Păcatul judecății este considerat pe drept unul dintre cele mai distructive și...
1. Subiectul și sarcinile de chimie biologică. Biochimia ca nivel molecular de studiu al organizării structurale, anabolismului și catabolismului materiei vii. Locul biochimiei printre alte discipline biologice. Importanța biochimiei în pregătirea unui medic și pentru medicină.
Biochimia este știința compoziției chimice a materiei vii, a proceselor chimice care au loc în organismele vii, precum și a legăturii acestor transformări cu activitatea organelor și țesuturilor. Astfel, biochimia constă din trei părți: 1) biochimie statică(aceasta este o analiză a compoziției chimice a organismelor vii); 2) biochimie dinamică(studiază totalitatea transformării substanțelor și energiei din organism); 3) biochimie funcțională(examinează procesele care stau la baza diferitelor manifestări ale vieții).
Principal pentru biochimie este de a clarifica scopul funcțional, adică biologic al tuturor substanțelor chimice și proceselor fizico-chimice dintr-un organism viu, precum și mecanismul de perturbare a acestor funcții în diferite boli. Biochimia modernă rezolvă următoarele probleme: 1. Biotehnologic, i.e. crearea de produse farmaceutice (hormoni, enzime), regulatori de creștere a plantelor, produse de combatere a dăunătorilor, aditivi alimentari. 2. Conduce dezvoltarea de noi metode și instrumente pentru diagnosticul și tratamentul bolilor ereditare, carcinogenezei, naturii oncogenelor și oncoproteinelor. 3. Conduce dezvoltarea metodelor de inginerie genetică și celulară pentru a obține rase fundamental noi de animale și forme de plante cu trăsături mai valoroase. 4. Studiază baza moleculară a memoriei, psihicului, bioenergiei, nutriției și a unui număr de alte sarcini.
Chimia biologică studiază procesele moleculare care stau la baza dezvoltării și funcționării organismelor. Biochimia folosește metodele științelor „moleculare” - chimie, chimie fizică, fizică moleculară, iar în acest sens biochimia însăși este o știință moleculară. Cu toate acestea, principalele sarcini finale ale biochimiei se află în domeniul biologiei: studiază legile biologicului, și nu forma chimică a mișcării materiei. Pe de altă parte, „invențiile moleculare” ale naturii, descoperite de biochimiști, își găsesc aplicații în ramurile non-biologice ale cunoașterii și industriei (bionica moleculară, biotehnologie). În astfel de cazuri, biochimia acționează ca o metodă, iar subiectul cercetării și dezvoltării îl constituie probleme care depășesc biologia.
Organismele vii sunt într-o legătură constantă și inextricabilă cu mediul. Această conexiune se realizează în procesul de metabolism. Metabolismul include 3 etape: intrarea substanțelor în organism, metabolismul și eliberarea produselor finite din organism.
Aportul de substanțe în organism are loc ca urmare a respirației (oxigenului) și a nutriției. În tractul gastrointestinal, alimentele sunt digerate (descompuse în substanțe simple). În timpul digestiei, hidroliza polimerilor (proteine, polizaharide și alte substanțe organice complexe) are loc la monomeri, care sunt absorbiți în sânge și sunt incluși în metabolismul intermediar.
Metabolismul intermediar (metabolismul intracelular) include 2 tipuri de reactii: catabolism si anabolism.
Catabolism- procesul de descompunere a moleculelor organice în produse finite. Produșii finali ai transformărilor substanțelor organice la animale și la oameni sunt CO 2 , H 2 O și ureea. Procesele de catabolism includ metaboliți formați atât în timpul digestiei, cât și în timpul defalcării componentelor structurale și funcționale ale celulelor.
Reacțiile catabolice sunt însoțite de eliberarea de energie (reacții exergonice).
Anabolism combină procese de biosinteză în care blocuri simple sunt combinate în macromolecule complexe necesare organismului. Reacțiile anabolice folosesc energia eliberată în timpul catabolismului (reacții endergonice).
Aproape orice boală începe cu deteriorarea (tulburarea) unei reacții în metabolismul celular, apoi se răspândește la țesut, organ și întreg organismul. Tulburările metabolice duc la perturbarea homeostaziei în fluidele biologice ale corpului uman, care este însoțită de modificări ale parametrilor biochimici.
Marea importanță a metodelor clinice și biochimice pentru studierea fluidelor biologice este mare în medicină și este importantă pentru pregătirea tehnicienilor de laborator medical. Este suficient să ne amintim că numai în sângele uman, aproximativ 1000 de parametri metabolici pot fi determinați folosind metode moderne de cercetare biochimică.
Indicatorii biochimici ai mediilor biologice ale corpului uman sunt utilizați pe scară largă în:
1. diagnosticarea bolii, în special diagnosticul diferenţial;
2. alegerea unei metode de tratament;
3.monitorizarea corectitudinii tratamentului prescris;
4. rezultatele testelor biochimice servesc drept unul dintre criteriile de vindecare a procesului patologic;
5.screening (depistarea bolii în stadiul preclinic);
6.monitorizare (monitorizarea evoluției bolii și a rezultatului tratamentului);
7. prognostic (informații despre posibila evoluție a bolii).
2. Aminoacizi care alcătuiesc proteinele, structura și proprietățile acestora. Peptide.
Rolul biologic al aminoacizilor și peptidelor.
1. Caracteristici structurale generale ale aminoacizilor care alcătuiesc proteinele
O caracteristică structurală comună a aminoacizilor este prezența grupărilor amino și carboxil conectate la același atom de carbon α. R - radical aminoacid - în cel mai simplu caz este reprezentat de un atom de hidrogen (glicină), dar poate avea o structură mai complexă. În soluțiile apoase la un pH neutru, aminoacizii există sub formă de ioni bipolari. Spre deosebire de ceilalți 19 α-aminoacizi, prolina este un iminoacid, al cărui radical este legat atât de atomul de carbon β, cât și de gruparea amino, ca urmare a căreia molecula capătă o structură ciclică.
19 din 20 de aminoacizi conțin un atom de carbon asimetric în poziția α, căruia îi sunt asociate 4 grupări substituente diferite. Drept urmare, acești aminoacizi în natură pot fi găsiți în două forme izomerice diferite - L și D. Excepția este glicina, care nu are un atom de carbon asimetric, deoarece radicalul său este reprezentat doar de un atom de hidrogen. Proteinele conțin doar izomeri L ai aminoacizilor.
Stereoizomerii L sau D puri se pot transforma, pe o perioadă lungă de timp, spontan și neenzimatic într-un amestec echimolar de izomeri L și D. Acest proces se numește racemizare. Racemizarea fiecărui L-aminoacid la o anumită temperatură are loc într-o anumită rată. Toți cei 20 de aminoacizi din corpul uman diferă în ceea ce privește structura, dimensiunea și proprietățile fizico-chimice ale radicalilor atașați la atomul de carbon α.
2. Clasificarea aminoacizilor după structura chimică a radicalilor
În funcție de structura lor chimică, aminoacizii pot fi împărțiți în alifatici, aromatici și heterociclici.
Radicalii alifatici pot conține grupe funcționale care le conferă proprietăți specifice: grupări carboxil (-COOH), amino (-NH 2 ), tiol (-SH), amidă (-CO-NH 2), hidroxil (-OH) și guanidină.
Pentru a scrie resturile de aminoacizi în moleculele de peptide și proteine, sunt folosite abrevieri din trei litere ale numelor lor triviale și, în unele cazuri, simboluri cu o singură literă.
3. Clasificarea aminoacizilor în funcție de solubilitatea radicalilor lor în apă
Toți cei 20 de aminoacizi din proteinele corpului uman pot fi grupați în funcție de capacitatea radicalilor lor de a se dizolva în apă. Radicalii pot fi aranjați într-o serie continuă, începând cu cei complet hidrofobi și terminând cu cei puternic hidrofili.
Solubilitatea radicalilor aminoacizi este determinată de polaritatea grupărilor funcționale care alcătuiesc molecula (grupurile polare atrag apa, grupările nepolare o resping).
Aminoacizi cu radicali nepolari
Radicalii nepolari (hidrofobi) includ radicali cu lanțuri de hidrocarburi alifatice (radicali de alanină, valină, leucină, izoleucină, prolină și metionină) și inele aromatice (radicali de fenilalanină și triptofan). Radicalii unor astfel de aminoacizi din apă tind unul la altul sau la alte molecule hidrofobe, drept urmare suprafața contactului lor cu apa scade.
Aminoacizi cu radicali polari neîncărcați
Radicalii acestor aminoacizi sunt mai solubili în apă decât radicalii hidrofobi, deoarece conțin grupări funcționale polare care formează legături de hidrogen cu apa. Acestea includ seria, treonina și tirozina, care au grupări hidroxil, asparagina și glutamina, care conțin grupări amidice și cisteina cu gruparea sa tiol.
Aminoacizi cu radicali polari încărcați negativ
Această grupă include aminoacizi aspartici și glutamici, care au o grupare carboxil suplimentară în radical, care se disociază la un pH de aproximativ 7,0 pentru a forma COO - și H +. Prin urmare, radicalii acestor aminoacizi sunt anioni. Formele ionizate ale acizilor glutamic și aspartic se numesc glutamat și, respectiv, aspartat.
Aminoacizi cu radicali polari încărcați pozitiv
Lizina și arginina au un grup suplimentar încărcat pozitiv în radical. În lizină, a doua grupare amino, capabilă să atașeze H +, este situată în poziția β a lanțului alifatic, iar în arginină, gruparea guanidină capătă o sarcină pozitivă, prin urmare, histidina conține o grupare imidazol slab ionizată , cu fluctuații fiziologice ale valorilor pH-ului (de la 6,9 la 7,4) histidina este încărcată fie neutru, fie pozitiv. Odată cu creșterea numărului de protoni în mediu, gruparea imidazolului histidinei este capabilă să atașeze un proton, dobândind o sarcină pozitivă, iar odată cu creșterea concentrației de grupări hidroxil, poate dona un proton, pierzând sarcina pozitivă. a radicalului. Radicalii încărcați pozitiv sunt cationii Radicalii încărcați polar ai aminoacizilor au cea mai mare solubilitate în apă.
4. Modificarea încărcăturii totale de aminoacizi în funcție de pH-ul mediului
La valori neutre ale pH-ului, toate grupările funcționale acide (capabile să doneze H +) și toate bazice (capabile să adauge H +) sunt în stare disociată.
Prin urmare, într-un mediu neutru, aminoacizii care conțin un radical nedisociator au o sarcină totală zero. Aminoacizii care conțin grupări funcționale acide au o sarcină negativă netă, în timp ce aminoacizii care conțin grupări funcționale bazice au o sarcină pozitivă netă.
O modificare a pH-ului în partea acidă (adică o creștere a concentrației de H + în mediu) duce la suprimarea disocierii grupărilor acide. Într-un mediu foarte acid, toți aminoacizii capătă o sarcină pozitivă.
Dimpotrivă, o creștere a concentrației grupelor OH - determină eliminarea H + din principalele grupări funcționale, ceea ce duce la scăderea sarcinii pozitive. Într-un mediu foarte alcalin, toți aminoacizii au o sarcină negativă netă.
5. Aminoacizi modificați prezenți în proteine
Doar cei 20 de aminoacizi enumerați participă direct la sinteza proteinelor în corpul uman. Cu toate acestea, unele proteine conțin aminoacizi modificați non-standard - derivați ai unuia dintre acești 20 de aminoacizi.
Modificările reziduurilor de aminoacizi sunt deja efectuate în compoziția proteinelor, adică. numai după finalizarea sintezei lor. Introducerea unor grupuri funcționale suplimentare în structura aminoacizilor conferă proteinelor proprietățile necesare pentru îndeplinirea unor funcții specifice.
6. Reacții chimice utilizate pentru detectarea aminoacizilor
Reacția ninhidrinei poate fi utilizată pentru a detecta și cuantifica aminoacizii în soluție.
Această reacție se bazează pe faptul că ninhidrina incoloră, reacționând cu un aminoacid, se condensează sub formă de dimer printr-un atom de azot îndepărtat din gruparea amino a aminoacidului. Ca rezultat, se formează un pigment roșu-violet. În același timp, are loc decarboxilarea aminoacidului, ceea ce duce la formarea de CO 2 și a aldehidei corespunzătoare. Reacția ninhidrinei este utilizată pe scară largă în studiul structurii primare a proteinelor, deoarece intensitatea culorii este proporțională cu cantitatea de aminoacizi din soluție, este utilizată pentru a măsura concentrația de β-aminoacizi.
Reacții specifice la aminoacizi individuali
Determinarea calitativă și cantitativă a aminoacizilor individuali este posibilă datorită prezenței grupelor funcționale speciale în radicalii lor.
Arginina este determinată folosind o reacție calitativă la grupa guanidinei (reacția Sakaguchi), iar cisteina este detectată prin reacția Foll, specifică grupului SH a unui aminoacid dat. Prezența aminoacizilor aromatici într-o soluție este determinată de reacția xantoproteinei (reacția de nitrare), iar prezența unei grupări hidroxil în inelul aromatic al tirozinei este determinată de reacția Millon.
B. Legătura peptidică. Structura și proprietățile biologice ale peptidelor
3.Rolul biologic al peptidelor
Corpul uman produce multe peptide care participă la reglarea diferitelor procese biologice și au o activitate fiziologică ridicată.
Funcțiile peptidelor depind de structura lor primară. Angiotensina I este foarte asemănătoare ca structură cu angiotensina II (are doar doi aminoacizi suplimentari la capătul C-terminal), dar nu are activitate biologică.
Modificările în compoziția de aminoacizi a peptidelor conduc adesea la pierderea unora și la apariția altor proprietăți biologice.
Deoarece peptidele sunt regulatori puternici ai proceselor biologice, ele pot fi utilizate ca medicamente. Principalul obstacol în calea utilizării terapeutice este distrugerea lor rapidă în organism. Unul dintre cele mai importante rezultate ale cercetării este nu numai studiul structurii peptidelor, ci și producerea de analogi sintetici ai peptidelor naturale cu modificări țintite în structura și funcțiile acestora.
Peptidele descoperite și studiate în prezent pot fi împărțite în grupuri în funcție de principala lor acțiune fiziologică:
peptide cu activitate hormonală (oxitocină, vasopresină, hormoni de eliberare a hipotalamicului, hormon de stimulare a melanocitelor, glucagon etc.);
peptide care reglează procesele digestive (gastrina, colecistochinina, peptida vasointestinală, peptida inhibitoare gastrică etc.);
peptide care reglează tonusul vascular și tensiunea arterială (bradikinină, kalidină, angiotensină II);
peptide care reglează apetitul (leptina, neuropeptida Y, hormonul de stimulare a melanocitelor, (a-endorfine);
peptide care au efect analgezic (encefaline și endorfine și alte peptide opioide). Efectul analgezic al acestor peptide este de sute de ori mai mare decât efectul analgezic al morfinei;
peptide implicate în reglarea activității nervoase superioare, în procesele biochimice asociate cu mecanismele de somn, de învățare, de memorie, de apariția sentimentelor de frică etc.
3. Structura primară a proteinelor. Legătura peptidică, caracteristicile sale (tărie, multiplicitate, coplanaritate, izomerie cis-, trans). Importanța structurii primare pentru funcționarea normală a proteinelor (folosind exemplul hemoglobinei S).
Structura primară a proteinelor este un lanț polipeptidic liniar de aminoacizi conectați prin legături peptidice. Structura primară este cel mai simplu nivel de organizare structurală a unei molecule de proteine. Stabilitate ridicată îi este dată de legăturile peptidice covalente dintre gruparea α-amino a unui aminoacid și gruparea α-carboxil a unui alt aminoacid.
Dacă gruparea imino a prolinei sau hidroxiprolinei este implicată în formarea unei legături peptidice, atunci are o formă diferită.
Când se formează legături peptidice în celule, gruparea carboxil a unui aminoacid este mai întâi activată și apoi se combină cu gruparea amino a altuia. Sinteza de laborator a polipeptidelor se realizează aproximativ în același mod.
O legătură peptidică este un fragment repetat al unui lanț polipeptidic. Are o serie de caracteristici care afectează nu numai forma structurii primare, ci și nivelurile superioare de organizare a lanțului polipeptidic:
coplanaritate - toți atomii incluși în grupul peptidic sunt în același plan;
capacitatea de a exista în două forme de rezonanță (forma ceto sau enol);
poziţia trans a substituenţilor faţă de legătura C-N;
capacitatea de a forma legături de hidrogen, iar fiecare dintre grupele peptidice poate forma două legături de hidrogen cu alte grupări, inclusiv cu cele peptidice.
Excepție fac grupele peptidice care implică gruparea amino a prolinei sau hidroxiprolinei. Ele sunt capabile să formeze o singură legătură de hidrogen. Acest lucru afectează formarea structurii secundare a proteinei. Lanțul polipeptidic din zona în care se află prolina sau hidroxiprolina se îndoaie ușor, deoarece nu este ținut, ca de obicei, de o a doua legătură de hidrogen.
Caracteristicile structurii primare a proteinei . În coloana vertebrală a lanțului polipeptidic, structurile rigide (grupe peptidice plate) alternează cu regiuni relativ mobile (-CHR), care sunt capabile să se rotească în jurul legăturilor. Astfel de caracteristici structurale ale lanțului polipeptidic afectează aranjamentul său spațial.
2.Caracteristicile legăturii peptidice
Legătura peptidică are caracteristica unei duble legături parțiale, deci este mai scurtă decât celelalte legături ale coloanei vertebrale peptidice și, ca urmare, are o mobilitate redusă. Structura electronică a legăturii peptidice determină structura plată, rigidă a grupului peptidic. Planurile grupărilor peptidice sunt situate într-un unghi unul față de celălalt.
Legătura dintre atomul de carbon α și gruparea β-amino sau gruparea β-carboxil este capabilă de rotație liberă (deși limitată de dimensiunea și natura radicalilor), ceea ce permite lanțului polipeptidic să ia diferite configurații.
Legăturile peptidice sunt de obicei localizate în configurația trans, de exemplu. Atomii de carbon α sunt localizați pe părțile opuse ale legăturii peptidice. Ca urmare, radicalii laterali ai aminoacizilor sunt localizați la cea mai îndepărtată distanță unul de celălalt în spațiu.
Legăturile peptidice sunt foarte puternice și nu se rup spontan în condiții normale existente în celule (mediu neutru, temperatura corpului). În condiții de laborator, hidroliza legăturilor peptidice proteice se efectuează într-o fiolă sigilată cu acid clorhidric concentrat (6 mol/l), la o temperatură mai mare de 105 ° C și are loc hidroliza completă a proteinei la aminoacizi liberi. în aproximativ o zi.
În organismele vii, legăturile peptidice din proteine sunt rupte cu ajutorul enzimelor proteolitice speciale (din engleză, proteină- proteină, liza- distrugere), numite și proteaze sau hidrolaze peptidice.
Pentru detectarea proteinelor și peptidelor în soluție, precum și pentru determinarea lor cantitativă, se utilizează reacția biuretului (rezultat pozitiv pentru substanțele care conțin cel puțin două legături peptidice).
Natura chimică a fiecărei proteine este unică și strâns legată de funcția sa biologică. Capacitatea unei proteine de a-și îndeplini funcția inerentă este determinată de structura sa primară. Chiar și modificările mici ale secvenței de aminoacizi dintr-o proteină pot duce la o întrerupere gravă a funcționării acesteia, provocând o boală gravă. Bolile asociate cu tulburări în structura primară a proteinelor sunt numite boli moleculare. Până în prezent, au fost descoperite câteva mii de astfel de boli. Una dintre bolile moleculare este anemia cu celule secera, a cărei cauză constă într-o încălcare a structurii primare a hemoglobinei. La persoanele cu o anomalie congenitală a structurii hemoglobinei, lanțul polipeptidic, format din 146 de resturi de aminoacizi, are valină în poziția a șasea, în timp ce la persoanele sănătoase există acid glutamic în acest loc. Hemoglobina anormală transportă oxigenul mai rău, iar globulele roșii ale pacienților au o formă de seceră. Boala se manifestă prin dezvoltare lentă și slăbiciune generală a corpului.
DEFINIŢIE
Aminoacizi– compuși organici bifuncționali, care includ o grupare carboxil – COOH și o grupare amino – NH2.
În funcție de poziția relativă a ambelor grupe funcționale, se disting α-, β- și γ-aminoacizi:
CH3-CH(NH2)-COOH (acid α-aminopropionic)
CH2(NH2)-CH2-COOH (β-acid aminopropionic)
Cei mai importanți reprezentanți ai aminoacizilor sunt: glicina (H 2 N-CH 2 -COOH), alanina (CH 3 -CH(NH 2)-COOH), fenilalanina (C 6 H 5 -CH 2 -CH(NH 2) -COOH), acid glutamic (HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH), lizină (H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH), serină (HO-CH 2-CH (NH 2)-COOH) și cisteină (HS-CH 2 -CH(NH 2)-COOH).
Izomerie
Aminoacizii se caracterizează prin următoarele tipuri de izomerie: schelet de carbon, poziția grupelor funcționale și izomerie optică.
Proprietățile fizice ale aminoacizilor
Aminoacizii sunt substanțe solide cristaline care sunt foarte solubile în apă. Se topesc la temperaturi ridicate cu descompunere.
Chitanță
Aminoacizii sunt preparați prin înlocuirea unui halogen cu o grupare amino în acizii carboxilici halogenați. În general, ecuația reacției va arăta astfel:
R-CH(Cl)-COOH + NH3 = R-CH(NH3 + CI-) = NH2 –CH(R)-COOH
Proprietățile chimice ale aminoacizilor
Aminoacizii sunt compuși amfoteri. Reacţionează atât cu acizii cât şi cu bazele:
NH2 –CH2-COOH + HCl = Cl
NH 2 –CH 2 -COOH + NaOH= NH 2 –CH 2 -COONa + H 2 O
Când aminoacizii sunt dizolvați în apă, gruparea amino și gruparea carboxil reacționează între ele pentru a forma compuși numiți săruri interne:
H 2 N –CH 2 -COOH ↔ + H 3 N-CH 2 COO —
Molecula internă de sare se numește ion bipolar.
Soluțiile apoase de aminoacizi au un mediu neutru, alcalin și acid în funcție de numărul de grupe funcționale. De exemplu, acidul glutamic formează o soluție acidă, deoarece conține două grupe carboxil și o grupare amino, iar lizina formează o soluție alcalină, deoarece conține o grupare carboxil și două grupe amino.
Două molecule de aminoacizi pot interacționa între ele. În acest caz, o moleculă de apă este despărțită și se formează un produs în care fragmentele de moleculă sunt legate între ele printr-o legătură peptidică (-CO-NH-). De exemplu:
Compusul rezultat se numește dipeptidă. Substanțele formate din multe resturi de aminoacizi sunt numite polipeptide. Peptidele sunt hidrolizate de acizi și baze.
α-Aminoacizii joacă un rol deosebit în natură, deoarece policondensarea lor comună în condiții naturale produce cele mai importante substanțe pentru viață - proteinele.
De asemenea, aminoacizii au toate proprietățile chimice ale acizilor carboxilici (prin grupul carboxil) și ale aminelor (prin grupul amino).
Veverițe
DEFINIŢIE
Proteine (proteine, polipeptide)- substanțe organice cu greutate moleculară mare constând din alfa aminoacizi legați într-un lanț printr-o legătură peptidică.
În organismele vii, compoziția de aminoacizi a proteinelor este determinată de codul genetic în majoritatea cazurilor, în timpul sintezei sunt utilizați 20 de aminoacizi standard; Multe dintre combinațiile lor creează molecule de proteine cu o mare varietate de proprietăți. În plus, reziduurile de aminoacizi dintr-o proteină sunt adesea supuse unor modificări post-translaționale, care pot apărea atât înainte ca proteina să înceapă să-și îndeplinească funcția, cât și în timpul „lucrării” acesteia în celulă. Adesea, în organismele vii, mai multe molecule de proteine diferite formează complexe complexe, de exemplu, complexul fotosintetic.
