Пептидная связь. строение и биологические свойства пептидов

Полипептиды это белки, которые обладают повышенной конденсационной степенью. Они имеют широкое распространение среди организмов как растительного, так и животного происхождения. То есть здесь речь идет о компонентах, которые являются обязательными. Они отличаются чрезвычайным разнообразием, причем нет грани четкого характера между такими веществами и обычными белками. Если говорить о разнообразии таких веществ, то надо отметить что когда они формируются, в этом процессе участвуют не менее 20 аминокислот протеногенного типа, а если говорить о количестве изомеров, то их можно быть до бесконечности.

Именно поэтому молекулы белкового типа имеют столько возможностей, которые практически безграничны, когда речь идет об их полифункциональности. Так что, понятно почему белки называют основной всего живого, что есть на Земле. Белки называют ещё и одними из самых сложных веществ, которые когда либо были сформированы природой, также они очень уникальны. Так же, как и протеин, белки способствуют активному развитию живых организмов.

Если говорить максимально конкретно, то речь идет о веществах, которые представляют собой биополимеры, в основе которых лежат аминокислоты, содержащие не менее сотни остатков аминокислотного типа. Причем, здесь также есть деление – есть такие вещества, которые относятся к низкомолекулярной группе, они включает в себя всего несколько десятков остатков аминокислот, есть также вещества, которые относятся к высокомолекулярным группам, в них таких остатков существенно больше. Полипептид же это такое вещество, которое отличается действительно большим разнообразием в своей структуре и организации.

Группы полипептидов

Все эти вещества в условном порядке делятся на две группы, при таком делении принимаются во внимание особенности их структуры, которые оказывают непосредственное влияние на их функциональность:

• К первой группе можно отнести вещества, которые отличаются типичной белковой структурой, то есть сюда входит цепочка линейного типа и непосредственно аминокислоты. Они встречаются во всех живых организмах, причем, самый большой интерес здесь имеют вещества с повышенной активностью гормонального типа.
• Что касается второй группы, то здесь находятся те соединения, структура которых имеет не самые типичные для белков особенности.

Что представляет собой полипептидная цепь

Полипептидная цепь представляет белковую структуру в состав которой входят аминокислоты, все это имеет прочную связь соединениями пептидного типа. Если говорить о первичной структуре, то речь идет о простейшем уровне структуры молекулы белкового типа. Такая организационная форма отличается повышенной стабильностью.

Когда в клетках начинают образовываться пептидные связи, то первым делом активацию начинает группа карбоксильного типа одной аминокислоты, а уже потом начинает активное соединение с другой подобной группой. То есть полипептидные цепи характеризуются постоянно чередующимися фрагментами таких связей. Здесь есть целый ряд определенных факторов, оказывающих существенное влияние на форму структуры первичного типа, однако этим их влияние не ограничивается. Существует активное влияние на те организации такой цепи, которые имеют высший уровень.

Если говорить об особенностях такой организацинной формы, то они заключаются в следующем:

• происходит регулярное чередование структур, относящимся к жесткому типу;
• есть участки, которые обладают относительной подвижностью, они имеют возможность вращаться вокруг связей. Именно особенности такого рода оказывают влияние на то, каким образом полипептидная цепь укладывается в пространстве. Причем с пептидными цепями могут осуществляться разного рода организационные моменты под воздействием множества факторов. Может быть отсоединение одной из структур, когда пептиды формируются в отдельную группу и отделяются от одной цепи.

Белковая структура вторичного типа

Здесь речь идет о варианте цепной укладки таким образом, чтобы была организована упорядоченная структура, такое становится возможным, благодаря водородным связям между группами пептидов одной цепи с такими же группами другой цепи. Если брать во внимание конфигурацию такой структуры, то она может быть:

1. Спирального типа, такое название произошло, благодаря своеобразной форме.
2. Слоисто-складчатого типа.

Если говорить о спиральной группе, то это такая белковая структура, которая сформирована в форме спирали, которая образуется, не выходя за пределы одной цепи полипептидного типа. Если говорить о внешнем виде, то она во многом схожа с обычной электрической спиралью, которая есть в плитке, работающей на электричестве.

Что касается слоисто-складчатой структуры, то здесь цепь отличается изогнутой конфигурацией, её формирование осуществляется на основе связей водородного типа, причем, здесь все ограничивается пределами одного участка конкретной цепи.

