аминокислоты reaviz 2015 Реавиз

1

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

Учебники:

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

СЕВЕРИН E.C. БИОХИМИЯ 1 и 2 тома

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

2

Аминокислоты

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

H2N CH

R

COOH

4

«ЖИЗНЬ ЕСТЬ СПОСОБ СУЩЕСТВОВАНИЯ БЕЛКОВЫХ ТЕЛ» -

ФРИДРИХ ЭНГЕЛЬС

5

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

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

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

6

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7_%D0%B1%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%B0

7

Название Сокращение Структурная формула

(pI)

Глицин gly 5.97

Аланин ala 6.02

Валин val 5.97

Лейцин leu 5.98

Пролин pro 6.10

Фенилаланин phe 5.88

Триптофан try 6.88

H2NCH2COOH

CH3CHCOOH

NH2

(CH3)2CHCHCOOH

NH2(CH3)2CHCH2CHCOOH

NH2NH

COOH

C6H5CH2CHCOOH

NH2

CH3CHCOOH

NH2

8

Aспарaгиновая кислота asp

3.2

Аспарагин asn 5.41

Глутаминовая кислота

glu 3.22

Лизин lys 9.74

Аргинин arg 10.76

H2N(O)CCH2CHCOOH

NH2

HOOCCH2CH2CHCOOH

NH2

H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

CHN

H2NNH CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

9

Треонин tre 5.80

Гистидин his7.58

Тирозин tyr 5.65

Цистеин

Серин

cySH

Ser

5.02

5.78

N

NH CH2CHCOOH

NH2

HO CH2CHCOOH

NH2

HSCH2CHCOOH

NH2

Тест № 1Какая структура относится к аминокислотам?

11

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

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

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

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

13

Отбор кристаллов под микроскопом

14

Установка монокристаллов в гониометр

15

Правильно установленный монокристалл и система отражений от него в обратном пространстве

16

17

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

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

European Synchrotron REuropean Synchrotron Radiation adiation

FFacilityacility

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

В настоящее время в международной базе данных

описанытысячи структур

синтетических аминокислот и 65000 структур природных

белков

19

Незаменимые аминокислоты

Незаменимыми называются аминокислоты, которые не могут быть синтезированы организмом

из веществ, поступающих с небелковой пищей, в количествах,

достаточных для того, чтобы удовлетворить физиологические

потребности организма.

20

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

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

21

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

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

Изолейцин

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

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

Лизин

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

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

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

Триптофан

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

Фенилаланин

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

Кислотно-основные свойства

H2N CH

R

COO- H+

OH- H3N CH

R

COO-OH-H+

H3N CH

R

COOH

H2N CH

R

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

31

Кислотно-основные свойства

H2NCHCOOH

R

H3NCHCOO-

R

32

не ионная форма;

идеализированная аминокислота

цвиттер-ион;аминокислота в растворе с pH = pI

Изоэлектрическая точка (рI)

33

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

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

Химические свойства аминокислот

Реакции аминогруппы

CH3CHCOOH + [HNO2]

NH2

CH3CHCOOH + N2 + H2O

OHàëàí èí ì î ëî ÷í àÿ

êèñëî òà

34

Метод Ван-Слайка

Химические свойства аминокислот

Реакции аминогруппы

RCHCOOH + R'C

NH2

O

H -H2O RCHCOOH

N CHR'

