БИОМОЛЕКУЛИ АМИНОКИСЕЛИНИ, ПЕПТИДИ И ПРОТЕИНИ. I ДЕЛ 2016 НАТАША РИСТОВСКА ИНСТИТУТ ПО ХЕМИЈА ПРИРОДНО-МАТЕМАТИЧКИ ФАКУЛТЕТ, СКОПЈЕ

Transcript

1 БИОМОЛЕКУЛИ АМИНОКИСЕЛИНИ, ПЕПТИДИ И ПРОТЕИНИ. I ДЕЛ 2016 НАТАША РИСТОВСКА ИНСТИТУТ ПО ХЕМИЈА ПРИРОДНО-МАТЕМАТИЧКИ ФАКУЛТЕТ, СКОПЈЕ

2 АМИНОКИСЕЛИНИ

3 ПОИМ ЗА АМИНОКИСЕЛИНИ Аминокиселините се oргански соединенија со две карактеристични функционални групи: амино (-NH 2 ) група и карбоксилна (-COOH) група. Аминокиселините се органски киселини кои содржат амино (-NH 2 ) функционална група. Амино групата може да има различна положба, според што се класифицирани како: алфа- (α-), бета-(β-), гама-(γ-) или делта- (δ-) аминокиселини (500). NH 2 H 3 C CH 2 CH 2 CH COOH 2 NH H 3 C CH 2 CH CH 2 COOH Најзначајни се α-аминокиселините (20) кои влегуваат во составот на протеините. H 2 N H 3 C CH CH 2 CH 2 COOH Протеините се полимери на аминокиселините, во кои аминокиселинските остатоци се сврзани ковалентно, преку пептидна врска.

4 ИМЕНУВАЊЕ НА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Тривијални имиња Според изворот од кој за прв пат е изолирана: аспарагин аспарагус (1806), глутаминска киселина - глутен, тирозин тирос, сирење. Според органо-лептичка карактеристика: глицин гликос, слатко. Според структурна градба: треонин (1938), слична структура на треоза, моносахарид со четири јаглеродни атоми (С 4 Н 8 О 4 ). Именување според IUPAC

5 КРАТЕНКИ ЗА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Кратенки со три букви: Аla (Alaninе, аланин), Met (Methionine, метионин), Gly (Glycine, глицин), Cys (Cysteine, цистеин), Arg (Arginine, аргинин) Кратенки со една буква (Margaret Oakley Daynoff, , биоинформатика): Првата латинична буква од англиското име на аминокиселината (единствена со таа почетна буква): C -цистеин, V - валин, M метионин... Како да се разликуваат пролин (Pro) и фенилаланин (Phe): Кратенката P се однесува за позастапената аминокиселина (пролин), на другата аминокиселина и се дава буквата според изговорот на англиски (F). Кратенки кои произлегуваат од името на киселината: N asparagine, аспарагин; D aspardic аспартат. Како да се разликуваат лизин и леуцин: Леуцинот е позастапен L, додека лизинот ја добива најблиската слободна буква од абецедата К.

6 КРАТЕНКИ ЗА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Alanine A, Ala Arginine R, Arg Asparagine N, Asn Aspartic acid D, Asp Cysteine C, Cys Glutamine Q, Gln Glutamic Acid E, Glu Glycine G, Gly Histidine H, His Isoleucine I, Ile Leucine L, Leu Lysine K, Lys Methionine M, Met Phenylalanine F, Phe Proline P, Pro Serine S, Ser Threonine T, Thr Tryptophan W, Trp Tyrosine Y, Tyr Valine V, Val

7 ОПШТА СТРУКТУРА НА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Кај сите аминокиселини освен кај глицинот, α-јаглеродниот атом е хирален, поврзан е со четири различни групи: карбоксилна група, амино група, R група и водороден атом. Аминокиселините се разликуваат според страничните низи R. Општата структура не се однесува за цикличната аминокиселина пролин.

8 ЗАЕДНИЧКИ СТРУКТУРНИ КАРАКТЕРИСТИКИ Поради постоењето на хирален центар, аминокиселините се оптички активни супстанци (ја вртат рамнината на планарно-поларизираната светлина: левогири l - и десногири d +). Можни се два стереоизомери, кои се однесуваат како предмет и лик во огледало а не се преклопуваат (енантиомери).