Пептидная связь по своей химической природе является ковалентной и придает высокую прочность первичной структуре белковой молекулы. Являясь повторяющимся элементом полипептидной цепи и имея специфические особенности структуры, пептидная связь влияет не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи.

Большой вклад в изучение строения белковой молекулы внесли Л.Полинг и Р.Кори. Обратив внимание на то, что в молекуле белка больше всего пептидных связей, они первыми провели кропотливые рентгеноструктурные исследования этой связи. Изучили длины связей, углы под которыми располагаются атомы, направление расположения атомов относительно связи. На основании исследований были установлены следующие основные характеристики пептидной связи.

1. Четыре атома пептидной связи (С,О,N,Н) и два присоединенных
a-углеродных атома лежат в одной плоскости. Группы R и Н a-углеродных атомов лежат вне этой плоскости.

2. Атомы О и Н пептидной связи и два a-углеродных атома, а также R-группы имеют транс-ориентацию относительно пептидной связи.

3. Длина связи С–N, равная 1,32 Å, имеет промежуточное значение между длиной двойной ковалентной связи (1,21 Å) и одинарной ковалентной связи (1,47 Å). Отсюда следует, что связь С–N имеет частично ненасыщенный характер. Это создает предпосылки для осуществления по месту двойной связи таутомерных перегруппировок с образованием енольной формы,т.е. пептидная связь может существовать в кето-енольной форме.

Вращение вокруг связи –С=N– затруднено и все атомы, входящие в пептидную группу, имеют планарную транс-конфигурацию. Цис-конфигурация является энергетически менее выгодной и встречается лишь в некоторых циклических пептидах. Каждый планарный пептидный фрагмент содержит две связи с a-углеродными атомами, способными к вращению.

Между первичной структурой белка и его функцией у данного организма существует самая тесная связь. Для того, чтобы белок выполнял свойственную ему функцию, необходима совершенно определенная последовательность аминокислот в полипептидной цепи этого белка. Эта определенная последовательность аминокислот, качественный и количественный состав закреплен генетически (ДНК→РНК→белок). Каждый белок характеризуется определенной последовательностью аминокислот, замена хотя бы одной аминокислоты в белке приводит не только к структурным перестройкам, но и к изменениям физико-химических свойств и биологических функций. Имеющаяся первичная структура предопределяет последующие (вторичную, третичную, четвертичную) структуры. Например, в эритроцитах здоровых людей содержится белок– гемоглобин с определенной последовательностью аминокислот. Небольшая часть людей имеет врожденную аномалию структуры гемоглобина: их эритроциты содержат гемоглобин, у которого в одном положении вместо глутаминовой кислоты (заряженной, полярной) содержится аминокислота валин (гидрофобная, неполярная). Такой гемоглобин существенно отличается по физико-химическим и биологическим свойствам от нормального. Появление гидрофобной аминокислоты, приводит к возникновению «липкого» гидрофобного контакта (эритроциты плохо передвигаются в кровеносных сосудах), к изменению формы эритроцита (из двояковогнутого в серповидный), а также к ухудшению переноса кислорода и т.д. Дети, родившееся с этой аномалией, в раннем детстве погибают от серповидноклеточной анемии.

Исчерпывающие доказательства в пользу утверждения, что биологическая активность определяется аминокислотной последовательностью, были получены, после искусственного синтеза фермента рибонуклеазы (Меррифилд). Синтезированный полипептид с той же аминокислотной последовательностью, что и естественный фермент, обладал такой же ферментативной активностью.

Исследования последних десятилетий показали, что первичная структура закреплена генетически, т.е. последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется генетическим кодом ДНК, и, в свою очередь определяет вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы и ее общую конформацию. Первым белком, у которого была установлена первичная структура, был белковый гормон инсулин (содержит 51 аминокислоту). Это было сделано в 1953 г. Фредериком Сэнгером. К настоящему времени расшифрована первичная структура более десяти тысяч белков, но это очень небольшое количество, если учесть, что в природе белков около 10 12 . В результате свободного вращения полипептидные цепи способны скручиваться (складываться) в различные структуры.

Вторичная структура. Под вторичной структурой белковой молекулы понимают способ укладки полипептидной цепи в пространстве. Вторичная структура белковой молекулы образуется в результате того или иного вида свободного вращения вокруг связей, соединяющих a-углеродные атомы в полипептидной цепи.В результате этого свободного вращения полипептидные цепи способны скручиваться(складываться) в пространстве в различные структуры.

