Якісні реакції на амінокислоти

 Взаємодія -амінокислот з нінгідрином 

При дії нінгідрину на -амінокислоти утворюється барвник  синьо-фіолетового кольору. Реакція проходить у дві стадії. На першій стадії під дією нінгідрину відбувається окислювальне дезамінування  амінокислоти та її декарбоксилування. На  другій стадії реакції аміак, що утворився, реагує з еквімолекулярними кількостями звичайного та відновленого нінгідрину, утворюючи барвник синьо-фіолетового кольору:

Амінокислоти добувають трьома способами: гідролітичним, ферментативним і синтетичним: Гідролітичний спосіб грунтується на гідролізі білкових природних продуктів. Ферментативний спосіб. Амінокислоти утворюються у процесі життєдіяльності бактерій. Синтетичний спосіб. При синтезві амінокислот утворюється рацемічна суміш D-, L-α-амінокислот.

Значення амінокислот : Амінокислоти досить поширені у природі і відіграють велику роль у життєдіяльності рослинних та тваринних організмів. Амінокислоти, що входять до складу білків, а їх більше 20, називаються протеїногенними. З них ті, які потрібні для росту та нормального розвитку організму і не синтезуються в ньому, а засвоюються готовими з їжі, називаються незамінними. Волокно енант порівняно з капроновим волокном має значно вищу термо-, світло- і хімічну стійкість, а також приблизно в два рази стійкіше від капронового волокна до багаторазових деформацій і стирання. Енант використовують для виробництва різних трикотажних виробів і корду.

БІЛКИ

Білки — високомолекулярні природні полімери, побудовані з залишків а-амінокислот, сполучених пептидним (амідним) зв'язком.

Білки є компонентами всіх клітин і тканин живих організмів. До білкових ре­човин належать ферменти, деякі гормони тощо. Поряд з нуклеїновими кислотами білки — це найбільш складні зі створених природою біополімерів. Молекулярна маса білків складає від 5000 до декількох мільйонів. Білки з низькою молекуляр­ною масою називаються пептидами. Мономерними одиницями білків і пептидів є а-амінокислоти.

Будова пептидів і білків

а-Амінокислоти внаслідок взаємодії аміно- і карбоксильних груп здатні до по­ліконденсації. Поліаміди, які утворюються, називають пептидами:

Групу —С(О)—NH— між двома а-амінокислотними фрагментами називають пептидною групою. Зв'язок С—N, за допомогою якого залишки а-амінокислот сполучені в пептидах і білках, називають пептидним зв'язком. Атом Карбону пептидної групи (рис. 1) знаходиться в sp²-гібридизованому стані. Неподілена пара електронів атома Нітрогену взаємодіє з π-електронами карбонільної групи, унаслідок чого подвійний зв'язок С=O трохи подовжується (124 нм замість 121 нм звичайного зв'язку), а зв'язок С—N дещо вкорочується (0,132 нм замість 0,146 нм) і, відповідно, набуває значною мірою характеру по­двійного зв'язку, обертання навколо якого утруднене. Отже, електронна будова зумовлює жорстку площинну структуру пептидної групи.

Наявність пептидної групи в молекулах пептидів і білків підтверджується біуретовою реакцією: при взаємодії з лужним розчином купрум (ІІ) сульфату утво­рюється фіолетове забарвлення. Залежно від кількості амінокислотних залишків пептиди поділяють на ди-, три-, тетрапептиди і т. д. Пептиди з молекулярною масою менше 10 000 умовно відносять до поліпептидів, а більше 10 000 — до білків. Тому між білками і пепти­дами важко провести чітку межу, проте білки мають складнішу структуру.

При величезному різноманітті в природі білків і пептидів будова їх поліпептидного (поліамідного) ланцюга ідентична. Вона складається з пептидних (CONH) і метанових (СН) груп, які чергуються. На одному кінці ланцюга знаходиться амінокислота з вільною аміногрупою (N-кінцева амінокислота), а на іншому — з вільною карбоксильною групою (С-кінцева амінокислота). Пептидні і білкові ланцюги прийнято записувати так, щоб N-кінцева амінокислота знаходилася зліва, а С-кінцева амінокислота — справа:

Назви пептидів утворюються шляхом послідовного перерахування всіх аміно­кислот, починаючи з N-кінцевої амінокислоти, причому назви амінокислот, крім останньої, набувають суфікса -ил (-іл). За цією послідовністю пишуть і скорочені позначення:

Певну послідовність а-амінокислот, які входять у цей поліпептидний ланцюг. на­зивають первинною структурою пептиду або білка.

Зміна амінокислотної послідовності приведе до порушення або зникнення біо­логічної активності білка. Білки відрізняються від пептидів більш складним рівнем структури. У структурній організації білків, крім первинної, вирізняють вторинну, третинну і четвертинну структури.

Вторинною структурою білка називають просторове розташування (просторове укладання) атомів основного поліпептидного ланцюга.

Розрізняють два типи вторинної структури білків — а-спіраль і складчасту бета-структуру. а-Спіраль має просторову форму, подібну до правозакручених гвинтових схо­дів (рис. 2). Оскільки вона побудована з ділянок (—NH—СН—С(О)—), які повторюються, то розміри її досить сталі. На один виток спіралі припадає приблизно 3,6 амі­нокислотного залишку, що відповідає лінійній відстані вздовж осі спіралі 0,54 нм. Діаметр спі­ралі дорівнює 0,5 нм. Крок спіралі (відстань між однаковими атомами) становить 0,15 нм. У формуванні спіральної структури головну роль виконують водневі зв'язки, що утворюються між групами С=O і NH, розділеними трьома амінокислотними залишками. Водневі зв'язки майже паралельні осі спіралі, а оскільки кожна група С=O і NH а-спіралі бере участь в утво­ренні водневого зв'язку, то це робить конформа­цію досить стійкою.