9 НАЧИН НА ПРЕТСТАВУВАЊЕ НА СТЕРЕОИЗОМЕРИ Перспективни формули (клинести структури) Фишерови проекциони формули

10 АПСОЛУТНА КОНФИГУРАЦИЈА Апсолутната конфигурација на аминокиселините се определува според D, L системот како кај моносахаридите. Фишер (1891): споредба со апсолутната конфигурација на глицералдехид. L- аминoкиселините преовладуваат во природата. При синтеза се добиваат смеси од двата енантиомери, познати како рацемски смеси. L-глицералдехид L-аланин D-глицералдехид D-аланин

11 АПСОЛУТНА КОНФИГУРАЦИЈА

12 R,S- НОМЕНКЛАТУРА Што ако аминокиселините имаат два хирални центри? (Пр. треонин и изолеуцин) Посеопфатна и попрецизна номенклатура според R,S- системот, кој се користи во органската хемија за опишување и точно претставување на конфигурацијата на молекули со повеќе од еден хирален центар. Претставете ги соединенијата со Фишерови проекции и применувајќи ги познатите КИП-ови правила определете ја R, S конфигурацијата на стереогениот центар! L- аминокиселините имаат S конфигурација на α-с атомот.

13 ПОДЕЛБА НА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Во природата постојат 20 стандардни аминокиселини. Треба да се знаат структурите, имињата и нивните кратенки! Во различни учебни помагала постојат различни поделби на аминокиселините, но заедничко е што поделбата е направена според природата на страничната низа R. Најважна особина е поларноста на групите R.

14 ПОДЕЛБА НА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Lenhinger, Principles of biochemistry Аминокиселини со неполарни алифатични R групи Аминокиселини со ароматични R групи Аминокиселини со поларни R групи, без полнеж Аминокиселини со R групи со позитивен полнеж Аминокиселини со R групи со негативен полнеж Garret and Grisham, Biochemistry Неполарни аминокиселини Поларни аминокиселини без полнеж, Кисели аминокиселини Базни аминокиселини

15

16

17

18

19

20 НЕПОЛАРНИ (ХИДРОФОБНИ) АМИНОКИСЕЛИНИ

21 ПОЛАРНИ АМИНОКИСЕЛИНИ БЕЗ ПОЛНЕЖ

22 КИСЕЛИ АМИНОКИСЕЛИНИ

23 БАЗНИ АМИНОКИСЕЛИНИ

24 РЕТКИ АМИНОКИСЕЛИНИ Иако ретки, се наоѓаат во составот на некои протеини: Хидроксилизин и хидроксипролин се застапени кај колаген. Пироглутамат се наоѓа во бактериородопсин. Карбоксиглутамат е застапен кај протеините во крвта.

25 ДЕРИВАТИ НА АМИНОКИСЕЛИНИ Некои аминокиселини и нивни деривати имаат биохемиска важност иако не се дел од протеините: Невротрансмитери и регулатори: γ-аминобутерна киселина (GABA) (од глутаминска киселина), хистамин (од хистидин) и серотонин (од триптофан). Хормони: епинефрин познат како адреналин (од тирозин).

26 КИСЕЛО-БАЗНИ СВОЈСТВА НА АМИНОКИСЕЛИНИ

27 ЦВИТЕРЈОН Поради присуството на кисела и базна група, аминокиселините се подложни на интрамолекуларна кисело-базна реакција и постојат во форма на диполарен цвитерјон. Имаат својства карактеристични за соли: Имаат голем диполен момент Растворливи се во вода, нерастворливи во органски растворувачи Кристални супстанци со високи температури на топење.

28 АМФОТЕРНОСТ Аминокиселините се амфолити (амфотерни супстанци). Во зависност од рн на средината може да реагираат и со киселини и со бази. Во кисел раствор Во базен раствор

29 ИЗОЕЛЕКТРИЧНА ТОЧКА Цвитерјонот има вкупен полнеж 0 (електронеутрална честичка). Карактеристична рн вредност при која вкупниот електричен полнеж е еднаков на 0, се нарекува изоелектрична точка pi. Изоелектричната точка на аминокиселината зависи од нејзината структура (природа на страничната група R).