В природных полипептидных цепях обнаружены три основных типа структуры:

- a-спираль;

- β-структура(складчатый лист);

- статистический клубок.

Наиболее вероятным типом строения глобулярных белков принято считать α-спираль Закручивание происходит по часовой стрелке (правый ход спирали), что обусловлено L-аминокислотным составом природных белков. Движущей силой в возникновении α-спирали является способность аминокислот к образованию водородных связей. R-группы аминокислот направлены наружу от центральной оси a-спирали . диполи >С=О и >N–Н соседних пептидных связей ориентированы оптимальным образом для дипольного взаимодействия, образуя вследствие этого обширную систему внутримолекулярных кооперативных водородных связей, стабилизирующих a-спираль.

Шаг спирали (один полный виток) 5,4Å включает 3,6 аминокислотных остатка.

Рисунок 2 – Структура и параметры a-спирали белка

Для каждого белка характерна определенная степень спирализации его полипептидной цепи

Спиральную структуру могут нарушить два фактора:

1) в наличие в цепи остатка пролина, циклическая структура которого вносит излом в полипептидную цепь – нет группы –NН 2 , поэтому невозможно образования внутрицепочечной водородной связи;

2) если в полипептидной цепи подряд расположено много остатков аминокислот, имеющих положительный заряд (лизин, аргинин) или отрицательный заряд (глутаминовой, аспарагиновой кислот), в этом случае сильное взаимное отталкивание одноименнозаряженных групп (–СОО – или –NН 3 +) значительно превосходит стабилизирующее влияние водородных связей в a-спирали .

Другой тип конфигурации полипептидных цепей, обнаруженный в белках волос, шелка, мышц и в других фибриллярных белках, получил название β-структуры или складчатого листа. Структура типа складчатого листа также стабилизирована водородными связями между теми же диполями –NН...... О=С<. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т.е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные

одинаковонаправленные полипептидные цепи или антипараллельные,

которые укрепляются благодаря водородным связям между этими цепями. Такие структуры называются b-складчатые листы (рисунок 2).

Рисунок 3 – b-структура полипептидных цепей

a-Спираль и складчатые листы – это упорядоченные структуры, в них имеется регулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве. Некоторые участки полипептидной цепи не имеют какой-либо правильной периодической пространственной организации, их обозначают как беспорядочный или статистический клубок.

Все эти структуры возникают самопроизвольно и автоматически вследствие того, что данный полипептид имеет определенную аминокислотную последовательность, которая предопределена генетически. a-спирали и b-структуры обуславливают определенную способность белков к выполнению специфических биологических функций. Так, a-спиральная структура (a-кератин) хорошо приспособлена к тому, чтобы образовывать наружные защитные структуры-перья, волосы, рога, копыта. b-структура способствует образованию гибких и нерастяжимых нитей шелка и паутины, а конформация белка коллагена обеспечивает высокую прочность на разрыв, необходимую для сухожилий. Наличие только a-спиралей или b-структур характерно – для нитевидных (фибрилярных белков). В составе глобулярных (шаровидных) белков содержание a-спиралей и b-структур и бесструктурных участков сильно варьируется. Например: инсулин спирализованна 60%, фермент рибонуклеаза – 57%, белок куриного яйца лизоцим – на 40%.

Третичная структура. Под третичнойструктурой понимают способ укладки полипептидной цепи в пространстве в определенном объеме.

Третичная структура белков образуется путем дополнительного складывания пептидной цепи содержащей a-спираль, b-структуры и участки беспорядочного клубка. Третичная структура белка формируется совершенно автоматически, самопроизвольно и полностью предопределяется первичной структурой и имеет непосредственное отношение к форме белковой молекулы, которая может быть различной: от шарообразной до нитевидной. Форма белковой молекулы характеризуется таким показателем, как степень асимметрии (отношение длинной оси к короткой). У фибриллярных или нитевидных белков степень асимметрии больше 80. При степени асимметрии меньше 80 белки относятся к глобулярным . Большинство из них имеет степень асимметрии 3-5, т.е. третичная структура характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи, приближающейся по форме к шару.

При формировании глобулярных белков неполярные гидрофобные радикалы аминокислот группируются внутри белковой молекулы, в то время как полярные радикалы ориентируются в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы – глобула. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией. На конформацию возникшей глобулы оказывают влияние такие факторы как рН раствора, ионная сила раствора, а также взаимодействие белковых молекул с другими веществами.