Найчастіше поліпептидні ланцюги в білках спіралізуються не повністю. Наприклад, залиш­ки проліну та оксипроліну не містять атомів Гідрогену в пептидній групі і відповідно не бе­руть участі в утворенні водневих зв'язків: поліпептидний ланцюг на цих ділянках просто зігнутий. Ізопропільна група валіну також створює стеричні перешкоди для спіралізації.

Іншим типом вторинної структури є так звана складчаста бета-структура, в якій окремі поліпептидні ланцюги в зиґзаґоподібній конформації покладені паралельно один до одного і сполучені між собою численними водневими зв'язками. Якщо поліпептидні ланцюги мають однаковий напрям від N- до С-кінця, то утворю­ється паралельна складчаста бета-структура, а якщо протилежний — антипаралельна (рис. 3). У бета-структурі бокові групи амінокислотних залишків знаходяться вище і нижче умовної площини, проведеної через структуру.

Поліпептидний ланцюг, який має той чи інший тип вторинної структури, здат­ний певним чином скручуватися в просторі, що і визначає третинну структур; білка, тобто загальну форму поліпептидного ланцюга.

Рис.2. Схема а-спіральної кон­формації поліпептидного ланцюга

Рис.3. Ділянки складчастої бета-структури: а — паралельна; б — антипаралельна

Третинна структура, крім водневих зв'язків, стабілізується іонними (між додатковими карбоксильними і аміногрупами) та ковалентними (дисульфідні містки в цистині) зв'язками, а також гідрофобною взаємодією (вандерваальсові сили притягання між неполярними боковими групами амінокислотних залишків) (рис. 4).

Рис. 4. Взаємодії, які визначають структуру білка

Третинна структура білка формується також під впливом водного середовища клітини, що пов'язано зі здатністю води гідратувати деякі гідрофільні бокові гру­пи амінокислотних залишків і зміщувати всередину білкової молекули гідрофобні групи.

Четвертинна структура білка належить до макромолекул, до складу яких вхо­дять кілька поліпептидних ланцюгів (субодиниць), сполучених між собою нековалентними зв 'язками.

Для виявлення пептидом специфічних функцій в організмі необхідно від­творити лише його первинну структуру, а у випадку білка — відтворити всі його конформаційні особливості (рис. 5).

Особливе місце в розвитку хімії білків посідає визначення поліпептидної структури гормонів — вазопресину, окситоцину та інсуліну. У 1953 році американ­ський біохімік Вінсент Дю Віньо розшифрував будову гормонів гіпофіза окси­тоцину і вазопресину. Він установив, що спільним структурним елементом цих гормонів є пептид з дев'яти амінокислотних залишків з дисульфідним зв'язком —S—S— (між четвертим і дев'ятим). Зазначені гормони відрізняються лише двома амінокислотними фрагментами: замість лейцину та ізолейцину в окситоцині (а) вазопресин (б) містить аргінін і фенілаланін:

При цьому окситоцин викликає скорочення гладенької мускулатури, зокрема матки, а вазопресин підтримує баланс рідини в організмі.

Десять років (1943—1953) знадобилося англійському біохіміку Фредеріку Сен- геру для розшифровки структури гормону підшлункової залози — інсуліну. Він установив, що молекула складається з двох поліпептидних ланцюгів, зв'язаних між собою дисульфідними містками: А-ланцюг містить 21 амінокислотний залишок і додатковий дисульфідний зв'язок, завдяки якому інсулін у просторі утворює петлю, а Б-ланцюг — 30 залишків (рис. 6).

Рис. 6. Будова бичого інсуліну

У 1963—1964 році було синтезовано обидва поліпептидні ланцюги інсуліну. Інсулін різних видів тва­рин і людини відрізняється за будовою. Ці структурні відмінності припадають на ділянку 8—10 ланцюга А. Інсулін регулює вміст глюкози в крові, нестача його в організмі спричиняє цукровий діабет.

До поліпептидів належать деякі широко вживані антибіотики. Граміцидин С — циклічний декапептид, що використовується для лікування захворювань, спричинених стрептококами, пневмококами тощо, містить, крім амінокислотних залишків L-ряду, два залишки D-фенілаланіну. СИНТЕЗ ПЕПТИДІВ

В основі синтезу пептидів лежить процес утворення пептидного (амідного) зв'язку між карбоксильною групою однієї а-амінокислоти та аміногрупою — іншої.

Однак через диполярну природу а-амінокислот (цвітер-іонна структура) про­ведення реакції вимагає високого температурного режиму, який сприяє різним небажаним побічним процесам. У процесі синтезу виникають складності, пов'язані з необхід­ністю сполучати залишки а-амінокислот у певній послідовності. Наприклад, при взаємодії гліцину та аланіну можливе утворення чотирьох дипептидів:

Тому для проведення цілеспрямованого синтезу слід створити такі умови, за яких одна з амінокислот реагувала би зі своєю карбоксильною групою, а інша — з аміногрупою.