Строение, свойства и функции аминокислот и белков

1.

Строение, свойства и функции
аминокислот и белков

2.

План лекции
• Структура, свойства и функции аминокислот
• Классификация аминокислот
• Природные пептиды
• Строение, свойства и функции белков
• Классификация белков
• Методы разделения белков
• Белковые препараты в медицине

3.

Структура аминокислот
Составные части молекулы аминокислоты — аминогруппа NH2, карбоксильная
группа COOH, радикал и альфа-атом углерода в центре. В структуре аминокислот
боковая цепь, специфичная для каждой аминокислоты, обозначается буквой R.

4.

Структура 20 протеиногенных аминокислот

5.

Физические свойства аминокислот
• Стереоизомерия: формы L и D энантиомеры (хиральный центр)
• Изоэлектрическая точка рI – значение рН, при котором
суммарный заряд аминокислоты равен нулю (при рН=7 цвиттерион).
рIАЛА=6,02
• Растворимость – растворяются
в полярных растворителях (вода)
• Температура плавления выше 200оС
• Ионные: катионная и анионная формы (в зависимости от рН):

6.

Химические свойства:
- образование пептидной связи;
- цветные реакции;
- реакции, свойственные функциональным группам
Связь называется пептидной (1902г. – Г.Э.Фишер) от греческого
пепсис – пищеварение, т.к. эта связь гидролизуется
пищеварительным ферментом желудочного сока пепсином. По
природе пептидная связь является ковалентной.

7.

Образование трипептида
Взаимодействие α-аминогруппы одной аминокислоты с αкарбоксильной группой другой

8.

Биологические функции
аминокислот
• Мономеры белков
• Входят в состав природных соединений
(кофермента КоА – β-аланин; желчных кислот глицин и др.)
• Переносчики сигналов: ГЛУ, АСП, ГЛИ
• Метаболиты: ГЛН донор азота при синтезе
нуклеиновых кислот
• Являются предшественниками биологически
активных веществ: ГИС – предшественник
гистамина

9.

Классификация аминокислот (СРС)

10.

Неполярные (гидрофобные)
• К неполярным или гидрофобным относят
радикалы, имеющие алифатические
углеводородные цепи и ароматические кольца
• Радикалы таких аминокислот в воде стремятся
друг к другу или к другим гидрофобным
молекулам, в результате чего поверхность
соприкосновения их с водой уменьшается

11.

Полярные незарженные
• Относят радикалы, в состав которых входят
полярные функциональные группы, образующие
водородные связи с водой

12.

Полярные отрицательно заряженные
• К этой группе аминокислоты, имеющие в
радикале дополнительную карбоксильную
группу, при pH около 7,0 диссоциирующую с
образованием СОO- и Н+
• Радикалы данных аминокислот — анионы

13.

Полярные положительно заряженные
• У лизина вторая аминогруппа, способная
присоединять Н+, располагается в ε -положении
алифатической цепи, а у аргинина положительный
заряд приобретает гуанидиновая группа.
• Гистидин содержит слабо
ионизированную имидазольную группу, поэтому
заряжен либо нейтрально, либо положительно.
• Положительно заряженные радикалы — катионы.
Эти радикалы обладают наибольшей
растворимостью в воде.

14.

Классификация по структуре радикала (СРС)
• Алифатические монокарбоновые кислоты: гли, ала, вал,
лей, илей.
• Оксиаминокислоты (алифатические) : сер, тре.
• Серосодержащие: цис, мет.
• Основные (диаминомонокарбоновые): лиз, арг, гис.
• Кислые (моноаминодикарбоновые): аспарагиновая,
глутаминовая, у них есть амиды (асн, глн).
• Ароматические: фен, тир, трп.
• Гетероциклические: гис, трп.
• Иминокислота: про.

15.

Классификация аминокислот по биологическому и
физиологическому значению (СРС)
Заменимые: ГЛИ, АЛА, ПРО, АСП, АСН, ГЛУ, ГЛН, СЕР,
ТИР, ЦИС
Незаменимые: ВАЛ, ЛЕЙ, ИЛЕ, ЛИЗ, ФЕН, ТРП, МЕТ,
ТРЕ
Частично заменимые: АРГ, ГИС - незаменимые для
детей; ТИР – незаменимая при фенилкетонурии у
детей

16.

Природные пептиды
• Две аминокислоты образуют дипептид: карнозин,
ансерин – в мышечной ткани
• Три аминокислоты – трипептид: глутатион
• Пептиды, содержащие до 10 аминокислот,
называют олигопептидами: окситоцин,
вазопрессин (9), энкефалины, эндорфины, а до 50
— полипептидами: глюкагон (29),
• Полипептиды, содержащие более 50 аминокислот,
уже называют белками: инсулин (51).

17.

Белки – высокомолекулярные азотосодержащие
органические полимеры, мономерами которых являются
аминокислоты
С ними связаны следующие свойства живого:
Способность к воспроизведению.
Сократимость и движение.
Обмен веществ (распад и обновление составных
частей живого организма) с участием белковферментов.

18.

Размеры белков
IgG, гемоглобин, инсулин, аденилаткиназа, глутаминсинтаза
150 kD, 16 kD, 5,5 kD,

19.

Структурная организация белков
(Уровни организации белков)
Первичная
Вторичная
Третичная
Четвертичная

20.

Вторичная структура: 2 формы α-спираль и β складчатый слой имеют водородную связь
между звеньями соседних полипептидных
цепей.
Образование третичной структуры
(сворачивание)

21.