30 ЕЛЕКТРОФОРЕЗА Разликата во изоелектричните точки може да се искористи за разделување на смеса од аминокиселини со помош на електрофореза. Раствор од различни аминокиселини се става во центарот на хартиена лента или гел, кој се потопува во со пуфер со позната рн. На краевите се поставуваат електроди и се пропушта еднонасочна струја. Различни аминокиселини се движат кон електродите со различна брзина, што зависи од нивната рi и од рн на пуферот.

31

32 КОНСТАНТИ НА ДИСОЦИЈАЦИЈА Константа на дисоцијација Ка, вообичаена е употребата на рка = -log Ka. pk 1 2, се однесува на pka за карбоксилната група на α аминокиселината. (До оваа вредност карбоксилната група е протонирана, а при рн вредности над 2 таа е дисоцирана COO - ). pk 2 9, се однесува на pkb за амино групата на α аминокиселината. (До оваа вредност амино групата постои во протониран облик NH 3+, а при рн вредности над 9 таа е дисоцирана). pk R се однесува на природата на страничната група, има удел во проценката на изоелектричната точка на базните и киселите аминокиселини. Аланин: pk 1 (-СООН) = 2,34 pk 2 (- NH 3+ ) = 9,69 pi = (pk 1 + pk 2 )/2 = 12,03/2 = 6,015 Аргинин: pk 1 (-СООН) = 2,17 pk 2 (- NH 3+ ) = 9,04 pk R = 12,48 pi = (pk 2 + pk R )/2 = 21,52/2 = 10,76

33 КРИВИ НА ТИТРАЦИЈА Со додавање на база во текот на титрацијата, постепено се добиваат разни јонски видови на киселината: катјон, цвитерјон, анјон. Секоја фаза во титрацијата се одразува на формата на кривата на титрација Глицин: pk 1 (-СООН) = 2,34 pk 2 (- NH 3+ ) = 9,60 pi = (pk 1 + pk 2 )/2 = 11,94/2 = 5,97 C(NaOH)

34

35 ЗАДАЧИ 1. Колку изнесува изоелектричната точка на аминокиселините глутамат и лизин? 2. Коментирај ги кривите на титрација! 3. Колку изнесува ph на раствор на лизин во вода, кога страничната низа е 75 % дисоциранa? (pk R на лизин е 10,5). Водните раствори на аминокиселини се однесуваат како пуфери. Затоа се користи формулата на Хендерсон Хаселбахова равенка која ја дава врската меѓу ph, pk и концентрација на пуферот. Се заменува вредноста за pk R и вредноста за концентрацијата на конјугираната база и киселина за аминокиселината. При 75 % дисоцијација односот на [A - ]/[HA ] e 3 : 1.

36 ХЕМИСКИ РЕАКЦИИ НА АМИНОКИСЕЛИНИ

37 РЕАКТИВНОСТ НА АМИНОКИСЕЛИНИТЕ Хемиските својства на аминокиселините се должат на присуството на двете функционални групи амино и карбоксилна група, и нивните карактеристични својства. Покажуваат хемиски особини на карбоксилни киселини и амини Карбоксилните групи се дериватизираат до амиди и естери Амино групите формираат Шифови бази и амиди Страничните низи во сврзани аминокиселини даваат карактеристични реакции Цистеинските остатоци даваат дисулфиди и може лесно да се алкилираат и др.

38 РЕАКЦИИ НА КАРБОКСИЛНА ГРУПА

39 РЕАКЦИИ НА АМИНО ГРУПА

40 НИНХИДРИНСКА РЕАКЦИЈА

41 РЕАКЦИИ НА ЦИСТЕИН

42 РЕАКЦИИ НА ЦИСТЕИН

43 СПЕКТРОСКОПСКИ СВОЈСТВА Сите аминокиселини апсорбираат во инфрацрвениот регион, некои апсорбираат UV зрачење, ниту една аминокиселина не апсорбира светлина во видливиот дел од електромагнетниот спектар. Само ароматичните аминокиселини фенилаланин, триптофан и тирозин покажуваат значителна UV апсорпција на бранова должина од околу 280 nm. Ароматичните аминокиселини покаживаат и слаба флуоресценција. За триптофанот е карактеристична фосфореценција. Заклучок: Многу детали за структурата на аминокиселините може да се добијат со спектроскопски мерења.

44 НУКЛЕАРНО-МАГНЕТНА РЕЗОНАНЦА H 1 NMR на аминокиселините L-аланин и L- тирозин. Хемиското поместување е во однос на ТMS. Високите вредности за резонанца на околу 5 ppm се должат на присутната вода во растворувачот D 2 O.

45 РАЗДЕЛУВАЊЕ НА АМИНОКИСЕЛИНИ ОД СМЕСА Хроматографски методи: Распределителна хроматографија (TLC, хартиена хроматографија) Јонско-изменувачка хроматографија HPLC

46 СИНТЕЗА НА АМИНОКИСЕЛИНИ

47 СИНТЕЗА НА АМИНОКИСЕЛИНИ Најстар метод за синтеза на α-аминокиселини е реакцијата на Hell-Volhard-Zelinskii. При третман со Br 2 или PBr 3 се врши α-бромирање на карбоксилната киселина. Во вториот чекор се врши супституција на бромот од α-бромо киселината со амонијак или фталамид:

48 АМИДОМАЛОНАТНА СИНТЕЗА Методот се базира на малон естерската синтеза на зголемување на низата. Најпрвин диетилацетамидомалонатот конвертира во енолатен јон при третман со база. Потоа се врши алкилирање со примарен алкил халид. Хидролизата на заштитните амидна и естерски групи се врши со загревање на алкилираниот продукт во воден раствор на киселина. Со декарбоксилација се добива α-аминокиселина.

49 РЕДУКТИВНО АМИНИРАЊЕ НА α-кето КИСЕЛИНИ Лабораториска синтеза како аналогија на биосинтезата на некои аминокиселини во природата. Биолошки редукциски агенс е никотинамид аденин динуклеотид (NADH), а реакцијата е катализирана со соодветна дехидрогеназа. Редукцијата на α-кето киселините се одвива со амонијак и редукционо средство, при што се добива α-аминокиселина.

50 ЕНАНТИОСЕЛЕКТИВНА СИНТЕЗА НА АМИНОКИСЕЛИНИ Синтезата на аминокиселините според наведените методи се одвива во насока на добивање на рацемски смеси од енантиомери. Добивањето на чист енантиомер се врши со: Раздвојување на рацемската смеса на чисти енентиомери (прилично неефикасна и губиток на 50% од продуктот. Енантиоселективна синтеза, преку изнаоѓање на хирален реакционен катализатор кој привремено ќе ја држи молекулата на супстратот во несиметрична околина.

51 ЕНАНТИОСЕЛЕКТИВНА СИНТЕЗА НА АМИНОКИСЕЛИНИ Пр: хидрогенирање на Z енамидо киселина со хирален хидрогенирачки катализатор на родиум, при што селективно се добива само Ѕ енантиомер. Катализатори за енантиоселективна синтеза на аминокиселини: комплекси на родиум(i) со циклооктадиен; или со дифосфинот (R,R)-1,2-bis(оанизилфенилфосфино)етан DiPAMP лиганд.

52 ХЕМИСКА РЕЗОЛУЦИЈА НА R,S АМИНОКИСЕЛИНИ Аминокиселината се преведува во амид. При реакција на рацемската смеса од амидо киселини со хирален амин се добиваат две дијастереомерни соли. По разделување на солите, амидната група се хидролизира и се добива аминокиселина.

53 МЕТОДИ ЗА РАЗДЕЛУВАЊЕ НА РАЦЕМСКИ СМЕСИ Пр. Реакции на хиралните соединенија со оптички активни реагенси При реакција на енантиомерите со хирален амин се добиваат соли кои претставуваат дијастереомери. Тие може да се разделат. 53

54 Резолуција на рацемска смеса (R)-киселина енантиомери (S)-киселина (S)-база (R,S)-сол (S,S)-сол дијастереомери (R,S)-сол HCl (S,S)-сол HCl (S)-базаH + + (R)-киселина (S)-базаH + + (S)-киселина

55 ЕНЗИМСКА РЕЗОЛУЦИЈА НА R,S АМИНОКИСЕЛИНИ Ензимите селективно ја катализираат хидролизата на амидите, при што се добиваат само L аминокиселини (Ѕ стереоген центар):