Proteinele au proprietatea de amfoteritate, adică, în funcție de condiții, prezintă atât proprietăți acide, cât și proprietăți bazice. Proteinele conțin mai multe tipuri de grupări chimice care sunt capabile de ionizare într-o soluție apoasă: reziduuri carboxil ale lanțurilor laterale ale aminoacizilor acizi (acizi aspartic și glutamic) și grupări care conțin azot ale lanțurilor laterale ale aminoacizilor bazici (în primul rând ε- aminogruplizină și restul amidină CNH(NH2) arginină și, într-o măsură puțin mai mică, restul imidazol histidină).
Proteinele variază în ceea ce privește gradul de solubilitate în apă. Proteinele solubile în apă se numesc albumine și includ proteine din sânge și din lapte. Proteinele insolubile, sau scleroproteinele, includ, de exemplu, keratina (proteina care alcătuiește părul, blana de mamifer, pene de păsări etc.) și fibroina, care face parte din mătasea și pânzele de păianjen. Solubilitatea unei proteine este determinată nu numai de structura sa, ci și de factori externi, cum ar fi natura solventului, puterea ionică și pH-ul soluției.
Proteinele formează baza materială a activității chimice a celulei. Funcțiile proteinelor în natură sunt universale. Nume proteine, termenului cel mai acceptat în literatura rusă îi corespunde proteine(din greaca proteios- primul). Până în prezent, s-au făcut progrese mari în stabilirea relației dintre structura și funcțiile proteinelor, mecanismul participării lor la cele mai importante procese ale vieții organismului și în înțelegerea bazei moleculare a patogenezei multor boli.
În funcție de greutatea lor moleculară, se disting peptidele și proteinele. Peptidele au o greutate moleculară mai mică decât proteinele. Peptidele sunt mai susceptibile de a avea o funcție de reglare (hormoni, inhibitori și activatori de enzime, transportori de ioni prin membrane, antibiotice, toxine etc.).
12.1. α -Aminoacizi
12.1.1. Clasificare
Peptidele și proteinele sunt construite din reziduuri de α-aminoacizi. Numărul total de aminoacizi naturali depășește 100, dar unii dintre ei se găsesc doar într-o anumită comunitate de organisme, cei mai importanți 20 de aminoacizi se găsesc constant în toate proteinele (Schema 12.1).
α-Aminoacizii sunt compuși heterofuncționali ale căror molecule conțin atât o grupare amino, cât și o grupare carboxil la același atom de carbon.
Schema 12.1.Cei mai importanți α-aminoacizi*
* Abrevierile sunt folosite numai pentru a scrie resturile de aminoacizi din moleculele de peptide și proteine. ** Aminoacizi esențiali.
Denumirile α-aminoacizilor pot fi construite conform nomenclaturii substitutive, dar denumirile lor triviale sunt mai des folosite.
Numele banale pentru α-aminoacizi sunt de obicei asociate cu sursele de izolare. Serina face parte din fibroina de mătase (din lat. serieus- mătăsos); Tirozina a fost mai întâi izolată din brânză (din greacă. tyros- brânză); glutamina - din gluten de cereale (din germană. gluten- lipici); acid aspartic - din muguri de sparanghel (din lat. sparanghel- sparanghel).
Mulți α-aminoacizi sunt sintetizați în organism. Unii aminoacizi necesari sintezei proteinelor nu sunt produși în organism și trebuie să provină din exterior. Acești aminoacizi se numesc de neînlocuit(vezi diagrama 12.1).
A-aminoacizii esențiali includ:
valină izoleucină metionină triptofan
leucină lizină treonină fenilalanină
α-Aminoacizii sunt clasificați în mai multe moduri în funcție de caracteristica care servește drept bază pentru împărțirea lor în grupuri.
Una dintre caracteristicile de clasificare este natura chimică a radicalului R. Pe baza acestei caracteristici, aminoacizii sunt împărțiți în alifatici, aromatici și heterociclici (vezi diagrama 12.1).
Alifaticα -aminoacizi. Acesta este cel mai mare grup. În cadrul acestuia, aminoacizii sunt împărțiți folosind caracteristici suplimentare de clasificare.
În funcție de numărul de grupări carboxil și grupări amino din moleculă, se disting următoarele:
Aminoacizi neutri - câte o grupă NH 2 şi COOH;
Aminoacizi de bază - două grupe NH 2 și un grup
COOH;
Aminoacizi acizi - o grupă NH 2 și două grupe COOH.
Se poate observa că în grupul de aminoacizi neutri alifatici numărul de atomi de carbon din lanț nu este niciodată mai mare de șase. În același timp, în lanț nu există aminoacizi cu patru atomi de carbon, iar aminoacizii cu cinci și șase atomi de carbon au doar o structură ramificată (valină, leucină, izoleucină).
Un radical alifatic poate conține grupări funcționale „suplimentare”:
Hidroxil - serină, treonină;
Carboxilic - acizi aspartic și glutamic;
Tiol - cisteină;
Amida - asparagină, glutamina.
Aromaticα -aminoacizi. Acest grup include fenilalanina și tirozina, construite astfel încât inelele benzenice din ele să fie separate de fragmentul comun de α-aminoacid de către gruparea metilen -CH 2-.
Heterociclic α -aminoacizi. Histidina și triptofanul aparținând acestui grup conțin heterocicli - imidazol și, respectiv, indol. Structura și proprietățile acestor heterocicluri sunt discutate mai jos (vezi 13.3.1; 13.3.2). Principiul general de construire a aminoacizilor heterociclici este același cu a celor aromatici.
A-aminoacizii heterociclici și aromatici pot fi considerați derivați β-substituiți ai alaninei.
Aminoacidul aparține și gerociclicului prolina,în care gruparea amino secundară este inclusă în pirolidină
În chimia α-aminoacizilor, se acordă multă atenție structurii și proprietăților radicalilor „laterali” R, care joacă un rol important în formarea structurii proteinelor și îndeplinirea funcțiilor lor biologice. De mare importanță sunt caracteristici precum polaritatea radicalilor „laterali”, prezența grupărilor funcționale în radicali și capacitatea acestor grupări funcționale de a ioniza.
În funcție de radicalul lateral, aminoacizii cu nepolar radicali (hidrofobi) și aminoacizi c polar radicali (hidrofili).
Prima grupă include aminoacizi cu radicali laterali alifatici - alanină, valină, leucină, izoleucină, metionină - și radicali laterali aromatici - fenilalanina, triptofan.
Al doilea grup include aminoacizi care au grupări funcționale polare în radicalii lor care sunt capabili de ionizare (ionogene) sau nu se pot transforma într-o stare ionică (nonionică) în condițiile corpului. De exemplu, în tirozină gruparea hidroxil este ionică (de natură fenolică), la serină este neionică (de natură alcoolică).
Aminoacizii polari cu grupări ionice în radicali în anumite condiții pot fi în stare ionică (anionică sau cationică).
12.1.2. Stereoizomerie
Principalul tip de construcție al α-aminoacizilor, adică legătura aceluiași atom de carbon cu două grupe funcționale diferite, un radical și un atom de hidrogen, predetermina în sine chiralitatea atomului de carbon α. Excepția este cel mai simplu aminoacid glicină H 2 NCH 2 COOH, care nu are centru de chiralitate.
Configurația α-aminoacizilor este determinată de standardul de configurație - gliceraldehida. Locația grupării amino în formula standard de proiecție Fischer din stânga (similar grupării OH din l-gliceraldehidă) corespunde configurației l, iar în dreapta - configurației d a atomului de carbon chiral. De R,În sistemul S, atomul de carbon α din toți aminoacizii α din seria l are o configurație S, iar în seria d, o configurație R (excepția este cisteina, vezi 7.1.2) .
Majoritatea a-aminoacizilor conțin un atom de carbon asimetric pe moleculă și există ca doi enantiomeri optic activi și un racemat optic inactiv. Aproape toți α-aminoacizii naturali aparțin seriei l.
Aminoacizii izoleucină, treonină și 4-hidroxiprolină conțin doi centri de chiralitate în moleculă.
Astfel de aminoacizi pot exista ca patru stereoizomeri, reprezentând două perechi de enantiomeri, fiecare formând un racemat. Pentru a construi proteine animale, se folosește doar unul dintre enantiomeri.
Stereoizomeria izoleucinei este similară cu stereoizomeria treoninei discutată anterior (vezi 7.1.3). Dintre cei patru stereoizomeri, proteinele includ l-izoleucină cu configurația S a ambilor atomi de carbon asimetrici C-α și C-β. Numele unei alte perechi de enantiomeri care sunt diastereomeri în raport cu leucina folosesc prefixul Buna ziua-.
Clivajul racemaților. Sursa de α-aminoacizi din seria l sunt proteinele, care sunt supuse scindării hidrolitice în acest scop. Datorită nevoii mari de enantiomeri individuali (pentru sinteza proteinelor, substanțelor medicinale etc.) chimic metode de descompunere a aminoacizilor racemici sintetici. Preferat enzimatic metoda de digestie cu ajutorul enzimelor. În prezent, cromatografia pe adsorbanți chirali este utilizată pentru a separa amestecurile racemice.
12.1.3. Proprietăți acido-bazice
Amfoteritatea aminoacizilor este determinată de acid (COOH) și bazic (NH 2) grupe funcționale din moleculele lor. Aminoacizii formează săruri atât cu alcalii, cât și cu acizii.
În stare cristalină, α-aminoacizii există ca ioni dipolari H3N+ - CHR-COO- (notație folosită în mod obișnuit
Structura aminoacidului în formă neionizată este doar pentru comoditate).
În soluție apoasă, aminoacizii există sub forma unui amestec de echilibru de ioni dipolari, forme cationice și anionice.
Poziția de echilibru depinde de pH-ul mediului. Pentru toți aminoacizii, formele cationice predomină în formele puternic acide (pH 1-2) și anionice în mediile puternic alcaline (pH > 11).
Structura ionică determină o serie de proprietăți specifice ale aminoacizilor: punct de topire ridicat (peste 200? C), solubilitate în apă și insolubilitate în solvenți organici nepolari. Capacitatea majorității aminoacizilor de a se dizolva bine în apă este un factor important în asigurarea funcționării lor biologice, sunt asociate absorbția aminoacizilor, transportul lor în organism etc.
Un aminoacid complet protonat (forma cationică), din punctul de vedere al teoriei lui Brønsted, este un acid dibazic,
Donând un proton, un astfel de acid dibazic se transformă într-un acid monobazic slab - un ion dipolar cu o grupă acidă NH 3 + . Deprotonarea ionului dipolar duce la producerea formei anionice a aminoacidului - ionul carboxilat, care este o bază Brønsted. Valorile caracterizează
Proprietățile acide de bază ale grupării carboxil de aminoacizi variază de obicei de la 1 la 3; valorile pK a2 care caracterizează aciditatea grupului de amoniu - de la 9 la 10 (Tabelul 12.1).
Tabelul 12.1.Proprietățile acido-bazice ale celor mai importanți α-aminoacizi
Poziția de echilibru, adică raportul dintre diferitele forme ale unui aminoacid, într-o soluție apoasă la anumite valori ale pH-ului depinde în mod semnificativ de structura radicalului, în principal de prezența grupărilor ionice în acesta, jucând rolul de suplimentar. centri acizi si bazici.
Valoarea pH-ului la care concentrația ionilor dipolari este maximă și concentrațiile minime ale formelor cationice și anionice ale unui aminoacid sunt egale, se numeștepunct izoelectric (p/).
Neutruα -aminoacizi. Acești aminoacizi conteazăpIuşor mai mic decât 7 (5,5-6,3) datorită capacităţii mai mari de a ioniza gruparea carboxil sub influenţa efectului -/- al grupării NH2. De exemplu, alanina are un punct izoelectric la pH 6,0.
Acruα -aminoacizi. Acești aminoacizi au o grupare carboxil suplimentară în radical și sunt într-o formă complet protonată într-un mediu puternic acid. Aminoacizii acizi sunt tribazici (după Brøndsted) cu trei semnificațiipK a,după cum se poate observa în exemplul acidului aspartic (p/ 3,0).
Pentru aminoacizii acizi (aspartici și glutamici), punctul izoelectric este la un pH mult mai mic decât 7 (vezi Tabelul 12.1). În organism, la valorile fiziologice ale pH-ului (de exemplu, pH-ul sângelui 7,3-7,5), acești acizi sunt în formă anionică, deoarece ambele grupări carboxil sunt ionizate.
De bazăα -aminoacizi.În cazul aminoacizilor bazici, punctele izoelectrice sunt situate în regiunea pH-ului peste 7. Într-un mediu puternic acid acești compuși sunt și acizi tribazici, ale căror etape de ionizare sunt ilustrate prin exemplul lizinei (p/ 9,8) .
În organism, aminoacizii bazici se găsesc sub formă de cationi, adică ambele grupări amino sunt protonate.
În general, fără α-aminoacid in vivonu se află în punctul său izoelectric și nu intră într-o stare corespunzătoare celei mai scăzute solubilitati în apă. Toți aminoacizii din organism sunt în formă ionică.
12.1.4. Reacții importante din punct de vedere analitic α -aminoacizi
α-Aminoacizii, ca compuși heterofuncționali, intră în reacții caracteristice atât grupelor carboxil cât și amino. Unele proprietăți chimice ale aminoacizilor se datorează grupărilor funcționale din radical. Această secțiune discută reacții care sunt de importanță practică pentru identificarea și analiza aminoacizilor.
Esterificarea.Când aminoacizii reacţionează cu alcoolii în prezenţa unui catalizator acid (de exemplu, acid clorhidric gazos), esterii se obţin sub formă de clorhidrati cu randament bun. Pentru a izola esterii liberi, amestecul de reacție este tratat cu amoniac gazos.
Esterii de aminoacizi nu au o structură dipolară, prin urmare, spre deosebire de acizii părinte, se dizolvă în solvenți organici și sunt volatili. Astfel, glicina este o substanță cristalină cu un punct de topire ridicat (292°C), iar esterul său metilic este un lichid cu punctul de fierbere de 130°C. Analiza esterilor de aminoacizi poate fi efectuată utilizând cromatografia gaz-lichid.
Reacția cu formaldehida. De importanță practică este reacția cu formaldehida, care stă la baza determinării cantitative a aminoacizilor prin metoda titrarea formolului(metoda Sørensen).
Natura amfoteră a aminoacizilor nu permite titrarea directă cu alcali în scopuri analitice. Interacțiunea aminoacizilor cu formaldehida produce aminoalcooli relativ stabili (vezi 5.3) - derivați N-hidroximetil, a căror grupare carboxil liberă este apoi titrată cu alcali.
Reacții calitative. O caracteristică a chimiei aminoacizilor și proteinelor este utilizarea a numeroase reacții calitative (de culoare), care au stat anterior la baza analizei chimice. În zilele noastre, când cercetările se desfășoară prin metode fizico-chimice, multe reacții calitative continuă să fie utilizate pentru detectarea α-aminoacizilor, de exemplu, în analiza cromatografică.
Chelație. Cu cationi ai metalelor grele, α-aminoacizii ca compuși bifuncționali formează săruri intra-complexe, de exemplu, cu hidroxid de cupru(11) proaspăt preparat în condiții blânde, se obțin chelați bine cristalizanți.
săruri de cupru albastru(11) (una dintre metodele nespecifice de detectare a α-aminoacizilor).
Reacția ninhidrinei. Reacția calitativă generală a α-aminoacizilor este reacția cu ninhidrina. Produsul de reacție are o culoare albastru-violet, care este utilizat pentru detectarea vizuală a aminoacizilor pe cromatograme (pe hârtie, în strat subțire), precum și pentru determinarea spectrofotometrică pe analizoare de aminoacizi (produsul absoarbe lumina în regiunea de 550-570 nm).
Dezaminarea. În condiții de laborator, această reacție se realizează prin acțiunea acidului azot asupra α-aminoacizilor (vezi 4.3). În acest caz, se formează acidul α-hidroxi corespunzător și se eliberează azot gazos, al cărui volum este utilizat pentru a determina cantitatea de aminoacid care a reacționat (metoda Van-Slyke).
Reacția xantoproteinelor. Această reacție este utilizată pentru a detecta aminoacizi aromatici și heterociclici - fenilalanină, tirozină, histidină, triptofan. De exemplu, atunci când acidul azotic concentrat acționează asupra tirozinei, se formează un derivat nitro, colorat în galben. Într-un mediu alcalin, culoarea devine portocalie din cauza ionizării grupării hidroxil fenolice și a creșterii contribuției anionului la conjugare.
Există, de asemenea, o serie de reacții private care permit detectarea aminoacizilor individuali.
Triptofan detectat prin reacția cu p-(dimetilamino)benzaldehida în acid sulfuric prin apariția unei culori roșu-violet (reacția Ehrlich). Această reacție este utilizată pentru analiza cantitativă a triptofanului în produsele de descompunere a proteinelor.
cisteină detectat prin mai multe reacţii calitative bazate pe reactivitatea grupei mercapto pe care o conţine. De exemplu, atunci când o soluție proteică cu acetat de plumb (CH3COO)2Pb este încălzită într-un mediu alcalin, se formează un precipitat negru de sulfură de plumb PbS, ceea ce indică prezența cisteinei în proteine.
12.1.5. Reacții chimice importante din punct de vedere biologic
În organism, sub influența diferitelor enzime, se efectuează o serie de transformări chimice importante ale aminoacizilor. Astfel de transformări includ transaminarea, decarboxilarea, eliminarea, scindarea aldolică, dezaminarea oxidativă și oxidarea grupărilor tiol.
Transaminarea este calea principală pentru biosinteza α-aminoacizilor din α-oxoacizi. Donatorul grupării amino este un aminoacid prezent în celule în cantitate suficientă sau în exces, iar acceptorul său este un α-oxoacid. În acest caz, aminoacidul este transformat într-un oxoacid, iar oxoacidul într-un aminoacid cu structura corespunzătoare a radicalilor. Ca rezultat, transaminarea este un proces reversibil de schimb de grupări amino și oxo. Un exemplu de astfel de reacție este producerea acidului l-glutamic din acidul 2-oxoglutaric. Aminoacidul donor poate fi, de exemplu, acid l-aspartic.
α-aminoacizii conțin o grupare amino care atrage electroni (mai precis, o grupare amino protonată NH) în poziția α față de grupa carboxil 3 +), și deci capabil de decarboxilare.
Eliminarecaracteristică aminoacizilor în care radicalul lateral în poziția β față de grupa carboxil conține o grupare funcțională atrăgătoare de electroni, de exemplu, hidroxil sau tiol. Eliminarea lor duce la acizi α-enamino reactivi intermediari, care se transformă cu ușurință în iminoacizi tautomerici (analogie cu tautomerismul ceto-enol). Ca urmare a hidratării la legătura C=N și eliminării ulterioare a moleculei de amoniac, a-iminoacizii sunt transformați în a-oxoacizi.
Acest tip de transformare se numește eliminare-hidratare. Un exemplu este producerea de acid piruvic din serină.
Clivaj aldolic apare în cazul α-aminoacizilor, care conțin o grupare hidroxil în poziția β. De exemplu, serina este descompusă pentru a forma glicină și formaldehidă (aceasta din urmă nu este eliberată în formă liberă, ci se leagă imediat de coenzimă).
Dezaminarea oxidativă poate fi efectuată cu participarea enzimelor și a coenzimei NAD+ sau NADP+ (vezi 14.3). α-Aminoacizii pot fi transformați în α-oxoacizi nu numai prin transaminare, ci și prin dezaminare oxidativă. De exemplu, acidul α-oxoglutaric este format din acid l-glutamic. În prima etapă a reacției, acidul glutamic este dehidrogenat (oxidat) la acid α-iminoglutaric
acizi.
În a doua etapă are loc hidroliza, rezultând acid α-oxoglutaric și amoniac. Etapa de hidroliză are loc fără participarea unei enzime.
Reacția de aminare reductivă a acizilor α-oxo are loc în sens invers. Acidul α-oxoglutaric, conținut întotdeauna în celule (ca produs al metabolismului carbohidraților), este transformat în acest fel în acid L-glutamic. stă la baza interconversiilor reziduurilor de cisteină și cistină, oferind o serie de procese redox în celulă. Cisteina, ca toți tiolii (vezi 4.1.2), este ușor oxidată pentru a forma o disulfură, cistina. Legătura disulfurică din cistina este ușor redusă pentru a forma cisteină.
Datorită capacității grupului tiol de a se oxida cu ușurință, cisteina îndeplinește o funcție de protecție atunci când organismul este expus la substanțe cu capacitate oxidativă ridicată. În plus, a fost primul medicament care a prezentat efecte anti-radiații. Cisteina este utilizată în practica farmaceutică ca stabilizator pentru medicamente.
Conversia cisteinei în cistină are ca rezultat formarea de legături disulfurice, cum ar fi glutationul redus
(vezi 12.2.3).
12.2. Structura primară a peptidelor și proteinelor
În mod convențional, se crede că peptidele conțin până la 100 de resturi de aminoacizi într-o moleculă (care corespunde unei greutăți moleculare de până la 10 mii), iar proteinele conțin mai mult de 100 de resturi de aminoacizi (greutate moleculară de la 10 mii la câteva milioane). .
La rândul său, în grupul de peptide se obișnuiește să se facă distincție oligopeptide(peptide cu greutate moleculară mică) care nu conțin mai mult de 10 reziduuri de aminoacizi în lanț și polipeptide, al cărui lanț include până la 100 de resturi de aminoacizi. Macromoleculele cu un număr de reziduuri de aminoacizi care se apropie sau depășește ușor 100 nu fac distincție între polipeptide și proteine, acești termeni sunt adesea utilizați ca sinonimi.
O moleculă de peptidă și proteină poate fi reprezentată formal ca un produs al policondensării α-aminoacizilor, care are loc odată cu formarea unei legături peptidice (amide) între unitățile monomerice (Schema 12.2).
Designul lanțului de poliamide este același pentru întreaga varietate de peptide și proteine. Acest lanț are o structură neramificată și constă din grupări peptidice (amide) alternante -CO-NH- și fragmente -CH(R)-.
Un capăt al lanțului conține un aminoacid cu o grupare NH liberă 2, se numește N-terminal, celălalt se numește C-terminal,
Schema 12.2.Principiul construirii unui lanț peptidic
care conţine un aminoacid cu o grupare COOH liberă. Lanțurile de peptide și proteine sunt scrise de la capătul N-terminal.
12.2.1. Structura grupului peptidic
În grupa peptidică (amidă) -CO-NH- atomul de carbon este într-o stare de hibridizare sp2. Perechea singură de electroni a atomului de azot intră în conjugare cu electronii π ai dublei legături C=O. Din punct de vedere al structurii electronice, gruparea peptidică este un sistem p,π-conjugat cu trei centre (vezi 2.3.1), densitatea electronilor în care este deplasată către atomul de oxigen mai electronegativ. Atomii C, O și N care formează un sistem conjugat sunt localizați în același plan. Distribuția densității electronice în grupa amidă poate fi reprezentată folosind structurile de limită (I) și (II) sau deplasarea densității electronilor ca rezultat al efectelor +M- și -M ale grupelor NH și C=O, respectiv (III).
Ca rezultat al conjugării, are loc o anumită aliniere a lungimii legăturilor. Legătura dublă C=O este extinsă la 0,124 nm față de lungimea obișnuită de 0,121 nm, iar legătura C-N devine mai scurtă - 0,132 nm față de 0,147 nm în cazul obișnuit (Fig. 12.1). Sistemul conjugat plan din grupul de peptide cauzează dificultăți în rotație în jurul legăturii C-N (bariera de rotație este de 63-84 kJ/mol). Astfel, structura electronică determină un destul de rigid plat structura grupului peptidic.
După cum se poate observa din fig. 12.1, atomii de carbon α ai resturilor de aminoacizi sunt localizați în planul grupării peptidice pe părțile opuse ale legăturii C-N, adică într-o poziție trans mai favorabilă: radicalii laterali R ai resturilor de aminoacizi în acest caz vor fi cele mai îndepărtate unele de altele în spațiu.
Lanțul polipeptidic are o structură surprinzător de uniformă și poate fi reprezentat ca o serie între ele situate într-un unghi.
Orez. 12.1.Aranjament plan al grupării peptidice -CO-NH- și atomilor de carbon α ai resturilor de aminoacizi
unul la altul planuri de grupări peptidice conectate între ele prin atomi de carbon α prin legături Cα-N și Cα-Csp 2 (Fig. 12.2). Rotația în jurul acestor legături simple este foarte limitată din cauza dificultăților în plasarea spațială a radicalilor laterali ai reziduurilor de aminoacizi. Astfel, structura electronică și spațială a grupului de peptide determină în mare măsură structura lanțului polipeptidic ca întreg.
Orez. 12.2.Poziția relativă a planurilor grupărilor peptidice din lanțul polipeptidic
12.2.2. Compoziția și secvența de aminoacizi
Cu un lanț de poliamidă construit uniform, specificitatea peptidelor și proteinelor este determinată de două caracteristici cele mai importante - compoziția de aminoacizi și secvența de aminoacizi.
Compoziția de aminoacizi a peptidelor și proteinelor este natura și raportul cantitativ al α-aminoacizilor acestora.
Compoziția de aminoacizi este determinată prin analiza hidrolizatelor de peptide și proteine, în principal prin metode cromatografice. În prezent, o astfel de analiză este efectuată folosind analizoare de aminoacizi.
Legăturile amidice sunt capabile de hidroliză atât în medii acide, cât și în medii alcaline (vezi 8.3.3). Peptidele și proteinele sunt hidrolizate pentru a forma fie lanțuri mai scurte - acesta este așa-numitul hidroliza parțială, sau amestecuri de aminoacizi (sub formă ionică) - hidroliza completă. Hidroliza se realizează de obicei într-un mediu acid, deoarece mulți aminoacizi sunt instabili în condiții de hidroliză alcalină. Trebuie remarcat faptul că grupările amidice ale asparaginei și glutaminei sunt, de asemenea, supuse hidrolizei.
Structura primară a peptidelor și proteinelor este secvența de aminoacizi, adică ordinea de alternanță a resturilor de α-aminoacizi.
Structura primară este determinată prin îndepărtarea secvenţială a aminoacizilor de la fiecare capăt al lanţului şi identificarea acestora.
12.2.3. Structura și nomenclatura peptidelor
Numele peptidelor sunt construite prin listarea secvenţială a resturilor de aminoacizi, începând de la capătul N-terminal, cu adăugarea unui sufix-il, cu excepția ultimului aminoacid C-terminal, pentru care se păstrează numele complet. Cu alte cuvinte, numele
aminoacizii care au intrat în formarea unei legături peptidice datorită grupului „lor” COOH se termină în numele peptidei cu -il: alanil, valil etc. (pentru reziduurile de acid aspartic și glutamic se folosesc denumirile „aspartil” și, respectiv, „glutamil”). Numele și simbolurile aminoacizilor indică apartenența acestora l -rând, dacă nu se indică altfel ( d sau dl).
Uneori, în notația prescurtată, simbolurile H (ca parte a unei grupe amino) și OH (ca parte a unei grupări carboxil) indică nesubstituția grupărilor funcționale ale aminoacizilor terminali. Această metodă este convenabilă pentru reprezentarea derivaților funcționali ai peptidelor; de exemplu, amida peptidei de mai sus la aminoacidul C-terminal este scrisă H-Asn-Gly-Phe-NH2.
Peptidele se găsesc în toate organismele. Spre deosebire de proteine, acestea au o compoziție de aminoacizi mai eterogenă, în special, includ destul de des aminoacizi d -rând. Din punct de vedere structural, sunt și mai diverse: conțin fragmente ciclice, lanțuri ramificate etc.
Unul dintre cei mai comuni reprezentanți ai tripeptidelor este glutation- se găsește în corpul tuturor animalelor, plantelor și bacteriilor.
Cisteina din compoziția glutationului face posibil ca glutationul să existe atât sub formă redusă, cât și în formă oxidată.
Glutationul este implicat într-o serie de procese redox. Funcționează ca un protector proteic, adică o substanță care protejează proteinele cu grupări tiol SH libere de oxidare cu formarea de legături disulfură -S-S-. Acest lucru se aplică acelor proteine pentru care un astfel de proces este nedorit. În aceste cazuri, glutationul preia acțiunea unui agent oxidant și astfel „protejează” proteina. În timpul oxidării glutationului, are loc reticulare intermoleculară a două fragmente tripeptidice din cauza unei legături disulfurice. Procesul este reversibil.
12.3. Structura secundară a polipeptidelor și proteinelor
Polipeptidele și proteinele cu greutate moleculară mare, împreună cu structura primară, sunt, de asemenea, caracterizate prin niveluri mai ridicate de organizare, care sunt numite secundar, terțiarŞi cuaternar structurilor.
Structura secundară este descrisă de orientarea spațială a lanțului polipeptidic principal, structura terțiară de arhitectura tridimensională a întregii molecule proteice. Atât structura secundară, cât și cea terțiară sunt asociate cu aranjarea ordonată a lanțului macromolecular în spațiu. Structura terțiară și cuaternară a proteinelor este discutată într-un curs de biochimie.
S-a demonstrat prin calcul că una dintre cele mai favorabile conformații pentru un lanț polipeptidic este un aranjament în spațiu sub forma unei spirale drepte, numită α-helix(Fig. 12.3, a).
Aranjamentul spațial al unui lanț polipeptidic elicoidal α poate fi imaginat imaginându-ne că se înfășoară în jurul unui anumit
Orez. 12.3.conformația α-helicală a lanțului polipeptidic
cilindru (vezi Fig. 12.3, b). Există o medie de 3,6 reziduuri de aminoacizi pe tură a helixului, pasul helixului este de 0,54 nm, iar diametrul este de 0,5 nm. Planurile a două grupări peptidice învecinate sunt situate la un unghi de 108°, iar radicalii laterali ai aminoacizilor sunt localizați în exteriorul helixului, adică sunt direcționați ca de la suprafața cilindrului.
Rolul principal în asigurarea unei astfel de conformații de lanț îl joacă legăturile de hidrogen, care în α-helix se formează între atomul de oxigen carbonil al fiecărui prim și atomul de hidrogen al grupării NH a fiecărui al cincilea rest de aminoacid.
Legăturile de hidrogen sunt direcționate aproape paralel cu axa helixului α. Ei țin lanțul răsucit.
De obicei, lanțurile proteice nu sunt complet elicoidale, ci doar parțial. Proteine precum mioglobina și hemoglobina conțin regiuni α-helicoidale destul de lungi, cum ar fi lanțul mioglobinei
75% spiralat. În multe alte proteine, proporția regiunilor elicoidale din lanț poate fi mică.
Un alt tip de structură secundară a polipeptidelor și proteinelor este β-structură, numit si foaie pliată, sau strat pliat. Lanțurile polipeptidice alungite sunt dispuse în foițe pliate, legate prin multe legături de hidrogen între grupările peptidice ale acestor lanțuri (Fig. 12.4). Multe proteine conțin atât structuri elicoidale α, cât și β-sheet.
Orez. 12.4.Structura secundară a lanțului polipeptidic sub forma unei foi pliate (structură β)
sunt polipeptide, sunt și proteine
F. Engels nu a fost biolog, dar a dat următoarea definiție a vieții:
Viața este un mod de existență a corpurilor proteice, al cărui punct esențial este schimbul constant de substanțe cu natura exterioară care le înconjoară, iar odată cu încetarea acestui metabolism, viața încetează și ea, ceea ce duce la descompunerea proteinei.
Desigur, această definiție nu este științifică și nu afectează mulți oameni, dar determină un punct cel mai important -
viața pe pământ este proteine
Structura și funcțiile proteinelor
Veverițe- polimeri ai căror monomeri sunt aminoacizi. Proteinele conțin doar 20 de aminoacizi, dar pot exista o mulțime de combinații ale acestor aminoacizi! Datorită acestui fapt, se realizează diversitatea. Prin urmare, există o cantitate imensă de proteine în natură!
Compoziția proteinelor este scrisă astfel - o secvență de aminoacizi, care sunt desemnate prin trei litere:
Ceea ce este prezentat în figură este o secvență de aminoacizi - aceasta este o moleculă mare și lungă întreagă (ceea ce este arătat aici este o proteină foarte mică, de obicei astfel de molecule sunt cu un ordin de mărime mai lungi).
În subiectul despre aminoacizi, am examinat deja mecanismul de formare a unui astfel de polimer - o polipeptidă.
Structura primară a proteinei
- aceasta este exact această secvență - ce aminoacizi și în ce secvență sunt conectați legături covalente.
Structura secundară a proteinei
Acest spirală, care este deja format din cauza intermoleculare - legături de hidrogen.
Structura terțiară a proteinelor
Această structură este formată din spirale pliate - această formațiune se numește
Structura proteinelor cuaternare
Aceasta este o anumită „așezare” a lanțurilor proteice. Alte substanțe pot fi incluse în această „așezare”. De exemplu, hemoglobina:
Proteinele sunt destul de ușor distruse. Mai întâi, structura cuaternară „se rupe”, apoi terțiara, apoi structura secundară. Este mai dificil să distrugi structura primară. Aceasta este, mai degrabă, o interacțiune chimică.
Distrugerea structurilor proteice se numește denaturare.
Cei mai cunoscuți denaturanți sunt temperatura (încălzirea), alcoolul etc.
Un exemplu simplu și de zi cu zi de denaturare sunt ouăle omletă! 🙂
Funcțiile proteinelor
- structural - proteina este o componentă esențială a oricărei membrane, oricărui cartilaj...
- Aproape toate enzimele sunt proteine în natură. Enzime = biocatalizatori. Fiecare reacție are propria sa enzimă.
- Hormonii sunt proteine în natură.
- Transport - proteinele transportă substanțe prin membrana celulară, hemoglobina - oxigen în sânge...
Proteinele au o mulțime de funcții... ceea ce este enumerat mai sus este doar cel mai de bază.
Proteinele sunt baza vieții pe Pământ și este aproape imposibil să găsești procese care au loc într-un organism viu fără participarea lor...
1) Aminoacizi hidrofobi (nepolari). Componentele radicale conțin de obicei grupări hidrocarburi și inele aromatice. Aminoacizii hidrofobi includ ala, val, lei, ile, fen, tri, met.
2) Aminoacizi hidrofili (polari) neîncărcați. Radicalii unor astfel de aminoacizi conțin grupări polare (-OH, -SH, -NH2). Aceste grupuri interacționează cu moleculele de apă dipol care se orientează în jurul lor. Cele neîncărcate polare includ gly, ser, tre, tyr, cis, gln, asn.
3) Aminoacizi polari încărcați negativ. Acestea includ acizii aspartic și glutamic. Într-un mediu neutru, asp și glu capătă o sarcină negativă.
4) Aminoacizi polari încărcați pozitiv: arginină, lizină și histidină. Au o grupare amino suplimentară (sau inel imidazol, cum ar fi histidina) în radical. Într-un mediu neutru, lys, arg și gαis capătă o sarcină pozitivă.
II. Clasificarea biologică.
1) Aminoacizii esențiali nu pot fi sintetizați în corpul uman și trebuie aprovizionați cu alimente (val, ile, lei, lys, met, tre, tri, fen) și încă 2 aminoacizi sunt clasificați ca parțial esențiali (arg, gis) .
2) Aminoacizii neesențiali pot fi sintetizați în corpul uman (acid glutamic, glutamină, prolină, alanină, acid aspartic, asparagină, tirozină, cisteină, serină și glicină).
Structura aminoacizilor. Toți aminoacizii sunt α-aminoacizi. Gruparea amino a părții comune a tuturor aminoacizilor este atașată de atomul de carbon α. Aminoacizii conțin o grupare carboxil -COOH și o grupare amino -NH2. Într-o proteină, grupele ionogene ale părții comune a aminoacizilor participă la formarea legăturilor peptidice, iar toate proprietățile proteinei sunt determinate numai de proprietățile radicalilor de aminoacizi. Aminoacizii sunt compuși amfoteri. Punctul izoelectric al unui aminoacid este valoarea pH-ului la care proporția maximă de molecule de aminoacid are sarcină zero.
Proprietățile fizico-chimice ale proteinelor.
Izolare și purificare: separare electroforetică, filtrare pe gel, etc. Greutatea moleculară a proteinelor, amfoteritate, solubilitate (hidratare, sărare). Denaturarea proteinelor, reversibilitatea acesteia.
Greutate moleculară. Proteinele sunt polimeri organici care conțin azot cu o molecul mare, construiți din aminoacizi. Greutatea moleculară a proteinelor depinde de numărul de aminoacizi din fiecare subunitate.
Proprietăți tampon. Proteinele sunt polielectroliți amfoteri, adică ele combină proprietățile acide și bazice. În funcție de aceasta, proteinele pot fi acide sau bazice.
Factori de stabilizare a proteinelor în soluție. HYDRATE SHELL este un strat de molecule de apă orientate într-un anumit fel pe suprafața unei molecule de proteine. Suprafața majorității moleculelor de proteine este încărcată negativ, iar dipolii moleculelor de apă sunt atrași de ea de polii încărcați pozitiv.
Factori care reduc solubilitatea proteinelor. Valoarea pH-ului la care o proteină devine neutră din punct de vedere electric se numește punctul izoelectric (IEP) al proteinei. Pentru proteinele de bază, IET este într-un mediu alcalin, pentru proteinele acide - într-un mediu acid. Denaturarea este o încălcare secvenţială a structurilor cuaternare, terţiare şi secundare ale unei proteine, însoţită de o pierdere a proprietăţilor biologice. Precipitează proteine denaturate. Proteina poate fi precipitată prin modificarea pH-ului mediului (IET), sau prin sărare sau prin acțiunea asupra unui factor de denaturare. Factori fizici: 1. Temperaturi ridicate.
Unele proteine sunt supuse denaturarii deja la 40-50 2. Iradiere ultravioletă 3. Iradiere cu raze X și radioactivă 4. Ultrasunete 5. Impact mecanic (de exemplu, vibrații). Factori chimici: 1. Acizi și alcali concentrați. 2. Săruri ale metalelor grele (de exemplu, CuSO4). 3. Solvenți organici (alcool etilic, acetonă) 4. Săruri neutre ale metalelor alcaline și alcalino-pământoase (NaCl, (NH4)2SO4)
Organizarea structurală a moleculelor proteice.
Structuri primare, secundare, terțiare. Conexiuni implicate în stabilizarea structurilor. Dependența proprietăților biologice ale proteinelor de structura secundară și terțiară. Structura cuaternară a proteinelor. Dependența activității biologice a proteinelor de structura cuaternară (modificări ale conformației protomerilor).
Există patru niveluri de organizare spațială a proteinelor: structura primară, secundară, terțiară și cuaternară a moleculelor de proteine. Structura primară a proteinei- secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic (PPC). Legătura peptidică este formată numai de gruparea alfa amino și gruparea alfa carboxil a aminoacizilor. Structura secundară este organizarea spațială a miezului unui lanț polipeptidic sub forma unei structuri α-helix sau β-sheet. Într-un α-helix, există 36 de resturi de aminoacizi la 10 ture. Helixul α este fixat folosind legături de hidrogen între grupările NH ale unei spire ale helixului și grupările C=O ale spirei adiacente.
Structura foii β este de asemenea ținută împreună prin legături de hidrogen între grupările C=O și NH. Structura terțiară- o aranjare reciprocă specială în spațiu a secțiunilor în formă de spirală și pliate ale lanțului polipeptidic. Legăturile disulfurice puternice și toate tipurile slabe de legături (interacțiuni ionice, hidrogen, hidrofobe, van der Waals) participă la formarea structurii terțiare. Structura cuaternară- organizarea tridimensională în spațiu a mai multor lanțuri polipeptidice. Fiecare lanț se numește subunitate (sau protomer). Prin urmare, proteinele cu structură cuaternară se numesc proteine oligomerice.
4. Proteine simple și complexe, clasificarea lor.
Natura legăturilor grupurilor protetice cu proteine. Funcțiile biologice ale proteinelor. Capacitatea de a interacționa în mod specific cu un ligand.
Proteinele simple sunt construite din reziduuri de aminoacizi și, la hidroliză, se descompun numai în aminoacizi liberi. Proteinele complexe sunt proteine cu două componente care constau dintr-o proteină simplă și o componentă neproteică numită grup protetic. Atunci când proteinele complexe sunt hidrolizate, pe lângă aminoacizii liberi, se eliberează partea neproteică sau produșii săi de descompunere. Proteinele simple, la rândul lor, sunt împărțite pe baza unor criterii selectate condiționat într-un număr de subgrupe: protamine, histone, albumine, globuline, prolamine, gluteline etc.
Clasificarea proteinelor complexe:
Fosfoproteine (conțin acid fosforic), cromoproteine (conțin pigmenți),
Nucleoproteine (conțin acizi nucleici), glicoproteine (conțin carbohidrați),
Lipoproteine (conțin lipide) și metaloproteine (conțin metale).
Centru activ al unei molecule de proteine. Când proteinele funcționează, ele se pot lega de liganzi - substanțe cu greutate moleculară mică. Ligandul se atașează la un loc specific din molecula de proteină - centrul activ. Centrul activ se formează la nivelurile terțiare și cuaternare de organizare a moleculei proteice și se formează datorită atracției radicalilor laterali ai anumitor aminoacizi (se formează legături de hidrogen între grupele -OH ale sulfului, radicalii aromatici sunt legați prin hidrofobi). interacţiuni, -COOH şi -NH2 - prin legături ionice).
Proteine care conțin carbohidrați: glicoproteine, proteoglicani.
Principalii carbohidrați ai corpului uman: monozaharide, dizaharide, glicogen, heteropolizaharide, structura și funcțiile acestora.
Proteine care conțin carbohidrați (glicoproteine și proteoglicani). Grupa protetică a glicoproteinelor poate fi reprezentată de monozaharide (glucoză, galactoză, manoză, fructoză, 6-deoxigalactoză), aminele acestora și derivații acetilați ai aminozaharurilor (acetilglucoză, acetilgalactoză. Ponderea carbohidraților în moleculele de glicoproteine reprezintă până la 35% molecule de glicoproteine). Glicoproteinele sunt predominant proteine globulare.
Funcțiile biologice ale glicoproteinelor:
1. transport(proteinele din sânge, globulinele transportă fier, ioni de cupru, hormoni steroizi);
2. de protecţie: fibrinogenul realizează coagularea sângelui; b. imunoglobulinele asigură protecție imunitară;
3. receptor(receptorii sunt localizați pe suprafața membranei celulare care asigură interacțiune specifică).
4. enzimatic(colinesterază, ribonuclează);
5. hormonale(hormonii glandei pituitare anterioare - gonadotropină, tirotropină).
Funcțiile biologice ale proteoglicanilor: acizii hialuronic și condroitinsulfuric, sulfatul de cheratină îndeplinesc funcții structurale, de legare, mecanice de suprafață.
L hipoproteinețesuturi umane. Clasificarea lipidelor.
De bază reprezentanți: triacilgliceroli, fosfolipide, glicolipide, colesterol. Structura și funcțiile lor. Acizi grași esențiali și derivații acestora. Compoziția, structura și funcțiile lipoproteinelor din sânge.
Nucleoproteine.
Caracteristicile părții proteice. Istoria descoperirii și studiului acizilor nucleici. Structura și funcțiile acizilor nucleici. Structura primară și secundară a ADN-ului și ARN-ului. Tipuri de ARN. Structura cromozomilor.
Nucleoproteinele sunt proteine complexe care conțin proteine (protamina sau histonă), partea neproteică este reprezentată de acizi nucleici (NA): acid dezoxiribonucleic (ADN) și acid ribonucleic (ARN). Protaminele și histonele sunt proteine cu proprietăți de bază pronunțate, deoarece conțin mai mult de 30% Arg și Lys.
Acizii nucleici (NA) sunt lanțuri polimerice lungi formate din multe mii de unități monomerice care sunt conectate între ele prin legături 3’,5’-fosfodiester. Monomerul NA este o mononucleotidă, care constă dintr-o bază azotată, pentoză și un reziduu de acid fosforic. Bazele azotate sunt purine (A și G) și pirimidină (C, U, T). Pentoza este β-D-riboză sau β-D-dezoxiriboză. Baza azotata este legata de pentoza printr-o legatura N-glicozidica. Pentoza și fosfatul sunt legate între ele printr-o legătură esterică între gruparea -OH situată la atomul C5' al pentozei și fosfat.
Tipuri de acizi nucleici:
1. ADN-ul conține A, G, T și C, dezoxiriboză și acid fosforic. ADN-ul se găsește în nucleul celulei și formează baza complexului de proteine cromatine.
2. ARN conține A, G, U și C, riboză și acid fosforic.
Există 3 tipuri de ARN:
a) m-ARN (informație sau șablon) - o copie a unei secțiuni de ADN, conține informații despre structura proteinei;
b) r-ARN formează scheletul ribozomului în citoplasmă și joacă un rol important în asamblarea proteinelor pe ribozom în timpul translației;
c) ARNt este implicat în activarea și transportul AK la ribozom și este localizat în citoplasmă. NC-urile au structuri primare, secundare și terțiare .
Structura primară a NK este același pentru toate speciile - un lanț polinucleotidic liniar în care mononucleotidele sunt legate prin legături 3’, 5’-fosfodiester. Fiecare lanț de polinucleotide are 3’ și 5’, aceste capete sunt încărcate negativ.
Structura secundară a ADN-ului este un dublu helix. ADN-ul este format din 2 fire răsucite într-o spirală spre dreapta în jurul unei axe. Rotirea helixului = 10 nucleotide, care are o lungime de 3,4 nm. Ambele elice sunt antiparalele.
Structura terțiară a ADN-ului - acesta este rezultatul răsucirii suplimentare în spațiu a moleculei de ADN. Acest lucru se întâmplă atunci când ADN-ul interacționează cu o proteină. Când interacționează cu un octamer de histonă, elica dublă este înfășurată pe octamer, adică. se transformă într-o superspirală.
Structura secundară a ARN-ului- fir polinucleotidic, îndoit în spațiu. Această curbură se datorează formării legăturilor de hidrogen între bazele azotate complementare. În t-ARN, structura secundară este reprezentată de o „frunză de trifoi”, în care distingem regiuni complementare și necomplementare. Structura secundară a ARNr este helixul unui singur ARN curbat, iar structura terțiară este scheletul ribozomului. Venind de la nucleu în zona centrală, m-ARN formează complexe cu proteine specifice - informomeri ( structura terțiară a ARNm) și se numesc infozomi.
Cromoproteinele, clasificarea lor. Flavoproteine, structura și funcțiile lor.
Hemoproteinele, structura, reprezentanți: hemoglobină, mioglobină, catalază, peroxidază, citocromi. Funcțiile hemoproteinelor.
Fosfoproteinele conțin un reziduu de acid fosforic ca grup protetic. Exemple: cazeină și cazeinogen de lapte, brânză de vaci, produse lactate, vitellină de gălbenuș de ou, ovalbumină de albuș, ichtulină de caviar de pește. Celulele SNC sunt bogate în fosfoproteine.
Fosfoproteinele au diverse funcții:
1. Funcția nutrițională. Fosfoproteinele produselor lactate sunt ușor digerate, absorbite și sunt o sursă de aminoacizi esențiali și fosfor pentru sinteza proteinelor din țesutul copilului.
2. Este necesar acidul fosforic pentru formarea completă a țesutului nervos și osos copil.
3. Acid fosforic participă la sinteza fosfolipidelor, fosfoproteinelor, nucleotidelor, acizilor nucleici.
4. Acid fosforic reglează activitatea enzimelor prin fosforilare cu participarea enzimelor protein kinazei. Fosfatul este atașat de grupa - OH a serinei sau treoninei prin legături esterice: Cromoproteinele sunt proteine complexe cu o parte colorată neproteică. Acestea includ flavoproteine (galben) și hemoproteine (roșu). Flavoproteinele ca grup protetic conțin derivați ai vitaminei B2 - flavine: flavin adenin dinucleotide (FAD) sau flavin mononucleotide (FMN). Ele sunt partea neproteică a enzimelor dehidrogenaze care catalizează reacțiile redox.
Hemoproteinele Acestea conțin un complex hem-porfirină de fier ca grup non-proteic.
Hemoproteinele sunt împărțite în două clase:
1. enzime: catalaza, peroxidaza, citocromi;
2. non-enzime: hemoglobina si mioglobina.
Enzimele catalaza și peroxidaza distrug peroxidul de hidrogen, citocromii sunt purtători de electroni în lanțul de transport de electroni. Non-enzime. Hemoglobina transportă oxigen (din plămâni către țesuturi) și dioxid de carbon (din țesuturi către plămâni); mioglobina este un depozit de oxigen în mușchii care lucrează. Hemoglobina este un tetramer, deoarece este format din 4 subunități: globina în acest tetramer este reprezentată de 4 lanțuri polipeptidice de 2 soiuri: 2 lanțuri α și 2 β. Fiecare subunitate este asociată cu hem. Tipuri fiziologice de hemoglobină: 1. HbP - hemoglobina primitivă se formează în embrion. 2. HbF - hemoglobina fetala - hemoglobina fetala. Înlocuirea HbP cu HbF are loc până la vârsta de 3 luni.
Enzime, istoria descoperirii și studiului enzimelor, caracteristici ale catalizei enzimatice.
Specificitatea acțiunii enzimelor. Dependența vitezei reacțiilor enzimatice de temperatură, pH, concentrație de enzime și substrat.
Enzime- catalizatori biologici de natura proteica, formati dintr-o celula vie, actionand cu activitate si specificitate mare.
Asemănări enzime cu catalizatori nebiologici este că:
- enzimele catalizează reacții posibile energetic;
- energia sistemului chimic rămâne constantă;
- în timpul catalizei direcția reacției nu se modifică;
- enzimele nu sunt consumate în timpul reacției.
Diferențele dintre enzime și catalizatorii nebiologici sunt următoarele:
- viteza reacțiilor enzimatice este mai mare decât a reacțiilor catalizate de catalizatori neproteici;
- enzimele sunt foarte specifice;
- reacția enzimatică are loc în celulă, adică. la o temperatură de 37 °C, presiune atmosferică constantă și pH fiziologic;
- viteza reacției enzimatice poate fi controlată.
Clasificarea modernă a enzimelor pe baza naturii transformărilor chimice pe care le catalizează. Clasificarea se bazează pe tipul de reacție catalizată de enzimă.
Fe menturile sunt împărțite în 6 clase:
1. Oxidorreductaze- catalizează reacţiile redox
2. Transferaze- transfer de grup
3. Hidrolazele- hidroliza
4. Lyases- clivaj nehidrolitic al substratului
5. Izomeraze- izomerizare
6. Ligaze(sintetaze) - sinteza folosind energie (ATP)
Nomenclatura enzimelor.
1. Nume banal (pepsină, tripsină).
2. Numele enzimei poate fi compus din numele substratului cu adăugarea terminației „aza”
(arginaza hidrolizează aminoacidul arginina).
3. Adăugarea terminației „aza” la numele reacției catalizate (hidrolaza catalizează
hidroliza, dehidrogenaza - dehidrogenarea unei molecule organice, i.e. îndepărtarea protonilor și electronilor de pe substrat).
4. Denumire rațională - denumirea substraturilor și natura reacțiilor catalizate (ATP + hexoză hexoză-6-fosfat + ADP. Enzimă: ATP: D-hexoză-6-fosfotransferaza).
5. Indexarea enzimelor (fiecărei enzime i se atribuie 4 indici sau numere de serie): 1.1.1.1 - ADH, 1.1.1.27 - LDH.
Dependența vitezei de reacție enzimatică de pH-ul mediului. Pentru fiecare enzimă există o valoare a pH-ului la care se observă activitatea sa maximă. Abaterea de la valoarea optimă a pH-ului duce la o scădere a activității enzimatice. Efectul pH-ului asupra activității enzimatice este asociat cu ionizarea grupurilor funcționale de reziduuri de aminoacizi ale unei anumite proteine, care asigură conformarea optimă a centrului activ al enzimei. Când pH-ul se modifică de la valorile optime, ionizarea grupelor funcționale ale moleculei proteice se modifică.
De exemplu, atunci când mediul este acidulat, grupările amino libere (NH 3 +) sunt protonate, iar când are loc alcalinizarea, un proton este îndepărtat din grupările carboxil (COO -). Aceasta duce la o modificare a conformației moleculei de enzimă și a conformației centrului activ; în consecință, atașarea substratului, a cofactorilor și a coenzimelor la centrul activ este perturbată. Enzime care lucrează în conditii acide(de exemplu, pepsina din stomac sau enzimele lizozomale), dobândesc evolutiv o conformație care asigură ca enzima să funcționeze la valori acide ale pH-ului. Cu toate acestea, majoritatea enzimelor din corpul uman au pH optim aproape de neutru, care coincide cu valoarea fiziologică a pH-ului.
Dependența vitezei de reacție enzimatică de temperatura mediului. Creșterea temperaturii până la anumite limite afectează viteza reacției enzimatice, similar cu efectul temperaturii asupra oricărei reacții chimice. Pe măsură ce temperatura crește, mișcarea moleculelor se accelerează, ceea ce duce la o creștere a probabilității de interacțiune a reactanților. În plus, temperatura poate crește energia moleculelor care reacţionează, ceea ce accelerează, de asemenea, reacția.
Cu toate acestea, viteza unei reacții chimice catalizate de enzime are propriul optim de temperatură, al cărei exces este însoțit de o scădere a activității enzimatice rezultată din denaturarea termică a moleculei proteice. Pentru majoritatea enzimelor umane, temperatura optimă este de 37-38 °C. Specificitate- selectivitate foarte mare a enzimelor în raport cu substratul. Specificitatea enzimei se explică prin coincidența configurației spațiale a substratului și a centrului substratului (coincidență steric). Atât centrul activ al enzimei, cât și întreaga sa moleculă proteică sunt responsabile pentru specificitatea enzimei. Locul activ al unei enzime determină tipul de reacție pe care o poate efectua enzima. Există trei tipuri de specificitate:
Specificitate absolută. Enzimele care acționează pe un singur substrat au această specificitate. De exemplu, zaharaza hidrolizează doar zaharoza, lactaza - lactoza, maltaza - maltoza, ureaza - ureea, arginaza - arginina etc. Specificitate relativă- aceasta este capacitatea unei enzime de a actiona asupra unui grup de substraturi cu un tip comun de conexiune, i.e. specificitatea relativă se manifestă numai în raport cu un anumit tip de legătură dintr-un grup de substraturi. Exemplu: lipazele descompun legăturile esterice din grăsimile de origine animală și vegetală. Amilaza hidrolizează legătura α-glicozidică din amidon, dextrine și glicogen. Alcool dehidrogenaza oxidează alcoolii (metanol, etanol etc.).
Specificitatea stereochimică este capacitatea unei enzime de a acționa asupra unui singur stereoizomer.
De exemplu: 1) α, β-izomerie: α - amilaza salivei și sucului pancreatic scindează numai legăturile α-glucozidice din amidon și nu scindează legăturile β-glucozidice din fibre. Unitatea internațională (UI) de activitate enzimatică este cantitatea de enzimă capabilă să transforme 1 µmol de substrat în produși de reacție în 1 minut la 25 °C și pH optim. Catal corespunde cantității de catalizator capabil să transforme 1 mol de substrat într-un produs în 1 secundă la 25 °C și pH optim. Activitate specifică a enzimelor- numărul de unităţi de activitate enzimatică a enzimei la 1 mg de proteină. Activitatea molară este raportul dintre numărul de unități de activitate enzimatică a catalilor sau UI și numărul de moli de enzimă.
Structura enzimelor. Structura și funcțiile centrului activ.
Mecanismul de acțiune al enzimelor. Cofactori enzimatici: ioni metalici și coenzime, participarea lor la activitatea enzimelor. Activatori enzimatici: mecanism de acțiune. Inhibitori ai reacțiilor enzimatice: competitivi, necompetitivi, ireversibili. Medicamente – inhibitori de enzime (exemple).
După structură, enzimele pot fi:
1. monocomponent (proteine simple),
2. bicomponent (proteine complexe).
La enzime - proteine simple- includ enzime digestive (pepsina, tripsina). Enzimele - proteine complexe - includ enzime care catalizează reacțiile redox. Pentru activitatea catalitică a enzimelor cu două componente, este necesară o componentă chimică suplimentară numită cofactor, acestea pot fi jucate de substanțe anorganice (; ioni de fier, magneziu, zinc, cupru etc..), și substanțe organice - coenzime (de exemplu, forme active de vitamine).
O serie de enzime necesită atât o coenzimă, cât și ioni metalici (cofactor) pentru a funcționa. Coenzimele sunt substanțe organice cu greutate moleculară mică, de natură neproteică, asociate temporar și fragil cu partea proteică a enzimei. În cazul în care partea neproteică a enzimei (coenzima) este strâns și permanent asociată cu proteina, atunci o astfel de parte neproteică se numește grupul protetic. Partea proteică a unei enzime-proteine complexe se numește apoenzimă. Împreună formează apoenzima și cofactorul holoenzima.
La procesul de cataliză enzimatică nu participă întreaga moleculă de proteină, ci doar o anumită secțiune - centrul activ al enzimei. Centru activ enzimele reprezintă partea din molecula de enzimă de care este atașat substratul și de care depind proprietățile catalitice ale moleculei de enzimă. În centrul activ al enzimei există zona „de contact”.- un loc care atrage și reține substratul pe enzimă datorită grupărilor sale funcționale și secțiunea „catalitică”., ale căror grupări funcționale sunt direct implicate în reacția catalitică. Unele enzime, pe lângă centrul activ, au și „un alt” centru - unul alosteric.
Cu alosterică centrul interacționează cu diverse substanțe (efectori), cel mai adesea diverși metaboliți. Combinarea acestor substanțe cu centrul alosteric duce la modificarea conformației enzimei (structura terțiară și cuaternară). Centrul activ din molecula de enzimă este fie creat, fie este perturbat. În primul caz, reacția se accelerează, în al doilea caz încetinește. Prin urmare, centrul alosteric este numit centrul de reglare al enzimei. Enzimele care au un centru alosteric în structura lor se numesc reglatoare sau alosterică. Teoria mecanismului de acțiune al enzimelor se bazează pe formarea unui complex enzimă-substrat.
Mecanismul de acțiune al enzimei:
1. formarea unui complex enzima-substrat, substratul este atasat de centrul activ al enzimei.
2. în a doua etapă a procesului enzimatic, care decurge lent, în complexul enzimă-substrat apar rearanjamente electronice.
Enzima (En) și substratul (S) încep să se apropie unul de celălalt pentru a face contact maxim și a forma un singur complex enzimă-substrat. Durata celei de-a doua etape depinde de energia de activare a substratului sau de bariera energetică a unei reacții chimice date. Energia de activare- energia necesară pentru a converti toate moleculele a 1 mol de S în starea activată la o temperatură dată. Fiecare reacție chimică are propria barieră energetică. Datorită formării unui complex enzimă-substrat, energia de activare a substratului scade, iar reacția începe să aibă loc la un nivel energetic mai scăzut. Prin urmare, a doua etapă a procesului limitează viteza întregii catalize.
3. La a treia etapă, reacția chimică în sine are loc cu formarea produselor de reacție. A treia etapă a procesului este scurtă. Ca rezultat al reacției, substratul este transformat într-un produs de reacție; complexul enzima-substrat se dezintegreaza si enzima iese neschimbata din reactia enzimatica. Astfel, enzima face posibilă, datorită formării unui complex enzimă-substrat, să sufere o reacție chimică în sens opus la un nivel energetic mai scăzut.
