Белки – основа жизни (стр. 3 из 6)

2.4.Разделение рацематов

Источником получения α-аминокислот L-ряда служат белки, которые подвергают для этого гидролитическому расщеплению. Синтетическим путем, например амонолизом α-галогенкарбоновых кислот, получается только рацемические α-аминокислоты. В связи с большой потребностью в отдельных энантиомерах (для синтеза белков, лекарственных веществ и т.д) разработаны химические методы расщепления синтетических рацемических α-аминокислот. Более предпочтительным является ферментативный способ расщепления с использованием ферментов ацилаз, способных гидролизовать N-ацетил-L- α-аминокислоты.

Смесь энантиомеров ацетилируют уксусным ангидридом и получают смесь N-ацетилпроизводных α-аминокислоты, которую обрабатывают ферментом, выделенным из животного жира (например почек свиньи). При этом гидролизуются производные амнокислоты только L-ряда. Свободная амнокислота отличается от ацетилированной растворимостью: кислота растворяется как в кислотах, так и в щелочах, а N-ацетил-α-аминокислота – только в щелочах. После отделения L- α-аминокислоты, с помощью кислотного гидролиза можно получить свободнуюD-α-аминокислоту.

Рис.5. ферментативный способ разделения

α-аминокислоты на энантиомеры

В настоящее время для разделения рацемических смесей используют хроматографию на хиральных адсорбентах.

2.5.Кислотно – основные свойства.

Амфотерность α-аминокислот обусловлена наличием в их молекулах функциональных групп кислотного (COOH) и основного (NH2) характера. Поэтому α-аминокислоты образуют соли как с щелочами, так и с кислотами.

С катионами тяжелых металлов α-аминокислот, как бифункциональные соединения, образуют внутрикомплексные соли.

В твердом состоянии α-аминокислоты существуют в виде диполярных ионов; в водном растворе – в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм (обычно используемая запись строения α-аминокислоты в неионизированном виде служит лишь для удобства). Положение равновесия зависит от pHсреды. Общим для всех α-аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислых (pH 1-2) и анионных – в сильнощелочных (pH13-14) средах.

Рис.7.Зависимость положения равновесия в α-аминокислотах от pH стреды.

Ионное строение обуславливает некоторые особенности: высокую температуру плавления (выше 200 оС), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность α-аминокислот растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования – с ней связаны всасываемость α-аминокислот, их транспорт в организме и т.п.

В организме основные α-аминокислоты находятся в виде катионов, т.е. у них протонированы обе аминогруппы.

Содержащиеся в радикалах α-аминокислот другие ионогенные группы способны к ионизации при различных значения pH. Например, фенольная гидроксильная группа в тирозине ионизирована при pH 10,1; тиольная группа в цистеине – при pH8,1 – 8,3 и т.д. В целом ни одна α-аминокислота внутри организма не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде, т.е. α-аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

Кислотно-основные свойства α-аминокислот обуславливают их разделение и идентификацию методом ионообменной хроматографии.

2.6.Химические свойства

α-Аминокислоты как гетерофункциональные соединения вступают в реакции, характерные для карбоксильной группы и аминогруппы. Некоторые химические свойства α-аминокислот обусловлены наличием функциональных групп в радикале.

К основным химическим реакциям, происходящими с аминокислотами, можно отнести: образование эфиров, образование галогенангидридов, образование N-ацильных производных, образование оснований Шиффа, образование ДНФ-производных, образование ФТГ-производных.

3. Структурная организация белков.

Выяснение структурной организации белков считается одной из главных проблем современной биохимии. Оно имеет важное научно-практическое значение для понимания огромного разнообразия функций белков, выполняемых ими в живых организмах. Белковые молекулы представляют собой продукт полимеризации 20 различных мономерных молекул (аминокислот), соединенных не хаотично, а в строгом соответствии с кодом белкового синтеза. Вопрос о том, каким образом соединяются между собой многие десятки и сотни аминокислот в белковой молекуле, был предметом пристального внимания многих лабораторий мира, занимавшихся химией белка.