Основной движущей силой в возникновении трехмерной структуры, является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды.

Фибриллярные белки. При формировании третичной структуры не образуют глобул – их полипептидные цепи не сворачиваются, а остаются вытянутыми в виде линейных цепей, группируясь в волокна- фибриллы.

Рисунок– Строение коллагеновой фибриллы (фрагмент).

В последнее время появились доказательства, что процесс формирования третичной структуры не является автоматическим, а регулируется и контролируется специальными молекулярными механизмами. В этом процессе задействованы специфические белки – шапероны. Основными функциями их являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы.

Стабилизация третичной структуры обеспечивается благодаря нековалентным взаимодействиям между атомными группировками боковых радикалов.

Рисунок 4- Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка

а) электростатические силы притяжения между радикалами, несущими противоположно заряженные ионные группы (ион-ионные взаимодействия), например отрицательно заряженная карбоксильная группа (– СОО –) аспарагиновой кислоты и (NН 3 +) положительно заряженной e-аминогруппой остатка лизина.

б) водородные связи между функциональными группами боковых радикалов. Например, между ОН- группой тирозина и карбоксильным кислородом аспарагиновой кислоты

в) гидрофобные взаимодействия обусловлены силами Ван-дер-Ваальса между неполярными радикалами аминокислот. (Например, группами
–СН 3 – аланина, валина и т.д..

г) диполь-дипольные взаимодействия

д) дисульфидные связи (–S–S–) между остатками цистеина. Эта связь очень прочная и присутствует не во всех белках. Важную роль эта связь играет в белковых веществах зерна и муки, т.к. оказывает влияние на качество клейковины, структурно-механические свойства теста и соответственно на качество готовой продукции – хлеба и т.д.

Белковая глобула не является абсолютно жесткой структурой: в известных приделах возможны обратимые перемещения частей пептидной цепи относительно друг друга с разрывом небольшого количества слабых связей и образования новых. Молекула как бы дышит, пульсирует в разных своих частях. Эти пульсации не нарушают основного плана конформации молекулы, подобно тому, как тепловые колебания атомов в кристалле не изменяют структуру кристалла, если температура не настолько велика, что наступает плавление.

Только после приобретения белковой молекулой естественной, нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность: каталитическую, гормональную, антигенную и т.д. Именно при образовании третичной структуры происходит формирование активных центров ферментов, центров ответственных за встраивание белка в мультиферментный комплекс, центров, ответственных за самосборку надмолекуляных структур. Поэтому любые воздействия (термические, физические, механические, химические), приводящие к разрушению этой нативной конформации белка (разрыв связей), сопровождается частичной или полной потерей белком его биологических свойств.

Изучение полных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот, и полипептидная цепь фактически обматывается вокруг гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в результате возникает 2-х или 3-х ядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен для многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизоцим и т.д.). Обособленная часть или область молекулы белка обладающая в определенной степени структурной и функциональной автономией называется доменом. У ряда ферментов, например, обособленны субстрат-связывающие и кофермент связывающие домены.

В биологическом отношении фибриллярные белки играют очень важную роль, связанную с анатомией и физиологией животных. У позвоночных на долю этих белков приходится 1/3 от их общего содержания. Примером фибрилярных белков может служить белок шелка – фиброин, который состоит из нескольких антипараллельных цепей со структурой складчатого листа. Белок a-кератин содержит от 3-7 цепей. Коллаген имеет сложную структуру, в которой 3 одинаковые левовращающие цепи скручены вместе с образованием правовращающей тройной спирали. Эта тройная спираль стабилизирована многочисленными межмолекулярными водородными связями. Наличие таких аминокислот, как гидроксипролина и гидроксилизина также вносит вклад в образование водородных связей, стабилизирующих структуру тройной спирали. Все фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде, так как в их составе содержится много аминокислот, содержащих гидрофобные, нерастворимые в воде R-группы изолейцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин. После специальной обработки нерастворимый и неперевариваемый коллаген превращается в желатин-растворимую смесь полипептидов, который затем используют в пищевой промышленности.

Глобулярные белки . Выполняют разнообразные биологические функции. Они выполняют транспортную функцию, т.е. переносят питательные вещества, неорганические ионы, липиды и т.д. К этому же классу белков принадлежат гормоны, а также компоненты мембран и рибосом. Все ферменты тоже глобулярные белки.

