Predstava za otroke 6+. Sherlock Holmes. Gledališče za črno reko v Londonu g...
.jpg)
1. Predmet in naloge biološke kemije. Biokemija kot molekularna raven proučevanja strukturne organizacije, anabolizma in katabolizma žive snovi. Mesto biokemije med drugimi biološkimi disciplinami. Pomen biokemije v izobraževanju zdravnika in za medicino.
Biokemija je veda o kemični sestavi žive snovi, kemičnih procesih, ki se pojavljajo v živih organizmih, pa tudi o povezavi teh transformacij z delovanjem organov in tkiv. Tako je biokemija sestavljena iz treh delov: 1) statična biokemija(to je analiza kemijske sestave živih organizmov); 2) dinamična biokemija(preučuje celotno pretvorbo snovi in energije v telesu); 3) funkcionalna biokemija(preučuje procese, na katerih temeljijo različne manifestacije življenja).
Glavni za biokemijo je pojasniti funkcionalni, to je biološki namen vseh kemičnih snovi in fizikalno-kemijskih procesov v živem organizmu, pa tudi mehanizem motenj teh funkcij pri različnih boleznih. Sodobna biokemija rešuje naslednje probleme: 1. Biotehnološki, tj. ustvarjanje farmacevtskih izdelkov (hormoni, encimi), regulatorji rasti rastlin, izdelki za zatiranje škodljivcev, aditivi za živila. 2. Izvaja razvoj novih metod in orodij za diagnozo in zdravljenje dednih bolezni, karcinogeneze, narave onkogenov in onkoproteinov. 3. Izvaja razvoj metod genskega in celičnega inženiringa za pridobitev bistveno novih pasem živali in rastlinskih oblik z bolj dragocenimi lastnostmi. 4. Preučuje molekularne osnove spomina, psihe, bioenergije, prehrane in vrsto drugih nalog.
Biološka kemija preučuje molekularne procese, na katerih temelji razvoj in delovanje organizmov. Biokemija uporablja metode "molekularnih" znanosti - kemije, fizikalne kemije, molekularne fizike, in v tem pogledu je sama biokemija molekularna znanost. Vendar pa so glavne končne naloge biokemije na področju biologije: preučuje zakonitosti biološke in ne kemične oblike gibanja snovi. Po drugi strani pa »molekularni izumi« narave, ki so jih odkrili biokemiki, najdejo uporabo v nebioloških vejah znanja in industriji (molekularna bionika, biotehnologija). Biokemija v takih primerih nastopa kot metoda, predmet raziskovanja in razvoja pa problemi, ki presegajo biologijo.
Živi organizmi so v stalni in neločljivi povezavi z okoljem. Ta povezava se izvaja v procesu metabolizma. Presnova vključuje 3 stopnje: vstop snovi v telo, presnovo in sproščanje končnih produktov iz telesa.
Vnos snovi v telo nastane kot posledica dihanja (kisika) in prehranjevanja. V prebavilih se hrana prebavi (razgradi na enostavne snovi). Med prebavo pride do hidrolize polimerov (beljakovin, polisaharidov in drugih kompleksnih organskih snovi) do monomerov, ki se absorbirajo v kri in so vključeni v vmesni metabolizem.
Vmesni metabolizem (znotrajcelični metabolizem) vključuje dve vrsti reakcij: katabolizem in anabolizem.
Katabolizem- proces razgradnje organskih molekul v končne produkte. Končni produkti pretvorb organskih snovi pri živalih in ljudeh so CO 2, H 2 O in sečnina. Katabolični procesi vključujejo metabolite, ki nastanejo tako med prebavo kot med razpadom strukturnih in funkcionalnih komponent celic.
Katabolne reakcije spremlja sproščanje energije (eksergonske reakcije).
Anabolizem združuje biosintetske procese, v katerih se preprosti gradniki združijo v kompleksne makromolekule, ki jih potrebuje telo. Anabolične reakcije uporabljajo energijo, ki se sprosti med katabolizmom (endergonske reakcije).
Skoraj vsaka bolezen se začne s poškodbo (motnjo) ene reakcije celičnega metabolizma, nato pa se razširi na tkivo, organ in cel organizem. Presnovne motnje vodijo do motenj homeostaze v bioloških tekočinah človeškega telesa, kar spremljajo spremembe biokemičnih parametrov.
Velik pomen kliničnih in biokemičnih metod za preučevanje bioloških tekočin je velik v medicini in je pomemben za izobraževanje medicinskih laboratorijskih tehnikov. Dovolj je spomniti, da je samo v človeški krvi mogoče določiti približno 1000 presnovnih parametrov s sodobnimi metodami biokemičnih raziskav.
Biokemični indikatorji bioloških medijev človeškega telesa se pogosto uporabljajo v:
1. ugotavljanje bolezni, zlasti diferencialno diagnostično;
2. izbira metode zdravljenja;
3. spremljanje pravilnosti predpisanega zdravljenja;
4. rezultati biokemičnih preiskav so eno od meril za ozdravitev patološkega procesa;
5. presejanje (odkrivanje bolezni v predklinični fazi);
6.monitoring (spremljanje poteka bolezni in rezultata zdravljenja);
7. prognoza (podatek o možnem izidu bolezni).
2. Aminokisline, ki sestavljajo beljakovine, njihova struktura in lastnosti. Peptidi.
Biološka vloga aminokislin in peptidov.
1. Splošne strukturne značilnosti aminokislin, ki sestavljajo beljakovine
Skupna strukturna značilnost aminokislin je prisotnost amino in karboksilnih skupin, povezanih z istim α-ogljikovim atomom. R - aminokislinski radikal - v najpreprostejšem primeru je predstavljen z atomom vodika (glicin), lahko pa ima bolj zapleteno strukturo. V vodnih raztopinah pri nevtralni vrednosti pH obstajajo aminokisline v obliki bipolarnih ionov. Za razliko od 19 drugih α-aminokislin je prolin imino kislina, katere radikal je vezan tako na α-ogljikov atom kot na amino skupino, zaradi česar molekula pridobi ciklično strukturo.
19 od 20 aminokislin vsebuje asimetričen atom ogljika v položaju α, na katerega so povezane 4 različne skupine substituentov. Posledično lahko te aminokisline v naravi najdemo v dveh različnih izomernih oblikah - L in D. Izjema je glicin, ki nima asimetričnega ?-ogljikovega atoma, saj njegov radikal predstavlja le atom vodika. Beljakovine vsebujejo samo L-izomere aminokislin.
Čisti L- ali D-stereoizomeri se lahko v daljšem časovnem obdobju spontano in neencimsko pretvorijo v ekvimolarno mešanico L- in D-izomerov. Ta proces se imenuje racemizacija. Racemizacija vsake L-aminokisline pri določeni temperaturi poteka z določeno hitrostjo. Vseh 20 aminokislin v človeškem telesu se razlikuje po strukturi, velikosti in fizikalno-kemijskih lastnostih radikalov, vezanih na α-ogljikov atom.
2. Razvrstitev aminokislin glede na kemijsko strukturo radikalov
Aminokisline po kemijski strukturi delimo na alifatske, aromatske in heterociklične.
Alifatski radikali lahko vsebujejo funkcionalne skupine, ki jim dajejo specifične lastnosti: karboksilne (-COOH), amino (-NH 2), tiolne (-SH), amidne (-CO-NH 2), hidroksilne (-OH) in gvanidinske skupine.
Za zapisovanje aminokislinskih ostankov v peptidnih in proteinskih molekulah se uporabljajo tričrkovne okrajšave njihovih trivialnih imen, v nekaterih primerih pa tudi enočrkovni simboli.
3. Razvrstitev aminokislin glede na topnost njihovih radikalov v vodi
Vseh 20 aminokislin v beljakovinah človeškega telesa je mogoče razvrstiti v skupine glede na sposobnost njihovih radikalov, da se raztopijo v vodi. Radikali so lahko razvrščeni v neprekinjeno vrsto, začenši s popolnoma hidrofobnimi in konča z močno hidrofilnimi.
Topnost aminokislinskih radikalov določa polarnost funkcionalnih skupin, ki sestavljajo molekulo (polarne skupine privlačijo vodo, nepolarne skupine jo odbijajo).
Aminokisline z nepolarnimi radikali
Nepolarni (hidrofobni) radikali vključujejo radikale z alifatskimi ogljikovodikovimi verigami (radikali alanina, valina, levcina, izolevcina, prolina in metionina) in aromatske obroče (radikali fenilalanina in triptofana). Radikali takih aminokislin v vodi težijo drug k drugemu ali k drugim hidrofobnim molekulam, zaradi česar se površina njihovega stika z vodo zmanjša.
Aminokisline s polarnimi nenabitimi radikali
Radikali teh aminokislin so bolje topni v vodi kot hidrofobni radikali, saj vsebujejo polarne funkcionalne skupine, ki z vodo tvorijo vodikove vezi. Sem spadajo serin, treonin in tirozin, ki imajo hidroksilne skupine, asparagin in glutamin, ki vsebujeta amidne skupine, ter cistein s svojo tiolno skupino.
Aminokisline s polarnimi negativno nabitimi radikali
V to skupino spadata asparaginska in glutaminska aminokislina, ki imata v radikalu dodatno karboksilno skupino, ki disociira pri pH približno 7,0 in tvori COO - in H +. Zato so radikali teh aminokislin anioni. Ionizirani obliki glutaminske in asparaginske kisline se imenujeta glutamat oziroma aspartat.
Aminokisline s polarnimi pozitivno nabitimi radikali
Lizin in arginin imata v radikalu dodatno pozitivno nabito skupino. V lizinu se druga amino skupina, ki lahko veže H +, nahaja v β-položaju alifatske verige, v argininu pa gvanidinska skupina pridobi pozitiven naboj.Poleg tega histidin vsebuje šibko ionizirano imidazolno skupino, zato , s fiziološkimi nihanji pH vrednosti (od 6,9 do 7,4) je histidin nabit nevtralno ali pozitivno. S povečanjem števila protonov v mediju lahko imidazolna skupina histidina veže proton in pridobi pozitiven naboj, s povečanjem koncentracije hidroksilnih skupin pa lahko odda proton in izgubi pozitivni naboj. radikalnega. Pozitivno nabiti radikali so kationi.V vodi so najbolj topni polarni radikali aminokislin.
4. Sprememba celotnega naboja aminokislin glede na pH okolja
Pri nevtralnih vrednostih pH so vse kisle (sposobne doniranja H +) in vse bazične (sposobne dodajanja H +) funkcionalne skupine v disociiranem stanju.
Zato imajo v nevtralnem okolju aminokisline, ki vsebujejo nedisociirajoči radikal, skupni naboj nič. Aminokisline, ki vsebujejo kisle funkcionalne skupine, imajo neto negativni naboj, medtem ko imajo aminokisline, ki vsebujejo bazične funkcionalne skupine, neto pozitiven naboj.
Sprememba pH na kislo stran (tj. Povečanje koncentracije H + v mediju) vodi do zatiranja disociacije kislinskih skupin. V zelo kislem okolju vse aminokisline pridobijo pozitiven naboj.
Nasprotno, povečanje koncentracije OH - skupin povzroči izločanje H + iz glavnih funkcionalnih skupin, kar vodi do zmanjšanja pozitivnega naboja. V zelo alkalnem okolju imajo vse aminokisline neto negativni naboj.
5. Modificirane aminokisline, prisotne v beljakovinah
Samo 20 naštetih aminokislin neposredno sodeluje pri sintezi beljakovin v človeškem telesu. Nekatere beljakovine pa vsebujejo nestandardne modificirane aminokisline – derivate ene od teh 20 aminokislin.
Modifikacije aminokislinskih ostankov se izvajajo že v sestavi proteinov, tj. šele po zaključku njihove sinteze. Uvedba dodatnih funkcionalnih skupin v strukturo aminokislin daje beljakovinam lastnosti, ki so potrebne za opravljanje določenih funkcij.
6. Kemijske reakcije, ki se uporabljajo za odkrivanje aminokislin
Ninhidrinsko reakcijo lahko uporabimo za odkrivanje in kvantificiranje aminokislin v raztopini.