Cofactor- o substanta neproteica care trebuie sa fie prezenta in organism in cantitati mici pentru ca enzimele corespunzatoare sa isi poata indeplini functiile. Cofactorul conține coenzime și ioni metalici (de exemplu, ioni de sodiu și potasiu).
Toate enzimele aparțin proteinelor globulare și fiecare enzimă îndeplinește o funcție specifică asociată cu structura sa globulară inerentă. Cu toate acestea, activitatea multor enzime depinde de compuși non-proteici numiți cofactori. Complexul molecular al părții proteice (apoenzima) și al cofactorului se numește holoenzimă.
Rolul unui cofactor poate fi îndeplinit de ionii metalici (Zn 2+, Mg 2+, Mn 2+, Fe 2+, Cu 2+, K +, Na +) sau compuși organici complecși. Cofactorii organici sunt de obicei numiți coenzime, iar unii dintre ei sunt derivați ai vitaminelor. Tipul de conexiune dintre enzimă și coenzimă poate fi diferit. Uneori există separat și se leagă unul de celălalt în timpul unei reacții. În alte cazuri, cofactorul și enzima sunt legate permanent și uneori prin legături covalente puternice. În ultimul caz, partea neproteică a enzimei se numește grup protetic.
Rol cofactor Practic se reduce la asta:
- modificarea structurii terțiare a proteinei și crearea complementarității între enzimă și substrat;
- participarea directă la reacție ca un alt substrat.
Activatori pot fi:
1) cofactori, deoarece sunt participanți importanți la procesul enzimatic. De exemplu, metalele care fac parte din centrul catalitic al enzimei: amilaza salivară este activă în prezența ionilor de Ca, lactat dehidrogenază (LDH) - Zn, arginază - Mn, peptidază - Mg și coenzime: vitamina C, derivați ai diverselor vitamine (NAD, NADP, FMN, FAD, KoASH etc.). Ele asigură legarea centrului activ al enzimei de substrat.
2) anionii pot avea, de asemenea, un efect de activare asupra activității enzimei, de exemplu, anionii
Cl - activează amilaza salivară;
3) activatorii pot fi, de asemenea, substanțe care creează valoarea optimă a pH-ului mediului pentru manifestarea activității enzimatice, de exemplu, HCl pentru a crea un mediu optim de conținut gastric pentru activarea pepsinogenului în pepsină;
4) activatorii sunt, de asemenea, substanțe care transformă proenzimele într-o enzimă activă, de exemplu, enterokinaza din sucul intestinal activează conversia tripsinogenului în tripsină;
5) activatorii pot fi o varietate de metaboliți care se leagă de centrul alosteric al enzimei și contribuie la formarea centrului activ al enzimei.
Inhibitorii sunt substanțe care inhibă activitatea enzimelor. Există două tipuri principale de inhibiție: ireversibilă și reversibilă. În cazul inhibării ireversibile, inhibitorul se leagă ferm (ireversibil) de centrul activ al enzimei prin legături covalente, modificând conformația enzimei. Astfel, sarurile metalelor grele (mercur, plumb, cadmiu etc.) pot actiona asupra enzimelor. Inhibația reversibilă este un tip de inhibiție în care activitatea enzimatică poate fi restabilită. Există două tipuri de inhibiție reversibilă: competitivă și necompetitivă. În inhibarea competitivă, substratul și inhibitorul sunt de obicei foarte asemănătoare ca structură chimică.
În acest tip de inhibiție, substratul (S) și inhibitorul (I) se pot lega în mod egal la locul activ al enzimei. Ele concurează între ele pentru un loc în locul activ al enzimei. Un exemplu clasic este inhibiția competitivă - inhibarea acțiunii succinat dehidrogenază acid malonic. Inhibitorii necompetitivi se leagă de situsul alosteric al enzimei.
Ca urmare, apar modificări ale conformației centrului alosteric, care conduc la deformarea centrului catalitic al enzimei și la scăderea activității enzimatice. Produsele metabolice acționează adesea ca inhibitori alosterici necompetitivi. Proprietățile medicinale ale inhibitorilor de enzime (Contrical, Trasylol, Acid aminocaproic, Pamba). Contrical (aprotinina) este utilizat pentru a trata pancreatita acută și exacerbarea pancreatitei cronice, necroza pancreatică acută, sângerarea acută.
Reglarea acțiunii enzimelor. Centru alosteric, inhibitori și activatori alosterici (exemple). Reglarea activității enzimelor prin fosforilare și defosforilare (exemple). Tipuri de reglare hormonală a activității enzimelor.
Diferențele în compoziția enzimatică a organelor și țesuturilor.
Enzime specifice organelor, izoenzime (de exemplu, LDH, MDH etc.). Modificări ale activității enzimelor în patologie. Enzimopatii, diagnostic enzimatic și terapie enzimatică.
Izoenzimele sunt izoforme ale aceleiași enzime care diferă în secvența de aminoacizi, existente în același organism, dar, de regulă, în celule, țesuturi sau organe diferite.
Izoenzimele sunt de obicei foarte omoloage în secvența de aminoacizi. Toate izoenzimele aceleiași enzime îndeplinesc aceeași funcție catalitică, dar pot diferi semnificativ în ceea ce privește gradul de activitate catalitică, caracteristicile de reglare sau alte proprietăți. Un exemplu de enzimă care are izoenzime este amilază— amilaza pancreatică diferă în secvența și proprietățile aminoacizilor de amilaza glandelor salivare, intestinelor și altor organe. Aceasta a servit drept bază pentru dezvoltarea și aplicarea unei metode mai fiabile de diagnosticare a pancreatitei acute prin determinarea nu amilaza totală din plasmă, ci izoamilaza pancreatică.
Enzimopatii - boli cauzate de deteriorarea sintezei enzimatice:
a) în absența completă sau parțială a activității enzimatice;
b) intensificarea excesivă a activității enzimatice;
c) în producerea de enzime patologice care nu se găsesc la o persoană sănătoasă.
Există enzimopatii ereditare și dobândite. Enzimopatiile ereditare sunt asociate cu o tulburare a aparatului genetic al celulei, ducând la lipsa sintezei anumitor enzime.
Bolile ereditare includ enzimopatiile asociate cu conversia afectată a aminoacizilor:
1. Fenilcetonurie- o tulburare ereditară în sinteza enzimei fenilalaninhidroxilazei, cu participarea căreia are loc conversia fenilalaninei în tirozină. Cu această patologie, există o creștere a concentrației de fenilalanină în sânge. Cu această boală la copii, fenilalanina trebuie exclusă din dietă.
2. Albinism- o boală asociată cu un defect genetic al enzimei tirozinaze. Când melanocitele își pierd capacitatea de a sintetiza această enzimă (oxidează tirozina în DOPA și DOPA-chinonă), melanina nu se formează în piele, păr și retină.
Enzimopatii dobândite, adică perturbarea sintezei enzimelor poate rezulta din:
1. utilizarea pe termen lung a medicamentelor (antibiotice, sulfonamide);
2. boli infecțioase trecute;
3. din cauza carentelor de vitamine;
4. tumori maligne.
Diagnosticul enzimatic - determinarea activității enzimatice pentru diagnosticul bolilor. Enzimele plasmatice sanguine sunt împărțite în 3 grupe: secretoare, indicatoare și excretoare. Indicator - enzime celulare. În bolile însoțite de deteriorarea membranelor celulare, aceste enzime apar în cantități mari în sânge, indicând patologie în anumite țesuturi. De exemplu, activitatea amilazei în sânge și urină crește în timpul pancreatitei acute.
Pentru diagnosticul enzimatic, se determină izoenzimele. În condiții patologice, eliberarea enzimei în sânge poate crește din cauza unei modificări a stării membranei celulare. Studiul activității enzimelor din sânge și alte fluide biologice este utilizat pe scară largă pentru a diagnostica boli. De exemplu, diastaza urinară și amilaza din sânge în pancreatită (activitate crescută), scăderea activității amilazei în pancreatita cronică.
Terapia enzimatică este utilizarea enzimelor ca medicamente. De exemplu, un amestec de preparate enzimatice de pepsină, tripsină, amilază (pancreatina, festal) este utilizat pentru boli ale tractului gastrointestinal cu secreție scăzută, tripsina și chimotripsina sunt utilizate în practica chirurgicală pentru boli purulente pentru hidroliza proteinelor bacteriene.
Enzimopatia la copii și importanța diagnosticului lor biochimic (de exemplu, tulburări ale metabolismului azotului și carbohidraților).
Cea mai frecventă variantă a enzimopatiilor care duce la dezvoltarea anemiei hemolitice este deficitul de glucoză 6 fosfat dehidrogenază. Să luăm în considerare cauzele enzimopatiilor la copii. Boala este răspândită printre afro-americani (630%), mai puțin frecventă printre tătari (3,3%) și popoarele din Daghestan (511,3%); sunt rar detectate în populația rusă (0,4%). Un caz special de deficit de glucoză 6fosfat dehidrogenază este favismul. Hemoliza se dezvoltă la consumul de fasole, fasole, mazăre sau inhalarea prafului de naftalină.
Cauzele enzimopatiilor la copii Moștenirea deficitului de glucozo6fosfat dehidrogenază (N), motiv pentru care bărbații sunt mai predispuși să se îmbolnăvească. Există aproximativ 400 de milioane de purtători ai acestei gene patologice în lume. Boala se dezvoltă, de regulă, după administrarea anumitor medicamente [derivați de nitrofuran, chinină, izoniazidă, ftivazidă, acid aminosalicilic (para-aminosalicilat de sodiu), acid nalidixic, sulfonamide etc.] sau pe fondul infecției.
Enzimopatii la copii - semne.
Boala se manifestă prin dezvoltarea rapidă a hemolizei cu utilizarea substanțelor de mai sus sau infecții (în special cu pneumonie, febră tifoidă, hepatită). Deficitul de glucoză 6fosfat dehidrogenază poate provoca icter la nou-născuți. Un test de sânge evidențiază reticulocitoză, niveluri crescute de bilirubină directă și indirectă, LDH și fosfatază alcalină.
Morfologia eritrocitelor și indicile eritrocitelor nu au fost modificate. Diagnosticul se face pe baza rezultatelor determinării activității enzimatice.
Enzimopatii la copii - tratament.
În afara unei crize, tratamentul nu se efectuează. Pentru febră se folosesc metode de răcire fizică. Pentru hemoliza cronică se prescrie acid folic 1 mt/zi timp de 3 săptămâni la fiecare 3 luni. În timpul unei crize, toate medicamentele sunt întrerupte și terapia cu perfuzie este administrată pe fondul deshidratării.
Vitamine, clasificarea vitaminelor (după solubilitate și funcționalitate). Istoria descoperirii și studiului vitaminelor.
Vitaminele sunt compuși organici cu molecularitate scăzută de diferite naturi chimice și structuri diferite, sintetizați în principal de plante, parțial de microorganisme.
Pentru oameni, vitaminele sunt factori nutriționali esențiali. Vitaminele participă la o varietate de reacții biochimice, îndeplinind o funcție catalitică ca parte a centrelor active a unui număr mare de enzime diferite sau acționând ca intermediari de reglementare a informațiilor, îndeplinind funcții de semnalizare ale prohormonilor și hormonilor exogeni. Pe baza structurii lor chimice și a proprietăților fizico-chimice (în special, solubilitatea), vitaminele sunt împărțite în 2 grupe.
Solubil în apă:
- Vitamina B 1 (tiamina);
- Vitamina B 2 (riboflavina);
- Vitamina PP (acid nicotinic, nicotinamidă, vitamina B 3);
- acid pantotenic (vitamina B 5);
- Vitamina B 6 (piridoxina);
- Biotină (vitamina H);
- Acid folic (vitamina Bc, B9);
- Vitamina B 12 (cobalamina);
- Vitamina C (acid ascorbic);
- Vitamina P (bioflavonoide).