Четвертичная структура. Белки содержащие две или большее число полипептидных цепей называют олигомерными белками , для них характерно наличие четвертичной структуры.

Рисунок – Схемы третичной (а) и четвертичной (б) структур белка

В олигомерных белках каждая из полипептидных цепей характеризуется своей первичной, вторичной и третичной структурой, и называется субъединицей или протомером Полипептидные цепи (протомеры) в таких белках могут быть либо одинаковыми либо разными. Олигомерные белки называют гомогенными, если их протомеры одинаковы и гетерогенными, если их протомеры различны. Например-белок гемоглобин состоит из 4-х цепей: двух -a и двух -b протомеров. Фермент a-амилаза состоит из 2-х одинаковых полипептидных цепей. Под четвертичной структурой понимают расположение полипептидных цепей (протомеров) относительно друг друга, т.е. способ их совместной укладки и упаковки. При этом протомеры взаимодействуют друг с другом не любой частью своей поверхности, а определенным участком (контактной поверхностью). Контактные поверхности имеют такое расположение атомных группировок, между которыми возникают водородные, ионные, гидрофобные связи. Кроме того, геометрия протомеров также способствует их соединению. Протомеры подходят друг к другу, как ключ к замку. Такие поверхности называются комплиментарными. Каждый протомер взаимодействует с другим во множестве точек, это приводит к тому, что соединение с другими полипептидными цепями или белками невозможно. Такие комплиментарные взаимодействия молекул лежат в основе всех биохимических процессов в организме.

α-Аминокислоты могут ковалентно связы­ваться друг с другом с помощью пептидных свя­зей. Карбоксильная группа одной аминокислоты ковалентно связывается с аминогруппой другой аминокислоты. При этом возникает R-CO-NH -R связь, называемая пептидной связью. При этом происходит отщепление мо­лекулы воды.

При помощи пептидных связей из аминокислот образуются белки и пептиды. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называют олигопептиды. Час­то в названии таких молекул указывают количе­ство входящих в состав олигопептида аминокис­лот: трипептид, пентапептид, октапептид и т.д. Пептиды, содержащие более 10 аминокислот, называют «полипептиды», а полипептиды, состоя­щие из более чем 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Мономеры аминокислот, входящих в состав бел­ков, называют «аминокислотные остатки». Амино­кислотный остаток, имеющий свободную амино­группу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную C-карбоксильную груп­пу - С-концевым и пишется справа. Пептиды пи­шутся и читаются с N-конца.

Связь между α-углеродным атомом и α-аминогруппой или α-карбоксильной группой спо­собна к свободным вращениям (хотя ограниче­на размером и характером радикалов), что позволяет полипептидной цепи принимать раз­личные конфигурации.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. α-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептид­ной связи. В результате боковые радикалы ами­нокислот находятся на наиболее удалённом рас­стоянии друг от друга в пространстве. Пептидные связи очень прочны и являются ковалентными .

В организме человека вырабатывается мно­жество пептидов, участвующих в регуляции раз­личных биологических процессов и обладающих высокой физиологической активностью. Такими являются целый ряд гормонов – окситоцин (9 аминокислотных остатков), вазопрессин (9), брадикинин (9) регулирующий тонус сосудов, тиреолиберин (3), антибиотики – грамицидин, пептиды, обладающие обезболивающим дей­ствием (энкефалины(5) и эндорфины и другие опиоидные пептиды). Обезболивающий эф­фект этих пептидов в сотни раз превосходит анальгезирующий эффект морфина;

Применение аминокислот на основе свойств.

Аминокислоты, преимущественно α-аминокислоты, необходимы для синтеза белков в живых организмах. Нужные для этого аминокислоты человек и животные получают в виде пищи, содержащей различные белки. Последние подвергаются в пищеварительном тракте расщеплению на отдельные аминокислоты, из которых затем синтезируются белки, свойственные данному организму. Некоторые аминокислоты применяются в медицинских целях. Многие аминокислоты служат для подкормки животных.

Производные аминокислот используются для синтеза волокна, например капрона.

Вопросы для самоконтроля

· Написать электронное строение азота и водорода.

· Написать электронную и структурную формулу аммиака.

· Что такое углеводородный радикал?

· Какие вы знаете углеводородные радикалы?

· Замените в молекуле аммиака один водород на метильный радикал.