î ñí î âàí èåØ èô ô à

35

Химические свойства аминокислотРеакции карбоксильной группы

CH3CHCOOH + CH3OH

NH2

HCl-H2O CH3CHCOOCH3

NH3+Cl-

NH3-NH4Cl

CH3CHCOOCH3

NH2ì åòèëî âû é ýô èð

àëàí èí à

ãèäðî õëî ðèäì åòèëî âî ãî ýô èðà

àëàí èí à

àëàí èí

36

Химические свойства аминокислотРеакции карбоксильной группы

HOCH2CHCOOH

NH2

HOCH2CH2NH2 + CO2

ñåðèíêî ëàì èí

HOOCCHCH2CH2COOH

NH2

H2NCH2CH2CH2COOH + CO2

ãëóòàì èí î âàÿ êèñëî òà

4-àì èí î áóòàí î âàÿ êèñëî òà

37

Химические свойства аминокислотКачественные реакции

òèðî çèí æåëòàÿ î êðàñêà

HO

CH2CHCOOH

NH2

HNO3-H2O

HO

CH2CHCOOH

NH2

O2N

2NaOH

Na+ -O

CH2CHCOO- Na+

NH2

O2N

î ðàí æåâàÿ î êðàñêà38

Ксантопротеиновая реакция

Химические свойства аминокислотКачественные реакции

C

C

O

O

OH

OH

í èí ãèäðèí

39

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

• Нингидринная реакция

Химические свойства аминокислотСпецифические реакции ,,-аминокислот

-àëàí èí

C

CH

NHC

CH

HN

CH3 CH3

O

O

123 4

56

3,6-äèì åòèë-2,5-äèêåòî ï èï åðàçèí

àì è äí û åãðóï ï û

CH3 CH

C OHO

N H

H

CH3CH

CHOO

NH

H

+

+

-H2Ot

40

Реакции Реакции -аминокислот-аминокислот


CH2

NH2

CH COOH

H

t-NH3

CH2 CH COOH

-àëàí èíàêðèëî âàÿ êèñëî òà

41


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

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

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

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

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

Активный участок (Ser-His-Asp) расположен в центре молекулы (закрытая форма ),

который недоступен молекулам растворителя.

Система фиксации инородного пептида в якорном участке

фермента (по Д.Дефо )

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ, H-bond

52

Э1 … H - Э2

Э = O, N

Серин разрывает пептидную связь, используя «систему

передачи заряда»

Бифуркатная водороднаясвязь

В гистидине –В гистидине –два азота идва азота иароматическоеароматическоекольцокольцо

В аспартате – два электро-отрицательнатома О

1

2

3


CH2

CH2

CH2

CO

OH

NH

H

+

t-H2O CH2

CH2

CH2

CO

NH

-àì èí î ì àñëÿí àÿêèñëî òà

-áóòèðî ëàêòàì

àì èäí àÿãðóï ï à

54


Пептиды и белки

Ñ

O

NH

55

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


H2N CH

R

C

O

OH + H NH CH

R'

C

O

OH + H NH CH

R''

C

O

OH

H2N CH

R

C

O

NH CH

R'

C

O

NH CH

R''

COOH

Ï åï òè äí àÿ ãðóï ï à

-2H2O

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

56


57

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ


H2N CH

CH3

C

O

NH CH2 C

O

NH CH COOH

CH2OH

àëàí èë ãëèöèë ñåðèí

Àëàí èëãëèöèëñåðèí

58


59

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

Пептиды и белки Структура белков

60

Первичная структура пептидов и белков — это последовательность аминокислотных остатков в

полипептидной цепи.

Разные уровни организации структуры

белков


Вторичная структура белков

62



63



64

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



65

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



66

-спираль молекулы белка



67ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ -СТРУКТУРА, состоящая из трех полипептидных молекул



68АНТИПАРАЛЛЕЛЬНАЯ -СТРУКТУРА, состоящая из трех полипептидных молекул



69ОБРАЗОВАНИЕ -СТРУКТУРЫ внутри одной полипептидной цепи



70-структура белка



71

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



72

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


Третичная структура белков

73

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

Пептиды и белки Ионные взаимодействия

(CH2)4NH3+

NH CH CO ï åï òèäí àÿ ñâÿçü

-OOCCH

CH NHCO

î ñòàòî ê ëèçèí à

î ñòàòî êàñï àðãèí î âî é êèñëî òû

è î í í î å âçàè ì î äåé ñòâè å

74

Пептиды и белки Дисульфидные взаимодействия

CH2SH

CH2SH

[O]

[H]CH2SCH2S

Äè ñóëüô è äí àÿ ñâÿçü

75


Глобулярные белки

76

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


Фибриллярные белки

77

ФИБРИЛЛЯРНЫЙ БЕЛОК ФИБРОИН – основной компонент натурального шелка и паутины


Четвертичная структура белков

78ОБРАЗОВАНИЕ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ГЛОБУЛЯРНОГО БЕЛКА ферритина при объединении молекул в единый ансамбль


Четвертичная структура белков

79

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

Пептиды и белки Денатурация белков

80

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

Функции белковФункции белков ФерментативнаяФерментативная СтроительнаяСтроительная ТранспортнаяТранспортная СократительнаяСократительная РегуляторнаяРегуляторная ПищевПищеваяая ЗащитнЗащитнаяая

ЭнергетическаяЭнергетическая

РРецепторнаяецепторная

?

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

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

Липаза языка помогает переваривать, растворять и фракционировать жиры

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

Строительные белки

. Строительные белки

аминокислоты reaviz 2015 Реавиз

Education