Витамины. Классификация. Провитамины, антивитамины и антогонисты витаминов.

В 1911 году польский биохимик Казимир Функ выделил из рисовых отрубей препарат, содержащей аминогруппу, с помощью которого врачи стали излечивать тяжелое заболевание нервной системы «бери-бери». Препарат получил название «витамин» - «амин жизни». В последующие годы было открыто еще 12 витаминов.

Витамины могут быть охарактеризованы как группа органических веществ, обладающих разнообразным строением и физико-химическими свойствами, не синтезируемых или частично синтезируемых в животном организме, и выполняющих каталитические функции непосредственно или в составе специфических биокатализаторов.

Значение витаминов велико.

Номенклатура и классификация витаминов и витаминоподобных соединений (по Тутельян В.А.)

1. Жирорастворимые витамины:

• Витамин А – ретинол

• Витамин D - эргокальциферол (витамин D₂), холекальциферол (D₃)

• Витамин Е – токоферол

• Витамин К – филлохинон

2. Водорастворимые витамины:

   • Витамин В₁ - тиамин

   • Витамин В₂ - рибофлавин

   • Витамин В₃ – пантотеновая кислота

   • Витамин В₆ - пиридоксин

   • Витамин Н - биотин

   • Витамин С – аскорбиновая кислота

   • Витамин РР – ниацин, никотиновая кислота

   • Витамин В₁₂ - цианкобаламин

   • Фолиевая кислота – фолацин

3. Витаминоподобные соединения:

   • Незаменимые пищевые вещества с пластической функцией:

   • Холин

   • Инозит

Биологически активные вещества, синтезируемые в организме человека:

• Липоевая кислота

• Оротовая кислота

• Карнитин

Фармакологически активные вещества:

• Биофлавониды

• Витамин U - метилметионинсульфоний

• Витамин В₁₅ – пангамовая кислота

Факторы роста микроорганизмов:

• Парааминобензойная кислота

Сегодня известно 13 низкомолекулярных органических соединений, которые относят к витаминам.

Соединения, которые не являются витаминами, но могут служит предшественником их образования в организме, называются провитаминами. Важнейшим провитамином является предшественник витамина А – бета-каротин.

Каротин – полиеновый углеводород С ₄₀Н ₅₆ был выделен впервые из моркови Цветом М.С. Каротин содержится во многих плодах, молоке, сливочном масле:

В β – каротине два триметилциклогексеновых кольца связаны в молекуле длинной цепью из 18 атомов углерода, представляющей единую сопряженную систему с чередующимися одинарными и двойными связями и имеющей ответвления в виде четырех метильных групп:

Впоследствии оказалось, что каротин представляет собой не индивидуальное вещество, а смесь трех изомеров: α –каротина, β – каротина, γ – каротина. β – каротин составляет 85% этой смеси.

Биохимия, вариант 1-28

Вторичная структура белка. Типы связей, обеспечивающие ее стабильность. Какие формы этой структуры наиболее распространены в нативных белках?

Белковая молекула любого типа в нативном состоянии обладает характерной для нее пространственной структурой, часто называемой конформацией. Для обозначения различных уровней структуры белка используют различные термины. Термин вторичная структура относится к вытянутой или спирально скрученной конформации полипептидных цепей. Термин третичная структура относится к способу укладки полипептидной цепи с образованием компактной, плотно упакованной структуры. Более общий термин конформация используют для одновременной характеристики вторичной и третичной структуры цепи, т.е. ее пространственной конфигурации. Термин четвертичная структура обозначает способ обьединения (расположения в пространстве) отдельных полипептидных цепей в белковой молекуле, состоящей из нескольких подобных цепей.

Как правило, полипептидные цепи белков содержат от 100 до 300 аминокислотных остатков. Некоторые белки имеют более длинные цепи; к ним относятся сывороточный альбумин (около 550 остатков), миозин (около 1800 остатков),т.д.. Однако, если молекулярный вес какого-либо белка превышает 50000, есть все основания предполагать, что в молекуле такого белка содержится не менее двух полипептидных цепей.

Белки ­ высокомолекулярные соединения со строго определенным химическим строением. Молекула белка состоит из одной или нескольких полипептидных цепей, образованных в результате поликонденсации аминокислот. При объединении аминокислот в белковую цепь образуются пептидные связи (-NH-СO-), на одном конце которых находится NH⁺₃ группа, на другом COO^- группа.

Рассмотрим структуру пептидной связи.

Особенностью связи является то, что 4 атома N,H,C,O располагаются в одной плоскости (обведенная область на рисунке). Известно, что вращение в молекуле вокруг ординарной связи приводит к появлению поворотных изомеров.

В белках вращение вокруг пептидной связи C-N затруднено (энергия активации 40 - 80 кДж/моль), т.к. эта связь имеет характер двойной связи и, кроме того, в пептидной группе имеет место водородная связь между группой С=O и атомом водорода группы N-H (с энергией активации 20-30 кДж/моль).

Поэтому белок можно рассматривать как цепь связанных друг с другом плоских пептидных звеньев. Вращение этих звеньев возможно лишь вокруг одинарных связей  -углерода и аминокислот (см. рис).

Угол поворота вокруг связи С-С обозначается, вокруг cвязи С-N обозначается.

Нахождение наиболее устойчивой конформации белковой цепи требует минимизации ее полной энергии, включая энергию внутримолекулярных водородных связей. Полинг и Кюри установили 2 основных варианта структуры белковой цепи, которые называются  -спираль и  -форма.

-спираль	-форма

Рис. Ориентация водородных связей в структуре белка.

-спираль может быть правозакрученной ( =132^о,  =123^о) и левозакрученной ( =228^о,  =237^о). -формы бывают параллельные ( =61^о,  =239^о) и антипараллельные ( =380^о,  =325^о).

Кроме того, в белках встречаются участки, не образующие никакой регулярной структуры. Например, в гемоглобине 75% аминокислот образуют правозакрученные -спирали, а остальные участки цепи вообще никак не упорядочены. Упорядоченные участки часто называют кристаллической частью белковой молекулы, а неупорядоченные участки - аморфной формой белка.

Аморфные участки - депо строительного материала, который в случае необходимости используется для построения упорядоченных участков.

Синтезируемые в клетке полипептидные цепи, образованные в результате последовательного соединения аминокислотных остатков, представляют собой как бы полностью развернутые белковые молекулы. Для того, чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную ("нативную") структуру. Несмотря на громадное число теоретически возможных для отдельной аминокислотной последовательности пространственных структур, сворачивание каждого белка приводит к образованию единственной нативной конформации. Таким образом, должен существовать код, определяющий взаимосвязь между аминокислотной последовательностью полипептидной цепи и типом пространственной структуры, которую она образует.

Оказалось, что процесс сворачивания белка in vivo не может считаться ни спонтанным, ни энергонезависимым. Благодаря существующей внутри клетки высоко координированной системе регуляции, полипептидная цепочка с самого момента своего "рождения", сходя с рибосомы, попадает под контроль факторов, которые, не изменяя специфического пути сворачивания (определяемого генетическим кодом), обеспечивают оптимальные условия для реализации быстрого и эффективного образования нативной пространственной структуры.

Способность того или иного участка полипептидной цепи образовывать элемент вторичной структуры (например, свернуться в a-спираль) зависит от характера аминокислотной последовательности данного отрезка цепи. Таким образом, число и расположение a-спиралей, b-тяжей и петель по ходу полипептидной цепи различно у разных белков и определяется генетическим кодом. Этим объясняется потенциальная способность любой полипептидной цепи к спонтанному сворачиванию уже в уникальную третичную структуру.

 

Рис. Схема пространственной структуры маленького белка (панкреатического ингибитора трипсина). Ход главной цепи изображен на фоне общего контура молекулы; выделены -спирали, -тяжи, резкий поворот цепи (t) и цистеиновые мостики ( - - - ). Так как белок сворачивается сам собой, то  все это можно предсказать по одной лишь первичной структуре белка. Боковые группы здесь не показаны, но  —  в принципе  —  и их расположение в пространстве тоже можно предсказывать.

Согласно современным представлениям, процесс сворачивания имеет иерархическую природу: вначале очень быстро (за миллисекунды) формируются элементы вторичной структуры, служащие как бы "затравками" для образования более сложных архитектурных мотивов (стадия 1). Второй стадией (также происходящей очень быстро) является специфическая ассоциация некоторых элементов вторичной структуры с образованием супервторичной структуры (это могут быть сочетания нескольких a-спиралей, нескольких b-цепей либо смешанные ассоциаты данных элементов).

Формирование нативной структуры белков, состоящих из двух или более доменов, усложняется за счет дополнительной стадии - установления специфических контактов между доменами. Ситуация еще более усложняется, когда функционально активна олигомерная форма белка (то есть состоящая из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых после сворачивания образует так называемую субъединицу). В этих случаях добавляется еще одна стадия - установление контактов между субъединицами.

Стадия превращения "расплавленной глобулы" в нативный белок является самой медленной, ограничивающей скорость всего процесса. Это обусловлено тем, что установление "оптимального набора" специфических взаимодействий, стабилизирующих нативную конформацию, связано с необходимостью структурных перестроек, происходящих относительно медленно. К их числу относится цис-транс-изомеризация пептидной связи, предшествующей остатку пролина. Поскольку транс-конформация более стабильна, она преобладает во вновь синтезированной полипептидной цепи. Однако для образования нативной структуры белка необходимо, чтобы около 7% связей, образованных остатками пролина, изомеризовались в цис-конформацию. Эта реакция, приводящая к повороту цепи на 180⁰ вокруг C-N связи, идет чрезвычайно медленно. In vivo она ускоряется благодаря действию специального фермента - пептидил-пролил-цис/транс-изомеразы.

Второй фермент, ускоряющий процесс сворачивания, катализирует образование и изомеризацию дисульфидных связей. Он локализуется в просвете эндоплазматического ретикулума и способствует сворачиванию секретируемых клетками белков, содержащих дисульфидные мостики (например, инсулин, рибонуклеаза, иммуноглобулины). Рис. 3 поясняет роль этого фермента в образовании дисульфидных связей, стабилизирующих нативную структуру белка, и в расщеплении "неправильных" S-S-мостиков.

Вторичная структура белка. Прежде всего у нас речь пойдет о регулярных вторичных структурах  —  об -спиралях и о -структуре.

       Укладка  и -структур в глобулу определяет третичную структуру белка. Эти вторичные структуры отличаются определенными, периодическими конформациями главной цепи -  при разнообразии конформаций боковых групп.

 

       Рис.. Вторичная структура полипептидной цепи (-спираль и тяж -листа) и третичная структура белковой глобулы.

Начнем со спиралей. Они могут быть левые и правые, у них может быть разный период и шаг. Правые (R) спирали приходят к нам, завиваясь против часовой стрелки (что отвечает положительному отсчету угла в тригонометрии); левые (L)  —  приходят, вращаясь по стрелке.  

       Важнейшие спирали в полипептидной цепи держатся водородными связями, где С=О группы остова полипептида связаны с лежащими от них в направлении С-конца цепи H-N группами. В принципе, возможны следующие спирали, стянутые Н-связями : 2₇, 3₁₀, 4₁₃ (обычно именуемая ) и 5₁₆ (она же ). Здесь в названии "2₇"  —  "2" означает связь со 2-м по цепи остатком, а "7"  —  число атомов в цикле (O^......H-N-C'-C^-N-C'), замыкаемом этой связью. Тот же смысл имеют цифры и в названии других спиралей.  

       Рис. Водородные связи (они показаны стрелками), характерные для разных спиралей.          Какие из этих спиральных структур преобладают в белках? -спирали. Почему? Ответ на этот вопрос дает карта Рамачандрана для типичного аминокислотного остатка  —  аланина, на которой отмечены конформации, периодическое повторение которых приводит к завязыванию изображенных на рисунке водородных связей.

       Рис. Конформации различных вторичных структур на фоне карты разрешенных и запрещенных конформаций аминокислотных остатков. 2₇^R, 2₇^L: правая и левая спираль 2₇; 3₁₀^R, 3₁₀^L: правая и левая спираль 3₁₀; _R, _L  —  правая и левая -спираль; _R, _L  —  правая и левая -спираль.   —  -структура (подробности см. на Рис.7-8б). Р  —  спираль Poly(Pro)II.    —  конформации, разрешенные для аланина (Ala);    —  области, разрешенные лишь для глицина, но не для аланина и других остатков;    —  области, запрещенные для всех остатков.  и   —  углы внутреннего вращения в белковой цепи.

           Видно, что только спираль _R (-правая) лежит достаточно глубоко внутри области, разрешенной для аланина (и для всех других остатков). Другие спирали лежат либо на краю этой области (например, левая спираль _L или правая спираль 3₁₀), где конформационные напряжения уже возрастают, либо в области, доступной только глицину. Поэтому можно ожидать, что именно правая -спираль должна быть, как правило, более стабильной, и потому преобладать в белках  —  что и наблюдается. В правой -спирали все атомы упакованы оптимально: плотно, но без напряжений; поэтому не удивительно, что в белках таких спиралей много, а в фибриллярных белках они достигают гигантской длины и включают сотни аминокислотных остатков.

В середине 80-х годов началась новая эра в исследовании механизмов регуляции сворачивания белков in vivo. Было обнаружено, что в клетке существует особая категория белков, основной функцией которых является обеспечение правильного характера сворачивания полипептидных цепей в нативную структуру. Эти белки, связываясь с развернутой или частично развернутой конформацией полипептидной цепи, не дают ей "запутаться", образовать неправильные структуры. Они удерживают частично развернутый белок, способствуют его переносу в разные субклеточные образования, а также создают условия для его эффективного сворачивания. Эти белки получили название "молекулярные шапероны", образно отражающее их функцию (английское слово chaperone близко по смыслу к слову "гувернантка").