· Как вы считаете, что это за соединение и как оно называется?

· Какое вещество получится, если заменить остальные атомы водорода на углеводородные радикалы, например, метильные?

· Как изменятся свойства полученных соединений?

· Определите формулу органического вещества, если известно, что плотность его паров по водороду равна 22,5, массовая доля углерода – 0,533,массовая доля водорода – 0,156 и массовая доля азота – 0,311. (Ответ: С 2 Н 7 N.)

· Учебник Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман. Страница 173, № 6, 7.

ü Что такое кислота?

ü Что такое функциональная группа?

ü Какие вы помните функциональные группы?

ü Что такое аминогруппа?

ü Какими свойствами обладает аминогруппа?

ü Какими свойствами обладает кислота?

ü Как вы считаете, какую реакцию среды будет давать молекула, содержащая кислотную и основную группу?

ü ТЕСТ

1 вариант.

1) В состав аминокислот входят функциональные группы:

а) -NH2 и –ОН

б) -NH2 и –СОН

в) -NH2 и –СООН

г) -ОH и –СООН

2. Аминокислоты можно рассматривать как производные:

а) алкенов;

б) спиртов;

в) карбоновых кислот;

г) углеводов.

3. Аминокислоты вступают в реакцию

а) полимеризацию;

б) поликондесацию;

в) нейтрализацию.

4.Связь между аминокислотами в полимере:

а) водородная;

б) ионная;

в) пептидная.

5. Незаменимые аминокислоты - это …

2 вариант.

1.Общая формула аминокислот:

а)R-СН2 (NH2)-СООН;

2. В растворе аминокислот среда

а) щелочная;

б) нейтральная;

в) кислотная.

3. Аминокислоты могут взаимодействовать друг с другом при этом образуя:

а) углеводы;

б) нуклеиновые кислоты;

в) полипептиды;

г)крахмал.

4. Аминокислоты – это...

а) органические основания;

б) кислоты

в) органические амфотерные соединения.

5. Аминокислоты применяют в …

ü Из каких неорганических веществ можно получить аминоуксусную кислоту? Напишите соответствующие уравнения реакций.

ü Задача. Определите формулу аминокислоты, если массовые доли углерода, водорода, кислорода и азота соответственно равны: 48%, 9,34%, 42,67% и 18, 67%. Напишите все возможные структурные формулы и назовите их.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ № 16

Дисциплина: Химия.

Тема: Белки.

Цель занятия: Изучить первичную, вторичную, третичную структуры белков. Химические свойства белков: горение, денатурация, гидролиз, цветные реакции. Биологические функции белков.

Планируемые результаты

Предметные: сформированность представлений о месте химии в современной научной картине мира; понимание роли химии в формировании кругозора и функ­циональной грамотности человека для решения практических задач;

Метапредметные: использование различных видов познавательной деятельности и основных интеллектуальных операций (постановки задачи, формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов) для решения поставленной задачи;

Личностные: чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной хими­ческой науки; химически грамотное поведение в профессиональной деятельности и в быту при обращении с химическими веществами, материалами и процессами;

Норма времени: 2 часа

Вид занятия: Лекция.

План занятия:

Оснащение: Учебник.

Литература:

1. Химия 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. Носителе (DVD) / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил.

2. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Габриелян, И.Г. Остроумов. – 5 - изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 272с., с цв. ил.

Преподаватель: Тубальцева Ю.Н.

Тема 16. БЕЛКИ.

1. Белки. Первичная, вторичная, третичная структуры белков.

2. Химические свойства белков: горение, денатурация, гидролиз, цветные реакции.

3. Биологические функции белков.

1) Белки. Первичная, вторичная, третичная структуры белков.

1 – Состав белка: С – 54%, О – 23%, Н – 7%, N – 17%, S – 2% и другие: Zn, P, Fe, Cu, Mg, Mn

В 1903 г. немецкий ученый Э.Г.Фишер предложил пептидную теорию, которая стала ключом к тайне строения белка. Фишер предположил, что белки представляют собой полимеры из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью NH–CO. Идея о том, что белки – это полимерные образования, высказывалась еще в 1888 г. русским ученым А.Я.Данилевским.

2 - Белки – ВМС – протеины

“Протос” от греческого – “первичный, важнейший”. Белки – природные полимеры, состоящие из АК.