Впервые А.Я.Данилевский (1888), изучая биуретовую реакцию, высказал предположение о существовании во всех белковых веществах одинаковых групп атомов и связей, аналогичных биурету

NH2-СО-NH-СО-NH2. Тем самым А.Я. Данилевский первый указал на связь

-NH-СО- (позднее получившую название пептидной связи) как на наиболее вероятный способ соединения аминокислот в белковой молекуле.

Однако только Э. Фишер сформулировал полипептидную теорию строения. Согласно этой теории, белки представляют собой сложные полипептиды, в которых отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при взаимодействии α-карбоксильных СООН- и α-NН2-групп аминокислот. На примере взаимодействия аланина и глицина образование пептидной связи и дипептида (с выделением молекулы воды) можно представить следующим уравнением:

Аналогичным способом к дипептиду могут присоединяться и другие аминокислоты с образованием три-, тетра-, пентапептида и т.д. вплоть до крупной молекулы полипептида (белка). Наименование пептидов складывается из названия первой N-концевой аминокислоты со свободнойNH2-группой (с окончанием -ил, типичным для ацилов), названий последующих аминокислот (также с окончаниями -ил) и полного названия С-концевой аминокислоты со свободной СООН-группой. Например, пентапептид из 5 аминокислот может быть обозначен полным наименованием: глицил-аланил-серил-цистеинил-аланин, или сокращенно Гли–Ала–Сер–Цис–Ала.

Химический синтез полипептидов и современные физико-химические методы исследования белков полностью подтвердили существование пептидных связей в структуре белка. Получены следующие экспериментальные доказательства полипептидной теории строения белка.

1. В природных белках сравнительно мало титруемых свободных СООН- и NH2-групп, поскольку абсолютное их большинство находится в связанном состоянии, участвуя в образовании пептидных связей; титрованию доступны в основном свободные СООН- и NН2-группы у N- и С-концевых аминокислот пептида.

2. В процессе кислотного или щелочного гидролиза белка образуются стехиометрические количества титруемых СООН- и NH2-групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.

3. Под действием протеолитических ферментов (протеиназ) белки расщепляются на строго определенные фрагменты, называемые пептидами, с концевыми аминокислотами, соответствующими избирательности действия протеиназ. Структура некоторых таких фрагментов неполного гидролиза доказана последующим химическим их синтезом.

4. Биуретовую реакцию (сине-фиолетовое окрашивание в присутствии раствора сульфата меди в щелочной среде) дают как биурет, содержащий пептидную связь, так и белки, что также является доказательством наличия в белках аналогичных связей.

5. Анализ рентгенограмм кристаллов белков подтверждает полипептидную структуру белков. Таким образом, рентгеноструктурный анализ при разрешении 0,15–0,2 нм позволяет не только вычислить межатомные расстояния и размеры валентных углов между атомами С, Н, О и N, но и «увидеть» картину общего расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи и пространственную ее ориентацию (конформацию).

6. Существенным подтверждением полипептидной теории строения белка является возможность синтеза чисто химическими методами полипептидов и белков с уже известным строением: инсулина – 51 аминокислотный остаток, лизоцима – 129 аминокислотных остатков, рибонуклеазы – 124 аминокислотных остатка . Синтезированные белки обладали аналогичными природным белкам физико-химическими свойствами и биологической активностью.

Полипептидная теория строения не отрицает существования в молекуле белка и других связей, включая ковалентные (например, дисульфидные —S—S-связи) и нековалентные (например, водородные связи и др.). Они будут рассмотрены далее.

Пептидные связи играют исключительную роль как в «архитектуре», так и в функции белков. Поэтому следует указать на некоторые особенности строения полипептидной цепи. Во-первых, это своеобразие расположения атомов углерода и азота, находящихся примерно в одной плоскости, и атомов водорода и радикалов, направленных к этой плоскости под углом 109°28'. Во-вторых, это своеобразие петидной связи. Расстояние между атомами С и N в пептидной связи (равное 0,132 нм) является промежуточным между простой (ординарной) связью (связь —С—N—, равная 0,147 нм) и двойной связью (связь —C=N—, равная 0,125 нм). Это создает предпосылки для осуществления по месту двойной связи таутомерных перегруппировок и для образования енольной (лактимной) формы. Последняя в свою очередь дает молекуле белка ряд преимуществ (повышение реакционной способности, возникновение дополнительных возможностей вращения и др: