Головне завдання біохімії полягає в тому, щоб досягти повного розуміння на молекулярному рівні природи всіх хімічних процесів, пов'язаних з діяльністю клітин. Для вирішення цього завдання необхідно виділити з клітин численні з'єднання, які там знаходяться, визначити їх структуру і встановити їх функції.
1.1.2. Між біохімією і медициною існує широка двосторонній зв'язок. Завдяки біохімічним дослідженням вдалося відповісти на багато питань, пов'язаних з розвитком захворювань. наприклад:
З іншого боку, вивчення причин і ходу розвитку деяких захворювань призвело до створення нових областей біохімії:
- спостереження англійського лікаря Арчібальда Гаррода за хворими, що страждали вродженими порушеннями обміну речовин, стимулювали дослідження метаболічних шляхів, порушення яких відбувається при таких станах.
- дослідження біохімічних процесів у хворих сімейної гіперхолестеролемія, що приводить до розвитку важкого атеросклерозу в ранньому віці, сприяли отриманню даних про клітинних рецепторах і про механізми поглинання холестеролу клітинами.
- інтенсивне вивчення обміну речовин в клітинах злоякісних пухлин викликало інтерес до молекулярних механізмів контролю росту і розмноження клітин.
У процесі вивчення нашого курсу будуть представлені й інші приклади тісної взаємодії біохімії та медицини.
Будова, властивості і класифікація амінокислот. Кольорова реакція на амінокислоти. Поділ амінокислот методом хроматографії на папері.
1.2.1. Основним об'єктом вивчення в нашому курсі є метаболізм - сукупність всіх хімічних реакцій, що відбуваються в клітині. Всі ці реакції, за невеликим винятком катализируются спеціалізованими білками - ферментами. Зрозуміти механізми протікання реакцій метаболізму неможливо без знання особливостей функціонування ферментів, механізмів їх регуляції. Властивості і механізм дії ферментів обумовлені їх хімічної природою. Тому вивчення курсу біохімії традиційно починають з розгляду особливостей структури і функції білків.
1.2.2. Як відомо з курсу біоорганічної хімії, всі білки побудовані з мономерів - α-амінокислот, що мають загальну формулу:
де R - радикал або бічний ланцюг.
Для амінокислот, що входять до складу білків, характерні наступні загальні властивості:
- всі вони є α-амінокислотами. В організмі зустрічаються також амінокислоти з іншим розташуванням радикала, але до складу білків вони не входять;
- так як у всіх амінокислотах (крім гліцину) α-вуглецевий атом пов'язаний з чотирма різними заступниками, то цей атом є асиметричним і амінокислоти мають оптичну активність (здатні обертати площину поляризованого світла в тому чи іншому напрямку);
- амінокислоти, що містять асиметричний вуглецевий атом, належать до L-стереохімічні ряду. D-ізомерів амінокислот в білках організму немає;
- в нейтральних водних розчинах амінокислоти знаходяться в вигляді біполярних іонів (цвіттер-іонів) і проявляють як кислотні, так і основні властивості.
Індивідуальні властивості кожної з амінокислот визначаються структурою її радикала. Повторіть формули 20 білкових амінокислот (рисунок 1.1) і їх скорочені позначення (таблиця 1.1).
Малюнок 1.1. Формули амінокислот.
1.2.3. Білкові амінокислоти можна класифікувати, грунтуючись на полярності їх радикалів. Їх можна розділити на наступні групи: (рисунок 1.2).
Малюнок 1.2. Класифікація амінокислот, заснована на полярності їх радикалів.
Зверніть увагу, що полярні (заряджені і незаряджені) радикали можуть взаємодіяти з молекулами води за допомогою водневих зв'язків. Тому вони називаються гідрофільними. Неполярні радикали не взаємодіють з молекулами води, вони називаються гідрофобними.
У той же час неполярні радикали амінокислот мають більшу спорідненість до органічних розчинників (гексан, хлороформ і т.д.), а амінокислоти з полярними радикалами розчиняються в таких розчинниках гірше.
1.2.4. Існує також біологічна класифікація амінокислот. яка враховує можливість їх синтезу в організмі. Всі амінокислоти поділяються на замінні (можуть синтезуватися в організмі) і незамінні або есенціальні (в організмі не синтезуються і повинні надходити з їжею).
Чому амінокислот тільки 20 різновидів, а не більше? Адже можливості генетичного коду дозволяють збільшити цю кількість в три рази! Мабуть, наявних амінокислот цілком достатньо, щоб забезпечити потрібне різноманітність властивостей їх радикалів (гідрофобноть, гідрофільність, наявність заряду і т.д.) і їх реакційної здатності. Якщо ж виникає необхідність, то додаткові різновиди амінокислот утворюються шляхом перетворення деяких з стандартних амінокислот вже в складі білка (наприклад, гидроксипролин утворюється з проліну в складі білка колагену).
1.2.5. Для виявлення амінокислот, що містять α-аміногрупи, використовується Нінгідринова реакція. При нагріванні в присутності нингидрина відбувається окислювальне дезамінування α-аміногруп амінокислот і пептидів, а молекула нингидрина при цьому відновлюється. Відновлений нингидрин реагує з аміаком і іншою молекулою окисленого нингидрина, в результаті чого утворюється забарвлений комплекс синього або синьо-фіолетового кольору:
Хід опита.К 5 крапель розчину α-аланіну додають 2 краплі 0,5% -ного водного розчину нингидрина і кип'ятять 1-2 хвилини. У пробірці з'являється рожево-фіолетове забарвлення, а з плином часу розчин синіє.
Нінгідринова реакція широко застосовується в процесі хроматографічного розділення амінокислот на папері і кількісного визначення амінокислот.
Метод хроматографічного розділення суміші амінокислот на папері заснований на різній розчинності амінокислот у воді і органічних розчинниках (рисунок 1.3).
Малюнок 1.3. Хроматографія амінокислот на папері
Краплю розчину, що містить суміш амінокислот, наносять на смужку фільтрувального паперу, яка здатна утримувати велику кількість води (нерухома фаза). Кінець смужки опускають в спеціально підібраний органічний розчинник (рухома фаза). Розчинник піднімається по смужці паперу і захоплює за собою нанесені на папір амінокислоти. Швидкість переміщення амінокислот визначається їх розчинність. Чим більше розчинність амінокислоти в воді і чим менше її розчинність в органічному розчиннику, тим повільніше рухається амінокислота слідом за рухомою фазою, і навпаки.
Після закінчення хроматографії розташування окремих α-амінокислот на фільтрувальної папері можна виявити за допомогою Нінгідринова проби.
1.3.1. Дві молекули однієї і тієї ж або різних амінокислот можуть ковалентно зв'язуватися один з одним за допомогою заміщений амідного зв'язку, яка називається пептидного. Пептидний зв'язок утворюється шляхом відщеплення угруповання ОН від α-карбоксилу однієї амінокислоти і атома водню від α-аміногрупи іншої амінокислоти. Пептидная одиниця має жорсткої структурою. Всі чотири атома розташовані в одній площині, причому водень NH-групи займає трансположеніе по відношенню до кисню карбонільної групи. Зв'язок між атомами вуглецю і азоту має частково характер подвійного зв'язку, і обертання навколо зв'язку з цим утруднено. У той же час по обидва боки від пептидного одиниці є високий ступінь свободи обертання щодо зв'язків С-Сα і Сα -N.
1.3.2. Амінокислоти здатні утворювати за допомогою пептидних зв'язків поліпептидні ланцюги. Послідовність чергування амінокислот у поліпептидного ланцюга називається первинною структурою білка. Пептиди відрізняються від білків невеликою кількістю амінокислотних ланок. Так, продукт взаємодії двох амінокислот, що містить пептидний зв'язок, носить назву дипептид, трьох амінокислот - трипептид, чотирьох - тетрапептид і т.д. В організмі людини пептиди утворюються, як правило, шляхом часткового гідролізу білків. Багато з таких пептидів мають високу біологічну активність, наприклад, вазопресин, окситоцин, брадикінін, тиреоліберином. енкефаліни.