Mr (альбумина)=36000

Mr (миозина)=150000

Mr (гемоглобина)=68000

Mr (коллагена)=350000

Mr (фибриногена)=450000

Формула белка молока – казеина C 1894 H 3021 O 576 N 468 S 21

Белки – это природные высокомолекулярные природные соединения (биополимеры), построенные из альфа-аминокислот, соединенных особой пептидной связью. В состав белков входит 20 различных аминокислот, отсюда следует огромное многообразие белков при различных комбинациях аминокислот. Как из 33 букв алфавита мы можем составить бесконечное число слов, так из 20 аминокислот – бесконечное множество белков. В организме человека насчитывается до 100 000 белков.

Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы, различно: инсулин – 51, миоглобин – 140. Отсюда M r белка от 10 000 до нескольких миллионов.

Белки подразделяют на протеины (простые белки) и протеиды (сложные белки).

4 - 20 АК – “кирпичики” белкового здания, соединяя их в разном порядке, можно выстроить неисчислимое множество веществ с самыми разными свойствами. Химики пытаются расшифровать строение белковых молекул-великанов. Задача эта очень трудная: природа тщательно прячет “чертежи”, по которым выстроены эти частицы.

В 1888 году русский биохимик А.Я. Данилевский указал на то, что в молекулах белков содержатся повторяющиеся пептидные группы атомов –С–N–

В начале ХХ столетия немецкому ученому Э.Фишеру и другим исследователям удалось синтезировать соединения, в молекулы, которых входило 18 остатков различных АК, соединенных пептидными связями.

5 - Первичная структура белка – это последовательное чередование АК (полипептидная цепь ППЦ). Пространственная конфигурация белковой молекулы, напоминающая спираль образуется благодаря многочисленным водородным связям между группами.

– СО– и –NH–

Такая структура белка называется вторичной. В пространстве закрученная спираль ППЦ образует третичную структуру белка, которая поддерживается взаимодействием разных функциональных групп ППЦ.

–S–S– (дисульфидный мостик)

–СООН и –ОН (сложноэфирный мостик)

–СООН и –NH 2 (солевой мостик)

Некоторые белковые макромолекулами могут соединяться друг с другом и образовывать крупные молекулы. Полимерные образования белков называются четвертичными структурами (гемоглобин только при такой структуре способен присоединять и транспортировать О 2 в организм)

2) Химические свойства белков: горение, денатурация, гидролиз, цветные реакции.

1. Для белков характерны реакции, в результате которых выпадает осадок . Но в одних случаях полученный осадок при избытке воды растворяется, а в других – происходит необратимое свертывание белков, т.е. денатурация.

Денатурация – это изменение третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы под влиянием внешних факторов (повышение или понижение температуры, давления, механического воздействия, действия химических реагентов, УФ – излучения, радиации, ядов, солей тяжелых металлов (свинец, ртуть и др.))

Каждый человек «выстроен» из белков. Независимо от пола, возраста или расы. А структурной единицей всех белков являются аминокислоты, соединенные между собой особым видом связей. Она настолько важна, что даже получила отдельное название — пептидная связь.

Ассоциации аминокислот могут называться по-разному в зависимости от того, сколько «кирпичиков» входит в их состав. Если вместе собрались не более 10 аминокислот, то это пептиды, если от 10 до 40, то речь идет о полипептиде, а если кирпичиков-аминокислот больше сорока, то это белок, структурная единица нашего организма.

Если говорить о теории, то строение пептидной связи — это соединение между собой α-аминогруппы (–NH 2) одной аминокислоты и α-карбоксильной (–СООН) группы другой. Подобные реакции соединения сопровождаются выделением молекул воды. Именно по такому принципу построены все белки, а значит, и каждый человек.

Если говорить о всей природе целиком, то в ней встречается около 300 аминокислот. Однако белки состоят всего из 20 α-аминокислот. И несмотря на такое их небольшое количество, белки есть разные, что обусловлено различным порядком соединения аминокислот в них.

Свойства самих аминокислот обуславливаются радикалом R. Он может быть и остатком жирной кислоты, и включать в себя ароматическое кольцо или гетероциклы. В зависимости от того, аминокислоты с какими радикалами образовали белок, он и будет показывать определенные физические свойства, а также химические свойства и физиологические функции, которые он будет выполнять в теле человека.