Ta reakcija temelji na dejstvu, da brezbarvni ninhidrin, ki reagira z aminokislino, kondenzira v obliki dimera skozi atom dušika, odstranjen iz amino skupine aminokisline. Posledično nastane rdeče-vijolični pigment. Hkrati pride do dekarboksilacije aminokisline, kar povzroči nastanek CO 2 in ustreznega aldehida. Ninhidrinska reakcija se pogosto uporablja pri proučevanju primarne strukture proteinov.Ker je intenzivnost barve sorazmerna s količino aminokislin v raztopini, se uporablja za merjenje koncentracije β-aminokislin.
Specifične reakcije na posamezne aminokisline
Kvalitativno in kvantitativno določanje posameznih aminokislin je možno zaradi prisotnosti posebnih funkcionalnih skupin v njihovih radikalih.
Arginin določimo s kvalitativno reakcijo na gvanidinsko skupino (Sakaguchijeva reakcija), cistein pa zaznamo s Follovo reakcijo, specifično za skupino SH dane aminokisline. Prisotnost aromatskih aminokislin v raztopini določimo s ksantoproteinsko reakcijo (reakcija nitracije), prisotnost hidroksilne skupine v aromatskem obroču tirozina pa z Millonovo reakcijo.
B. Peptidna vez. Zgradba in biološke lastnosti peptidov
3.Biološka vloga peptidov
Človeško telo proizvaja veliko peptidov, ki sodelujejo pri uravnavanju različnih bioloških procesov in imajo visoko fiziološko aktivnost.
Funkcije peptidov so odvisne od njihove primarne strukture. Angiotenzin I je po strukturi zelo podoben angiotenzinu II (ima samo dve dodatni aminokislini na C-koncu), vendar nima biološke aktivnosti.
Spremembe v aminokislinski sestavi peptidov pogosto povzročijo izgubo nekaterih in pojav drugih bioloških lastnosti.
Ker so peptidi močni regulatorji bioloških procesov, jih lahko uporabljamo kot zdravila. Glavna ovira pri terapevtski uporabi je njihovo hitro uničenje v telesu. Eden najpomembnejših rezultatov raziskav ni le preučevanje zgradbe peptidov, temveč tudi proizvodnja sintetičnih analogov naravnih peptidov s ciljanim spreminjanjem njihove strukture in delovanja.
Trenutno odkrite in proučevane peptide lahko razdelimo v skupine glede na njihovo glavno fiziološko delovanje:
peptidi s hormonsko aktivnostjo (oksitocin, vazopresin, hipotalamični sproščajoči hormoni, melanocite stimulirajoči hormon, glukagon itd.);
peptidi, ki uravnavajo prebavne procese (gastrin, holecistokinin, vazointestinalni peptid, želodčni inhibitorni peptid itd.);
peptidi, ki uravnavajo žilni tonus in krvni tlak (bradikinin, kalidin, angiotenzin II);
peptidi, ki uravnavajo apetit (leptin, nevropeptid Y, melanocite stimulirajoči hormon, (?-endorfini);
peptidi, ki delujejo protibolečinsko (enkefalini in endorfini ter drugi opioidni peptidi). Protibolečinski učinek teh peptidov je stokrat večji od analgetičnega učinka morfija;
peptidi, ki sodelujejo pri regulaciji višjega živčnega delovanja, v biokemičnih procesih, povezanih z mehanizmi spanja, učenja, spomina, pojavom občutkov strahu itd.
3. Primarna zgradba beljakovin. Peptidna vez, njene značilnosti (trdnost, mnogoterost, koplanarnost, cis-, trans-izomerija). Pomen primarne strukture za normalno delovanje beljakovin (na primeru hemoglobina S).
Primarna struktura beljakovin je linearna polipeptidna veriga aminokislin, povezanih s peptidnimi vezmi. Primarna struktura je najenostavnejša raven strukturne organizacije beljakovinske molekule. Visoko stabilnost mu dajejo kovalentne peptidne vezi med α-amino skupino ene aminokisline in α-karboksilno skupino druge aminokisline.
Če je imino skupina prolina ali hidroksiprolina vključena v tvorbo peptidne vezi, potem ima drugačno obliko.
Ko se v celicah tvorijo peptidne vezi, se karboksilna skupina ene aminokisline najprej aktivira, nato pa se združi z amino skupino druge. Laboratorijska sinteza polipeptidov poteka približno na enak način.
Peptidna vez je ponavljajoči se fragment polipeptidne verige. Ima številne značilnosti, ki vplivajo ne le na obliko primarne strukture, temveč tudi na višje ravni organizacije polipeptidne verige:
koplanarnost - vsi atomi, vključeni v peptidno skupino, so v isti ravnini;
sposobnost obstoja v dveh resonančnih oblikah (keto ali enolna oblika);
transpozicija substituentov glede na C-N vez;
sposobnost tvorbe vodikovih vezi, vsaka od peptidnih skupin pa lahko tvori dve vodikovi vezi z drugimi skupinami, tudi s peptidnimi.
Izjema so peptidne skupine, ki vključujejo amino skupino prolina ali hidroksiprolina. Sposobni so tvoriti samo eno vodikovo vez. To vpliva na nastanek sekundarne strukture proteina. Polipeptidna veriga v območju, kjer se nahaja prolin ali hidroksiprolin, se zlahka upogne, saj je ne drži, kot običajno, druga vodikova vez.
Značilnosti primarne strukture beljakovin . V hrbtenici polipeptidne verige se izmenjujejo toge strukture (ploščate peptidne skupine) z relativno mobilnimi regijami (-CHR), ki se lahko vrtijo okoli vezi. Takšne strukturne značilnosti polipeptidne verige vplivajo na njeno prostorsko razporeditev.
2.Značilnosti peptidne vezi
Peptidna vez ima značilnost delne dvojne vezi, zato je krajša od ostalih vezi peptidnega ogrodja in posledično malo gibljiva. Elektronska struktura peptidne vezi določa ravno, togo strukturo peptidne skupine. Ravnine peptidnih skupin se nahajajo pod kotom druga na drugo.
Vez med α-ogljikovim atomom in β-amino skupino ali β-karboksilno skupino je sposobna proste rotacije (čeprav je omejena z velikostjo in naravo radikalov), kar omogoča polipeptidni verigi, da prevzame različne konfiguracije.
Peptidne vezi se običajno nahajajo v trans konfiguraciji, tj. Atomi α-ogljika se nahajajo na nasprotnih straneh peptidne vezi. Posledično se stranski radikali aminokislin nahajajo na najbolj oddaljeni razdalji drug od drugega v prostoru.
Peptidne vezi so zelo močne in se v normalnih pogojih v celicah (nevtralno okolje, telesna temperatura) ne prekinejo spontano. V laboratorijskih pogojih poteka hidroliza proteinskih peptidnih vezi v zaprti ampuli s koncentrirano (6 mol/l) klorovodikovo kislino, pri temperaturi nad 105 °C, pri čemer pride do popolne hidrolize proteina do prostih aminokislin. čez približno en dan.
V živih organizmih se peptidne vezi v beljakovinah prekinejo s pomočjo posebnih proteolitičnih encimov (iz angl. beljakovine- beljakovine, liza- uničenje), imenovane tudi proteaze ali peptidne hidrolaze.
Za odkrivanje beljakovin in peptidov v raztopini ter za njihovo kvantitativno določanje se uporablja biuretna reakcija (pozitiven rezultat za snovi, ki vsebujejo vsaj dve peptidni vezi).
Kemična narava vsakega proteina je edinstvena in tesno povezana z njegovo biološko funkcijo. Sposobnost beljakovine, da opravlja svojo inherentno funkcijo, je določena z njeno primarno strukturo. Že majhne spremembe v zaporedju aminokislin v beljakovini lahko povzročijo resne motnje v njenem delovanju in povzročijo resno bolezen. Bolezni, povezane z motnjami v primarni strukturi beljakovin, imenujemo molekularne bolezni. Do danes je bilo odkritih več tisoč tovrstnih bolezni. Ena od molekularnih bolezni je anemija srpastih celic, katere vzrok je kršitev primarne strukture hemoglobina. Pri ljudeh s prirojeno nepravilnostjo v strukturi hemoglobina ima polipeptidna veriga, sestavljena iz 146 aminokislinskih ostankov, valin na šestem mestu, medtem ko je pri zdravih ljudeh na tem mestu glutaminska kislina. Nenormalni hemoglobin slabše prenaša kisik, rdeče krvne celice bolnikov imajo srpasto obliko. Bolezen se kaže v počasnem razvoju in splošni oslabelosti telesa.
OPREDELITEV
Amino kisline– organske bifunkcionalne spojine, ki vključujejo karboksilno skupino – COOH in amino skupino – NH 2.
Glede na relativni položaj obeh funkcionalnih skupin ločimo α-, β- in γ-aminokisline:
CH 3 -CH(NH 2)-COOH (α-aminopropionska kislina)
CH 2 (NH 2)-CH 2 -COOH (β - aminopropionska kislina)
Najpomembnejši predstavniki aminokislin so: glicin (H 2 N-CH 2 -COOH), alanin (CH 3 -CH(NH 2)-COOH), fenilalanin (C 6 H 5 -CH 2 -CH(NH 2) -COOH), glutaminska kislina (HOOC-(CH 2) 2 -CH(NH 2)-COOH), lizin (H 2 N-(CH 2) 4 -CH(NH 2)-COOH), serin (HO-CH 2 -CH (NH 2) -COOH) in cisteina (HS-CH 2 -CH(NH 2) -COOH).
Izomerija
Za aminokisline so značilne naslednje vrste izomerije: ogljikov skelet, položaj funkcionalnih skupin in optična izomerija.
Fizikalne lastnosti aminokislin
Aminokisline so trdne kristalinične snovi, ki so dobro topne v vodi. Pri visokih temperaturah se topijo z razgradnjo.
potrdilo o prejemu
Aminokisline dobimo z zamenjavo halogena z amino skupino v halogeniranih karboksilnih kislinah. Na splošno bo enačba reakcije videti takole:
R-CH(Cl)-COOH + NH 3 = R-CH(NH 3 + Cl -) = NH 2 –CH(R)-COOH
Kemijske lastnosti aminokislin
Aminokisline so amfoterne spojine. Reagirajo s kislinami in bazami:
NH 2 –CH 2 -COOH + HCl = Cl
NH 2 –CH 2 -COOH + NaOH= NH 2 –CH 2 -COONa + H 2 O
Ko se aminokisline raztopijo v vodi, amino skupina in karboksilna skupina reagirata med seboj in tvorita spojine, imenovane notranje soli:
H 2 N –CH 2 -COOH ↔ + H 3 N-CH 2 COO —
Notranja molekula soli se imenuje bipolarni ion.
Vodne raztopine aminokislin imajo glede na število funkcionalnih skupin nevtralno, alkalno in kislo okolje. Na primer, glutaminska kislina tvori kislo raztopino, saj vsebuje dve karboksilni skupini in eno amino skupino, lizin pa tvori alkalno raztopino, ker vsebuje eno karboksilno skupino in dve amino skupini.
Dve molekuli aminokislin lahko medsebojno delujeta. V tem primeru pride do odcepitve molekule vode in nastane produkt, v katerem so fragmenti molekule med seboj povezani s peptidno vezjo (-CO-NH-). Na primer:
Nastala spojina se imenuje dipeptid. Snovi, sestavljene iz številnih aminokislinskih ostankov, imenujemo polipeptidi. Peptide hidrolizirajo kisline in baze.
α-aminokisline imajo v naravi posebno vlogo, saj pri njihovi skupni polikondenzaciji v naravnih razmerah nastajajo za življenje najpomembnejše snovi – beljakovine.
Prav tako imajo aminokisline vse kemijske lastnosti karboksilnih kislin (po karboksilni skupini) in aminov (po amino skupini).
Veverice
OPREDELITEV
Beljakovine (proteini, polipeptidi)- organske snovi z visoko molekulsko maso, sestavljene iz alfa aminokislin, povezanih v verigo s peptidno vezjo.
V živih organizmih je aminokislinska sestava beljakovin določena z genetsko kodo, v večini primerov se pri sintezi uporabi 20 standardnih aminokislin. Njihove številne kombinacije ustvarjajo beljakovinske molekule z najrazličnejšimi lastnostmi. Poleg tega so aminokislinski ostanki znotraj proteina pogosto podvrženi posttranslacijskim modifikacijam, ki se lahko pojavijo tako preden protein začne opravljati svojo funkcijo kot med njegovim "delom" v celici. Pogosto v živih organizmih več molekul različnih beljakovin tvori kompleksne komplekse, na primer fotosintetski kompleks.
Beljakovine imajo lastnost amfoternosti, to pomeni, da glede na pogoje izkazujejo tako kisle kot bazične lastnosti. Beljakovine vsebujejo več vrst kemičnih skupin, ki se lahko ionizirajo v vodni raztopini: karboksilne ostanke stranskih verig kislih aminokislin (asparaginske in glutaminske kisline) in dušik vsebujoče skupine stranskih verig bazičnih aminokislin (predvsem ε- aminoskupina lizin in amidinski ostanek CNH(NH 2) arginin ter v nekoliko manjši meri imidazol histidinski ostanek).
Beljakovine se razlikujejo glede na stopnjo topnosti v vodi. Beljakovine, topne v vodi, se imenujejo albumini in vključujejo krvne in mlečne beljakovine. Med netopne beljakovine ali skleroproteine spadata na primer keratin (beljakovina, iz katere so sestavljeni lasje, dlaka sesalcev, ptičje perje itd.) in fibroin, ki je del svile in pajkovih mrež. Topnost beljakovine ni določena le z njeno strukturo, ampak tudi z zunanjimi dejavniki, kot so narava topila, ionska moč in pH raztopine.
Beljakovine tvorijo materialno osnovo kemične aktivnosti celice. Naloge beljakovin v naravi so univerzalne. Ime beljakovine, najbolj sprejet izraz v ruski literaturi ustreza izrazu beljakovine(iz grščine proteios- prvi). Do danes so bili narejeni veliki koraki pri ugotavljanju razmerja med strukturo in funkcijami beljakovin, mehanizmom njihovega sodelovanja v najpomembnejših življenjskih procesih telesa in razumevanju molekularne osnove patogeneze številnih bolezni.
Glede na njihovo molekulsko maso ločimo peptide in proteine. Peptidi imajo manjšo molekulsko maso kot beljakovine. Verjetneje je, da imajo peptidi regulatorno funkcijo (hormoni, zaviralci in aktivatorji encimov, prenašalci ionov skozi membrane, antibiotiki, toksini itd.).
12.1. α -Amino kisline
12.1.1. Razvrstitev
Peptidi in proteini so zgrajeni iz ostankov α-aminokislin. Skupno število naravno prisotnih aminokislin presega 100, vendar jih nekatere najdemo le v določeni združbi organizmov, 20 najpomembnejših α-aminokislin pa se stalno nahaja v vseh beljakovinah (shema 12.1).
α-aminokisline so heterofunkcionalne spojine, katerih molekule vsebujejo tako amino skupino kot karboksilno skupino na istem ogljikovem atomu.
Shema 12.1.Najpomembnejše α-aminokisline*
* Okrajšave se uporabljajo le za zapis aminokislinskih ostankov v peptidnih in proteinskih molekulah. ** Esencialne aminokisline.
Imena α-aminokislin lahko sestavimo z uporabo nadomestne nomenklature, vendar se pogosteje uporabljajo njihova trivialna imena.
Trivialna imena za α-aminokisline so običajno povezana z viri izolacije. Serin je del fibroina svile (iz lat. serieus- svilnata); Tirozin so najprej izolirali iz sira (iz gr. tyros- sir); glutamin - iz žitnega glutena (iz nem. gluten- lepilo); asparaginska kislina - iz kalčkov špargljev (iz lat. šparglji- šparglji).
Veliko α-aminokislin se sintetizira v telesu. Nekatere aminokisline, potrebne za sintezo beljakovin, se ne proizvajajo v telesu in morajo priti od zunaj. Te aminokisline se imenujejo nenadomestljiv(glej diagram 12.1).
Esencialne α-aminokisline vključujejo:
valin izolevcin metionin triptofan
levcin lizin treonin fenilalanin
α-Aminokisline razvrščamo na več načinov glede na lastnost, ki je osnova za njihovo razdelitev v skupine.
Ena od klasifikacijskih značilnosti je kemijska narava radikala R. Na podlagi te lastnosti delimo aminokisline na alifatske, aromatske in heterociklične (glej diagram 12.1).
Alifatskiα -amino kisline. To je največja skupina. Znotraj tega so aminokisline razdeljene z dodatnimi klasifikacijskimi značilnostmi.
Glede na število karboksilnih skupin in amino skupin v molekuli ločimo:
Nevtralne aminokisline - po ena skupina NH 2 in COOH;
Bazične aminokisline – dve NH skupini 2 in ena skupina
COOH;
Kisle aminokisline - ena skupina NH 2 in dve skupini COOH.
Opazimo lahko, da v skupini alifatskih nevtralnih aminokislin število ogljikovih atomov v verigi ne presega šest. Hkrati v verigi ni aminokislin s štirimi ogljikovimi atomi, aminokisline s petimi in šestimi ogljikovimi atomi pa imajo le razvejano strukturo (valin, levcin, izolevcin).
Alifatski radikal lahko vsebuje "dodatne" funkcionalne skupine:
Hidroksil - serin, treonin;
Karboksilne - asparaginske in glutaminske kisline;
tiol - cistein;
Amid - asparagin, glutamin.
Aromatičenα -amino kisline. Ta skupina vključuje fenilalanin in tirozin, zgrajena tako, da so benzenski obroči v njih ločeni od skupnega fragmenta α-aminokisline z metilensko skupino -CH 2-.
Heterociklično α -amino kisline. Histidin in triptofan, ki spadata v to skupino, vsebujeta heterocikle - imidazol oziroma indol. Struktura in lastnosti teh heterociklov so obravnavane spodaj (glej 13.3.1; 13.3.2). Splošno načelo gradnje heterocikličnih aminokislin je enako kot aromatske.
Heterociklične in aromatske α-aminokisline lahko obravnavamo kot β-substituirane derivate alanina.
Tudi aminokislina spada med gerociklične prolin, pri kateri je sekundarna amino skupina vključena v pirolidin
V kemiji α-aminokislin se veliko pozornosti posveča strukturi in lastnostim "stranskih" radikalov R, ki igrajo pomembno vlogo pri oblikovanju strukture beljakovin in opravljanju njihovih bioloških funkcij. Zelo pomembne so značilnosti, kot so polarnost "stranskih" radikalov, prisotnost funkcionalnih skupin v radikalih in sposobnost teh funkcionalnih skupin za ionizacijo.
Odvisno od stranskega radikala, aminokisline z nepolarni(hidrofobni) radikali in aminokisline c polarni(hidrofilnih) radikalov.
V prvo skupino spadajo aminokisline z alifatskimi stranskimi radikali - alanin, valin, levcin, izolevcin, metionin - in aromatskimi stranskimi radikali - fenilalanin, triptofan.
V drugo skupino spadajo aminokisline, ki imajo v svojih radikalih polarne funkcionalne skupine, ki so sposobne ionizacije (ionogene) ali pa se v telesnih pogojih ne morejo spremeniti v ionsko stanje (neionske). Na primer, v tirozinu je hidroksilna skupina ionska (fenolne narave), v serinu je neionska (alkoholne narave).
Polarne aminokisline z ionskimi skupinami v radikalih so pod določenimi pogoji lahko v ionskem (anionskem ali kationskem) stanju.
12.1.2. Stereoizomerizem
Glavna vrsta konstrukcije α-aminokislin, to je vez istega ogljikovega atoma z dvema različnima funkcionalnima skupinama, radikalom in vodikovim atomom, sama po sebi vnaprej določa kiralnost α-ogljikovega atoma. Izjema je najpreprostejša aminokislina glicin H 2 NCH 2 COOH, ki nima središča kiralnosti.
Konfiguracijo α-aminokislin določa konfiguracijski standard – gliceraldehid. Lokacija amino skupine v standardni Fischerjevi projekcijski formuli na levi (podobno kot skupina OH v l-gliceraldehidu) ustreza l-konfiguraciji, na desni pa d-konfiguraciji kiralnega ogljikovega atoma. Avtor: R, V S-sistemu ima α-ogljikov atom v vseh α-aminokislinah serije l S-konfiguracijo, v seriji d pa R-konfiguracijo (izjema je cistein, glej 7.1.2) .
Večina α-aminokislin vsebuje en asimetričen ogljikov atom na molekulo in obstaja kot dva optično aktivna enantiomera in en optično neaktiven racemat. Skoraj vse naravne α-aminokisline spadajo v l-serijo.
Aminokisline izolevcin, treonin in 4-hidroksiprolin vsebujejo dva centra kiralnosti v molekuli.
Take aminokisline lahko obstajajo kot štirje stereoizomeri, ki predstavljajo dva para enantiomerov, od katerih vsak tvori racemat. Za izgradnjo živalskih beljakovin se uporablja samo en enantiomer.
Stereoizomerija izolevcina je podobna prej obravnavani stereoizomerizem treonina (glej 7.1.3). Od štirih stereoizomerov proteini vsebujejo l-izolevcin s konfiguracijo S obeh asimetričnih ogljikovih atomov C-α in C-β. Imena drugega para enantiomerov, ki so diastereomeri glede na levcin, uporabljajo predpono Zdravo-.
Cepitev racematov. Vir α-aminokislin l-serije so beljakovine, ki so v ta namen izpostavljene hidrolitični cepitvi. Zaradi velike potrebe po posameznih enantiomerih (za sintezo beljakovin, zdravilnih učinkovin itd.) kemična metode za razgradnjo sintetičnih racemnih aminokislin. Prednostno encimski način prebave z uporabo encimov. Trenutno se za ločevanje racemičnih zmesi uporablja kromatografija na kiralnih sorbentih.
12.1.3. Kislinsko-bazične lastnosti
Amfoternost aminokislin določajo kisle (COOH) in bazične (NH 2) funkcionalne skupine v svojih molekulah. Aminokisline tvorijo soli z alkalijami in kislinami.
V kristalnem stanju obstajajo α-aminokisline kot dipolarni ioni H3N+ - CHR-COO- (splošno uporabljena oznaka
Struktura aminokisline v neionizirani obliki je samo za priročnost).
V vodni raztopini obstajajo aminokisline v obliki ravnotežne mešanice dipolarnih ionov, kationskih in anionskih oblik.
Ravnotežni položaj je odvisen od pH medija. Pri vseh aminokislinah prevladujejo kationske oblike v močno kislem (pH 1-2) in anionske oblike v močno alkalnem (pH > 11) okolju.
Ionska struktura določa številne specifične lastnosti aminokislin: visoko tališče (nad 200 ° C), topnost v vodi in netopnost v nepolarnih organskih topilih. Sposobnost večine aminokislin, da se dobro raztopijo v vodi, je pomemben dejavnik pri zagotavljanju njihovega biološkega delovanja, z njo je povezana absorpcija aminokislin, njihov transport v telesu itd.
Popolnoma protonirana aminokislina (kationska oblika) je s stališča Brønstedove teorije dibazična kislina,
Z oddajo enega protona se taka dibazična kislina spremeni v šibko monobazično kislino - dipolarni ion z eno kislinsko skupino NH 3 + . Deprotonacija dipolarnega iona povzroči nastanek anionske oblike aminokisline – karboksilatnega iona, ki je Brønstedova baza. Vrednote označujejo
Bazične kislinske lastnosti karboksilne skupine aminokislin se običajno gibljejo od 1 do 3; vrednote pK a2 ki označuje kislost amonijeve skupine - od 9 do 10 (tabela 12.1).
Tabela 12.1.Kislinsko-bazične lastnosti najpomembnejših α-aminokislin
Ravnotežni položaj, to je razmerje različnih oblik aminokisline, v vodni raztopini pri določenih vrednostih pH je bistveno odvisen od strukture radikala, predvsem od prisotnosti ionskih skupin v njem, ki igrajo vlogo dodatnih kisla in bazična središča.
Vrednost pH, pri kateri je koncentracija dipolarnih ionov največja, minimalne koncentracije kationske in anionske oblike aminokisline pa enake, imenujemoizoelektrična točka (p/).
Nevtralnoα -amino kisline. Te aminokisline so pomembnepInekoliko nižji od 7 (5,5-6,3) zaradi večje sposobnosti ionizacije karboksilne skupine pod vplivom -/- učinka NH 2 skupine. Na primer, alanin ima izoelektrično točko pri pH 6,0.
Kisloα -amino kisline. Te aminokisline imajo v radikalu dodatno karboksilno skupino in so v močno kislem okolju v popolnoma protonirani obliki. Kisle aminokisline so tribazične (po Brøndstedu) s tremi pomenipK a,kot je razvidno iz primera asparaginske kisline (p/3,0).
Za kisle aminokisline (asparaginsko in glutaminsko) je izoelektrična točka pri pH veliko nižjem od 7 (glej tabelo 12.1). V telesu pri fizioloških pH vrednostih (na primer pH krvi 7,3-7,5) so te kisline v anionski obliki, saj sta obe karboksilni skupini ionizirani.
Osnovnoα -amino kisline. Pri bazičnih aminokislinah se izoelektrične točke nahajajo v območju pH nad 7. V močno kislem okolju so te spojine tudi tribazične kisline, katerih ionizacijske stopnje ponazorimo na primeru lizina (p/ 9,8) .
V telesu se bazične aminokisline nahajajo v obliki kationov, to pomeni, da sta obe aminoskupini protonirani.
Na splošno ni α-aminokisline in vivoni v svoji izoelektrični točki in ne pade v stanje, ki ustreza najnižji topnosti v vodi. Vse aminokisline v telesu so v ionski obliki.
12.1.4. Analitično pomembne reakcije α -amino kisline
α-aminokisline kot heterofunkcionalne spojine vstopajo v reakcije, značilne tako za karboksilne kot za amino skupine. Nekatere kemijske lastnosti aminokislin so posledica funkcionalnih skupin v radikalu. Ta razdelek obravnava reakcije, ki so praktičnega pomena za identifikacijo in analizo aminokislin.
Esterifikacija.Ko aminokisline reagirajo z alkoholi v prisotnosti kislinskega katalizatorja (na primer plina klorovodika), dobimo estre v obliki hidrokloridov z dobrim izkoristkom. Za izolacijo prostih estrov reakcijsko zmes obdelamo s plinastim amoniakom.
Estri aminokislin nimajo dipolarne strukture, zato se za razliko od matičnih kislin topijo v organskih topilih in so hlapljivi. Tako je glicin kristalinična snov z visokim tališčem (292°C), njegov metilni ester pa je tekočina z vreliščem pri 130°C. Analizo estrov aminokislin lahko izvedemo s plinsko-tekočinsko kromatografijo.
Reakcija s formaldehidom. Praktično pomembna je reakcija s formaldehidom, ki je osnova za kvantitativno določanje aminokislin z metodo titracija formola(Sørensenova metoda).
Amfoterna narava aminokislin ne dovoljuje neposredne titracije z alkalijami za analitične namene. Pri interakciji aminokislin s formaldehidom nastanejo relativno stabilni aminoalkoholi (glej 5.3) - N-hidroksimetilni derivati, katerih prosta karboksilna skupina se nato titrira z alkalijami.
Kvalitativne reakcije. Značilnost kemije aminokislin in beljakovin je uporaba številnih kvalitativnih (barvnih) reakcij, ki so bile prej osnova kemijske analize. Danes, ko se raziskave izvajajo s fizikalno-kemijskimi metodami, se številne kvalitativne reakcije še naprej uporabljajo za odkrivanje α-aminokislin, na primer v kromatografski analizi.
Kelacija. S kationi težkih kovin α-aminokisline kot bifunkcionalne spojine tvorijo znotrajkompleksne soli, na primer s sveže pripravljenim bakrovim (11) hidroksidom v blagih pogojih dobimo dobro kristalizirajoče kelate.
modre bakrove (11) soli (ena od nespecifičnih metod za odkrivanje α-aminokislin).
Ninhidrinska reakcija. Splošna kvalitativna reakcija α-aminokislin je reakcija z ninhidrinom. Reakcijski produkt ima modro-vijolično barvo, ki se uporablja za vizualno detekcijo aminokislin na kromatogramih (na papirju, v tankem sloju), kot tudi za spektrofotometrično določanje na analizatorjih aminokislin (produkt absorbira svetlobo v območju 550-570 nm).
Deaminacija. V laboratorijskih pogojih se ta reakcija izvaja z delovanjem dušikove kisline na α-aminokisline (glejte 4.3). V tem primeru nastane ustrezna α-hidroksi kislina in sprosti se plin dušik, katerega prostornina se uporabi za določitev količine aminokisline, ki je reagirala (metoda Van-Slyke).
Ksantoproteinska reakcija. Ta reakcija se uporablja za odkrivanje aromatskih in heterocikličnih aminokislin - fenilalanina, tirozina, histidina, triptofana. Na primer, ko koncentrirana dušikova kislina deluje na tirozin, nastane nitro derivat, obarvan rumeno. V alkalnem okolju postane barva oranžna zaradi ionizacije fenolne hidroksilne skupine in povečanja prispevka aniona h konjugaciji.
Obstajajo tudi številne zasebne reakcije, ki omogočajo odkrivanje posameznih aminokislin.
Triptofan zaznamo z reakcijo s p-(dimetilamino)benzaldehidom v žveplovi kislini s pojavom rdeče-vijolične barve (Ehrlichova reakcija). Ta reakcija se uporablja za kvantitativno analizo triptofana v produktih razgradnje beljakovin.
cistein odkriti z več kvalitativnimi reakcijami na podlagi reaktivnosti merkapto skupine, ki jo vsebuje. Na primer, ko raztopino beljakovin s svinčevim acetatom (CH3COO)2Pb segrejemo v alkalnem mediju, nastane črna oborina svinčevega sulfida PbS, kar kaže na prisotnost cisteina v beljakovinah.
12.1.5. Biološko pomembne kemijske reakcije
V telesu se pod vplivom različnih encimov izvajajo številne pomembne kemične transformacije aminokislin. Take transformacije vključujejo transaminacijo, dekarboksilacijo, eliminacijo, aldolno cepitev, oksidativno deaminacijo in oksidacijo tiolnih skupin.
Transaminacija je glavna pot za biosintezo α-aminokislin iz α-oksokislin. Donor amino skupine je aminokislina, ki je v celicah prisotna v zadostni količini ali presežku, njen akceptor pa je α-oksokislina. V tem primeru se aminokislina pretvori v oksokislino, oksokislina pa v aminokislino z ustrezno strukturo radikalov. Posledično je transaminacija reverzibilen proces izmenjave amino in okso skupin. Primer takšne reakcije je proizvodnja l-glutaminske kisline iz 2-oksoglutarne kisline. Donatorska aminokislina je lahko na primer l-asparaginska kislina.
α-aminokisline vsebujejo amino skupino, ki odvzema elektrone (natančneje, protonirano amino skupino NH) v α-položaju do karboksilne skupine 3 +), in zato sposobni dekarboksilacije.
Odpravaznačilnost aminokislin, v katerih stranski radikal v položaju β glede na karboksilno skupino vsebuje funkcionalno skupino, ki odvzema elektrone, na primer hidroksilno ali tiolno. Njihova eliminacija vodi do vmesnih reaktivnih α-enaminokislin, ki se zlahka pretvorijo v tavtomerne iminokisline (analogija s keto-enolnim tavtomerizmom). Zaradi hidratacije na vezi C=N in kasnejše eliminacije molekule amoniaka se α-imino kisline pretvorijo v α-okso kisline.
Ta vrsta transformacije se imenuje izločanje-hidracija. Primer je proizvodnja piruvične kisline iz serina.
Aldolna cepitev se pojavi v primeru α-aminokislin, ki vsebujejo hidroksilno skupino na β-položaju. Na primer, serin se razgradi v glicin in formaldehid (slednji se ne sprosti v prosti obliki, ampak se takoj veže na koencim).
Oksidativna deaminacija lahko izvedemo s sodelovanjem encimov in koencima NAD+ ali NADP+ (glejte 14.3). α-aminokisline se lahko pretvorijo v α-oksokisline ne samo s transaminacijo, ampak tudi z oksidativno deaminacijo. Na primer, α-oksoglutarna kislina nastane iz l-glutaminske kisline. Na prvi stopnji reakcije se glutaminska kislina dehidrogenira (oksidira) v α-iminoglutarno kislino.
kisline. V drugi fazi pride do hidrolize, pri čemer nastaneta α-oksoglutarna kislina in amoniak. Stopnja hidrolize poteka brez sodelovanja encima.
Reakcija reduktivne aminacije α-okso kislin poteka v nasprotni smeri. α-oksoglutarna kislina, ki je vedno v celicah (kot produkt presnove ogljikovih hidratov), se na ta način pretvori v L-glutaminsko kislino.
Oksidacija tiolnih skupin je podlaga za medsebojne pretvorbe cisteina in cistinskih ostankov, ki zagotavljajo številne redoks procese v celici. Cistein se tako kot vsi tioli (glej 4.1.2) zlahka oksidira v disulfid, cistin. Disulfidna vez v cistinu se zlahka reducira v cistein.
Zaradi sposobnosti tiolne skupine, da zlahka oksidira, cistein opravlja zaščitno funkcijo, ko je telo izpostavljeno snovem z visoko oksidativno sposobnostjo. Poleg tega je bilo prvo zdravilo, ki je pokazalo učinke proti sevanju. Cistein se uporablja v farmacevtski praksi kot stabilizator za zdravila.
Pretvorba cisteina v cistin povzroči tvorbo disulfidnih vezi, kot je reduciran glutation
(glej 12.2.3).
12.2. Primarna struktura peptidov in proteinov
Običajno se domneva, da peptidi vsebujejo do 100 aminokislinskih ostankov v molekuli (kar ustreza molekulski masi do 10 tisoč), beljakovine pa vsebujejo več kot 100 aminokislinskih ostankov (molekulska masa od 10 tisoč do več milijonov) .
Po drugi strani pa je v skupini peptidov običajno razlikovati oligopeptidi(peptidi z nizko molekulsko maso), ki ne vsebujejo več kot 10 aminokislinskih ostankov v verigi, in polipeptidi, katere veriga vključuje do 100 aminokislinskih ostankov. Makromolekule s številom aminokislinskih ostankov, ki se približuje ali rahlo presega 100, ne razlikujejo med polipeptidi in proteini; ti izrazi se pogosto uporabljajo kot sinonimi.
Molekulo peptida in proteina lahko formalno predstavimo kot produkt polikondenzacije α-aminokislin, ki se pojavi s tvorbo peptidne (amidne) vezi med monomernimi enotami (shema 12.2).
Zasnova poliamidne verige je enaka za celotno paleto peptidov in proteinov. Ta veriga ima nerazvejano strukturo in je sestavljena iz izmenjujočih se peptidnih (amidnih) skupin -CO-NH- in fragmentov -CH(R)-.
En konec verige vsebuje aminokislino s prosto skupino NH 2, se imenuje N-konec, drugi se imenuje C-konec,
Shema 12.2.Princip gradnje peptidne verige
ki vsebuje aminokislino s prosto skupino COOH. Peptidne in proteinske verige so zapisane z N-konca.
12.2.1. Zgradba peptidne skupine
V peptidni (amidni) skupini -CO-NH- je ogljikov atom v stanju sp2 hibridizacije. Enotni par elektronov dušikovega atoma vstopi v konjugacijo s π-elektroni dvojne vezi C=O. S stališča elektronske zgradbe je peptidna skupina tricentrični p,π-konjugiran sistem (glej 2.3.1), v katerem je elektronska gostota premaknjena proti bolj elektronegativnemu atomu kisika. Atomi C, O in N, ki tvorijo konjugiran sistem, se nahajajo v isti ravnini. Porazdelitev elektronske gostote v amidni skupini lahko predstavimo z uporabo mejnih struktur (I) in (II) ali premikom elektronske gostote kot rezultat +M- in -M-učinkov skupin NH oziroma C=O (III).
Kot posledica konjugacije pride do določene poravnave dolžin vezi. Dvojna vez C=O se podaljša na 0,124 nm v primerjavi z običajno dolžino 0,121 nm, vez C-N pa postane krajša - 0,132 nm v primerjavi z 0,147 nm v običajnem primeru (slika 12.1). Planarni konjugirani sistem v peptidni skupini povzroča težave pri vrtenju okoli C-N vezi (rotacijska pregrada je 63-84 kJ/mol). Tako elektronska struktura določa dokaj togo stanovanje struktura peptidne skupine.
Kot je razvidno iz sl. 12.1 se α-ogljikovi atomi aminokislinskih ostankov nahajajo v ravnini peptidne skupine na nasprotnih straneh C-N vezi, to je v ugodnejšem trans položaju: stranski radikali R aminokislinskih ostankov bodo v tem primeru najbolj oddaljeni drug od drugega v prostoru.
Polipeptidna veriga ima presenetljivo enotno strukturo in jo je mogoče predstaviti kot niz drug drugega, ki se nahajajo pod kotom.
riž. 12.1.Planarna razporeditev peptidne skupine -CO-NH- in α-ogljikovih atomov aminokislinskih ostankov
ravnine peptidnih skupin, ki so med seboj povezane preko α-ogljikovih atomov z vezmi Cα-N in Cα-Csp 2 (slika 12.2). Vrtenje okoli teh enojnih vezi je zelo omejeno zaradi težav pri prostorski postavitvi stranskih radikalov aminokislinskih ostankov. Tako elektronska in prostorska struktura peptidne skupine v veliki meri določa strukturo polipeptidne verige kot celote.
riž. 12.2.Relativni položaj ravnin peptidnih skupin v polipeptidni verigi
12.2.2. Sestava in zaporedje aminokislin
Pri enakomerno zgrajeni poliamidni verigi specifičnost peptidov in proteinov določata dve najpomembnejši lastnosti – aminokislinska sestava in aminokislinsko zaporedje.
Aminokislinska sestava peptidov in beljakovin je narava in količinsko razmerje njihovih α-aminokislin.
Aminokislinsko sestavo ugotavljamo z analizo peptidnih in proteinskih hidrolizatov, predvsem s kromatografskimi metodami. Trenutno se taka analiza izvaja z analizatorji aminokislin.
Amidne vezi so sposobne hidrolizirati v kislem in alkalnem okolju (glej 8.3.3). Peptidi in proteini se hidrolizirajo tako, da nastanejo bodisi krajše verige – to je t.i delna hidroliza, ali mešanice aminokislin (v ionski obliki) - popolna hidroliza. Hidroliza se običajno izvaja v kislem okolju, saj je veliko aminokislin nestabilnih v pogojih alkalne hidrolize. Upoštevati je treba, da sta tudi amidni skupini asparagina in glutamina podvrženi hidrolizi.
Primarna struktura peptidov in proteinov je aminokislinsko zaporedje, to je vrstni red menjavanja α-aminokislinskih ostankov.
Primarno strukturo določimo tako, da zaporedoma odstranimo aminokisline z obeh koncev verige in jih identificiramo.
12.2.3. Zgradba in nomenklatura peptidov
Imena peptidov so sestavljena z zaporednim navajanjem aminokislinskih ostankov, začenši od N-konca, z dodatkom pripone-il, razen zadnje C-terminalne aminokisline, za katero je ohranjeno njeno polno ime. Z drugimi besedami, imena
aminokisline, ki so vstopile v tvorbo peptidne vezi zaradi "svoje" skupine COOH, se v imenu peptida končajo z -il: alanil, valil itd. (za ostanke asparaginske in glutaminske kisline se uporabljata imena "aspartil" oziroma "glutamil"). Imena in simboli aminokislin kažejo njihovo pripadnost l -vrstica, razen če ni drugače navedeno ( d ali dl).
Včasih v skrajšanem zapisu simbola H (kot del amino skupine) in OH (kot del karboksilne skupine) označujeta nesubstitucijo funkcionalnih skupin končnih aminokislin. Ta metoda je primerna za prikaz funkcionalnih derivatov peptidov; na primer, amid zgornjega peptida na C-terminalni aminokislini je zapisan H-Asn-Gly-Phe-NH2.
Peptide najdemo v vseh organizmih. Za razliko od beljakovin imajo bolj heterogeno aminokislinsko sestavo, zlasti pogosto vključujejo aminokisline d - vrstica. Strukturno so tudi bolj raznoliki: vsebujejo ciklične fragmente, razvejane verige itd.
Eden najpogostejših predstavnikov tripeptidov je glutation- najdemo ga v telesu vseh živali, rastlin in bakterij.
Cistein v sestavi glutationa omogoča obstoj glutationa v reducirani in oksidirani obliki.
Glutation je vključen v številne redoks procese. Deluje kot proteinski protektor, to je snov, ki ščiti proteine s prostimi SH tiolnimi skupinami pred oksidacijo s tvorbo disulfidnih vezi -S-S-. To velja za tiste beljakovine, za katere tak postopek ni zaželen. V teh primerih glutation prevzame delovanje oksidanta in tako "ščiti" beljakovino. Pri oksidaciji glutationa pride zaradi disulfidne vezi do medmolekularnega zamreženja dveh tripeptidnih fragmentov. Postopek je reverzibilen.
12.3. Sekundarna struktura polipeptidov in proteinov
Za visokomolekularne polipeptide in proteine so poleg primarne strukture značilne tudi višje ravni organizacije, ki jih imenujemo secondary, terciary in kvaternik strukture.
Sekundarno strukturo opisuje prostorska orientacija glavne polipeptidne verige, terciarno strukturo pa tridimenzionalna arhitektura celotne proteinske molekule. Tako sekundarna kot terciarna struktura sta povezani z urejeno razporeditvijo makromolekulske verige v prostoru. Terciarna in kvartarna zgradba beljakovin je obravnavana pri predmetu biokemija.
Z izračunom je bilo ugotovljeno, da je ena izmed najugodnejših konformacij za polipeptidno verigo razporeditev v prostoru v obliki desnosučne vijačnice, imenovane α-vijačnica(Sl. 12.3, a).
Prostorsko razporeditev α-vijačne polipeptidne verige si lahko predstavljamo tako, da si predstavljamo, da se ovija okoli določene
riž. 12.3.α-vijačna konformacija polipeptidne verige
valj (glej sliko 12.3, b). V povprečju je 3,6 aminokislinskih ostankov na obrat vijačnice, korak vijačnice je 0,54 nm, premer pa 0,5 nm. Ravnine dveh sosednjih peptidnih skupin se nahajajo pod kotom 108 °, stranski radikali aminokislin pa se nahajajo na zunanji strani vijačnice, to je, da so usmerjeni kot s površine valja.
Glavno vlogo pri zagotavljanju takšne konformacije verige imajo vodikove vezi, ki se v α-vijačnici tvorijo med karbonilnim kisikovim atomom vsakega prvega in vodikovim atomom NH skupine vsakega petega aminokislinskega ostanka.
Vodikove vezi so usmerjene skoraj vzporedno z osjo α-vijačnice. Držijo verigo zvito.
Običajno beljakovinske verige niso popolnoma vijačne, ampak le delno. Beljakovine, kot sta mioglobin in hemoglobin, vsebujejo precej dolge α-vijačne regije, kot je veriga mioglobina.
75% spiralizirano. V mnogih drugih proteinih je lahko delež spiralnih regij v verigi majhen.
Druga vrsta sekundarne strukture polipeptidov in proteinov je β-struktura, imenovan tudi zložen list, oz zložen sloj. Podolgovate polipeptidne verige so razporejene v prepognjene liste, povezane s številnimi vodikovimi vezmi med peptidnimi skupinami teh verig (slika 12.4). Številni proteini vsebujejo tako α-spiralno kot β-listno strukturo.
riž. 12.4.Sekundarna struktura polipeptidne verige v obliki prepognjenega lista (β-struktura)
so tudi polipeptidi, so tudi proteini
F. Engels ni bil biolog, vendar je dal naslednjo definicijo življenja:
Življenje je način obstoja beljakovinskih teles, katerega bistvo je nenehna izmenjava snovi z zunanjo naravo, ki jih obdaja, s prenehanjem te presnove pa preneha tudi življenje, kar vodi v razgradnjo beljakovin.
Seveda ta definicija ni znanstvena in ne vpliva na veliko ljudi, vendar določa eno najpomembnejšo točko -
življenje na zemlji je beljakovina
Zgradba in funkcije beljakovin
Veverice- polimeri, katerih monomeri so aminokisline. Beljakovine vsebujejo le 20 aminokislin, a kombinacij teh aminokislin je lahko ogromno! Zaradi tega je dosežena raznolikost. Beljakovin je torej v naravi ogromno!
Sestava beljakovin je zapisana takole - zaporedje aminokislin, ki so označene s tremi črkami:
Kar je prikazano na sliki, je zaporedje aminokislin - to je cela dolga velika molekula (kar je prikazano tukaj, je zelo majhen protein, običajno so takšne molekule za red velikosti daljše).
V temi o aminokislinah smo že preučili mehanizem nastanka takšnega polimera - polipeptida.
Primarna struktura beljakovin
- to je točno to zaporedje - katere aminokisline in v kakšnem zaporedju so povezane kovalentne vezi.
Sekundarna struktura beljakovin
to spirala, ki že nastaja zaradi medmolekulske – vodikove vezi.
Terciarna struktura beljakovin
To strukturo tvorijo zložene spirale - ta tvorba se imenuje
Kvartarna struktura beljakovin
To je določeno "polaganje" beljakovinskih verig. Nekatere druge snovi so lahko vključene v to "polaganje". Na primer, hemoglobin:
Beljakovine se zelo enostavno uničijo. Najprej se "zlomi" kvartarna struktura, nato terciarna, nato sekundarna struktura. Težje je uničiti primarno strukturo. To je bolj kemijska interakcija.
Uničenje beljakovinskih struktur se imenuje denaturacija.
Najbolj znani denaturanti so temperatura (segrevanje), alkohol itd.
Preprost in vsakdanji primer denaturacije so umešana jajca! 🙂
Funkcije beljakovin
- strukturna - beljakovina je bistvena sestavina vsake membrane, vsakega hrustanca ...
- Skoraj vsi encimi so beljakovinske narave. Encimi = biokatalizatorji. Vsaka reakcija ima svoj encim.
- Hormoni so beljakovinske narave.
- Transport - beljakovine prenašajo snovi preko celične membrane, hemoglobin - kisik v krvi...
Beljakovine imajo veliko funkcij... zgoraj našteto je le najbolj osnovno.
Beljakovine so osnova življenja na Zemlji in skoraj nemogoče je najti kakršne koli procese, ki potekajo v živem organizmu brez njihove udeležbe ...
1) Hidrofobne aminokisline (nepolarne). Radikalne komponente običajno vsebujejo ogljikovodikove skupine in aromatske obroče. Hidrofobne aminokisline vključujejo ala, val, lei, ile, fen, tri, met.
2) Hidrofilne (polarne) nenabite aminokisline. Ostanki takih aminokislin vsebujejo polarne skupine (-OH, -SH, -NH2). Te skupine medsebojno delujejo z dipolnimi vodnimi molekulami, ki se orientirajo okoli njih. Med polarne nenaelektrene spadajo gly, ser, tre, tyr, cis, gln, asn.
3) Polarne negativno nabite aminokisline. Sem spadata asparaginska in glutaminska kislina. V nevtralnem okolju pridobita asp in glu negativni naboj.
4) Polarne pozitivno nabite aminokisline: arginin, lizin in histidin. Imeti dodatno amino skupino (ali imidazolni obroč, kot histidin) v radikalu. V nevtralnem okolju lys, arg in gαis pridobijo pozitiven naboj.
II. Biološka klasifikacija.
1) Esencialnih aminokislin človeško telo ne more sintetizirati in jih je treba zaužiti s hrano (val, ile, lei, lys, met, tre, tri, fen) in še 2 aminokislini sta razvrščeni kot delno esencialni (arg, gis) .
2) Neesencialne aminokisline se lahko sintetizirajo v človeškem telesu (glutaminska kislina, glutamin, prolin, alanin, asparaginska kislina, asparagin, tirozin, cistein, serin in glicin).
Struktura aminokislin. Vse aminokisline so α-aminokisline. Amino skupina skupnega dela vseh aminokislin je vezana na α-ogljikov atom. Aminokisline vsebujejo karboksilno skupino -COOH in amino skupino -NH2. V proteinu ionogene skupine skupnega dela aminokislin sodelujejo pri tvorbi peptidne vezi, vse lastnosti proteina pa določajo le lastnosti aminokislinskih radikalov. Aminokisline so amfoterne spojine. Izoelektrična točka aminokisline je vrednost pH, pri kateri ima največji delež molekul aminokislin ničelni naboj.
Fizikalno-kemijske lastnosti beljakovin.
Izolacija in čiščenje: elektroforetska separacija, gelska filtracija itd. Molekulska masa proteinov, amfoternost, topnost (hidratacija, izsoljenje). Denaturacija proteinov, njena reverzibilnost.
Molekulska masa. Beljakovine so visokomolekularni organski polimeri, ki vsebujejo dušik in so zgrajeni iz aminokislin. Molekulska masa beljakovin je odvisna od števila aminokislin v vsaki podenoti.
Lastnosti medpomnilnika. Beljakovine so amfoterni polielektroliti, tj. združujejo kisle in bazične lastnosti. Glede na to so lahko beljakovine kisle ali bazične.
Dejavniki, ki stabilizirajo beljakovine v raztopini. HIDRATNA OVOJNICA je plast vodnih molekul, ki so na določen način orientirane na površini beljakovinske molekule. Površina večine beljakovinskih molekul je negativno nabita, dipole molekul vode pa privlačijo s svojimi pozitivno nabitimi poli.
Dejavniki, ki zmanjšujejo topnost beljakovin. Vrednost pH, pri kateri postane beljakovina električno nevtralna, se imenuje izoelektrična točka (IEP) beljakovine. Za bazične beljakovine je IET v alkalnem okolju, za kisle beljakovine - v kislem okolju. Denaturacija je zaporedna kršitev kvartarne, terciarne in sekundarne strukture proteina, ki jo spremlja izguba bioloških lastnosti. Denaturirane beljakovine se oborijo. Protein lahko oborimo s spremembo pH medija (IET), ali z izsoljenjem ali z delovanjem na kak denaturacijski faktor. Fizikalni dejavniki: 1. Visoke temperature.
Nekateri proteini so podvrženi denaturaciji že pri 40-50 2. Ultravijolično obsevanje 3. Rentgensko in radioaktivno obsevanje 4. Ultrazvok 5. Mehanski vpliv (na primer vibracije). Kemijski dejavniki: 1. Koncentrirane kisline in alkalije. 2. Soli težkih kovin (na primer CuSO4). 3. Organska topila (etilni alkohol, aceton) 4. Nevtralne soli alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin (NaCl, (NH4)2SO4)
Strukturna organizacija beljakovinskih molekul.
Primarne, sekundarne, terciarne strukture. Povezave, vključene v stabilizacijo struktur. Odvisnost bioloških lastnosti beljakovin od sekundarne in terciarne strukture. Kvartarna struktura proteinov. Odvisnost biološke aktivnosti proteinov od kvartarne strukture (spremembe konformacije protomerov).
Obstajajo štiri ravni prostorske organizacije beljakovin: primarna, sekundarna, terciarna in kvartarna struktura beljakovinskih molekul. Primarna struktura beljakovin- zaporedje aminokislin v polipeptidni verigi (PPC). Peptidno vez tvorita samo alfa amino skupina in alfa karboksilna skupina aminokislin. Sekundarna struktura je prostorska organizacija jedra polipeptidne verige v obliki α-vijačnice ali β-listne strukture. V α-vijačnici je 36 aminokislinskih ostankov na 10 obratov. α-vijačnica je fiksirana z uporabo vodikovih vezi med skupinami NH enega zavoja vijačnice in skupinami C=O sosednjega zavoja.
Strukturo β-plošče držijo skupaj tudi vodikove vezi med skupinama C=O in NH. Terciarna struktura- posebna medsebojna razporeditev v prostoru spiralno oblikovanih in prepognjenih delov polipeptidne verige. Pri nastanku terciarne strukture sodelujejo močne disulfidne vezi in vse šibke vrste vezi (ionske, vodikove, hidrofobne, van der Waalsove interakcije). Kvartarna struktura- tridimenzionalna organizacija v prostoru več polipeptidnih verig. Vsaka veriga se imenuje podenota (ali protomer). Zato se proteini s kvartarno strukturo imenujejo oligomerni proteini.
4. Enostavni in kompleksni proteini, njihova razvrstitev.
Narava vezi protetičnih skupin z beljakovinami. Biološke funkcije beljakovin. Sposobnost specifične interakcije z ligandom.
Enostavne beljakovine so zgrajene iz aminokislinskih ostankov in ob hidrolizi razpadejo le na proste aminokisline. Kompleksni proteini so dvokomponentni proteini, ki so sestavljeni iz preprostih proteinov in neproteinske komponente, imenovane prostetična skupina. Pri hidrolizaciji kompleksnih beljakovin se poleg prostih aminokislin sprosti tudi neproteinski del oziroma njegovi razpadni produkti. Enostavni proteini pa so na podlagi nekaterih pogojno izbranih kriterijev razdeljeni v več podskupin: protamini, histoni, albumini, globulini, prolamini, glutelini itd.
Razvrstitev kompleksnih beljakovin:
Fosfoproteini (vsebujejo fosforno kislino), kromoproteini (vsebujejo pigmente),
Nukleoproteini (vsebujejo nukleinske kisline), glikoproteini (vsebujejo ogljikove hidrate),
Lipoproteini (vsebujejo lipide) in metaloproteini (vsebujejo kovine).
Aktivno središče proteinske molekule. Ko proteini delujejo, se lahko vežejo na ligande – snovi z nizko molekulsko maso. Ligand se pritrdi na določeno mesto v proteinski molekuli – aktivni center. Aktivni center nastane na terciarnem in kvartarnem nivoju organizacije proteinske molekule in nastane zaradi privlačnosti stranskih radikalov določenih aminokislin (nastanejo vodikove vezi med -OH skupinami žvepla, aromatski radikali so povezani s hidrofobnimi interakcije, -COOH in -NH2 - z ionskimi vezmi).
Beljakovine, ki vsebujejo ogljikove hidrate: glikoproteini, proteoglikani.
Glavni ogljikovi hidrati človeškega telesa: monosaharidi, disaharidi, glikogen, heteropolisaharidi, njihova struktura in funkcije.
Beljakovine, ki vsebujejo ogljikove hidrate (glikoproteini in proteoglikani). Protetično skupino glikoproteinov lahko predstavljajo monosaharidi (glukoza, galaktoza, manoza, fruktoza, 6-deoksigalaktoza), njihovi amini in acetilirani derivati amino sladkorjev (acetilglukoza, acetilgalaktoza. Delež ogljikovih hidratov v molekulah glikoproteinov predstavlja do 35% Glikoproteini so pretežno globularni proteini.Proteoglikani ogljikovih hidratov so lahko predstavljeni z več verigami heteropolisaharidov.
Biološke funkcije glikoproteinov:
1. transport(krvni proteini globulini prenašajo železo, bakrove ione, steroidne hormone);
2. zaščitni: fibrinogen izvaja strjevanje krvi; b. imunoglobulini zagotavljajo imunsko zaščito;
3. receptor(receptorji se nahajajo na površini celične membrane, ki zagotavljajo specifično interakcijo).
4. encimski(holinesteraza, ribonukleaza);
5. hormonsko(hormoni sprednje hipofize - gonadotropin, tirotropin).
Biološke funkcije proteoglikanov: hialuronska in hondroitinžveplova kislina, keratin sulfat opravljajo strukturne, vezavne, površinsko-mehanske funkcije.
L hipoproteiničloveška tkiva. Razvrstitev lipidov.
Osnovno predstavniki: triacilgliceroli, fosfolipidi, glikolipidi, holesterol. Njihova struktura in funkcije. Esencialne maščobne kisline in njihovi derivati. Sestava, struktura in funkcije krvnih lipoproteinov.
Nukleoproteini.
Značilnosti beljakovinskega dela. Zgodovina odkritja in študija nukleinskih kislin. Zgradba in funkcije nukleinskih kislin. Primarna in sekundarna struktura DNA in RNA. Vrste RNA. Zgradba kromosomov.
Nukleoproteini so kompleksne beljakovine, ki vsebujejo beljakovino (protamin ali histon), neproteinski del pa predstavljajo nukleinske kisline (NA): deoksiribonukleinska kislina (DNA) in ribonukleinska kislina (RNA). Protamini in histoni so proteini z izrazitimi bazičnimi lastnostmi, saj vsebujejo več kot 30 % Arg in Lys.
Nukleinske kisline (NA) so dolge polimerne verige, sestavljene iz več tisoč monomernih enot, ki so povezane s 3',5'-fosfodiestrskimi vezmi. Monomer NA je mononukleotid, ki je sestavljen iz dušikove baze, pentoze in ostanka fosforne kisline. Dušikove baze so purinske (A in G) in pirimidinske (C, U, T). Pentoza je β-D-riboza ali β-D-deoksiriboza. Dušikova baza je s pentozo povezana z N-glikozidno vezjo. Pentoza in fosfat sta med seboj povezana z estrsko vezjo med -OH skupino, ki se nahaja na atomu C5' pentoze in fosfata.
Vrste nukleinskih kislin:
1. DNK vsebuje A, G, T in C, deoksiribozo in fosforno kislino. DNK se nahaja v celičnem jedru in tvori osnovo kompleksnega proteinskega kromatina.
2. RNA vsebuje A, G, U in C, ribozo in fosforno kislino.
Obstajajo 3 vrste RNA:
a) m-RNA (informacija ali predloga) - kopija odseka DNA, vsebuje informacije o strukturi proteina;
b) r-RNA tvori ogrodje ribosoma v citoplazmi in igra pomembno vlogo pri sestavljanju beljakovin na ribosomu med prevajanjem;
c) tRNA sodeluje pri aktivaciji in transportu AK do ribosoma in je lokalizirana v citoplazmi. NC imajo primarno, sekundarno in terciarno strukturo .
Primarna struktura NK je enaka za vse vrste – linearna polinukleotidna veriga, v kateri so mononukleotidi povezani s 3', 5'-fosfodiestrskimi vezmi. Vsaka polinukleotidna veriga ima 3' in 5', ti konci so negativno nabiti.
Sekundarna struktura DNA je dvojna vijačnica. DNK je sestavljena iz 2 verig, zavitih v spiralo na desno okoli osi. Helix turn = 10 nukleotidov, kar je 3,4 nm v dolžino. Obe vijačnici sta antiparalelni.
Terciarna struktura DNK - to je posledica dodatnega zvijanja v prostoru molekule DNA. To se zgodi, ko DNK sodeluje z beljakovino. Pri interakciji s histonskim oktamerjem se dvojna vijačnica navije na oktamer, tj. spremeni v superspiralo.
Sekundarna struktura RNA- polinukleotidna nit, upognjena v prostoru. Ta ukrivljenost je posledica tvorbe vodikovih vezi med komplementarnimi dušikovimi bazami. Pri t-RNA predstavlja sekundarno strukturo »list deteljice«, pri kateri ločimo komplementarne in nekomplementarne regije. Sekundarna struktura rRNA je vijačnica enojne ukrivljene RNA, terciarna struktura pa je skelet ribosoma. Prihaja iz jedra v osrednjo cono, m-RNA tvori komplekse s specifičnimi proteini - informomerji ( terciarna struktura mRNA) in se imenujejo infosomi.
Kromoproteini, njihova razvrstitev. Flavoproteini, njihova struktura in funkcije.
Hemoproteini, zgradba, predstavniki: hemoglobin, mioglobin, katalaza, peroksidaza, citokromi. Funkcije hemoproteinov.
Fosfoproteini vsebujejo ostanek fosforne kisline kot prostetično skupino. Primeri: kazein in kazeinogen mleka, skute, mlečnih izdelkov, vitelin jajčnega rumenjaka, ovalbumin jajčnega beljaka, ihtulin ribjega kaviarja. Celice CNS so bogate s fosfoproteini.
Fosfoproteini imajo različne funkcije:
1. Prehranska funkcija. Fosfoproteini mlečnih izdelkov so lahko prebavljivi, absorbirani in so vir esencialnih aminokislin in fosforja za sintezo proteinov otroškega tkiva.
2. Fosforjeva kislina je potrebna za popolno tvorbo živčnega in kostnega tkiva otrok.
3. Fosforjeva kislina sodeluje pri sintezi fosfolipidov, fosfoproteinov, nukleotidov, nukleinskih kislin.
4. Fosforjeva kislina uravnava aktivnost encimov s fosforilacijo s sodelovanjem encimov protein kinaze. Fosfat je z estrskimi vezmi vezan na - OH skupino serina ali treonina: Kromoproteini so kompleksni proteini z obarvanim neproteinskim delom. Sem spadajo flavoproteini (rumeni) in hemoproteini (rdeči). Flavoproteini kot prostetična skupina vsebujejo derivate vitamina B2 - flavine: flavinadenin dinukleotid (FAD) ali flavin mononukleotid (FMN). So neproteinski del encimov dehidrogenaze, ki katalizirajo redoks reakcije.
Hemoproteini Vsebujejo hem-železo porfirinski kompleks kot neproteinsko skupino.
Hemoproteine delimo v dva razreda:
1. encimi: katalaza, peroksidaza, citokromi;
2. neencimi: hemoglobin in mioglobin.
Encima katalaza in peroksidaza uničujeta vodikov peroksid, citokromi so nosilci elektronov v transportni verigi elektronov. Neencimi. Hemoglobin prenaša kisik (iz pljuč v tkiva) in ogljikov dioksid (iz tkiv v pljuča); mioglobin je skladišče kisika v delujočih mišicah. Hemoglobin je tetramer, ker je sestavljen iz 4 podenot: globin v tem tetrameru predstavljajo 4 polipeptidne verige 2 sort: 2 α in 2 β verigi. Vsaka podenota je povezana s hemom. Fiziološke vrste hemoglobina: 1. HbP - primitivni hemoglobin se tvori v zarodku. 2. HbF - fetalni hemoglobin - fetalni hemoglobin. Nadomestitev HbP s HbF se pojavi do 3. meseca starosti.
Encimi, zgodovina odkritja in študija encimov, značilnosti encimske katalize.
Specifičnost delovanja encimov. Odvisnost hitrosti encimskih reakcij od temperature, pH, koncentracije encima in substrata.
Encimi- biološki katalizatorji beljakovinske narave, ki jih tvori živa celica, delujejo z visoko aktivnostjo in specifičnostjo.
Podobnosti encimi z nebiološkimi katalizatorji je, da:
- encimi katalizirajo energijsko možne reakcije;
- energija kemijskega sistema ostaja konstantna;
- med katalizo se smer reakcije ne spremeni;
- encimi se med reakcijo ne porabljajo.
Razlike med encimi in nebiološkimi katalizatorji so naslednje:
- hitrost encimskih reakcij je višja od reakcij, ki jih katalizirajo neproteinski katalizatorji;
- encimi so zelo specifični;
- v celici poteka encimska reakcija, tj. pri temperaturi 37 °C, konstantnem atmosferskem tlaku in fiziološkem pH;
- hitrost encimske reakcije je mogoče nadzorovati.
Sodobna klasifikacija encimov na podlagi narave kemičnih transformacij, ki jih katalizirajo. Razvrstitev temelji na vrsti reakcije, ki jo katalizira encim.
Fe Rmenti so razdeljeni v 6 razredov:
1. Oksidoreduktaze- katalizira redoks reakcije
2. Transferaze- skupinski prevoz
3. Hidrolaze- hidroliza
4. liaze- nehidrolitsko cepitev substrata
5. Izomeraze- izomerizacija
6. Ligaze(sintetaze) - sinteza z uporabo energije (ATP)
Nomenklatura encimov.
1. Trivialno ime (pepsin, tripsin).
2. Ime encima je lahko sestavljeno iz imena substrata z dodatkom končnice "aza"
(arginaza hidrolizira aminokislino arginin).
3. Dodajanje končnice "aza" imenu katalizirane reakcije (hidrolaza katalizira
hidroliza, dehidrogenaza - dehidrogenacija organske molekule, t.j. odstranitev protonov in elektronov iz substrata).
4. Racionalno ime - ime substratov in narava kataliziranih reakcij (ATP + heksoza heksoza-6-fosfat + ADP. Encim: ATP: D-heksoza-6-fosfotransferaza).
5. Indeksiranje encimov (vsakemu encimu so dodeljeni 4 indeksi ali serijske številke): 1.1.1.1 - ADH, 1.1.1.27 - LDH.
Odvisnost hitrosti encimske reakcije od pH medija. Za vsak encim obstaja vrednost pH, pri kateri je njegova največja aktivnost. Odstopanje od optimalne vrednosti pH povzroči zmanjšanje encimske aktivnosti. Vpliv pH na aktivnost encima je povezan z ionizacijo funkcionalnih skupin aminokislinskih ostankov določenega proteina, ki zagotavljajo optimalno konformacijo aktivnega centra encima. Ko se pH spremeni od optimalnih vrednosti, se spremeni ionizacija funkcionalnih skupin beljakovinske molekule.
Na primer, ko je okolje zakisano, se protonirajo proste amino skupine (NH 3 +), in ko pride do alkalizacije, se proton odstrani iz karboksilnih skupin (COO -). To vodi do spremembe konformacije encimske molekule in konformacije aktivnega centra; posledično je motena vezava substrata, kofaktorjev in koencimov na aktivni center. Encimi, ki delujejo v kisle razmere(na primer pepsin v želodcu ali lizosomski encimi), evolucijsko pridobijo konformacijo, ki zagotavlja delovanje encima pri kislih pH vrednostih. Vendar ima večina encimov v človeškem telesu Optimalni pH blizu nevtralnega, ki sovpada s fiziološko vrednostjo pH.
Odvisnost hitrosti encimske reakcije od temperature medija. Zvišanje temperature do določenih meja vpliva na hitrost encimske reakcije, podobno kot vpliv temperature na katero koli kemično reakcijo. Z naraščanjem temperature se gibanje molekul pospeši, kar vodi do povečanja verjetnosti interakcije med reaktanti. Poleg tega lahko temperatura poveča energijo reagirajočih molekul, kar prav tako pospeši reakcijo.
Vendar pa ima hitrost kemične reakcije, ki jo katalizirajo encimi, svoj temperaturni optimum, katerega presežek spremlja zmanjšanje encimske aktivnosti, ki je posledica toplotne denaturacije proteinske molekule. Za večino človeških encimov je optimalna temperatura 37-38 °C. Specifičnost- zelo visoka selektivnost encimov glede na substrat. Specifičnost encima je razložena s sovpadanjem prostorske konfiguracije substrata in substratnega središča (sterično sovpadanje). Za specifičnost encima sta odgovorna tako aktivno središče encima kot njegova celotna proteinska molekula. Aktivno mesto encima določa vrsto reakcije, ki jo encim lahko izvede. Obstajajo tri vrste specifičnosti:
Absolutna specifičnost. To specifičnost imajo encimi, ki delujejo le na en substrat. Na primer, saharoza hidrolizira samo saharozo, laktaza - laktozo, maltaza - maltozo, ureaza - sečnino, arginaza - arginin itd. Relativna specifičnost- to je sposobnost encima, da deluje na skupino substratov s skupno vrsto povezave, tj. relativna specifičnost se kaže le v zvezi z določeno vrsto vezi v skupini substratov. Primer: lipaze razgrajujejo estrske vezi v maščobah živalskega in rastlinskega izvora. Amilaza hidrolizira α-glikozidno vez v škrobu, dekstrinih in glikogenu. Alkohol dehidrogenaza oksidira alkohole (metanol, etanol itd.).
Stereokemična specifičnost je sposobnost encima, da deluje samo na en stereoizomer.
Na primer: 1) α, β-izomerija: α - amilaza sline in pankreasnega soka razgrajuje samo α-glukozidne vezi v škrobu in ne razgrajuje β-glukozidne vezi vlaken. Mednarodna enota (IU) encimske aktivnosti je količina encima, ki je sposobna pretvoriti 1 µmol substrata v reakcijske produkte v 1 minuti pri 25 °C in optimalnem pH. Catal ustreza količini katalizatorja, ki lahko pretvori 1 mol substrata v produkt v 1 sekundi pri 25 °C in optimalnem pH. Specifična encimska aktivnost- število enot encimske aktivnosti encima na 1 mg beljakovin. Molarna aktivnost je razmerje med številom enot encimske aktivnosti katalov ali IU in številom molov encima.
Struktura encimov. Zgradba in funkcije aktivnega centra.
Mehanizem delovanja encimov. Encimski kofaktorji: kovinski ioni in koencimi, njihovo sodelovanje pri delovanju encimov. Aktivatorji encimov: mehanizem delovanja. Zaviralci encimskih reakcij: kompetitivni, nekompetitivni, ireverzibilni. Zdravila - zaviralci encimov (primeri).
Po zgradbi so lahko encimi:
1. enokomponentni (enostavni proteini),
2. dvokomponentni (kompleksni proteini).
Na encime - preproste beljakovine- vključujejo prebavne encime (pepsin, tripsin). Encimi - kompleksne beljakovine - vključujejo encime, ki katalizirajo redoks reakcije. Za katalitično aktivnost dvokomponentnih encimov je potrebna dodatna kemična komponenta, imenovana kofaktor, igrajo pa jih lahko anorganske snovi ( ioni železa, magnezija, cinka, bakra itd..), in organske snovi - koencimi (npr. aktivne oblike vitaminov).
Številni encimi za delovanje potrebujejo koencim in kovinske ione (kofaktor). Koencimi so nizkomolekularne organske snovi neproteinske narave, ki so začasno in krhko povezane z beljakovinskim delom encima. V primeru, ko je neproteinski del encima (koencim) tesno in trajno povezan z beljakovino, se tak neproteinski del imenuje protetična skupina. Beljakovinski del kompleksa protein-encim se imenuje apoencim. Skupaj tvorita apoencim in kofaktor holoencim.
V procesu encimske katalize ne sodeluje celotna proteinska molekula, ampak le določen del - aktivno središče encima. Aktivni center encim predstavlja del encimske molekule, na katerega je vezan substrat in od katerega so odvisne katalitične lastnosti encimske molekule. V aktivnem središču encima je "kontaktno" območje- mesto, ki privlači in zadržuje substrat na encimu zaradi svojih funkcionalnih skupin in "katalitski" del, katerih funkcionalne skupine so neposredno vključene v katalitično reakcijo. Nekateri encimi imajo poleg aktivnega centra tudi "drug" center - alosterični.
Z alosterično center sodeluje z različnimi snovmi (efektorji), najpogosteje z različnimi metaboliti. Kombinacija teh snovi z alosteričnim središčem povzroči spremembo konformacije encima (terciarna in kvartarna struktura). Aktivni center v encimski molekuli se bodisi ustvari ali pa je moten. V prvem primeru se reakcija pospeši, v drugem pa upočasni. Zato alosterični center imenujemo regulacijski center encima. Encime, ki imajo v svoji zgradbi alosterični center, imenujemo regulacijski oz alosterični. Teorija o mehanizmu delovanja encimov temelji na tvorbi kompleksa encim-substrat.
Mehanizem delovanja encima:
1. tvorba kompleksa encim-substrat, substrat je vezan na aktivno središče encima.
2. na drugi stopnji encimskega procesa, ki poteka počasi, pride do elektronskih preureditev v kompleksu encim-substrat.
Encim (En) in substrat (S) se začneta približevati drug drugemu, da dosežeta največji stik in tvorita en sam kompleks encim-substrat. Trajanje druge stopnje je odvisno od aktivacijske energije substrata ali energijske pregrade dane kemijske reakcije. Aktivacijska energija- energija, potrebna za pretvorbo vseh molekul 1 mola S v aktivirano stanje pri določeni temperaturi. Vsaka kemična reakcija ima svojo energijsko pregrado. Zaradi tvorbe encimsko-substratnega kompleksa se aktivacijska energija substrata zmanjša in reakcija začne potekati na nižji energijski ravni. Zato druga stopnja procesa omejuje hitrost celotne katalize.
3. Na tretji stopnji pride do same kemične reakcije s tvorbo reakcijskih produktov. Tretja faza postopka je kratka. Kot rezultat reakcije se substrat pretvori v reakcijski produkt; kompleks encim-substrat razpade in encim nespremenjen izstopi iz encimske reakcije. Encim torej omogoča, da zaradi tvorbe encimsko-substratnega kompleksa poteka kemijska reakcija krožno na nižji energijski ravni.
Kofaktor- neproteinska snov, ki mora biti v telesu prisotna v majhnih količinah, da lahko ustrezni encimi opravljajo svoje naloge. Kofaktor vsebuje koencime in kovinske ione (na primer natrijeve in kalijeve ione).
Vsi encimi spadajo med globularne proteine in vsak encim opravlja specifično funkcijo, ki je povezana z njegovo inherentno globularno strukturo. Vendar je aktivnost mnogih encimov odvisna od neproteinskih spojin, imenovanih kofaktorji. Molekularni kompleks proteinskega dela (apoencima) in kofaktorja imenujemo holoencim.
Vlogo kofaktorja lahko opravljajo kovinski ioni (Zn 2+, Mg 2+, Mn 2+, Fe 2+, Cu 2+, K +, Na +) ali kompleksne organske spojine. Organske kofaktorje običajno imenujemo koencimi, nekateri pa so derivati vitaminov. Vrsta povezave med encimom in koencimom je lahko različna. Včasih obstajajo ločeno in se med reakcijo vežejo drug na drugega. V drugih primerih sta kofaktor in encim trajno povezana in včasih z močnimi kovalentnimi vezmi. V slednjem primeru se neproteinski del encima imenuje prostetična skupina.
Vloga kofaktor V bistvu gre za to:
- spreminjanje terciarne strukture proteina in ustvarjanje komplementarnosti med encimom in substratom;
- neposredno sodelovanje pri reakciji kot drugi substrat.
Aktivatorji je lahko:
1) kofaktorji, ker so pomembni udeleženci v encimskem procesu. Na primer, kovine, ki so del katalitskega središča encima: amilaza v slini je aktivna v prisotnosti Ca ionov, laktat dehidrogenaza (LDH) - Zn, arginaza - Mn, peptidaza - Mg in koencimi: vitamin C, derivati različnih vitamini (NAD, NADP, FMN, FAD, KoASH itd.). Zagotavljajo vezavo aktivnega centra encima na substrat.
2) anioni imajo lahko tudi aktivacijski učinek na aktivnost encima, na primer anioni
Cl - aktiviranje slinske amilaze;
3) aktivatorji so lahko tudi snovi, ki ustvarjajo optimalno pH vrednost okolja za manifestacijo encimske aktivnosti, na primer HCl za ustvarjanje optimalnega okolja za želodčno vsebino za aktivacijo pepsinogena v pepsin;
4) aktivatorji so tudi snovi, ki pretvarjajo proencime v aktivni encim, na primer enterokinaza v črevesnem soku aktivira pretvorbo tripsinogena v tripsin;
5) aktivatorji so lahko različni metaboliti, ki se vežejo na alosterični center encima in prispevajo k nastanku aktivnega centra encima.
Inhibitorji so snovi, ki zavirajo delovanje encimov. Obstajata dve glavni vrsti inhibicije: ireverzibilna in reverzibilna. V primeru ireverzibilne inhibicije se inhibitor trdno (ireverzibilno) veže na aktivno središče encima s kovalentnimi vezmi in spremeni konformacijo encima. Tako lahko soli težkih kovin (živo srebro, svinec, kadmij itd.) delujejo na encime. Reverzibilna inhibicija je vrsta inhibicije, pri kateri je mogoče obnoviti aktivnost encimov. Obstajata dve vrsti reverzibilne inhibicije: tekmovalna in nekonkurenčna. Pri kompetitivni inhibiciji sta si substrat in inhibitor po kemijski strukturi običajno zelo podobna.
Pri tej vrsti inhibicije se lahko substrat (S) in inhibitor (I) enakovredno vežeta na aktivno mesto encima. Med seboj tekmujejo za mesto v aktivnem mestu encima. Klasičen primer je tekmovalna inhibicija – zaviranje delovanja sukcinat dehidrogenaza malonska kislina. Nekompetitivni inhibitorji se vežejo na alosterično mesto encima.
Posledično pride do sprememb v konformaciji alosteričnega centra, ki vodijo do deformacije katalitičnega centra encima in zmanjšanja encimske aktivnosti. Presnovni produkti pogosto delujejo kot alosterični nekompetitivni inhibitorji. Zdravilne lastnosti zaviralcev encimov (Contrical, Trasylol, Aminocaproic acid, Pamba). Contrical (aprotinin) se uporablja za zdravljenje akutnega pankreatitisa in poslabšanja kroničnega pankreatitisa, akutne nekroze trebušne slinavke, akutne krvavitve.
Regulacija delovanja encimov. Alosterični center, alosterični inhibitorji in aktivatorji (primeri). Regulacija encimske aktivnosti s fosforilacijo in defosforilacijo (primeri). Vrste hormonske regulacije encimske aktivnosti.
Razlike v encimski sestavi organov in tkiv.
Organsko specifični encimi, izoencimi (na primer LDH, MDH itd.). Spremembe encimske aktivnosti pri patologiji. Encimopatije, encimska diagnostika in encimska terapija.
Izoencimi so izooblike istega encima, ki se razlikujejo po zaporedju aminokislin, ki obstajajo v istem organizmu, vendar praviloma v različnih celicah, tkivih ali organih.
Izoencimi so običajno zelo homologni v zaporedju aminokislin. Vsi izoencimi istega encima opravljajo enako katalitično funkcijo, vendar se lahko bistveno razlikujejo po stopnji katalitične aktivnosti, regulatornih lastnostih ali drugih lastnostih. Primer encima z izoencimi je amilaze— pankreasna amilaza se po zaporedju aminokislin in lastnostih razlikuje od amilaze žlez slinavk, črevesja in drugih organov. To je služilo kot osnova za razvoj in uporabo bolj zanesljive metode za diagnosticiranje akutnega pankreatitisa z določanjem ne celotne plazemske amilaze, ampak pankreasne izoamilaze.
Encimopatije - bolezni, ki jih povzroča motena sinteza encimov:
a) v popolni ali delni odsotnosti encimske aktivnosti;
b) prekomerno povečanje encimske aktivnosti;
c) pri nastajanju patoloških encimov, ki jih pri zdravem človeku ni.
Obstajajo dedne in pridobljene encimopatije. Dedne encimopatije so povezane z motnjami v genetskem aparatu celice, kar vodi do pomanjkanja sinteze določenih encimov.
Dedne bolezni vključujejo encimopatije, povezane z moteno pretvorbo aminokislin:
1. Fenilketonurija- dedna motnja v sintezi encima fenilalanin hidroksilaze, s sodelovanjem katere pride do pretvorbe fenilalanina v tirozin. S to patologijo se koncentracija fenilalanina v krvi poveča. Pri tej bolezni pri otrocih je treba iz prehrane izključiti fenilalanin.
2. albinizem- bolezen, povezana z genetsko okvaro encima tirozinaze. Ko melanociti izgubijo sposobnost sintetiziranja tega encima (oksidira tirozin v DOPA in DOPA-kinon), se melanin ne tvori v koži, laseh in mrežnici.
Pridobljene encimopatije, tj. Motnje v sintezi encimov so lahko posledica:
1. dolgotrajna uporaba zdravil (antibiotiki, sulfonamidi);
2. prebolele nalezljive bolezni;
3. zaradi pomanjkanja vitaminov;
4. maligni tumorji.
Encimska diagnostika - določanje aktivnosti encimov za diagnozo bolezni. Encime krvne plazme delimo v 3 skupine: sekretorne, indikatorske in izločevalne. Indikator - celični encimi. Pri boleznih, ki jih spremlja poškodba celičnih membran, se ti encimi pojavijo v velikih količinah v krvi, kar kaže na patologijo v določenih tkivih. Na primer, med akutnim pankreatitisom se poveča aktivnost amilaze v krvi in urinu.
Za encimsko diagnostiko se določijo izoencimi. V patoloških pogojih se lahko sproščanje encima v kri poveča zaradi spremembe stanja celične membrane. Preučevanje aktivnosti encimov v krvi in drugih bioloških tekočinah se pogosto uporablja za diagnosticiranje bolezni. Na primer diastaza urina in amilaze v krvi pri pankreatitisu (povečana aktivnost), zmanjšana aktivnost amilaze pri kroničnem pankreatitisu.
Encimska terapija je uporaba encimov kot zdravil. Na primer, mešanica encimskih pripravkov pepsina, tripsina, amilaze (pankreatin, festal) se uporablja za bolezni prebavil z zmanjšanim izločanjem, tripsin in kimotripsin se uporabljata v kirurški praksi za gnojne bolezni za hidrolizo bakterijskih beljakovin.
Encimopatija pri otrocih in pomen njihove biokemične diagnoze (na primer motnje presnove dušika in ogljikovih hidratov).
Najpogostejša različica encimopatij, ki vodi do razvoja hemolitične anemije, je pomanjkanje glukoza-6-fosfat dehidrogenaze. Razmislimo o vzrokih encimopatij pri otrocih. Bolezen je razširjena med Afroameričani (630%), manj pogosta med Tatari (3,3%) in prebivalci Dagestana (511,3%); redko odkrijejo v ruski populaciji (0,4%). Poseben primer pomanjkanja glukoza-6-fosfat dehidrogenaze je favizem. Hemoliza se razvije pri uživanju fižola, fižola, graha ali vdihavanju naftalenskega prahu.
Vzroki encimopatij pri otrocih Dedovanje pomanjkanja glukoza 6 fosfat dehidrogenaze (N), zaradi katerega so pogosteje prizadeti moški. Na svetu je približno 400 milijonov nosilcev tega patološkega gena. Bolezen se praviloma razvije po jemanju nekaterih zdravil [nitrofuranskih derivatov, kinina, izoniazida, ftivazida, aminosalicilne kisline (natrijev para-aminosalicilat), nalidiksične kisline, sulfonamidov itd.] Ali v ozadju okužbe.
Encimopatije pri otrocih - znaki.
Bolezen se kaže s hitrim razvojem hemolize z uporabo zgoraj navedenih snovi ali okužb (zlasti s pljučnico, tifusom, hepatitisom). Pomanjkanje glukoza-6-fosfat dehidrogenaze lahko povzroči zlatenico pri novorojenčkih. Krvni test razkrije retikulocitozo, povečano raven neposrednega in posrednega bilirubina, LDH in alkalne fosfataze.
Morfologija eritrocitov in eritrocitni indeksi niso spremenjeni. Diagnozo postavimo na podlagi rezultatov določanja encimske aktivnosti.
Encimopatije pri otrocih - zdravljenje.
Izven krize se zdravljenje ne izvaja. Za povišano telesno temperaturo se uporabljajo metode fizičnega hlajenja. Pri kronični hemolizi se folna kislina predpisuje 1 mt/dan 3 tedne vsake 3 mesece. Med krizo se vsa zdravila prekličejo in se izvaja infuzijska terapija v ozadju dehidracije.
Vitamini, razvrstitev vitaminov (po topnosti in funkcionalnosti). Zgodovina odkritja in študija vitaminov.
Vitamini so nizkomolekularne organske spojine različnih kemijskih lastnosti in različnih struktur, ki jih sintetizirajo predvsem rastline, deloma mikroorganizmi.
Za ljudi so vitamini bistveni prehranski dejavniki. Vitamini sodelujejo v različnih biokemičnih reakcijah, opravljajo katalitično funkcijo kot del aktivnih centrov velikega števila različnih encimov ali delujejo kot informacijski regulatorni posredniki, ki opravljajo signalne funkcije eksogenih prohormonov in hormonov. Glede na kemijsko strukturo in fizikalno-kemijske lastnosti (predvsem topnost) delimo vitamine v 2 skupini.
Vodotopno:
- vitamin B1 (tiamin);
- vitamin B2 (riboflavin);
- Vitamin PP (nikotinska kislina, nikotinamid, vitamin B 3);
- Pantotenska kislina (vitamin B 5);
- vitamin B6 (piridoksin);
- Biotin (vitamin H);
- Folna kislina (vitamin Bc, B9);
- vitamin B12 (kobalamin);
- vitamin C (askorbinska kislina);
- Vitamin P (bioflavonoidi).