Амінокислотні ланки пептиду або білка називаються амінокислотними залишками. Амінокислотний залишок, що містить вільну α-аміногрупу, називають N-кінцевим, а залишок, який має вільну α-карбоксильну групу, - С-кінцевим. Структурні формули пептидів записуються і читаються з N-кінця. Все амінокислотні залишки, що входять до складу поліпептиду (крім С-кінцевого), отримують закінчення іл замість ин. Для позначення амінокислот в поліпептидних ланцюгах у вітчизняній літературі використовують трьохбуквені скорочення (таблиця 1.1).
Малюнок 1. Приклад пептиду.
1.3.3. Навчіться записувати структурні формули пептидів. Запам'ятайте, що пептиди записуються і читаються з N-кінця. Спочатку пишеться структура пептидного остова, наприклад:
для тетрапептіда
і так далі.
Потім до α-вуглецевим атомам приєднують бічні радикали, наприклад, трипептид фен-глу-ала записують наступним чином:
Певні труднощі викликає написання пептидів, що містять залишки проліну. В цьому випадку потрібно мати на увазі, що радикал пролина приєднується не тільки до α-вуглецевого атома, але і заміщає атом водню в α-аміногрупи. Наприклад, пептид тре-гли-про записується в такий спосіб:
1.3.4. Навчіться давати назви пептидів. Запам'ятайте, що все амінокислотні залишки, що входять до складу поліпептиду (крім С-кінцевого), мають закінчення іл замість ин (таблиця 1.1) Зверніть увагу, що назви залишків деяких амінокислот утворюються не за загальним правилом.
1.3.1. Дві молекули однієї і тієї ж або різних амінокислот можуть ковалентно зв'язуватися один з одним за допомогою заміщений амідного зв'язку, яка називається пептидного. Пептидний зв'язок утворюється шляхом відщеплення угруповання ОН від α-карбоксилу однієї амінокислоти і атома водню від α-аміногрупи іншої амінокислоти. Пептидная одиниця має жорсткої структурою. Всі чотири атома розташовані в одній площині, причому водень NH-групи займає трансположеніе по відношенню до кисню карбонільної групи. Зв'язок між атомами вуглецю і азоту має частково характер подвійного зв'язку, і обертання навколо зв'язку з цим утруднено. У той же час по обидва боки від пептидного одиниці є високий ступінь свободи обертання щодо зв'язків С-Сα і Сα -N.
1.3.2. Амінокислоти здатні утворювати за допомогою пептидних зв'язків поліпептидні ланцюги. Послідовність чергування амінокислот у поліпептидного ланцюга називається первинною структурою білка. Пептиди відрізняються від білків невеликою кількістю амінокислотних ланок. Так, продукт взаємодії двох амінокислот, що містить пептидний зв'язок, носить назву дипептид, трьох амінокислот - трипептид, чотирьох - тетрапептид і т.д. В організмі людини пептиди утворюються, як правило, шляхом часткового гідролізу білків. Багато з таких пептидів мають високу біологічну активність, наприклад, вазопресин, окситоцин, брадикінін, тиреоліберином. енкефаліни.
Амінокислотні ланки пептиду або білка називаються амінокислотними залишками. Амінокислотний залишок, що містить вільну α-аміногрупу, називають N-кінцевим, а залишок, який має вільну α-карбоксильну групу, - С-кінцевим. Структурні формули пептидів записуються і читаються з N-кінця. Все амінокислотні залишки, що входять до складу поліпептиду (крім С-кінцевого), отримують закінчення іл замість ин. Для позначення амінокислот в поліпептидних ланцюгах у вітчизняній літературі використовують трьохбуквені скорочення (таблиця 1.1).
Малюнок 1. Приклад пептиду.
1.3.3. Навчіться записувати структурні формули пептидів. Запам'ятайте, що пептиди записуються і читаються з N-кінця. Спочатку пишеться структура пептидного остова, наприклад:
для тетрапептіда
і так далі.
Потім до α-вуглецевим атомам приєднують бічні радикали, наприклад, трипептид фен-глу-ала записують наступним чином:
Певні труднощі викликає написання пептидів, що містять залишки проліну. В цьому випадку потрібно мати на увазі, що радикал пролина приєднується не тільки до α-вуглецевого атома, але і заміщає атом водню в α-аміногрупи. Наприклад, пептид тре-гли-про записується в такий спосіб:
1.3.4. Навчіться давати назви пептидів. Запам'ятайте, що все амінокислотні залишки, що входять до складу поліпептиду (крім С-кінцевого), мають закінчення іл замість ин (таблиця 1.1) Зверніть увагу, що назви залишків деяких амінокислот утворюються не за загальним правилом.
1.5.1. Завдання.
1. Суміш амінокислот, що містить триптофан і лізин. поділяли за допомогою хроматографії на папері. Яка з цих амінокислот після прояву хроматограм виявиться найбільш віддаленої від точки старту?
2. При частковому гідролізі білка отримані пептиди: а) тир-сер-арг-асп і б) мет-про-асп-лей. Який з цих пептидів краще розчиняється у воді?
3. В якому середовищі (кислої, лужної, нейтральної) знаходиться ізоелектричної точка пептидів: а) ала-вал-ліз-фен; б) цис-глу-три-мет?
4. В якому напрямку (до катода, до анода) будуть рухатися в електричному полі при pH 7,0 пептиди: а) арг-гли-ала-вал; б) лей-асп-глу-тир?
5. Пептид, що містить 9 амінокислотних залишків, був Гідролізований двома різними способами. У гидролизатах виявлені наступні набори пептидів:
Визначте амінокислотну послідовність вихідного пептиду.
1.5.2. Еталони рішення.
1. Більш віддаленим від точки старту виявиться триптофан, так як ця амінокислота містить гідрофобний радикал і краще розчиняється в органічному розчиннику - рухомій фазі при хроматографії на папері (див. 1.2).
2. У пептиді тир-сер-арг-асп всі чотири амінокислотних залишку є гідрофільними; в пептиді мет-про-асп-лей міститься один гідрофільний і два гідрофобних залишку амінокислот. Отже, перший пептид краще розчиняється у воді (див. 1.4).
3. а) Пептид ала-вал-ліз-фен містить позитивно заряджений амінокислотний радикал; отже, ізоелектричної точка пептиду знаходиться в лужному середовищі;
б) Пептид цис-глу-три-мет містить негативно заряджений амінокислотний радикал, тому ізоелектричної точка цього пептиду знаходиться в кислому середовищі (див. 1.4).
4. а) До складу пептиду арг-гли-ала-вал входить позитивно заряджений радикал, значить, в електричному полі при рН 7,0 цей пептид буде рухатися до катода;
б) До складу пептиду лей-асп-глу-тир входять два негативно заряджених амінокислотних залишку. Таким чином, даний пептид в електричному полі буде рухатися до анода (див. 1.4).
5. Для вирішення цього завдання в першому наборі пептидів необхідно знайти такі, в яких послідовність амінокислот частково збігається з послідовністю амінокислот в пептидах другої групи. Це дозволяє встановити, які пептидні зв'язку в початковому пептиді були гідроліз. Так, в першій групі є пептиди про-тре-гіс і асп-сер-цис; у другій групі - пептид цис-про-тре. Отже, у вихідному пептиді існував зв'язок між залишками цис і про і він містив фрагмент асп-сер-цис-про-тре-гіс. У другому наборі пептидів є дипептид гіс-тир, в першому випадку ці амінокислоти входять до складу різних тріпептідов. Значить, в вихідному пептиді була зв'язок між цими амінокислотами, і він мав наступну структуру: асп-сер-цис-про-тре-гіс-тир-гли-арг.