|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Каждый белок обладает собственной уникальной просранственной структурой.
Изменение этой пространственной структуры сопровождается изменением биологических свойств и биологической активности( увеличением или уменьшением, вплоть до полной потери). По современным представлениям укладка вторичной структуры в пространстве и превращение ее в третичную структуру происходит с участием особых белков- шаперонов. В стабилизации третичной структуры белка главная роль принадлежит взаимодействию радикаловаминокислот, которые оказываются пространственно сближенными. Различают два типа взаимодействия., которые формируют различные по физико-химическим свойствам участки белковой молекулы: гидрофильное и гидрофобное. Гидрофильное взаимодействие обусловлено тремя видами химических связей: ионными, водородными, дисульфидными, а гидрофобное- дисперсионными силами ( Ван-дер-Ваальса), в которых участвуют метильные группы, ароматические циклы. Представим себе два пространственно сближенных участка цепи белковой молекулы:
| | | | | |
NH3+ О-Н SH S СН 3
Участок гидрофильного взаимодействия Участок гидрофобного взаимодействия ионное водородные дисульфидные притяжение связи связи Ионное электростатическое притяжение возникает между ионизированными карбоксильными группами радикалов глутаминовой и аспарагиновой кислот и аминогруппами лизина и аргинина. Водородные связи образуются между гидроксильными группами, которые присутствуют в радикалах аминокислот серина, треонина и тирозина. Дисульфидные связи образуются при окислении тиольных( меркапто) групп цистеина, дисульфидные связи поддерживают жесткость третичной структуры белка на определенных его участках. Тиольные группы белков находятся в особом акьтвном центре белка и участвуют в проявлении каталитической активности; они образуют промежуточные соединения – тиополуацетали при окислении альдегидов( см. лекцию «Механизмы биоорганических реакций», раздел « Реакции нуклеофильного присоединения».) Поддержание природной( нативной) третичной структуры белка чрезвычайно важно для сохранения его специфических биологических свойств. Пространственно сближенные радикалы аминокислот образуют на поверхности белковой глобулы особые активные участки, которые служат для связывания реагирующих веществ ( субстратов), осуществления каталитического действия и для фиксации сигналов об изменении каталитической активности.
Четвертичная структура Многие белки состоят из нескольких субъединиц( протомеров), которые могут иметь одинаковый или различный аминокислотный состав. В этом случае белки имеют четвертичную структуру. Белки обычно содержат четное число субъединиц: две, четыре, шесть. Взаимодействие происходит за счет ионных, водородных связей, Ван-дер-ваальсовых сил. Гемоглобин взрослого человека HbA состоит из четырех попарно одинаковых субъединиц ( а 2 β 2 ). Четвертичная структура дает многие биологические преимущества: а) возникает экономия генетического материала., уменьшается длина структурного гена и иРНК, в которых записана информация о первичной структуре белка. б) возможно осуществлять замену субъединиц, что позволяет изменять активность фермента в связи с изменяющимися условиями( осуществлять адаптацию). Гемоглобин новорожденного состоит из белков ( а 2 γ 2 ). но в течение первых месяцев состав становится как у взрослого человека (а 2 β 2). 8.4.Физико-химические свойства белка Амфотерность - кислотно- основные свойства белков. Изоэлектрическая точка Белки, как и аминокислоты, являются амфотерными соединениями и обладают буферными свойствами. Белки можно разделить на нейтральные, кислые и основные. Нейтральные белки содержат равное число групп, склонных к ионизации: кислотных и основных. Изоэлектрическая точка таких белков находится в среде, близкой к нейтральной, если рН < pI, то белок становится положительно заряженным катионом, pH > pI, то белок становится отрицательно заряженным анионом. +Н + ОН– + NH 3 - белок - COOН < ——> + NH 3 - белок - COO– < ——> NH 2 - белок - COO– рН < pI водный растворI pH > pI Нейтральный белок Кислые белки содержатнеравное число групп, склонных к ионизации: карбоксильных больше, чем аминогрупп. В водном растворе они приобретают отрицательный заряд, а раствор становится кислым. При добавлении кислоты ( Н+) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а затем в избытке кислоты – превращается в катион. В щелочной среде такой белок заряжен отрицательно( исчезает заряд аминогруппы).
Кислый белок + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 -белок- COOН | < ——> | < ——> | CОО– CООН COOН
Водный раствор рН = р I рН < pI В избытке кислоты белок заряжен положительно Кислый белок в щелочной среде заряжен отрицательно + NH 3 - белок - COO– ОН– NH 2 - белок - COO– | < ——> | CОО– CОО– pH > pI Основные белки содержатнеравное число групп, склонных к ионизации: аминогрупп больше, чем карбоксильных. В водном растворе они приобретают положительный заряд, а раствор становится щелочным. При добавлении щелочи ( ОН–) белок вначале входит в изоэлектрическую точку, а далее в избытке щелочи – превращается в анион. В кислой среде такой белок заряжен положительно( исчезает заряд карбоксильной группы) Основный белок + NH 3 - белок - COO– + ОН– + NH 3 - белок - COO– + ОН– NH 2 - белок –СОО– | < ——> | < ——> | + NH 3 NH2 NH2
Водный раствор рН = р I pH > pI
В избытке основания Основный белок белок заряженотрицательно В кислой среде заряжен положительно + NH 3 - белок - COO– + Н+ + NH 3 - белок – COOН | < ——> | + NH 3 + NH 3
рН < pI Сделаем важный вывод: в кислой среде ( рН < 3 ) белки заряжены положительно, в щелочной среде( рН> 10 ) белки заряжены отрицательно, нейтральный заряд имеет белок в изоэлектрической точке, которая у каждого белка своя. Наименьшей устойчивостью обладают растворы белков в изоэлектрической точке. Белки, объединяются в более крупные частицы, начинается седиментация( осаждение) под действием собственной силы тяжести. Значение рН крови равно 7, 4, в крови присутствуют, в основном, кислые белки Электрофорез белков При наличии заряда белки перемещаются в электрическом поле. Смеси белков можно разделять методом электрофореза – направленного движения белков от одного электрода к другому под действием постоянного электрического тока. Скорость движения зависит от массы белка и величины его заряда. Метод электрофореза широко применяется в медицине, биохимии, биологии для изучения ферментов, тканевых и плазменных белков, при изготовлении лекарственных препаратов белковой природы. 8.4.2. Денатурация белка Макроструктура белка является весьма чуткой к изменению условий среды, в которой существует белок. В белковой молекуле существует постоянное равновесие между силами, формирующими третичную( четвертичную) и силами отталкивания. которые возникают внутри самой молекулы и при взаимодействии с окружающей средой. При нарушении этого равновесия изменяются четвертичная, третичная и даже вторичная структура( кроме первичной! ). Возникает потеря природных свойств белка- денатурация. Денатурация может быть обратимой и необратимой. Часто видимым следствием денатурации белка является осаждение белка из раствора. Общими факторами денатурации являются : а) изменение температуры. Повышение температуры приводит к необратимой денатурации, большинство белков организма человека теряют свою активность при температуре выше 500С, а белки крови- даже при 43 – 450С. На этом основаны стерилизация медицинских препаратов и пастеризация пищевых продуктов. При снижении температуры денатурация является обратимой. Биологический белковый материал можно сохранять долго при низких температурах ( кровь, образцы тканей, растворы белковых гормонов, защитных γ -глобулинов, стволовые клетки) б) изменение рН среды. При изменении рН среды изменяется характер ионизации кислотных и основных групп в радикалах, изменяется характер ионного взаимодействия и количество водородных связей - изменяется пространственное строение белка и организация его активных участков. В организме человека поддерживается кислотно-основный гомеостаз. Значение рН крови равное 7, 4 обеспечивает необходимую организму биологическую активность всех белковых молекул. в) действие окислителей и восстановителей. Изменяется соотношение восстановленных тиольных групп и дисульфидных связей, что вызывает изменение третичной структуры белка. Свободные тиольные группы белков содержатся и в активных участках ферментов, участвуют в химических реакциях( образование тиополуацеталей происходит в процессе окисления биоактивных альдегидов в карбоновые кислоты. См тему «Механизмы реакций. Реакции нуклеофильного присоединения») Лекарственные препараты, обладающие свойствами восстановителей. используются в медицине для поддержания структуры белка( аскорбиновая кислота- витамин С, раствор тиосульфата натрия ). Для химической завивки используют препараты, создающие дополнительные дисульфидные связи; волосы после фиксации на круглой палочке( бигуди) становятся кудрявыми. г) ионы тяжелых металлов( свинца, меди, ртути, цинка ), которые образуют соли с тиольными группами на поверхности белковой молекулы. Попадание в желудочно-кишечный тракт солей тяжелых металлов и затем всасывание их в кровь вызывает тяжелые последствия. Различают хроническое воздействие и острое отравление. Заболевание « сатурнизм», связанное с накоплением ионов свинца в организме человека, сопровождается тяжелыми патологическими изменениями со стороны центральной нервной и кровеносной системы. Отравление ионами ртути сопровождается ранним старением организма, и приводит быстро к смерти ( в древние времена было характерно для иконописцев, которые использовали красную краску киноварь HgS, а для тонкого точного мазка обязательно брали кисточку в рот, чтобы получился острый кончик кисти). В связи с аналогичным токсическим действие свинца запрещено этилирование бензина. д) присутствие различных поверхностно-активных веществ, детергентов, которые влияют на гидрофобное взаимодействие в молекуле белка. Гидролиз фосфолипидов в составе мембраны сопровождается образованием солей высших карбоновых кислот- поверхностно-активных веществ, и это вызывает потерю эластических свойств мембраны ( изменение «текучести» мембраны). е) действие веществ, которые конкурируют за образование водородных связей, например, мочевины. Высокое и низкое содержание мочевины в крови способствует изменению свойств белков крови и внутриклеточных белков, особенно в составе белков мембран нейронов. ж) действие электролитов, которые разрушают гидратную оболочку белка( процесс «высаливания»). На этом основаны рекомендации полоскать горло солевыми растворами во время заболевания и в профилактических целях. Уже в древние времена знали, что засыпание солью( сильнейшая боль! ) огнестрельной или резаной раны в условиях боя предотвращает развитие гангрены. з) физические воздействия ( ультразвук, лазерное воздействие, электрокоагуляция. ). Используется в медицинских целях в косметологии, лечении кожных, стоматологических болезней, в хирургии для остановки кровотечения. В современных медицинских технологиях используют лазерный луч.
8.5.Качественные реакции обнаружения белков в биологических объектах. Биуретовая реакция – обнаруживает пептидные связи. При добавлении иона Си(+2) в щелочной среде сопровождается развитием цветной фиолетовой окраски. Интенсивность окраски пропорциональна количеству пептидных связей( содержанию белка в биологической жидкости). В биохимической лабораторной диагностике на основе биуретовой реакции используют методики Фолина или Лоури. Ксантопротеиновая реакция- при действии азотной кислоты и последующем нагревании смеси получается осадок желтого цвета. Обнаруживает ароматические аминокислоты в составе белка ( фенилаланин и тирозин) Подробно методики приведены в «Практикуме по биоорганической химии» авторы Каминская Л.А., Перевалов С.Г.
8. 6. Приложение. История развития химии белков Термин белковый ( albumineise) был впервые применен французским химиком Ф. Кене в 1747 г. Так стали называть все биологические жидкости организма по аналогии с яичным белком. «Энциклопедия» Д. Дидро и Ж. Д' Аламбера в 1751 году именно так объясняла этот термин. В дальнейшем начались систематические исследования белков.В 1759г. А.Кессель-Майер выделил клейковину из растений, в 1762г. А. Халлер изучал процесс образования и свертывания казеина молока, в 1777г. А. Тувенеель, работавший в С-Петербурге, назвал творог белковой частью молока. В тот же период французский химик А. Фуркруа доказал единую химическую природу белков растительного и животного происхождения. В 1803 г. физик и химик Дж. Дальтон( ему принадлежит формулировка закона кратных отношений, исследование газовых законов и описание дефекта цветового зрения) отнес белки к азотсодержащим соединениям. В 1810г. известный всем школьникам Ж. Гей-Люссак провел химический анализ фибрина крови. Предполагают, что первым провел гидролиз белков А. Браконно в 1820 г. и получил аминокислоты, в том числе глицин и лейцин. Первая теория строения белков принадлежит химику Г. Мульдеру, он сформулировал ее в 1836г.Он предположил, что существует минимальная структурная единица, из которой простроены все белки, состав ( 2 С8 Н12 N2 + S0) и назвал ее протеином. Позднее теория была опровергнута, но термин остался и прочно вошел не только в научный язык химиков. В 1882г. В.Даль в «Толковом словаре русского языка» объясняет слово протеин- вещество, найденное в животных тканях. В книге Д.И.Меделева( 2-е изд. СанктПетербург, Изд. Товарищества «Общественная польза» 1863г.), упоминаются термины белки и протеиновые вещества: « Из органическихъ веществъ общи всемъ организмамъ протеновыи или белковыя вещества, отличающиеся сложным составомъ, способностью легко изменяться и даже способствовать измененiю других веществъ. Белковое вещество, производящее эти изменения, называется ферментомъ»( сохранено правописание). Близок к открытию структуры белка был российский биохимик А.В. Данилевский ( 1838 – 1923), который много занимался изучением ферментов и проблемой питания. В 1902 г. работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели к созданию пептидной гипотезы: « все белки состоят из аминокислот, соединенных между собой связью –СО-NH» Окончательно «пептидную теорию» сформулировали Э.Фишер и В. Гофмейстер( Нобелевская премия Э. Фишера 1902 г.) ь Успешное изучение состава белков началось благодаря работам английского биохимика Ф.Сэнгера, который в 1945 разработал метод определения аминокислотной последовательности( лауреат Нобелевских премий 1958, 1980) и С. Мура, который сконструировал в 1958 г. автоматический аминокислотный анализатор.( Нобелевская премия 1972) Строение пептидной группы стало возможным изучить после открытия метода рентгеноструктурного анализа. Теорию строения а- спирали - и термин »вторичная структура» белка создал Л.Полинг ( 1951г. совместно с Р. Кори). Л. Полинг- лауреат Нобелевских премий ( по химии 1954, мира 1962). Структура « складчатый» лист исторически была открыта раньше, У. Астбери в 1941 г. при рентгеноструктурных исследованиях белка кератина Термин « четвертичная» структура был введен в 1958 г. английским кристаллографом Дж. Берналом в дополнение к принятым понятиям первичной, вторичной, и третичной структуры, а в 1965г. Ж. Моно ввел понятие «протомер» для названия наименьшей структурной единицы сложной белковой молекулы( чаще теперь называют «субъединица») Метод рентгеноструктурного анализа долгое время оставался самым точным для расшифровки пространственного строения белка: в 1936г Дороти Ходжкин исследовала и предложила пространственную структуру инсулина, в 1960 –Д.К.Кендрью – пространственное строение миоглобина. Сейчас используются компьютерное моделирование и приборные методы исследования: методы ЯМР ( ядерного магнитного резонанса), ПМР протонного магнитного резонанса).
Для проверки усвоения темы рекомендуем ответить на вопросы: 1. Анализ дипептида показал, что он состоит из двух различных аминокислот: глицина и аланина. Сколько различных дипептидов можно составить?
2. Трипептид состоит из двух аминокислот: глицина и аланина. Запишите все возможные варианты строения этого трипептида.
3. Последовательность аминокислот в трипептиде: ала – глу - вал. Определите среду его водного раствора и заряд пептида в растворе.
4. Последовательность аминокислот в пептиде гли – лиз – сер. Этот пептид находится в растворе кислоты, рН= 3, 5. Определите величину заряда пептида.
5. Пептид состава асп – арг – фен находится в растворе в изоэлектрической точке. Составьте формулу трипептида и определите область значения изоэлектрической точки ( кислая, нейтральная, щелочная). Какую надо создать среду, чтобы этот трипептид при электрофорезе двигался к катоду?
6.Трипептид глутатион - антиоксидант крови и тканей – состоит из последовательно соединенных аминокислот: γ –глутамат- цистеин –аланин. Запишите формулу соединения и реакцию окисления этого соединения пероксидом водорода..
ЛЕКЦИЯ 9 УГЛЕВОДЫ. МОНОСАХАРИДЫ Содержание лекции 9.1. Классификация углеводов. 9.2. Моносахариды.- классификация по числу атомов углерода и строению карбонильной группы. Альдозы и кетозы. Аминосахара. 9.3 Изомерия моносахаридов. Стереоизомерия. L- и Д- ряды. Диастереомеры, энантиомеры, эпимеры. Значение отдельных представителей 9.4. Химические свойства моносахаридов: 9.4.1. Циклооксотаутомерия пентоз и гексоз. Пиранозные и фуранозные циклы, α - и β - аномерия. 9.4.2. Образование гликозидов. Биологическая роль гликозидной связи. 9.4.3. Восстановление углеводов in vitro и vivo. Получение глицитов( на примере глюкозы и фруктозы, ксилита). Биологическое значение и использование в медицине; 9.4.4.Окисление углеводов in vivo и vitro на примере глюкозы, галактозы. Образование альдоновых, альдаровых и альдуроновых кислот. Биологическое значение. 9.4.5. Образование фосфорных эфиров (глюкоза-1ф, глюкоза-6ф, фруктоза-1, 6-дифосфат). Значение для организма; 9. 5 Биологическое значение моносахаридов и их производных. Лекарственные препараты Исходный уровень знаний для усвоения темы: Химические свойства карбонильных соединений- альдегидов и кетонов, многоатомных спиртов. Реакция нуклеофильного присоединения- образование полуацеталей, окисление, восстановление карбонильной группы, качественная реакция обнаружения многоатомных спиртов, альдегидов. Реакция этерификации. Оптическая изомерия, стереоряды. Понятие «таутомерия»
Ключевые слова к теме: Агликон, альдоза, альдоновая, альдаровая, альдуроновая кислоты, аминосахар, аномер, аномерный атом углерода, гликозид, глицит, дезоксисахар, кетоза, моносахарид, мутаротация, пираноза, структура Колли-Толленса, структура Хеоурса, фураноза, эпимеры. Классификация углеводов Углеводы- большая группа природных соединений. Большинство из них имеет состав Сn ( Н 2О )m ( m =n, m< n )- отсюда и возникло название «углеводы», тем более, что при нагревании их без доступа кислорода образуются два вещества: углерод и вода. Углеводы подразделяют на три класса: - моносахариды - олигосахариды ( оligos - греч - малый ) - полисахариды. Олиго- и полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов, которые отличаются числом мономерных звеньев моносахаридов. Олиго- и полисахариды могут состоять из одинаковых или различных моносахаридов. В первом случае такие полисахариды называются гомополисахариды, а во втором- гетерополисахариды. Моносахариды Общая формула моносахаридов Сn ( Н 2О ) n Физические свойства: твердые кристаллические вещества, хорошо растворимы в воде, водные растворы имеют нейтральную реакцию. Растворимость глюкозы в воде: 1, 5г глюкозы в 1мл( 1, 5: 1). Моносахариды плохо растворимы в этаноле и других спиртах, не растворимы в бензоле, эфире. Все моносахариды сладкие на вкус, что связано с присутствием в составе молекулы нескольких гидроксильных групп ( вспомните, глицерин также сладкий на вкус).
Номенклатура моносахаридов. Чаще используют тривиальные названия, которые имеют окончание «оза»: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза..
Классификация моносахаридов: Моносахариды классифицируют по двум основным признакам: I. По числу атомов углерода – в природе наибольшее распространение имеют моносахариды, содержащие 3 -6 атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы II По природе карбонильной группы: содержащие альдегидную группу называют альдозы, кетоновую группу- кетозы. Оба признака объединяют в одном названии: альдопентоза, кетогексоза. По составу и строению моносахариды – полигидроксикарбонильные соединения ( альдегиды или кетоны, в которых остальные атомы углерода связаны каждый с одной с гидроксильной группой; если один атом не связан с гидроксильной группой, то соединение относится к дезоксимоносахаридам ) Углеводы существуют в линейной и циклических формах. Запись в линейной форме проводят в проекциях Фишера, углеродный скелет записывают вертикально, указывая конфигурацию каждого хирального центра (d или l ) Нумерация атомов, как обычно, производится от карбонильной группы, а перечисление конфигурации асимметричных атомов начинаю снизу вверх, от того атома, который определяет принадлежность к стереоряду ( природные моносахариды принадлежат D- стереоряду) Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-28; Просмотров: 997; Нарушение авторского права страницы
___________________________________________________________________
C ОО– О-Н SH S СН 3
|
| | | | | |