Свойства пептидной связи

Свойства пептидной связи и обуславливают ее уникальность. Среди них можно назвать:

Нужно сказать, что из всех аминокислот, нужных нам для жизни, одни вполне успешно синтезируются самим нашим организмом.

По одной из классификаций они называются заменимыми аминокислотами. А есть также 8 других, которые не могут возникнуть в теле человека никаким другим путем, кроме как с пищей. И третья группа совсем небольшая, всего 3 наименования: аргинин, гистидин и тирозин. Они в принципе образуются у нас, но количество настолько мало, что без помощи извне не обойтись никак. Их прозвали частично незаменимыми. Интересным является тот факт, что растения все эти аминокислоты вырабатывают сами.

Роль белков в организме

Какой бы орган или ткань в своем теле вы не назвали, он будет образован из белка. Они входят и в состав сердца, и крови, и мышц, и почек. У людей их около пяти миллионов различных видов, а по массе это будет выражаться в 15-20%.

Ни один из процессов у человека не проходит без участия протеинов. Это и обменные процессы, и переваривание пищи, и энергетические процессы. При помощи самых разнообразных белков также сможет должным образом защищать организм иммунитет, а также углеводы, жиры, витамины и микроэлементы будут усваиваться у человека так, как нужно.

Белки в нашем теле постоянно находятся «в движении». Одни из них распадаются на кирпичики-аминокислоты, другие из этих же кирпичиков образуются, формируя структуру органов и тканей. При употреблении пищи стоит учитывать, что важен не только сам факт употребления, а качественная характеристика продуктов. Большая часть аминокислот, главным образом поступившая с «неправильной» едой, попросту выведется из нас, не задерживаясь. А если будет таким образом утеряно много особо важных белков, таких как, к примеру, инсулин или гемоглобин, то потери со стороны здоровья могут быть непоправимыми.

Некоторые выбирают модные диеты, основанные на недостаточном потреблении белковой пищи. Прежде всего при этом начинает плохо усваиваться кальций. А это значит, что кости приобретают хрупкость, начнется процесс атрофии мышечной ткани. Затем, что особенно неприятно для девушек, начинает шелушиться кожа, ногти постоянно обламываются, а волосы выпадают клоками.

Четвертичная структура

Третичная структура

Разные способы изображения трёхмерной структуры белка на примере триозофосфатизомеразы. Слева – «стержневая» модель, с изображением всех атомов и связей между ними; цветами показаны элементы. В середине –мотив укладки. Справа – контактная поверхность белка, построенная с учётом ван-дер-ваальсовых радиусов атомов; цветами показаны особенности активности участков

Третичная структура – пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

– ковалентные связи (между двумя остатками цистеина – дисульфидные мостики);

– ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

– водородные связи;

– гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула сворачивается так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) – взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Белки

Пептидная связь – основные параметры и особенности

Пептидная связь – вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (– NH 2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (– СООН) другой аминокислоты.

Из двух аминокислот (1) и (2) образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды. По этой же схеме рибосома генерирует и более длинные цепочки из аминокислот: полипептиды и белки. Разные аминокислоты, которые являются «строительными блоками» для белка, отличаются радикалом R.

Как и в случае любых амидов, в пептидной связи за счет резонанса канонических структур связь C-N между углеродом карбонильной группы и атомом азота частично имеет характер двойной:

Это проявляется, в частности, в уменьшении её длины до 1,33 ангстрема:

Это обусловливает следующие свойства:

– 4 атома связи (C, N, O и H) и 2 α-углерода находятся в одной плоскости. R-группы аминокислот и водороды при α-углеродах находятся вне этой плоскости.

– H и O в пептидной связи, а также α-углероды двух аминокислот транс-ориентированы (транс-изомер более устойчив). В случае L-аминокислот, что имеет место во всех природных белках и пептидах, R-группы также транс-ориентированы.

– Вращение вокруг связи C-N затруднено, возможно вращение вокруг С-С связи.

Для обнаружения белков и пептидов, а также их количественного определения в растворе используют биуретовую реакцию.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Пептидная связь

Литература:

1) Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3 томах. – М.: Мир, 1994.

2) Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 томах. – М.: Мир, 1985.

3) Страйер Л. Биохимия. В 3 томах. – М.: Мир, 1984.

1.3. Аминокислоты - структурные мономеры белков. Строение, номенклатура, классификация и свойства аминокислот.

Аминокисло́ты (аминокарбо́новые кисло́ты) – органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы. Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы.