откриването на отделни аминокиселини.

Триптофаноткрива се чрез реакция с р- (диметиламино) бензалдехид в сярна киселина чрез появата на червено-виолетов цвят (реакция на Ерлих). Тази реакция се използва за количествен анализ на триптофан в продуктите на разграждане на протеини.

цистеиноткрит чрез няколко качествени реакции, базирани на реактивността на меркапто групата, която съдържа. Например, когато протеинов разтвор с оловен ацетат (CH3COO)2Pb се нагрява в алкална среда, се образува черна утайка от оловен сулфид PbS, което показва наличието на цистеин в протеините.

12.1.5. Биологично важни химични реакции

В организма под въздействието на различни ензими се извършват редица важни химични трансформации на аминокиселините. Такива трансформации включват трансаминиране, декарбоксилиране, елиминиране, алдолно разцепване, окислително дезаминиране и окисление на тиолови групи.

Трансаминация е основният път за биосинтеза на α-аминокиселини от α-оксокиселини. Донорът на аминогрупата е аминокиселина, присъстваща в клетките в достатъчно количество или в излишък, а нейният акцептор е α-оксокиселина. В този случай аминокиселината се превръща в оксокиселина, а оксокиселината в аминокиселина със съответната структура на радикалите. В резултат на това трансаминирането е обратим процес на обмен на амино и оксо групи. Пример за такава реакция е производството на l-глутаминова киселина от 2-оксоглутарова киселина. Донорната аминокиселина може да бъде, например, 1-аспарагинова киселина.

α-Аминокиселините съдържат електрон-оттегляща аминогрупа (по-точно протонирана аминогрупа NH) в α-позиция към карбоксилната група 3 +), и следователно способен на декарбоксилиране.

Елиминиранехарактерни за аминокиселини, в които страничният радикал в β-позиция спрямо карбоксилната група съдържа електрон-оттегляща функционална група, например хидроксил или тиол. Елиминирането им води до междинни реактивни α-енаминокиселини, които лесно се трансформират в тавтомерни иминокиселини (аналогия с кето-енолната тавтомерия). В резултат на хидратация при връзката C=N и последващо елиминиране на молекулата на амоняка, α-иминокиселините се превръщат в α-оксо киселини.

Този тип трансформация се нарича елиминиране-хидратация.Пример за това е производството на пирогроздена киселина от серин.

Алдолно разцепване възниква в случай на α-аминокиселини, които съдържат хидроксилна група в β-позиция. Например серинът се разгражда до глицин и формалдехид (последният не се освобождава в свободна форма, а веднага се свързва с коензима).

Окислително дезаминиране може да се извърши с участието на ензими и коензима NAD+ или NADP+ (виж 14.3). α-Аминокиселините могат да бъдат превърнати в α-оксокиселини не само чрез трансаминиране, но и чрез окислително дезаминиране. Например α-оксоглутаровата киселина се образува от l-глутаминова киселина. В първия етап на реакцията глутаминовата киселина се дехидрогенира (окислява) до α-иминоглутарова киселина

киселини. Във втория етап настъпва хидролиза, което води до α-оксоглутарова киселина и амоняк. Етапът на хидролиза протича без участието на ензим.

Реакцията на редуктивно аминиране на α-оксо киселини протича в обратна посока. α-оксоглутаровата киселина, която винаги се съдържа в клетките (като продукт на въглехидратния метаболизъм), се превръща по този начин в L-глутаминова киселина.

Окисляване на тиолни групи е в основата на взаимното превръщане на цистеин и цистинови остатъци, осигурявайки редица редокс процеси в клетката. Цистеинът, подобно на всички тиоли (виж 4.1.2), лесно се окислява до образуване на дисулфид, цистин. Дисулфидната връзка в цистина лесно се редуцира до образуване на цистеин.

Поради способността на тиоловата група лесно да се окислява, цистеинът изпълнява защитна функция, когато тялото е изложено на вещества с висок окислителен капацитет. В допълнение, това е първото лекарство, което показва антирадиационни ефекти. Цистеинът се използва във фармацевтичната практика като стабилизатор на лекарства.

Превръщането на цистеин в цистин води до образуването на дисулфидни връзки, като редуциран глутатион

(вижте 12.2.3).

12.2. Първична структура на пептиди и протеини

Обикновено се смята, че пептидите съдържат до 100 аминокиселинни остатъка в молекула (което съответства на молекулно тегло до 10 хиляди), а протеините съдържат повече от 100 аминокиселинни остатъка (молекулно тегло от 10 хиляди до няколко милиона) .

От своя страна в групата на пептидите е обичайно да се разграничава олигопептиди(пептиди с ниско молекулно тегло), съдържащи не повече от 10 аминокиселинни остатъка във веригата, и полипептиди,чиято верига включва до 100 аминокиселинни остатъка. Макромолекулите с брой аминокиселинни остатъци, близки или леко надвишаващи 100, не правят разлика между полипептиди и протеини; тези термини често се използват като синоними.

Молекулата на пептид и протеин може да бъде формално представена като продукт на поликондензация на α-аминокиселини, която възниква с образуването на пептидна (амидна) връзка между мономерни единици (схема 12.2).

Дизайнът на полиамидната верига е еднакъв за цялото разнообразие от пептиди и протеини. Тази верига има неразклонена структура и се състои от редуващи се пептидни (амидни) групи -CO-NH- и фрагменти -CH(R)-.

Единият край на веригата съдържа аминокиселина със свободна NH група 2, се нарича N-край, другият се нарича С-край,

Схема 12.2.Принципът на изграждане на пептидна верига

който съдържа аминокиселина със свободна СООН група. Пептидните и протеиновите вериги се записват от N-края.

12.2.1. Структура на пептидната група

В пептидната (амидна) група -CO-NH- въглеродният атом е в състояние на sp2 хибридизация. Несподелената електронна двойка на азотния атом влиза в конюгация с π-електроните на двойната връзка C=O. От гледна точка на електронната структура, пептидната група е трицентрова p,π-конюгирана система (виж 2.3.1), електронната плътност в която е изместена към по-електроотрицателния кислороден атом. Атомите C, O и N, образуващи спрегната система, са разположени в една и съща равнина. Разпределението на електронната плътност в амидната група може да бъде представено с помощта на граничните структури (I) и (II) или изместването на електронната плътност в резултат на +M- и -M-ефектите съответно на NH и C=O групите (III).

В резултат на конюгацията се получава известно подравняване на дължините на връзките. Двойната C=O връзка се удължава до 0,124 nm спрямо обичайната дължина от 0,121 nm, а C-N връзката става по-къса - 0,132 nm спрямо 0,147 nm в обичайния случай (фиг. 12.1). Равнинната конюгирана система в пептидната група причинява трудности при въртене около C-N връзката (ротационната бариера е 63-84 kJ/mol). По този начин електронната структура определя доста твърда апартаментструктурата на пептидната група.

Както се вижда от фиг. 12.1, α-въглеродните атоми на аминокиселинните остатъци са разположени в равнината на пептидната група от противоположните страни на C-N връзката, т.е. в по-благоприятна транс позиция: страничните радикали R на аминокиселинните остатъци в този случай ще бъдат най-отдалечени един от друг в пространството.

Полипептидната верига има изненадващо еднаква структура и може да бъде представена като поредица една от друга, разположени под ъгъл.

Ориз. 12.1.Планарно разположение на пептидната група -CO-NH- и α-въглеродни атоми на аминокиселинни остатъци

една към друга равнини на пептидни групи, свързани една с друга чрез α-въглеродни атоми чрез Cα-N и Cα-Csp връзки 2 (фиг. 12.2). Въртенето около тези единични връзки е много ограничено поради трудностите в пространственото разполагане на страничните радикали на аминокиселинните остатъци. По този начин електронната и пространствена структура на пептидната група до голяма степен определя структурата на полипептидната верига като цяло.

Ориз. 12.2.Относителното разположение на равнините на пептидните групи в полипептидната верига

12.2.2. Състав и аминокиселинна последователност

При еднакво изградена полиамидна верига специфичността на пептидите и протеините се определя от две най-важни характеристики – аминокиселинен състав и аминокиселинна последователност.

Аминокиселинният състав на пептидите и протеините е естеството и количественото съотношение на техните α-аминокиселини.

Аминокиселинният състав се определя чрез анализ на пептидни и протеинови хидролизати, главно чрез хроматографски методи. Понастоящем такъв анализ се извършва с помощта на анализатори на аминокиселини.

Амидните връзки са способни на хидролиза както в кисела, така и в алкална среда (вижте 8.3.3). Пептидите и протеините се хидролизират, за да образуват или по-къси вериги – това е т.нар частична хидролиза,или смеси от аминокиселини (в йонна форма) - пълна хидролиза.Хидролизата обикновено се извършва в кисела среда, тъй като много аминокиселини са нестабилни при условия на алкална хидролиза. Трябва да се отбележи, че амидните групи на аспарагина и глутамина също са обект на хидролиза.

Първичната структура на пептидите и протеините е аминокиселинната последователност, т.е. редът на редуване на α-аминокиселинните остатъци.

Първичната структура се определя чрез последователно отстраняване на аминокиселини от двата края на веригата и тяхното идентифициране.

12.2.3. Структура и номенклатура на пептидите

Имената на пептидите са конструирани чрез последователно изброяване на аминокиселинни остатъци, започвайки от N-края, с добавяне на суфикс-I л, с изключение на последната С-терминална аминокиселина, за която се запазва пълното й име. С други думи имената

аминокиселини, които са влезли в образуването на пептидна връзка поради "тяхната" COOH група, завършват в името на пептида с -I л: аланил, валил и др. (за остатъците от аспарагинова и глутаминова киселина се използват съответно наименованията „аспартил” и „глутамил”). Имената и символите на аминокиселините показват тяхната принадлежност къмл -ред, освен ако не е посочено друго ( d или dl).

Понякога в съкратеното обозначение символите Н (като част от аминогрупа) и ОН (като част от карбоксилна група) показват незаместването на функционалните групи на крайните аминокиселини. Този метод е удобен за изобразяване на функционални производни на пептиди; например, амидът на горния пептид при С-терминалната аминокиселина е изписан H-Asn-Gly-Phe-NH2.

Пептидите се намират във всички организми. За разлика от протеините, те имат по-хетерогенен аминокиселинен състав, по-специално те доста често включват аминокиселинид -ред. Структурно те също са по-разнообразни: съдържат циклични фрагменти, разклонени вериги и др.

Един от най-често срещаните представители на трипептидите е глутатион- среща се в тялото на всички животни, растения и бактерии.

Цистеинът в състава на глутатиона прави възможно глутатионът да съществува както в редуцирана, така и в окислена форма.

Глутатионът участва в редица редокс процеси. Функционира като протеинов протектор, т.е. вещество, което предпазва протеините със свободни SH тиолови групи от окисляване с образуване на дисулфидни връзки -S-S-. Това се отнася за тези протеини, за които такъв процес е нежелан. В тези случаи глутатионът поема действието на окислител и по този начин „защитава“ протеина. По време на окислението на глутатиона възниква междумолекулно кръстосано свързване на два трипептидни фрагмента поради дисулфидна връзка. Процесът е обратим.

12.3. Вторична структура на полипептиди и протеини

Високомолекулните полипептиди и протеини, заедно с първичната структура, се характеризират и с по-високи нива на организация, които се наричат вторичен, третиченИ кватернеренструктури.

Вторичната структура се описва от пространствената ориентация на основната полипептидна верига, третичната структура от триизмерната архитектура на цялата протеинова молекула. Както вторичната, така и третичната структура са свързани с подреденото разположение на макромолекулната верига в пространството. Третичната и кватернерната структура на протеините се разглежда в курса по биохимия.

Чрез изчисления беше показано, че една от най-благоприятните конформации за полипептидна верига е разположението в пространството под формата на дясна спирала, т.нар. α-спирала(Фиг. 12.3, а).

Пространственото разположение на α-спирална полипептидна верига може да си представим, като си представим, че тя се увива около определен

Ориз. 12.3.α-спирална конформация на полипептидната верига

цилиндър (виж фиг. 12.3, b). Средно има 3,6 аминокиселинни остатъка на завъртане на спиралата, стъпката на спиралата е 0,54 nm, а диаметърът е 0,5 nm. Равнините на две съседни пептидни групи са разположени под ъгъл от 108 °, а страничните радикали на аминокиселините са разположени от външната страна на спиралата, т.е. те са насочени сякаш от повърхността на цилиндъра.

Основната роля в осигуряването на такава конформация на веригата се играе от водородните връзки, които в α-спиралата се образуват между карбонилния кислороден атом на всеки първи и водородния атом на NH групата на всеки пети аминокиселинен остатък.

Водородните връзки са насочени почти успоредно на оста на α-спиралата. Те държат веригата усукана.

Обикновено протеиновите вериги не са напълно спирални, а само частично. Протеини като миоглобин и хемоглобин съдържат доста дълги α-спирални участъци, като миоглобиновата верига

75% спирализирани. В много други протеини делът на спиралните области във веригата може да е малък.

Друг вид вторична структура на полипептиди и протеини е β-структура,също наричан сгънат лист,или нагънат слой.Удължените полипептидни вериги са подредени в сгънати листове, свързани с много водородни връзки между пептидните групи на тези вериги (фиг. 12.4). Много протеини съдържат както α-спирални, така и β-листови структури.

Ориз. 12.4.Вторична структура на полипептидната верига под формата на сгънат лист (β-структура)

В кисела среда α-аминокиселините действат като основи (при аминогрупата), а в алкална среда действат като киселини (при карбоксилната група). Радикалът (R) на някои аминокиселини също може да бъде йонизиран и следователно всички аминокиселини могат да бъдат разделени на заредени и незаредени (при физиологична стойност на pH 6,0 - 8,0) (виж таблица 4). Примери за първите включват аспарагинова киселина и лизин:

Ако аминокиселинните радикали са неутрални, тогава те не влияят на дисоциацията на α-карбоксилната или α-амино групата и стойностите на pK (отрицателният логаритъм, показващ стойността на pH, при която тези групи са наполовина дисоциирани) остават относително постоянен.

Стойностите на pK за α-карбоксилната група (pK 1) и α-аминогрупата (pK 2) са много различни. При pH< pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН >pK 2 почти всички аминокиселинни молекули са отрицателно заредени, тъй като α-карбоксилната група е в дисоциирано състояние.

Следователно, в зависимост от pH на околната среда, аминокиселините имат общ нулев положителен или отрицателен заряд. Стойността на pH, при която общият заряд на молекулата е нула и тя не се движи в електрическото поле нито към катода, нито към анода, се нарича изоелектрична точка и се обозначава с pI.

За неутралните α-аминокиселини стойността на pI се намира като средна аритметична стойност между две стойности на pK:

Когато pH на разтвора е по-малко от pI, аминокиселините се протонират и, като се зареждат положително, се движат в електрическото поле към катода. Обратната картина се наблюдава при pH > pI.

За аминокиселини, съдържащи заредени (киселинни или основни) радикали, изоелектричната точка зависи от киселинността или основността на тези радикали и тяхното pK (pK 3). Стойността на pI за тях се намира по следните формули:

за киселинни аминокиселини:

за основни аминокиселини:

В клетките и междуклетъчната течност на човешкото и животинското тяло pH на околната среда е близко до неутрално, поради което основните аминокиселини (лизин, аргинин) имат положителен заряд (катиони), киселинните аминокиселини (аспарагинова, глутаминова) имат отрицателен заряд (аниони), а останалите съществуват под формата на биполярен цвитерион.

Стереохимия на аминокиселините

Важна характеристика на протеиновите α-аминокиселини е тяхната оптична активност. С изключение на глицина, всички те са изградени асиметрично и следователно, когато са разтворени във вода или солна киселина, те са способни да въртят равнината на поляризация на светлината. Аминокиселините съществуват под формата на пространствени изомери, принадлежащи към D- или L-серия. L- или D-конфигурацията се определя от вида на структурата на съединението по отношение на асиметричния въглероден атом (въглероден атом, свързан с четири различни атома или групи от атоми). Във формулите асиметричният въглероден атом се обозначава със звездичка. Фигура 3 показва проекционните модели на L- и D-конфигурациите на аминокиселините, които са, така да се каже, огледални изображения един на друг. Всички 18 оптически активни протеинови аминокиселини принадлежат към L серия. D-аминокиселините обаче се намират в клетките на много микроорганизми и в антибиотиците, произвеждани от някои от тях.

Ориз. 3. Конфигурация на L- и D-аминокиселини

Структура на протеина

Въз основа на резултатите от изследването на продуктите на протеиновата хидролиза и тези, предложени от A.Ya. Идеите на Данилевски за ролята на пептидните връзки -CO-NH- в изграждането на протеинова молекула, немският учен Е. Фишер предлага пептидната теория за структурата на протеина в началото на 20 век. Според тази теория протеините са линейни полимери на α-аминокиселини, свързани с пептидни връзки - полипептиди:

Във всеки пептид един краен аминокиселинен остатък има свободна а-аминогрупа (N-край), а другият има свободна а-карбоксилна група (С-край). Структурата на пептидите обикновено се изобразява, като се започне от N-терминалната аминокиселина. В този случай аминокиселинните остатъци са обозначени със символи. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Този запис означава пептид, в който е N-терминалната α-аминокиселина се образува от аланин и С-края - цистеин. Когато четете такъв запис, окончанията на имената на всички киселини, с изключение на последните, се променят на „тиня“: аланил-тирозил-левцил-серил-тирозил-цистеин. Дължината на пептидната верига в пептидите и протеините, открити в тялото, варира от две до стотици и хиляди аминокиселинни остатъци.

За да се определи аминокиселинният състав, протеините (пептидите) се подлагат на хидролиза:

В неутрална среда тази реакция протича много бавно, но се ускорява в присъствието на киселини или основи. Обикновено протеиновата хидролиза се извършва в запечатана ампула в 6 М разтвор на солна киселина при 105 ° C; при такива условия пълното разпадане настъпва за около ден. В някои случаи протеинът се хидролизира при по-меки условия (при температура 37-40 ° C) под действието на биологични ензимни катализатори в продължение на няколко часа.

След това аминокиселините на хидролизата се разделят чрез хроматография върху йонообменни смоли (сулфополистирен катионобменник), като се изолира отделна фракция от всяка аминокиселина. За измиване на аминокиселини от йонообменната колона се използват буфери с повишаващи се стойности на pH. Аспартатът, който има кисела странична верига, се отстранява първо; аргининът с основната странична верига се отмива последен. Последователността на отстраняване на аминокиселините от колоната се определя от профила на извличане на стандартни аминокиселини. Фракционираните аминокиселини се определят от цвета, образуван при нагряване с нинхидрин:

При тази реакция безцветният нинхидрин се превръща; в синьо-виолетов продукт, чийто интензитет на цвета (при 570 nm) е пропорционален на количеството аминокиселина (само пролинът дава жълт цвят). Чрез измерване на интензитета на оцветяване е възможно да се изчисли концентрацията на всяка аминокиселина в хидролизата и броя на остатъците от всяка от тях в изследвания протеин.

Понастоящем такъв анализ се извършва с помощта на автоматични устройства - анализатори на аминокиселини (вижте по-долу фиг. Диаграма на устройството). Устройството показва резултата от анализа под формата на графика на концентрациите на отделните аминокиселини. Този метод е намерил широко приложение в изследването на състава на хранителните вещества и клиничната практика; с негова помощ за 2-3 часа можете да получите пълна картина на качествения състав на аминокиселините в продуктите и биологичните течности.

Цитати за добрите дела на известни хора

Кратки цитати за живота