Биологическая роль белков
• Пластическая: миозин, актин, коллаген
• Каталитическая: ферменты
• Регуляторная: инсулин
• Защитная: иммуноглобулины
• Транспортная: ферритин
• Пищевая и запасная (резервная): Яичный альбумин, казеин
молока, глиадин пшеницы
• Рецепторная: белки биомембран
• Поддерживают рН крови: белковый и гемоглобулиновый
буфер
• Поддерживают онкотическое давление крови
• Когенетическая: участвуют в хранении и передачи
генетической информации

22.

Классификация белков
По структуре
Простые
Сложные
По составу
Полноценные
По форме
Неполноценные
Глобулярные
Фибриллярные
По растворимости
Альбумины
Глобулины
Проламины
Гистоны
В воде
В солевых растворах
В 79-80% спирте
В солевых растворах

23.

Сложные белки имеют
простетические группы
Гликопротеины (содержат углеводы).
Липопротеины (содержат липиды).
Фосфопротеины (содержат фосфорную
кислоту).
Хромопротеины (содержат окрашенную
простетическую группу).
Металлопротеины (содержат ионы различных
металлов).
Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые
кислоты).

24.

Классификация белков по функциям
• Структурные – входят в различные структуры клетки и
организма.
• Ферменты – являются биологическими катализаторами.
• Гормоны – являются регуляторами биологических
функций.
• Транспортные – переносят различные вещества.
• Защитные – обеспечивают иммунные реакции
организма.
• Сократительные – участвуют в сокращении мышечных
волокон.
• Запасные – служат резервными веществами клетки и
организма.
• Токсины – являются ядами, используемыми живыми
существами в целях защиты или нападения.

25.

Физико-химические свойства белков
Высокий молекулярный вес: 6 000-1 000 000:
Высокая вязкость, способность к набуханию, низкое
осмотическое, высокое онкотическое давление
Амфотерность и подвижность в электромагнитном поле:
заряд белковой молекулы обусловлен наличием
гидрофильных группировок аминокислот (-СООН, -ОН,
-NH2, -SH) и может меняться в зависимости от РН. Белки
бывают кислыми и основными.
pI – значение рН, при котором суммарный заряд белка
равен 0, у большинства варьирует от 5,5 до 7:
рI пепсина равен 1, сальмина – 12
Оптическая активность и способность к поглощению УФ

26.

Денатурация
Денатурация – это нарушение пространственной структуры
белка и изменение нативных свойств белка при воздействии
на них определенных агентов.
При денатурации белок перестает функционировать.
нарушается четвертичная, третичная и вторичная структура,
первичная структура не изменяется,
Факторы, вызывающие денатурацию:
• Физические: термические (кипячение); радиоактивное
излучение.
• Химические: кислоты, - HNO3, H2SO4, HCl, щелочи - NaOH,
соли тяжелый металлов - меди, ртути, мышьяка,
органические соединения – токсины, алкалоиды – танины
и др.
• И т.д.

27.

28.

Ренатурация
• Ренатурация – восстановление нативной
пространственной структуры и свойств белка
(биологической активности)
• Для этого необходимо очень короткое
воздействие денатурирующих агентов и
физиологические условия: рН, температура.

29.

Методы выделения белков
Высаливание белков: (NH4)2SO4 - снимается
гидратная оболочка, белок сохраняет свою
структуру, все связи, нативные свойства.
Такие белки можно затем вновь растворить и
использовать.
Осаждение с потерей нативных свойств белка процесс необратимый. С белка снимается
гидратная оболочка и заряд, при этом
нарушаются свойства.

30.

Методы выделения и очистки белков
Ультрацентрифугирование
Метод основан на различии в молекулярных
массах белков. На поверхность буферного
раствора, помещённого в кювету, наносят тонкий
слой смеси белков. Кювету помещают в ротор
ультрацентрифуги. При вращении ротора в
течение 10 — 12 ч более крупные молекулы (с
большей молекулярной массой) оседают в
буферном растворе с большей скоростью. В
результате в кювете происходит расслоение
смеси белков на отдельные фракции с разной
молекулярной
массой.
После
расслоения
белковых фракций дно кюветы прокалывают
иглой и по каплям собирают содержимое
небольшими порциями в пробирки.

31.

• Метод электрофореза основан на том, что при
определённом значении pH и ионной силы
раствора белки двигаются в электрическом поле
со скоростью, пропорциональной их суммарному
заряду. Белки, имеющие суммарный
отрицательный заряд, двигаются к аноду (+), а
положительно заряженные белки — к катоду (-).

32.

• Ионообменная хроматография, так же, как и
электрофорез, основан на разделении белков,
различающихся
суммарным
зарядом
при
определённых значениях pH и ионной силы
раствора. При пропускании раствора белков через
хроматографическую колонку, заполненную твёрдым
пористым заряженным материалом, часть белков
задерживается
на
нём
в
результате
электростатических взаимодействий.
• Аффинная хроматография, или хроматография по
сродству - это наиболее специфичный метод
выделения индивидуальных белков, основанный на
избирательном
взаимодействии
белков
с лигандами, прикреплёнными к твёрдому носителю.

33.

• Для удаления низкомолекулярных соединений
применяют диализ. Метод основан на том, что
через полупроницаемую мембрану,
пропускающую низкомолекулярные вещества,
не проходят белки, имеющие более высокую
молекулярную массу.

34.

Белковые препараты в медицине
• Глобулины
• Иммуномодулятор – интерферон
• Гормоны – инсулин, гормон роста и др.
• Ферменты поджелудочной железы: (мезим,
панкреатин)
• Парентеральное питание (смесь аминокислот)