Биологическое значение белков

Биологическое значение белковчрезвычайно велико.

1.Абсолютно все химические реакции в организме протекают в присутствии катализаторов – ферментов. Даже такая простая ре­акция как гидратация углекислого газа катализируется ферментом карбоангидразой. Все известные ферменты представляют собой белковые молекулы. Белки – это очень мощные и, самое главное, селективные катализаторы. Они ускоряют реакции в миллионы раз, причем для каждой реакции существует свой фермент.

2. Некоторые белки выполняют транспортные функции и пере­ носят молекулы или ионы в места синтеза или накопления. Напри­мер, содержащийся в крови белок гемоглобин переносит кислород к тканям, а белок миоглобин запасает кислород в мышцах.

3. Белки – это строительный материал клеток. Из них построе­ны опорные, мышечные, покровные ткани.

4 Белки играют важную роль в иммунной системе организма. Существуют специфические белки (антитела), которые способны распознавать и связывать чужеродные объекты – вирусы, бактерии, чужие клетки.

5. Белки-рецепторы воспринимают и передают сигналы, посту­пающие от соседних клеток или из окружающей среды. Например, действие света на сетчатку глаза воспринимается фоторецептором родопсином. Рецепторы, активизируемые низкомолекулярными ве­ществами типа ацетилхолина, передают нервные импульсы в местах соединения нервных клеток.

Из приведенного перечня функции белков ясно, что белки жизнен­но необходимы любому организму и являются, следовательно, важ­нейшей составной частью продуктов питания. В процессе пищеваре­ния белки гидролизуются до аминокислот, которые служат исходным сырьем для синтеза белков, необходимых данному организму. Суще­ствуют аминокислоты, которые организм не в состоянии синтезиро­вать сам и приобретает их только с пищей. Эти аминокислоты назы­вают незаменимыми. Для человека незаменимы триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин и фенилаланин.

Глава 34. ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

 

Гетероциклические соединения – органические соединения, со­держащие в своих молекулах циклы, в образовании которых прини­мают участие неуглеродные атомы (гетероатомы). Гетероцикличе­ские соединения классифицируют по числу атомов в цикле и по типу гетероатома. В данной главе мы рассмотрим только некоторые азот­содержащие гетероциклы, производные которых имеют важное биохимическое значение.

Шестичленные гетероциклы

Пиридин C₅H₅N – простейший шестичленный ароматический гетероцикл с одним атомом азота. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором одна группа СН заменена на атом азота:

По электронному строению пиридин напоминает бен­зол. Все атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sp²-гибридизации. Шесть электронов (по одному от каждого атома), находящихся на негибридных орбиталях, образуют π-электронную ароматическую систему. Из трех гибридных орбиталей атома азота две вступают в образование σ-связей C-N, a третья содержит неподеленную пару электронов.

Пиридин – бесцветная жидкость, немно­го легче воды, с характерным неприятным запахом; с водой смеши­вается в любых отношениях.

Пиридин выделяют из каменноугольной смолы, в ко­торой его содержание 0,08%. В лабораторных условиях пиридин можно синтезировать из синильной кислоты и ацетилена:

Химические свойствапиридина определяются наличием арома­тической системы и атома азота с неподеленной электронной парой.

1. Основные свойства. Пиридин – более слабое основание, чем алифатические амины (К_b = 1,7-10^-9). Его водный раствор окрашива­ет лакмус в синий цвет:

При взаимодействии пиридина с сильными кислотами образуют­ся соли пиридиния:

1. Основные свойства. Пиридин – более слабое основание, чем алифатические амины (К_b = 1,7-10^-9). Его водный раствор окрашива­ет лакмус в синий цвет:

2. Ароматические свойства. Подобно бензолу, пиридин вступает в реакции электрофильного замещения, однако его активность в этих реакциях ниже, чем бензола, из-за большой электроотрицательности атома азота. Пиридин нитруется при 300 °С с низким выходом:

Атом азота в реакциях электрофильного замещения ведет себя как заместитель 2-го рода, поэтому электрофильное замещение проис­ходит в мета -положение.

В отличие от бензола, пиридин способен вступать в реакции нуклеофильного замещения, поскольку атом азота оттягивает на себя электронную плотность из ароматической системы, и орто - и пара- положения по отношению к атому азота обеднены электронами. Так, пиридин может реагировать с амидом натрия, образуя смесь орто- и пара аминопиридинов (реакция Чичибабина):

3. При гидрировании пиридина образуется пиперидин, который представляет собой циклический вторичный амин и является гораз­до более сильным основанием, чем пиридин:

4. Гомологи пиридина по свойствам похожи на гомологи бензола. Так, при окислении боковых цепей образуются соответствующие карбоновые кислоты:

Никотиновая кислота и ее амид – важные лекарственные препара­ты (витамин РР).

Пиримидин C₄H₄N₂– шестичленный гетероцикл с двумя ато­мами азота. Его можно рассматривать как аналог бензола, в котором две группы СН заменены на атомы N:

Благодаря наличию в кольце двух электроотрицательных атомов азота, пиримидин еще менее активен в реакциях электрофильного замещения, чем пиридин. Его основные свойства также выражены слабее, чем у пиридина.

Основное значение пиримидина состоит в том, что он является родоначальником класса пиримидиновых оснований.

Пиримидиновые основания – производные пиримидина, ос­татки которых входят в состав нуклеиновых кислот: урацил, тимин, цитозин.

Каждое из этих оснований может существовать в двух формах (это явление называют лактим-лактамной таутомерией). В свобод­ном состоянии основания существуют в ароматической форме, а в состав нуклеиновых кислот они входят в NH-форме.

Пятичленные гетероциклы

Пиррол C₄H₄NH – пятичленный гетероцикл с одним атомом азота.

Атомы углерода и атом азота находятся в состоянии sp²-гибридизации. 4 электрона, находящиеся на не гибридных орбиталях атомов углерода, и 2 электрона на негибридной орбитали ато­ма азота образуют π-электронную ароматическую систему.

В отличие от пиридина, электронная пара атома азота в пирроле входит в состав ароматической системы, поэтому пиррол практиче­ски лишен основных свойств.

Пиррол – бесцветная жидкость с запа­хом, напоминающим запах хлороформа. Пиррол слабо растворим в воде (< 6%), но растворим в органических растворителях. На возду­хе быстро окисляется и темнеет.

Пиррол получают конденсацией ацетилена с аммиаком

или аммонолизом пятичленных циклов с другими гетероатомами – фурана и тиофена (реакция Юрьева):

Химические свойства пиррола:

1. Сильные минеральные кислоты могут вытягивать электронную пару атома азота из ароматической систе­мы, при этом ароматичность нарушается, и пиррол превращается в неустойчивое соединение, которое сразу полимеризуется. Неустой­чивость пиррола в кислой среде называют «ацидофобностью».

2. Пиррол проявляет свойства очень слабой кислоты. Он реаги­рует с калием, образуя пиррол-калий:

3. Пиррол как ароматическое соединение склонен к реакциям электрофильного замещения, которые протекают преимущественно у α-атома углерода (соседнего с атомом азота). Поскольку пиррол под действием кислот полимеризуется, то для проведения замеще­ния используют реагенты, не содержащие протонов. Так, для нитро­вания пиррола используют ацетилнитрат:

а для сульфирования – комплекс пиридина с оксидом серы (VI):

4. При гидрировании пиррола образуется пирролидин – цикли­ческий вторичный амин, проявляющий значительные основные свойства.

Интересными свойствами обладают пятичленные ароматические гетероциклы, содержащие два атома азота, – имидазол и пиразол C₃H₄N₂:

Эти соединения амфотерны. Один атом азота (пиридинового типа) в них проявляет слабые основные свойства и способен принимать

протон, а другой атом азота (пиррольного типа) входит в состав группы NH, которая проявляет слабые кислотные свойства и спо­собна отдавать протон. Благодаря этому появляется возможность переноса протона между двумя атомами азота и некоторые произ­водные имидазола ипиразола могут существовать в виде быстро пе­реходящих друг в друга таутомерных форм:

Пурин – гетероцикл, включающий два сочлененных цикла: пиримидиновый иимидазольный.

Ароматическая система пурина включает 10 π-электронов (8 электронов двойных связей и два неподеленных электрона пиррольного атома азота). Пурин – амфотерное соединение. Слабые основ­ные свойства пурина связаны с атомами азота шестичленного цикла, а слабые кислотные свойства – с группой NHпятичленного цикла.

Основное значение пурина состоит в том, что он является родо­начальником класса пуриновых оснований.

Пуриновые основания – производные пурина, остатки кото­рых входят в состав нуклеиновых кислот: аденин, гуанин.

Нуклеиновые кислоты

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения (полинуклеотиды), которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации в живых организ­мах. Молекулярная масса нуклеиновых кислот может меняться от 100 тыс. до 60 млрд. Они были открыты и выделены из клеточных ядер еще в XIX веке, однако их биологическая роль была выяснена только во второй половине XX века.

Строение нуклеиновых кислот можно установить, анализируя продукты их гидролиза. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется смесь пиримидиновых и пуриновых оснований, моноса­харид (β-рибоза или β-дезоксирибоза) и фосфорная ки­слота. Это означает, что нуклеиновые кислоты построены из фраг­ментов этих веществ.

При частичном гидролизе нуклеиновых кислот образуется смесь нуклеотидов.

Нуклеотид – основная структурная единица нуклеиновых ки­слот, их мономерное звено, молекулы которых построены из остатков фосфорной кислоты, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания (пуринового или пиримидинового). Остаток фосфорной кислоты связан с 3-м или 5-м атомом углерода моносахарида, а ос­таток основания – с первым атомом углерода моносахарида. Об­щие формулы нуклеотидов:

где X = ОН для рибонуклеотидов, построенных на основе рибозы, и X = Н для дезоксирибонуклеотидов, построенных на основе дезокскрибозы. В зависимости от типа азотистого основания, различают пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды.

Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеотидов, называют рибонуклеиновыми кислотами (РНК). Нуклеиновые кислоты, состоящие из дезоксирибонуклеотидов, на­зывают дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК). В состав молекул ДНК входят нуклеотиды, содержащие аденин, гуанин, цитозин и тимин. В состав мо­лекул РНК входят нуклеотиды, содержащие основания аденин, гуа­нин, цитозин и урацил (вместо тимина).

Для обозначения ос­нований используют однобуквенные сокращения: аденин – А, гуанин – G, тимин – Т, цитозин – С, урацил – U.

Свойства ДНК и РНК определяются последовательностью осно­ваний в полинуклеотидной цепи и пространственным строением це­пи. Последовательность оснований содержит генетиче­скую информацию, а остатки моносахаридов и фосфорной кислоты играют структурную роль (носители оснований).

При частичном гидролизе нуклеотидов отщепляется остаток фосфорной кислоты, и образуются нуклеозиды, молекулы которых состоят из остатка пуринового или пиримидинового основания, свя­занного с остатком моносахарида – рибозы или дезоксирибозы Ниже приведены структурные формулы основных пуриновых и пиримидиновых нуклеозидов:

 

В молекулах ДНК и РНК отдельные нуклеотиды связаны в еди­ную полимерную цепь за счет образования сложноэфирных связей между остатками фосфорной кислоты и гидроксильными группами при 3-м и 5-м атомах углерода моносахарида.

 

Пространственная структура полинуклеотидных цепей ДНК и РНК была определена методом рентгеноструктурного анализа. Од­ним из самых крупных открытий биохимии XX века оказалась мо­дель трехмерной структуры ДНК, которую предложили в 1953 г Дж. Уотсон и Ф. Крик. Эта модель состоит в следующем.

1. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль и состо­ит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в противополож­ные стороны вокруг общей оси.

2. Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи.

3. Диаметр спирали 20 Л (2 нм), расстояние между соседними основаниями вдоль оси спирали 3,4 А, они повернуты относительно друг друга на 36°. Таким образом, на полный виток спирали (360°) приходится 10 нуклеотидов, что соответствует длине спирали по оси 34 А.

Две спирали удерживаются вместе водородными связями ме­жду парами оснований. Важнейшее свойство ДНК – избиратель­ность в образовании связей (комплементарность). Размеры основа­ний и двойной спирали подобраны в природе таким образом, что тимин (Т) образует водородные связи только с аденином (А), а цитозин (С) – только с гуанином (G). Обратите внимание на то, что в первой паре оснований две водородные связи, а во второй паре – три.

Схема образования водородных связей в молекуле ДНК

Таким образом, две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу. Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей однозначно определяет последовательность нуклеотидов в другой.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, од­но из оснований – пуриновое, а другое – пиримидиновое. Отсюда следует, что общее число остатков пуриновых оснований в молекуле ДНК равно числу остатков пиримидиновых оснований.

Двухспиральная структура ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (реп­ликации) этой молекулы. Этот сложный процесс можно упрощенно представить следующим образом.

Перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи.

Таким образом, после репликации образуются две дочерние мо­лекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родитель­ской ДНК, а другая (комплементарная) синтезирована заново. Син­тез новых цепей происходит с участием фермета ДНК-полимеразы.

Длина полинуклеотидных цепей ДНК практически неограничена. Число пар оснований в двойной спирали может меняться от не­скольких тысяч у простейших вирусов до сотен миллионов у чело­века. Каждой тысяче пар оснований соответствует длина оси спирали (называемая контурной длиной) 3400 А и молекулярная масса примерно 660 тыс.

В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи. Число нуклеотидов в цепи колеблется от 75 до не­скольких тысяч, а молекулярная масса РНК может изменяться в пределах от 25 тыс. до нескольких млн.

Полинуклеотидная цепь РНК не имеет строго определенной структуры. Она может складываться сама на себя и образовывать отдельные двухцепочечные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями.

Водородные связи в РНК не подчиняются таким строгим прави­лам, как в ДНК. Так, гуанин (G) может образовывать водородные связи как с урацилом (U), так и с цзатозином (С). Поэтому двухцепо­чечные участки РНК некомплементарны, и нуклеотидный состав РНК может меняться в широких пределах.