LIPIDI
Lipidi su uljne ili masne supstance netopive u vodi koje se mogu ekstrahovati iz ćelija nepolarnim rastvaračima. Ovo je heterogena grupa spojeva povezanih direktno ili indirektno s masnim kiselinama.
Biološke funkcije lipida:
1) izvor energije koji se može dugo skladištiti;
2) učešće u formiranju ćelijskih membrana;
3) izvor vitamina rastvorljivih u mastima, signalnih molekula i esencijalnih masnih kiselina;
4) toplotnu izolaciju;
5) nepolarni lipidi služe kao električni izolatori, obezbeđujući brzo širenje depolarizacionih talasa duž mijelinizovanih nervnih vlakana;
6) učešće u stvaranju lipoproteina.
Masne kiseline su strukturne komponente većine lipida. To su dugolančane organske kiseline koje sadrže od 4 do 24 atoma ugljika, sadrže jednu karboksilnu grupu i dugi nepolarni ugljikovodični rep. U ćelijama se ne nalaze u slobodnom stanju, već samo u kovalentno vezanom obliku. Prirodne masti obično sadrže masne kiseline s parnim brojem atoma ugljika, budući da se sintetiziraju iz dvougljičnih jedinica koje formiraju nerazgranati lanac ugljikovih atoma. Mnoge masne kiseline imaju jednu ili više dvostrukih veza – nezasićene masne kiseline.
Najvažnije masne kiseline (broj atoma ugljika, naziv, tačka topljenja su dati iza formule):
12, laurinska, 44,2 o C
14, miristik, 53,9 o C
16, palmitinska, 63,1 o C
18, stearinska, 69,6 o C
18, oleinska, 13,5 o C
18, linolna, -5 o C
18, linolenska, -11 o C
20, arahidonski, -49,5 o C
Opća svojstva masnih kiselina;
Gotovo svi sadrže paran broj atoma ugljika,
Zasićene kiseline su dvostruko češće kod životinja i biljaka od nezasićenih kiselina.
Zasićene masne kiseline nemaju krutu linearnu strukturu, vrlo su fleksibilne i mogu usvojiti različite konformacije,
U većini masnih kiselina postojeća dvostruka veza nalazi se između 9. i 10. atoma ugljika (Δ 9),
Dodatne dvostruke veze se obično nalaze između Δ9-dvostruke veze i metilnog kraja lanca,
Dvije dvostruke veze u masnim kiselinama nisu konjugirane, između njih uvijek postoji metilenska grupa,
Dvostruke veze gotovo svih prirodnih masnih kiselina nalaze se u cis-konformacije, što dovodi do snažnog savijanja alifatskog lanca i čvršće strukture,
Na tjelesnoj temperaturi, zasićene masne kiseline su u čvrstom, voštanom stanju, dok su nezasićene masne kiseline tečne.
Natrijum i kalijum sapuni masnih kiselina u stanju su da emulguju u vodi nerastvorljiva ulja i masti, kalcijum i magnezijum sapuni masnih kiselina se veoma slabo rastvaraju i ne emulguju masti.
Neobične masne kiseline i alkoholi nalaze se u lipidima bakterijske membrane. Mnogi od bakterijskih sojeva koji sadrže ove lipide (termofili, acidofili i galofili) prilagođeni su ekstremnim uvjetima.
isobranched
anteisobranched
koji sadrže ciklopropan
ω-cikloheksil koji sadrži
izopranil
ciklopentanfitanil
Sastav bakterijskih lipida je vrlo raznolik, a spektar masnih kiselina različitih vrsta postao je taksonomski kriterij za identifikaciju organizama.
Kod životinja važni derivati arahidonske kiseline su histohormoni prostaglandini, tromboksani i leukotrieni, udruženi u grupu eikozanoida i izuzetno široke biološke aktivnosti.
prostaglandin H 2
Klasifikacija lipida:
1. Triacilgliceridi(masti) su estri alkohola glicerola i tri molekula masnih kiselina. Oni čine glavnu komponentu masnih depoa biljnih i životinjskih ćelija. Membrane ne sadrže Jednostavni triacilgliceridi sadrže ostatke istih masnih kiselina u sve tri pozicije (tristearin, tripalmitin, triolein). Mešani sadrže različite masne kiseline. Lakši je od vode specifične težine, lako rastvorljiv u hloroformu, benzenu i eteru. Hidrolizira se ključanjem s kiselinama ili bazama ili djelovanjem lipaze. U stanicama u normalnim uvjetima, autooksidacija nezasićenih masti je potpuno inhibirana zbog prisustva vitamina E, raznih enzima i askorbinske kiseline. U specijaliziranim stanicama vezivnog tkiva životinjskih adipocita može se pohraniti ogromna količina triacilglicerida u obliku masnih kapljica koje ispunjavaju gotovo cijeli volumen ćelije. U obliku glikogena, tijelo može skladištiti energiju ne više od jednog dana. Triacilgliceridi mogu skladištiti energiju mjesecima, jer se mogu skladištiti u vrlo velikim količinama u gotovo čistom, nehidratiziranom obliku i, po jedinici težine, pohranjuju dvostruko više energije nego ugljikohidrati. Osim toga, triacilgliceridi ispod kože formiraju toplinski izolacijski sloj koji štiti tijelo od djelovanja vrlo niskih temperatura.
neutralne masti
Za karakterizaciju svojstava masti koriste se sljedeće konstante:
Kiselinski broj - broj mg KOH koji je potreban za neutralizaciju
slobodne masne kiseline sadržane u 1 g masti;
Saponifikacijski broj - broj mg KOH potrebnih za hidrolizu
neutralni lipidi i neutralizacija svih masnih kiselina,
Jodni broj - broj grama joda povezan sa 100 g masti,
karakteriše stepen nezasićenosti date masti.
2. Vosak su estri formirani od dugolančanih masnih kiselina i dugolančanih alkohola. Kod kičmenjaka vosak koji luče kožne žlijezde funkcioniraju kao zaštitni premaz koji podmazuje i omekšava kožu, a također je štiti od vode. Kosa, vuna, krzno, životinjsko perje, kao i listovi mnogih biljaka prekriveni su slojem voska. Voskove proizvode i koriste u vrlo velikim količinama morski organizmi, posebno plankton, u kojem služe kao glavni oblik akumulacije visokokalorijskog ćelijskog goriva.
spermaceti, dobijeni iz mozga kitova spermatozoida
pčelinji vosak
3. Fosfoglicerolipidi- služe kao glavne strukturne komponente membrana i nikada se ne skladište u velikim količinama. Obavezno sadržavajte polihidrični alkohol glicerin, fosfornu kiselinu i ostatke masnih kiselina.
Fosfoglicerolipidi se mogu podijeliti u nekoliko tipova prema njihovoj hemijskoj strukturi:
1) fosfolipidi - sastoje se od glicerola, dva ostatka masnih kiselina na 1. i 2. poziciji glicerola i ostatka fosforne kiseline, na koju se vezuje ostatak drugog alkohola (etanolamin, holin, serin, inozitol). Po pravilu, masna kiselina na 1. poziciji je zasićena, a na 2. - nezasićena.
fosfatidna kiselina - polazni materijal za sintezu drugih fosfolipida, nalazi se u tkivima u malim količinama
fosfatidiletanolamin (kefalin)
fosfatidilholin (lecitin), praktički ga nema u bakterijama
fosfatidilserin
fosfatidilinozitol je prekursor dva važna sekundarna prenosioca (posrednika) diacilglicerola i inozitol-1,4,5-trifosfata
2) plazmalogeni - fosfoglicerolipidi, u kojima je jedan od ugljikovodičnih lanaca prosti vinil etar. Plazmalogeni se ne nalaze u biljkama. Etanolamin plazmalogeni su široko rasprostranjeni u mijelinu i u sarkoplazmatskom retikulumu srca.
etanolaminplazmalogen
3) lizofosfolipidi - nastaju iz fosfolipida tokom enzimskog cijepanja jednog od acilnih ostataka. Zmijski otrov sadrži fosfolipazu A 2, koja stvara lizofosfatide, koji imaju hemolitičko djelovanje;
4) kardiolipini - fosfolipidi unutrašnjih membrana bakterija i mitohondrija, nastaju interakcijom dva ostatka fosfatidne kiseline sa glicerolom:
kardiolipin
4. Fosfosfingolipidi- funkcije glicerola u njima obavlja sfingozin - amino alkohol s dugim alifatskim lancem. Ne sadrži glicerin. Prisutni su u velikim količinama u membranama ćelija nervnog tkiva i mozga. Fosfingolipidi su rijetki u biljnim i bakterijskim ćelijskim membranama. Derivati sfingozina acilirani na amino grupi sa ostacima masnih kiselina nazivaju se ceramidi. Najznačajniji predstavnik ove grupe je sfingomijelin (ceramid-1-fosfoholin). Prisutan je u većini membrana životinjskih ćelija, posebno u mijelinskim ovojnicama određenih tipova nervnih ćelija.
sfingomijelin
sfingozin
5. Glikoglicerolipidi - lipidi u kojima se na poziciji 3 glicerola nalazi ugljikohidrat vezan glikozidnom vezom ne sadrže fosfatnu grupu. Glikoglicerolipidi su široko prisutni u membranama hloroplasta, kao i u plavo-zelenim algama i bakterijama. Monogalaktozildiacilglicerol je najzastupljeniji polarni lipid u prirodi, jer čini polovicu svih lipida u tilakoidnoj membrani hloroplasta:
monogalaktozildiacilglicerol
6. Glikosfingolipidi- izgrađen od sfingozina, ostatka masne kiseline i oligosaharida. Sadrži u svim tkivima, uglavnom u vanjskom lipidnom sloju plazma membrane. Nedostaje im fosfatna grupa i nemaju električni naboj. Glikosfingolipidi se dalje mogu podijeliti u dvije vrste:
1) cerebrozidi su jednostavniji predstavnici ove grupe. Galaktocerebrozidi se nalaze uglavnom u membranama moždanih ćelija, dok su glukocerebrozidi prisutni u membranama drugih ćelija. Cerebrozidi koji sadrže dva, tri ili četiri ostatka šećera lokalizirani su uglavnom u vanjskom sloju ćelijskih membrana.
galaktocerebrozid
2) gangliozidi su najsloženiji glikosfingolipidi. Njihove vrlo velike polarne glave formirane su od nekoliko ostataka šećera. Karakterizira ih prisustvo u ekstremnom položaju jednog ili više ostataka N-acetilneuraminske (sijalne) kiseline, koja nosi negativan naboj pri pH 7. U sivoj tvari mozga, gangliozidi čine oko 6% membranskih lipida. Gangliozidi su važne komponente specifičnih receptorskih mjesta smještenih na površini ćelijskih membrana. Dakle, oni se nalaze u onim specifičnim područjima nervnih završetaka gdje dolazi do vezivanja molekula neurotransmitera u procesu kemijskog prijenosa impulsa od jedne nervne ćelije do druge.
7. Izoprenoidi- derivati izoprena (aktivni oblik - 5-izopentenil difosfat), koji obavljaju širok spektar funkcija.
izopren 5-izopentenil difosfat
Sposobnost sinteze specifičnih izoprenoida karakteristična je samo za neke vrste životinja i biljaka.
1) kaučuk - sintetizira ga nekoliko vrsta biljaka, prvenstveno brazilska hevea:
gumeni fragment
2) vitamini rastvorljivi u mastima A, D, E, K (zbog strukturnog i funkcionalnog afiniteta prema steroidnim hormonima, vitamin D se danas klasifikuje kao hormon):
vitamin A
vitamin E
vitamin K
3) životinjski hormoni rasta - retinoična kiselina kod kičmenjaka i neotenini kod insekata:
retinoična kiselina
neotenin
Retinoična kiselina je hormonski derivat vitamina A, stimuliše rast i diferencijaciju ćelija, neotenini su hormoni insekata, stimulišu rast larvi i inhibiraju linjanje, antagonisti su ekdizona;
4) biljni hormoni - apscizinska kiselina, je fitohormon stresa koji pokreće sistemski imuni odgovor biljaka, koji se manifestuje u otpornosti na razne patogene:
apscizinska kiselina
5) terpeni - brojne aromatične supstance i eterična ulja biljaka sa baktericidnim i fungicidnim dejstvom; jedinjenja od dve izoprenne jedinice nazivaju se monoterpeni, od tri - seskviterpeni, od šest - triterpeni:
kamfor timol
6) steroidi su složene supstance rastvorljive u mastima, čiji molekuli sadrže ciklopentanperhidrofenantren (u suštini triterpen). Glavni sterol u životinjskim tkivima je alkoholni holesterol (holesterol). Holesterol i njegovi estri sa dugolančanim masnim kiselinama važne su komponente lipoproteina plazme, kao i vanjske ćelijske membrane. Pošto četiri spojena prstena stvaraju krutu strukturu, prisustvo holesterola u membranama reguliše fluidnost membrane na ekstremnim temperaturama. Biljke i mikroorganizmi sadrže srodna jedinjenja - ergosterol, stigmasterol i β-sitosterol.
holesterol
ergosterol
stigmasterin
β-sitosterol
Žučne kiseline nastaju iz holesterola u tijelu. Oni osiguravaju rastvorljivost holesterola u žuči i pospešuju varenje lipida u crevima.
holična kiselina
Steroidni hormoni se također formiraju iz kolesterola - lipofilnih signalnih molekula koji reguliraju metabolizam, rast i reprodukciju. Postoji šest glavnih steroidnih hormona u ljudskom tijelu:
kortizol aldosteron
testosteron estradiol
progesteron kalcitriol
Kalcitriol je hormonski aktivan vitamin D koji se razlikuje od hormona kičmenjaka, ali je takođe izgrađen na bazi holesterola. Prsten B se otvara reakcijom ovisnom o svjetlosti.
Derivat holesterola je hormon linjanja insekata, pauka i rakova - ekdizon. Steroidni hormoni koji vrše signalnu funkciju također se nalaze u biljkama.
7) lipidna sidra koja drže molekule proteina ili drugih jedinjenja na membrani:
ubikinon
Kao što vidimo, lipidi nisu polimeri u doslovnom smislu riječi, međutim, metabolički i strukturno, bliski su polihidroksimaslačnoj kiselini prisutnoj u bakterijama, važnoj rezervnoj tvari. Ovaj visoko redukovani polimer sastoji se samo od jedinica D-β-hidroksimaslačne kiseline povezanih esterskom vezom. Svaki lanac sadrži oko 1500 ostataka. Struktura je kompaktna desna spirala, sa oko 90 takvih lanaca naslaganih da formiraju tanak sloj u bakterijskim ćelijama.
poli-D-β-hidroksibuterna kiselina
Aminokiseline se nazivaju karboksilne kiseline koje sadrže amino grupu i karboksilnu grupu. Prirodne aminokiseline su 2-aminokarboksilne kiseline, ili α-amino kiseline, iako postoje aminokiseline kao što su β-alanin, taurin, γ-aminobutirna kiselina. Generalizirana formula za α-amino kiselinu izgleda ovako:
α-amino kiseline na 2 atoma ugljika imaju četiri različita supstituenta, odnosno sve α-amino kiseline, osim glicina, imaju asimetrični (hiralni) atom ugljika i postoje u obliku dva enantiomera - L- i D-amino kiseline. Prirodne aminokiseline pripadaju L-seriji. D-amino kiseline se nalaze u bakterijama i peptidnim antibioticima.
Sve aminokiseline u vodenim rastvorima mogu postojati kao bipolarni joni, a njihov ukupni naboj zavisi od pH sredine. pH vrijednost pri kojoj je ukupni naboj nula naziva se izoelektrična točka. U izoelektričnoj tački, aminokiselina je cwitterion, odnosno njena aminska grupa je protonirana, a karboksilna grupa je disocirana. U neutralnom pH području većina aminokiselina su cwitterioni:
Aminokiseline ne apsorbuju svetlost u vidljivom delu spektra, aromatične aminokiseline apsorbuju svetlost u UV oblasti spektra: triptofan i tirozin na 280 nm, fenilalanin na 260 nm.
Aminokiseline se odlikuju nekim hemijskim reakcijama koje su od velikog značaja za laboratorijsku praksu: obojeni ninhidrinski test za α-amino grupu, reakcije karakteristične za sulfhidrilne, fenolne i druge grupe radikala aminokiselina, acetilaciju i formiranje Schiffovih baza pomoću amino grupe, esterifikacija karboksilnim grupama.
Biološka uloga aminokiselina:
1) su strukturni elementi peptida i proteina, takozvanih proteinogenih aminokiselina. Sastav proteina uključuje 20 aminokiselina koje su kodirane genetskim kodom i uključene su u proteine tokom translacije, neke od njih mogu biti fosforilirane, acilirane ili hidroksilirane;
2) mogu biti strukturni elementi drugih prirodnih jedinjenja - koenzima, žučnih kiselina, antibiotika;
3) su signalni molekuli. Neke od aminokiselina su neurotransmiteri ili prekursori neurotransmitera, hormona i histohormona;
4) su esencijalni metaboliti, na primjer, neke aminokiseline su prekursori biljnih alkaloida, ili služe kao donori dušika, ili su vitalne komponente ishrane.
Klasifikacija proteinogenih aminokiselina zasniva se na strukturi i polaritetu bočnih lanaca:
1. Alifatične aminokiseline:
glicin, gly, G, Gly
alanin, ala, A, Ala
valin, osovina, V, Val*
Leucin lei, L, Leu*
izoleucin, ile, ja, Ile*
Ove aminokiseline ne sadrže heteroatome ili ciklične grupe u bočnom lancu i karakteriziraju ih izrazito niski polaritet.
cistein, cis, C, Cys
metionin, meth, M, Met*
3. Aromatične aminokiseline:
fenilalanin, fen, F, Phe*
tirozin, streljana, Y, Tyr
triptofan, tri, W, Trp*
histidin, gis, H, His
Aromatične aminokiseline sadrže mezomerne rezonantno stabilizovane cikluse. U ovoj grupi samo aminokiselina fenilalanin ispoljava nizak polaritet, tirozin i triptofan karakteriše primetan polaritet, a histidin čak i visoki polaritet. Histidin se također može klasificirati kao bazna aminokiselina.
4. Neutralne aminokiseline:
serin, ser, S, Ser
treonin, tre, T, Thr*
asparagin, asn, N, Asn
glutamin, gln, Q, Gln
Neutralne aminokiseline sadrže hidroksilne ili karboksamidne grupe. Iako su amidne grupe nejonske, molekule asparagina i glutamina su visoko polarne.
5. Kisele aminokiseline:
asparaginska kiselina (aspartat), asp, D, Asp
glutaminska kiselina (glutamat), duboko, E Glu
Karboksilne grupe bočnih lanaca kiselih aminokiselina su potpuno ionizirane u cijelom rasponu fizioloških pH vrijednosti.
6. Bazne aminokiseline:
lizin, l od, K, Lys*
arginin, arg, R, Arg
Bočni lanci bazičnih aminokiselina su potpuno protonirani u neutralnom pH području. Visoko bazična i vrlo polarna aminokiselina je arginin koji sadrži gvanidinski dio.
7. Iminokiselina:
prolin, o, P, Pro
Bočni lanac prolina sastoji se od petočlanog prstena, uključujući α-ugljikov atom i α-amino grupu. Dakle, prolin, strogo govoreći, nije aminokiselina, već iminokiselina. Atom dušika u prstenu je slaba baza i ne protonira pri fiziološkim pH vrijednostima. Zbog ciklične strukture, prolin izaziva savijanja u polipeptidnom lancu, što je veoma važno za strukturu kolagena.
Neke od navedenih aminokiselina ne mogu se sintetizirati u ljudskom tijelu i moraju se unositi hranom. Ove esencijalne aminokiseline su označene zvjezdicama.
Kao što je već spomenuto, proteinogene aminokiseline su prekursori nekih vrijednih biološki aktivnih molekula.
Dva biogena amina β-alanin i cisteamin su dio koenzima A (koenzimi su derivati vitamina rastvorljivih u vodi koji čine aktivni centar kompleksnih enzima). β-Alanin nastaje dekarboksilacijom asparaginske kiseline, a cisteamin dekarboksilacijom cisteina:
β-alanin cisteamin
Ostatak glutaminske kiseline je dio drugog koenzima - tetrahidrofolne kiseline, derivata vitamina B c.
Drugi biološki vrijedni molekuli su konjugati žučnih kiselina sa aminokiselinom glicinom. Ovi konjugati su jače kiseline od baznih kiselina, formiraju se u jetri i prisutni su u žuči kao soli.
glikoholna kiselina
Proteinogene aminokiseline su prekursori nekih antibiotika - biološki aktivnih tvari koje sintetiziraju mikroorganizmi i inhibiraju reprodukciju bakterija, virusa i stanica. Najpoznatiji od njih su penicilini i cefalosporini, koji čine grupu β-laktamskih antibiotika i proizvode ih plijesni iz roda Penicillium. Karakterizira ih prisustvo u strukturi reaktivnog β-laktamskog prstena, uz pomoć kojeg inhibiraju sintezu staničnih zidova gram-negativnih mikroorganizama.
opšta formula penicilina
Od aminokiselina dekarboksilacijom se dobijaju biogeni amini - neurotransmiteri, hormoni i histohormoni.
Aminokiseline glicin i glutamat su sami po sebi neurotransmiteri u centralnom nervnom sistemu.
Derivati aminokiselina su i alkaloidi - prirodna jedinjenja koja sadrže dušik glavne prirode, formirana u biljkama. Ova jedinjenja su izuzetno aktivna fiziološka jedinjenja koja se široko koriste u medicini. Primjeri alkaloida su derivat fenilalanina papaverin, izokinolinski alkaloid hipnotičkog maka (antispazmodik) i derivat triptofana fizostigmin, indol alkaloid iz kalabarskog graha (lijek protiv holinesteraze):
papaverin fizostigmin
Amino kiseline su izuzetno popularni objekti biotehnologije. Postoji mnogo opcija za hemijsku sintezu aminokiselina, ali rezultat su racemati aminokiselina. Kako su samo L-izomeri aminokiselina pogodni za prehrambenu industriju i medicinu, racemske smjese se moraju razdvojiti na enantiomere, što predstavlja ozbiljan problem. Stoga je biotehnološki pristup popularniji: enzimska sinteza korištenjem imobiliziranih enzima i mikrobiološka sinteza korištenjem cijelih mikrobnih stanica. U oba potonja slučaja dobijaju se čisti L-izomeri.
Aminokiseline se koriste kao aditivi za hranu i komponente hrane za životinje. Glutaminska kiselina poboljšava okus mesa, valin i leucin poboljšavaju okus pekarskih proizvoda, glicin i cistein se koriste kao antioksidansi u konzerviranju. D-triptofan se može koristiti kao zamjena za šećer jer je višestruko slađi. Lizin se dodaje hrani za farmske životinje, jer većina biljnih proteina sadrži malu količinu esencijalne aminokiseline lizina.
Amino kiseline se široko koriste u medicinskoj praksi. To su aminokiseline kao što su metionin, histidin, glutaminska i asparaginska kiselina, glicin, cistein, valin.
U posljednjoj deceniji, aminokiseline su dodane u proizvode za njegu kože i kose.
Hemijski modifikovane aminokiseline se takođe široko koriste u industriji kao surfaktanti u sintezi polimera, u proizvodnji deterdženata, emulgatora i aditiva za gorivo.
Modernu proteinsku ishranu nemoguće je zamisliti bez razmatranja uloge pojedinih aminokiselina. Čak i uz ukupnu pozitivnu ravnotežu proteina, tijelo životinje može osjetiti nedostatak proteina. To je zbog činjenice da je apsorpcija pojedinih aminokiselina međusobno povezana, nedostatak ili višak jedne aminokiseline može dovesti do nedostatka druge.
Neke aminokiseline se ne sintetiziraju u ljudskom tijelu i životinjama. Nazivaju se neizostavnim. Postoji samo deset takvih aminokiselina. Četiri od njih su kritična (ograničavajuća) - najčešće ograničavaju rast i razvoj životinja.
Metionin i cistin su glavne ograničavajuće aminokiseline u ishrani peradi, a lizin u ishrani svinja. Organizam mora dobiti dovoljnu količinu glavne ograničavajuće kiseline u ishrani kako bi se druge aminokiseline mogle efikasno koristiti za sintezu proteina.
Ovaj princip ilustruje Liebigova bačva, gde nivo punjenja bureta predstavlja nivo sinteze proteina u telu životinje. Najkraća daska u buretu "ograničava" mogućnost zadržavanja tečnosti u njoj. Ako se ova ploča produži, tada će se volumen tekućine koja se drži u buretu povećati do nivoa druge granične ploče.
Najvažniji faktor koji određuje produktivnost životinja je ravnoteža aminokiselina sadržanih u njima u skladu sa fiziološkim potrebama. Brojna istraživanja su pokazala da se kod svinja, ovisno o rasi i spolu, potreba za aminokiselinama kvantitativno razlikuje. Ali omjer esencijalnih aminokiselina za sintezu 1 g proteina je isti. Ovaj omjer esencijalnih aminokiselina i lizina, kao glavne ograničavajuće aminokiseline, naziva se "idealni protein" ili "idealni aminokiselinski profil". (
Lysine
dio je gotovo svih proteina životinjskog, biljnog i mikrobnog porijekla, međutim, proteini žitarica su siromašni lizinom.
- Lizin regulira reproduktivnu funkciju, s nedostatkom istog, poremećeno je stvaranje spermatozoida i jajnih stanica.
- Neophodan za rast mladih životinja, stvaranje proteina tkiva. Lizin učestvuje u sintezi nukleoproteina, hromoproteina (hemoglobina), čime reguliše pigmentaciju životinjske dlake. Reguliše količinu proizvoda razgradnje proteina u tkivima i organima.
- Promoviše apsorpciju kalcijuma
- Učestvuje u funkcionalnoj aktivnosti nervnog i endokrinog sistema, reguliše metabolizam proteina i ugljenih hidrata, međutim, reagujući sa ugljenim hidratima, lizin postaje nepristupačan za apsorpciju.
- Lizin je početna supstanca u stvaranju karnitina, koji igra važnu ulogu u metabolizmu masti.
Metionin i cistin aminokiseline koje sadrže sumpor. Istovremeno, metionin se može transformisati u cistin, pa se te aminokiseline zajedno normalizuju, a u slučaju nedostatka u ishranu se unose suplementi metionina. Obje ove aminokiseline su uključene u formiranje derivata kože - kosa, pero; Zajedno sa vitaminom E regulišu uklanjanje viška masnoće iz jetre, a neophodni su za rast i reprodukciju ćelija, crvenih krvnih zrnaca. Uz nedostatak metionina, cistin je neaktivan. Međutim, ne bi trebalo dozvoliti značajan višak metionina u ishrani.
Metionin
pospješuje taloženje masti u mišićima, neophodan je za stvaranje novih organskih spojeva holina (vitamin B4), kreatina, adrenalina, niacina (vitamin B5) itd.
Nedostatak metionina u ishrani dovodi do smanjenja nivoa proteina plazme (albumina), izaziva anemiju (smanjenje nivoa hemoglobina u krvi), dok nedostatak vitamina E i selena doprinosi razvoju mišićne distrofije. Nedovoljna količina metionina u ishrani uzrokuje zaostajanje mladih životinja, gubitak apetita, smanjenu produktivnost, povećanje troškova hrane, masnu jetru, oštećenje funkcije bubrega, anemiju i pothranjenost.
Višak metionina otežava korištenje dušika, uzrokuje degenerativne promjene u jetri, bubrezima, gušterači, povećava potrebu za argininom, glicinom. Kod velikog viška metionina uočava se neravnoteža (poremećena je ravnoteža aminokiselina, koja se zasniva na oštrim odstupanjima od optimalnog omjera esencijalnih aminokiselina u prehrani), što je praćeno metaboličkim poremećajima i inhibicijom rasta. stopa kod mladih životinja.
Cistin je aminokiselina koja sadrži sumpor, zamjenjiva s metioninom, učestvuje u redoks procesima, metabolizmu proteina, ugljikohidrata i žučnih kiselina, potiče stvaranje tvari koje neutraliziraju crijevne otrove, aktivira inzulin, zajedno sa triptofanom, cistin učestvuje u sintezi u jetra žučnih kiselina neophodnih za apsorpciju produkata probave masti iz crijeva, koristi se za sintezu glutationa. Cistin ima sposobnost da apsorbuje ultraljubičaste zrake. Uz nedostatak cistina, bilježi se ciroza jetre, kašnjenje u perjanju i rastu perja kod mladih životinja, krhkost i gubitak (čupanje) perja kod odrasle ptice i smanjenje otpornosti na zarazne bolesti.
triptofan
određuje fiziološku aktivnost enzima probavnog trakta, oksidativnih enzima u ćelijama i niza hormona, učestvuje u obnavljanju proteina krvne plazme, određuje normalno funkcionisanje endokrinog i hematopoetskog aparata, reproduktivnog sistema, sintezu gama globulina, hemoglobina , nikotinska kiselina, očna purpura i dr. u ishrani triptofana, usporava se rast mladih životinja, smanjuje se proizvodnja jaja nesilica, povećavaju se troškovi hrane za proizvode, atrofiraju endokrine i polne žlijezde, dolazi do sljepoće, razvija se anemija (broj smanjenje crvenih krvnih zrnaca i hemoglobina u krvi), smanjuje se otpornost i imunološka svojstva organizma, oplodnja i valivost jaja. Kod svinja hranjenih hranom siromašnom triptofanom, smanjen je unos hrane, pojavljuje se izopačen apetit, hrapavost čekinja i mršavljenje, primjećuje se masna jetra. Nedostatak ove aminokiseline također dovodi do steriliteta, razdražljivosti, konvulzija, stvaranja katarakte, negativnog balansa dušika i gubitka težine. Triptofan, kao prekursor (provitamin) nikotinske kiseline, sprečava razvoj pelagre.
Aminokiseline se nazivaju karboksilne kiseline koje sadrže amino grupu i karboksilnu grupu. Prirodne aminokiseline su 2-aminokarboksilne kiseline, ili α-amino kiseline, iako postoje aminokiseline kao što su β-alanin, taurin, γ-aminobutirna kiselina. Generalizirana formula za α-amino kiselinu izgleda ovako:
α-amino kiseline na 2 atoma ugljika imaju četiri različita supstituenta, odnosno sve α-amino kiseline, osim glicina, imaju asimetrični (hiralni) atom ugljika i postoje u obliku dva enantiomera - L- i D-amino kiseline. Prirodne aminokiseline pripadaju L-seriji. D-amino kiseline se nalaze u bakterijama i peptidnim antibioticima.
Sve aminokiseline u vodenim rastvorima mogu postojati kao bipolarni joni, a njihov ukupni naboj zavisi od pH sredine. pH vrijednost pri kojoj je ukupni naboj nula naziva se izoelektrična točka. U izoelektričnoj tački, aminokiselina je cwitterion, odnosno njena aminska grupa je protonirana, a karboksilna grupa je disocirana. U neutralnom pH području većina aminokiselina su cwitterioni:
Aminokiseline ne apsorbuju svetlost u vidljivom delu spektra, aromatične aminokiseline apsorbuju svetlost u UV oblasti spektra: triptofan i tirozin na 280 nm, fenilalanin na 260 nm.
Aminokiseline se odlikuju nekim hemijskim reakcijama koje su od velikog značaja za laboratorijsku praksu: obojeni ninhidrinski test za α-amino grupu, reakcije karakteristične za sulfhidrilne, fenolne i druge grupe radikala aminokiselina, acetilaciju i formiranje Schiffovih baza pomoću amino grupe, esterifikacija karboksilnim grupama.
Biološka uloga aminokiselina:
su strukturni elementi peptida i proteina, takozvanih proteinogenih aminokiselina. Sastav proteina uključuje 20 aminokiselina koje su kodirane genetskim kodom i uključene su u proteine tokom translacije, neke od njih mogu biti fosforilirane, acilirane ili hidroksilirane;
mogu biti strukturni elementi drugih prirodnih spojeva - koenzima, žučnih kiselina, antibiotika;
su signalni molekuli. Neke od aminokiselina su neurotransmiteri ili prekursori neurotransmitera, hormona i histohormona;
su esencijalni metaboliti, na primjer, neke aminokiseline su prekursori biljnih alkaloida, ili služe kao donatori dušika, ili su vitalne komponente ishrane.
Klasifikacija proteinogenih aminokiselina zasniva se na strukturi i polaritetu bočnih lanaca:
1. Alifatične aminokiseline:
glicin, gly,G,Gly
alanin, ala, A, Ala
valin, osovina,V,Val*
leucin, lei,L,Leu*
izoleucin, ile, ja, Ile*
Ove aminokiseline ne sadrže heteroatome ili ciklične grupe u bočnom lancu i karakteriziraju ih izrazito niski polaritet.
cistein, cis,C,Cys
metionin, meth,M,Met*
3. Aromatične aminokiseline:
fenilalanin, fen,F,Phe*
tirozin, streljana,Y,Tyr
triptofan, tri,W,Trp*
histidin, gis,H,njegovo
Aromatične aminokiseline sadrže mezomerne rezonantno stabilizovane cikluse. U ovoj grupi samo aminokiselina fenilalanin ispoljava nizak polaritet, tirozin i triptofan karakteriše primetan polaritet, a histidin čak i visoki polaritet. Histidin se također može klasificirati kao bazna aminokiselina.
4. Neutralne aminokiseline:
serin, ser,S, Ser
treonin, tre,T,Thr*
asparagin, asn, N, Asn
glutamin, gln, Q, Gln
Neutralne aminokiseline sadrže hidroksilne ili karboksamidne grupe. Iako su amidne grupe nejonske, molekule asparagina i glutamina su visoko polarne.
5. Kisele aminokiseline:
asparaginska kiselina (aspartat), asp,D,Asp
glutaminska kiselina (glutamat), duboko, E,Glu
Karboksilne grupe bočnih lanaca kiselih aminokiselina su potpuno ionizirane u cijelom rasponu fizioloških pH vrijednosti.
6. Bazne aminokiseline:
lizin, l od, K, Lys*
arginin, arg,R,Arg
Bočni lanci bazičnih aminokiselina su potpuno protonirani u neutralnom pH području. Visoko bazična i vrlo polarna aminokiselina je arginin koji sadrži gvanidinski dio.
7. Iminokiselina:
prolin, o,P,Pro
Bočni lanac prolina sastoji se od petočlanog prstena, uključujući α-ugljikov atom i α-amino grupu. Dakle, prolin, strogo govoreći, nije aminokiselina, već iminokiselina. Atom dušika u prstenu je slaba baza i ne protonira pri fiziološkim pH vrijednostima. Zbog ciklične strukture, prolin izaziva savijanja u polipeptidnom lancu, što je veoma važno za strukturu kolagena.
Neke od navedenih aminokiselina ne mogu se sintetizirati u ljudskom tijelu i moraju se unositi hranom. Ove esencijalne aminokiseline su označene zvjezdicama.
Kao što je već spomenuto, proteinogene aminokiseline su prekursori nekih vrijednih biološki aktivnih molekula.
Dva biogena amina β-alanin i cisteamin su dio koenzima A (koenzimi su derivati vitamina rastvorljivih u vodi koji čine aktivni centar kompleksnih enzima). β-Alanin nastaje dekarboksilacijom asparaginske kiseline, a cisteamin dekarboksilacijom cisteina:
β-alanin 
cisteamin
Ostatak glutaminske kiseline je dio drugog koenzima - tetrahidrofolne kiseline, derivata vitamina B c.
Drugi biološki vrijedni molekuli su konjugati žučnih kiselina sa aminokiselinom glicinom. Ovi konjugati su jače kiseline od baznih kiselina, formiraju se u jetri i prisutni su u žuči kao soli.
glikoholna kiselina
Proteinogene aminokiseline su prekursori nekih antibiotika - biološki aktivnih tvari koje sintetiziraju mikroorganizmi i inhibiraju reprodukciju bakterija, virusa i stanica. Najpoznatiji od njih su penicilini i cefalosporini, koji čine grupu β-laktamskih antibiotika i proizvode ih plijesni iz roda Penicillium. Karakterizira ih prisustvo u strukturi reaktivnog β-laktamskog prstena, uz pomoć kojeg inhibiraju sintezu staničnih zidova gram-negativnih mikroorganizama.
opšta formula penicilina
Od aminokiselina dekarboksilacijom se dobijaju biogeni amini - neurotransmiteri, hormoni i histohormoni.
Aminokiseline glicin i glutamat su sami po sebi neurotransmiteri u centralnom nervnom sistemu.
dopamin (neurotransmiter) norepinefrin (neurotransmiter)
adrenalin (hormon) histamin (medijator i histohormon)
serotonin (neurotransmiter i histohormon) GABA (neurotransmiter)
tiroksin (hormon)
Derivat aminokiseline triptofan je najpoznatiji prirodni auksin, indolacetatna kiselina. Auksini su regulatori rasta biljaka, potiču diferencijaciju rastućih tkiva, rast kambijuma, korijena, ubrzavaju rast plodova i opadanje starog lišća, njihovi antagonisti su apscizinska kiselina.
indoloctene kiseline
Derivati aminokiselina su i alkaloidi - prirodna jedinjenja koja sadrže dušik glavne prirode, formirana u biljkama. Ova jedinjenja su izuzetno aktivna fiziološka jedinjenja koja se široko koriste u medicini. Primjeri alkaloida su derivat fenilalanina papaverin, izokinolinski alkaloid hipnotičkog maka (antispazmodik) i derivat triptofana fizostigmin, indol alkaloid iz kalabarskog graha (lijek protiv holinesteraze):
papaverin fizostigmin
Amino kiseline su izuzetno popularni objekti biotehnologije. Postoji mnogo opcija za hemijsku sintezu aminokiselina, ali rezultat su racemati aminokiselina. Kako su samo L-izomeri aminokiselina pogodni za prehrambenu industriju i medicinu, racemske smjese se moraju razdvojiti na enantiomere, što predstavlja ozbiljan problem. Stoga je biotehnološki pristup popularniji: enzimska sinteza korištenjem imobiliziranih enzima i mikrobiološka sinteza korištenjem cijelih mikrobnih stanica. U oba potonja slučaja dobijaju se čisti L-izomeri.
Aminokiseline se koriste kao aditivi za hranu i komponente hrane za životinje. Glutaminska kiselina poboljšava okus mesa, valin i leucin poboljšavaju okus pekarskih proizvoda, glicin i cistein se koriste kao antioksidansi u konzerviranju. D-triptofan se može koristiti kao zamjena za šećer jer je višestruko slađi. Lizin se dodaje hrani za farmske životinje, jer većina biljnih proteina sadrži malu količinu esencijalne aminokiseline lizina.
Amino kiseline se široko koriste u medicinskoj praksi. To su aminokiseline kao što su metionin, histidin, glutaminska i asparaginska kiselina, glicin, cistein, valin.
U posljednjoj deceniji, aminokiseline su dodane u proizvode za njegu kože i kose.
Hemijski modifikovane aminokiseline se takođe široko koriste u industriji kao surfaktanti u sintezi polimera, u proizvodnji deterdženata, emulgatora i aditiva za gorivo.
PROTEINI
Proteini su makromolekularne supstance koje se sastoje od aminokiselina povezanih peptidnim vezama.
Upravo su proteini proizvod genetskih informacija koje se prenose s generacije na generaciju i provode sve životne procese u ćeliji.
Funkcije proteina:
katalitička funkcija. Najbrojnija grupa proteina su enzimi - proteini sa katalitičkom aktivnošću koji ubrzavaju hemijske reakcije. Primjeri enzima su pepsin, alkohol dehidrogenaza, glutamin sintetaza.
Strukturna funkcija. Strukturni proteini su odgovorni za održavanje oblika i stabilnosti ćelija i tkiva, uključujući keratine, kolagen, fibroin.
transportna funkcija. Transportni proteini prenose molekule ili ione iz jednog organa u drugi ili preko membrana unutar ćelije, kao što su hemoglobin, serumski albumin, jonski kanali.
zaštitna funkcija. Proteini sistema homeostaze štite organizam od patogena, stranih informacija, gubitka krvi – imunoglobulina, fibrinogena, trombina.
regulatorna funkcija. Proteini obavljaju funkcije signalnih supstanci - neki hormoni, histohormoni i neurotransmiteri, receptori su za signalne supstance bilo koje strukture, obezbjeđuju daljnji prijenos signala u biohemijskim signalnim lancima ćelije. Primjeri su hormon rasta somatotropin, hormon inzulin, H- i M-holinergički receptori.
motorička funkcija. Uz pomoć proteina provode se procesi kontrakcije i drugih bioloških kretanja. Primjeri su tubulin, aktin, miozin.
rezervna funkcija. Biljke sadrže proteine za skladištenje, koji su vrijedni nutrijenti; kod životinja mišićni proteini služe kao rezervne hranjive tvari koje se mobiliziraju u slučaju nužde.
Proteine karakteriše prisustvo nekoliko nivoa strukturne organizacije.
primarna struktura Protein je sekvenca aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu. Peptidna veza je karboksamidna veza između α-karboksilne grupe jedne amino kiseline i α-amino grupe druge amino kiseline.
alanilfenilalanilcisteilprolin
Peptidna veza ima nekoliko karakteristika:
a) rezonantno je stabilizovan i stoga se nalazi praktično u istoj ravni - ravan je; rotacija oko C-N veze zahtijeva puno energije i teška je;
b) -CO-NH- veza ima poseban karakter, manja je od obične, ali više nego dvostruka, odnosno postoji keto-enol tautomerizam:
c) supstituenti u odnosu na peptidnu vezu su u trans-pozicija;
d) peptidna kičma je okružena bočnim lancima različite prirode, u interakciji sa okolnim molekulima rastvarača, slobodne karboksilne i amino grupe se jonizuju, formirajući kationske i anjonske centre proteinskog molekula. Ovisno o njihovom omjeru, proteinski molekul prima ukupni pozitivan ili negativan naboj, a karakterizira ga i jedna ili druga pH vrijednost medija kada se dostigne izoelektrična točka proteina. Radikali formiraju soli, eter, disulfidne mostove unutar proteinske molekule, a također određuju raspon reakcija svojstvenih proteinima.
Trenutno je dogovoreno da se polimeri koji se sastoje od 100 ili više aminokiselinskih ostataka smatraju proteinima, polimeri koji se sastoje od 50-100 aminokiselinskih ostataka kao polipeptidi, a polimeri koji se sastoje od manje od 50 aminokiselinskih ostataka kao peptidi niske molekularne težine.
Neki peptidi male molekularne težine igraju nezavisnu biološku ulogu. Primjeri nekih od ovih peptida:
Glutation, γ-glu-cis-gly, jedan je od najrasprostranjenijih intracelularnih peptida uključenih u redoks procese u stanicama i transport aminokiselina kroz biološke membrane.
Karnozin - β-ala-gis - peptid sadržan u mišićima životinja, eliminira produkte peroksidacije lipida, ubrzava razgradnju ugljikohidrata u mišićima i uključen je u energetski metabolizam u mišićima u obliku fosfata.
Vasopresin je hormon zadnje hipofize koji je uključen u regulaciju metabolizma vode u tijelu:
Faloidin je otrovni polipeptid mušice, u zanemarljivim koncentracijama izaziva smrt organizma usled oslobađanja enzima i kalijevih jona iz ćelija:
Gramicidin je antibiotik koji djeluje na mnoge gram-pozitivne bakterije, mijenja propusnost bioloških membrana za spojeve male molekularne težine i uzrokuje smrt stanica:
Met-enkefalin - thyr-gli-gli-fen-met - peptid koji se sintetizira u neuronima i ublažava bol.
Sekundarna struktura proteina je prostorna struktura nastala kao rezultat interakcije između funkcionalnih grupa peptidne kičme.
Peptidni lanac sadrži mnogo CO i NH grupa peptidnih veza, od kojih je svaka potencijalno sposobna da učestvuje u formiranju vodoničnih veza. Postoje dvije glavne vrste struktura koje omogućavaju da se to dogodi: α-helix, u kojoj se lanac namota kao telefonski kabel, i β-naborana struktura, u kojoj su izduženi dijelovi jednog ili više lanaca naslagani jedan pored drugog. Obje ove strukture su vrlo stabilne.
α-heliks karakteriše izuzetno gusto pakovanje upletenog polipeptidnog lanca, svaki zavoj desnog heliksa ima 3,6 aminokiselinskih ostataka, čiji su radikali uvek usmereni prema van i blago unazad, odnosno na početak polipeptidnog lanca.
Glavne karakteristike α-heliksa:
α-heliks je stabiliziran vodikovim vezama između atoma vodika na dušiku peptidne grupe i karbonilnog kisika ostatka, četiri pozicije udaljene od datog duž lanca;
sve peptidne grupe učestvuju u formiranju vodonične veze, što osigurava maksimalnu stabilnost α-heliksa;
svi atomi dušika i kisika peptidnih grupa su uključeni u formiranje vodikovih veza, što značajno smanjuje hidrofilnost α-helikalnih područja i povećava njihovu hidrofobnost;
α-heliks se formira spontano i najstabilnija je konformacija polipeptidnog lanca, koja odgovara minimumu slobodne energije;
u polipeptidnom lancu L-aminokiselina, desni heliks, koji se obično nalazi u proteinima, mnogo je stabilniji od levorukog.
Mogućnost formiranja α-heliksa je zbog primarne strukture proteina. Neke aminokiseline sprečavaju uvijanje peptidne kičme. Na primjer, susjedne karboksilne grupe glutamata i aspartata međusobno se odbijaju, što sprječava stvaranje vodikovih veza u α-heliksu. Iz istog razloga, namotavanje lanca je teško na mjestima pozitivno nabijenih ostataka lizina i arginina koji se nalaze blizu jedan drugom. Međutim, prolin igra najveću ulogu u razbijanju α-heliksa. Prvo, u prolinu, atom dušika je dio krutog prstena, koji sprječava rotaciju oko N-C veze, a drugo, prolin ne formira vodikovu vezu zbog odsustva vodika na atomu dušika.
β-folding je slojevita struktura formirana vodoničnim vezama između linearno raspoređenih peptidnih fragmenata. Oba lanca mogu biti nezavisna ili pripadati istom polipeptidnom molekulu. Ako su lanci orijentirani u istom smjeru, onda se takva β-struktura naziva paralelna. U slučaju suprotnog smjera lanaca, odnosno kada se N-kraj jednog lanca poklopi sa C-krajem drugog lanca, β-struktura se naziva antiparalelna. Energetski, poželjnije je antiparalelno β-preklapanje sa skoro linearnim vodikovim mostovima.
paralelno β-sklapanje antiparalelno β-sklapanje
Za razliku od α-heliksa, koji je zasićen vodoničnim vezama, svaki dio β-preklopnog lanca otvoren je za stvaranje dodatnih vodoničnih veza. Bočni radikali aminokiselina su orijentirani gotovo okomito na ravan lista, naizmjenično gore i dolje.
U onim područjima gdje se peptidni lanac prilično strmo savija, često postoji β-petlja. Ovo je kratki fragment u kojem su 4 aminokiselinska ostatka savijena za 180o i stabilizirana jednim vodikovim mostom između prvog i četvrtog ostatka. Veliki radikali aminokiselina ometaju formiranje β-petlje, pa se u njoj najčešće nalazi najmanja aminokiselina, glicin.
Suprasekundarna struktura proteina je neki specifičan red alternacije sekundarnih struktura. Pod domenom se podrazumijeva poseban dio proteinske molekule, koji ima određeni stepen strukturne i funkcionalne autonomije. Sada se domeni smatraju osnovnim elementima strukture proteinskih molekula, a omjer i priroda rasporeda α-heliksa i β-slojeva pruža više za razumijevanje evolucije proteinskih molekula i filogenetskih odnosa nego poređenje primarnih struktura. Glavni zadatak evolucije je izgradnja novih proteina. Postoji beskonačno mala šansa da se slučajno sintetiše takva sekvenca aminokiselina koja bi zadovoljila uslove pakovanja i obezbedila ispunjenje funkcionalnih zadataka. Stoga često postoje proteini s različitim funkcijama, ali slične strukture do te mjere da se čini da su imali zajedničkog pretka ili su evoluirali jedan od drugog. Čini se da evolucija, suočena s potrebom rješavanja određenog problema, radije ne dizajnira proteine za to prvo, već da za to prilagodi već dobro uspostavljene strukture, prilagođavajući ih za nove svrhe.
Neki primjeri često ponavljanih suprasekundarnih struktura:
αα' - proteini koji sadrže samo α-helike (mioglobin, hemoglobin);
ββ' – proteini koji sadrže samo β-strukture (imunoglobulini, superoksid dismutaza);
βαβ' je struktura β-bačve, svaki β-sloj se nalazi unutar bureta i povezan je sa α-heliksom koji se nalazi na površini molekula (trioza fosfoizomeraza, laktat dehidrogenaza);
"cinkov prst" - proteinski fragment koji se sastoji od 20 aminokiselinskih ostataka, atom cinka je povezan sa dva cisteinska i dva histidinska ostatka, što rezultira "prstom" od oko 12 aminokiselinskih ostataka, koji se može vezati za regulatorne regije molekul DNK;
"leucinski patent zatvarač" - interakcijski proteini imaju α-helikalnu regiju koja sadrži najmanje 4 leucinska ostatka, nalaze se 6 aminokiselina jedna od druge, odnosno nalaze se na površini svakog drugog zavoja i mogu formirati hidrofobne veze sa leucinski ostaci drugog proteina. Uz pomoć leucinskih rajsferšlusa, na primjer, molekule jako bazičnih histonskih proteina mogu se kombinirati u komplekse, savladavajući pozitivan naboj.
Tercijarna struktura proteina- ovo je prostorni raspored proteinske molekule, stabiliziran vezama između bočnih radikala aminokiselina.
Vrste veza koje stabilizuju tercijarnu strukturu proteina:
elektrostatički vodonik hidrofobni disulfid
interakcija komunikacija interakcija komunikacija
U zavisnosti od nabora tercijarne strukture, proteini se mogu klasifikovati u dva glavna tipa - fibrilarni i globularni.
Fibrilarni proteini su dugi filamentni molekuli netopivi u vodi, čiji su polipeptidni lanci produženi duž jedne ose. To su uglavnom strukturni i kontraktilni proteini. Nekoliko primjera najčešćih fibrilarnih proteina su:
α-keratini. Sintetiziraju epidermalne stanice. Oni čine gotovo svu suhu težinu dlake, vune, perja, rogova, noktiju, kandži, igala, krljušti, kopita i oklopa kornjače, kao i značajan dio težine vanjskog sloja kože. Ovo je cijela porodica proteina, slični su po sastavu aminokiselina, sadrže mnogo cisteinskih ostataka i imaju isti prostorni raspored polipeptidnih lanaca. U ćelijama kose, keratinski polipeptidni lanci se prvo organizuju u vlakna, od kojih se zatim formiraju strukture poput užeta ili upletenog kabla, koji na kraju ispunjavaju ceo prostor ćelije. U isto vrijeme, ćelije dlake postaju spljoštene i konačno umiru, a ćelijski zidovi formiraju cjevasti omotač oko svake vlasi, koji se naziva kutikula. U α-keratinu, polipeptidni lanci su u obliku α-heliksa, upleteni jedan oko drugog u trožilni kabel sa formiranjem unakrsnih disulfidnih veza. N-terminalni ostaci nalaze se na istoj strani (paralelno). Keratini su netopivi u vodi zbog prevlasti aminokiselina sa nepolarnim bočnim radikalima u svom sastavu, koji su okrenuti prema vodenoj fazi. Prilikom permiranja dešavaju se sljedeći procesi: prvo se razaraju disulfidni mostovi redukcijom tiolima, a zatim, kada kosa dobije potreban oblik, suši se zagrijavanjem, dok zbog oksidacije kisikom zraka nastaju novi disulfidni mostovi. koji zadržavaju oblik frizure.
β-keratini. To uključuje fibroin svile i paučine. Oni su antiparalelni β-naborani slojevi sa dominacijom glicina, alanina i serina u sastavu.
Kolagen. Najčešći protein kod viših životinja i glavni fibrilarni protein vezivnog tkiva. Kolagen se sintetiše u fibroblastima i hondrocitima - specijalizovanim ćelijama vezivnog tkiva, iz kojih se potom istiskuje. Kolagenska vlakna nalaze se u koži, tetivama, hrskavici i kostima. Ne rastežu se, po snazi nadmašuju čeličnu žicu, kolagena vlakna karakteriziraju poprečne pruge. Kada se prokuva u vodi, vlaknasti, nerastvorljivi i neprobavljivi kolagen hidrolizom nekih kovalentnih veza pretvara se u želatinu. Kolagen sadrži 35% glicina, 11% alanina, 21% prolina i 4-hidroksiprolina (aminokiselina koja se nalazi samo u kolagenu i elastinu). Ovaj sastav određuje relativno nisku nutritivnu vrijednost želatine kao proteina u hrani. Kolagenske fibrile se sastoje od ponavljajućih polipeptidnih podjedinica koje se nazivaju tropokolagen. Ove podjedinice su raspoređene duž fibrila u paralelnim snopovima od glave do repa. Pomicanje glava daje karakterističnu poprečnu prugastost. Praznine u ovoj strukturi, po potrebi, mogu poslužiti kao mjesto za taloženje kristala hidroksiapatita Ca 5 (OH)(PO 4) 3, koji igra važnu ulogu u mineralizaciji kostiju.
Podjedinice tropokolagena se sastoje od tri polipeptidna lanca čvrsto uvijena u trolančani konop, različit od α- i β-keratina. Kod nekih kolagena sva tri lanca imaju isti niz aminokiselina, dok su kod drugih samo dva lanca identična, a treći se razlikuje od njih. Polipeptidni lanac tropokolagena formira lijevu spiralu, sa samo tri aminokiselinska ostatka po okretu zbog savijanja lanca uzrokovanih prolinom i hidroksiprolinom. Tri lanca su međusobno povezana, pored vodikovih veza, vezom kovalentnog tipa formiranom između dva lizinska ostatka koja se nalaze u susjednim lancima:
Kako starimo, sve više i više poprečnih veza se formira unutar i između podjedinica tropokolagena, što kolagena vlakna čini čvršćim i krhkim, a to mijenja mehanička svojstva hrskavice i tetiva, čini kosti krhkim i smanjuje prozirnost. rožnjače oka.
Elastin. Sadrži u žutom elastičnom tkivu ligamenata i elastičnom sloju vezivnog tkiva u zidovima velikih arterija. Glavna podjedinica elastinskih vlakana je tropoelastin. Elastin je bogat glicinom i alaninom, sadrži mnogo lizina i malo prolina. Zavojni dijelovi elastina se rastežu kada se istegnu, ali se vraćaju na svoju prvobitnu dužinu kada se opterećenje ukloni. Ostaci lizina četiri različita lanca formiraju kovalentne veze jedni s drugima i omogućavaju elastinu da se reverzibilno rasteže u svim smjerovima.
Globularni proteini su proteini čiji je polipeptidni lanac presavijen u kompaktnu globulu, sposobnu za obavljanje širokog spektra funkcija.
Tercijarna struktura globularnih proteina najpogodnije se razmatra na primjeru mioglobina. Mioglobin je relativno mali protein koji vezuje kiseonik koji se nalazi u mišićnim ćelijama. Pohranjuje vezani kiseonik i potiče njegov prijenos u mitohondrije. Molekul mioglobina sadrži jedan polipeptidni lanac i jednu hemogrupu (hem) - kompleks protoporfirina sa željezom. Glavna svojstva mioglobina:
a) molekul mioglobina je toliko kompaktan da u njega mogu stati samo 4 molekula vode;
b) svi polarni aminokiselinski ostaci, osim dva, nalaze se na vanjskoj površini molekula i svi su u hidratiziranom stanju;
c) većina hidrofobnih aminokiselinskih ostataka nalazi se unutar molekula mioglobina i stoga je zaštićena od kontakta s vodom;
d) svaki od četiri prolinska ostatka u molekuli mioglobina nalazi se na krivini polipeptidnog lanca, a ostaci serina, treonina i asparagina nalaze se na drugim mjestima krivine, jer takve aminokiseline sprječavaju stvaranje α-heliksa ako oni su jedno s drugim;
e) ravna hemogrupa leži u šupljini (džepu) blizu površine molekule, atom gvožđa ima dve koordinacione veze usmerene okomito na ravan hema, jedna od njih je povezana sa histidinskim ostatkom 93, a druga služi za vezivanje molekul kiseonika.
Počevši od tercijarne strukture, protein postaje sposoban da obavlja svoje biološke funkcije. Funkcioniranje proteina zasniva se na činjenici da kada se tercijarna struktura položi na površinu proteina, formiraju se mjesta koja mogu za sebe vezati druge molekule, zvane ligandi. Visoku specifičnost interakcije proteina sa ligandom obezbeđuje komplementarnost strukture aktivnog centra sa strukturom liganda. Komplementarnost je prostorna i hemijska korespondencija površina u interakciji. Za većinu proteina tercijarna struktura je maksimalni nivo savijanja.
Kvartarna struktura proteina- karakteristika proteina koji se sastoje od dva ili više polipeptidnih lanaca međusobno povezanih isključivo nekovalentnim vezama, uglavnom elektrostatičkim i vodoničnim. Najčešće proteini sadrže dvije ili četiri podjedinice, više od četiri podjedinice obično sadrže regulatorne proteine.
Proteini koji imaju kvarternu strukturu često se nazivaju oligomernim. Razlikovati homomerne i heteromerne proteine. Homerovi proteini su proteini u kojima sve podjedinice imaju istu strukturu, na primjer, enzim katalaza se sastoji od četiri apsolutno identične podjedinice. Heteromerni proteini imaju različite podjedinice, na primjer, enzim RNA polimeraze sastoji se od pet podjedinica različite strukture koje obavljaju različite funkcije.
Interakcija jedne podjedinice sa specifičnim ligandom uzrokuje konformacijske promjene u cijelom oligomernom proteinu i mijenja afinitet drugih podjedinica za ligande; ovo svojstvo leži u osnovi sposobnosti oligomernih proteina za alosterijsku regulaciju.
Kvaternarna struktura proteina može se razmotriti na primjeru hemoglobina. Sadrži četiri polipeptidna lanca i četiri hem prostetičke grupe, u kojima su atomi željeza u obliku željeza Fe 2+. Proteinski dio molekule - globin - sastoji se od dva α-lanca i dva β-lanca, koji sadrže do 70% α-heliksa. Svaki od četiri lanca ima karakterističnu tercijarnu strukturu, a sa svakim lancem je povezana jedna hemogrupa. Hemovi različitih lanaca su relativno udaljeni i imaju različite uglove nagiba. Nekoliko direktnih kontakata se formira između dva α-lanca i dva β-lanca, dok se između α- i β-lanaca formiraju brojni kontakti tipa α 1 β 1 i α 2 β 2 formirani od hidrofobnih radikala. Kanal ostaje između α 1 β 1 i α 2 β 2.
Za razliku od mioglobina, hemoglobin se odlikuje znatno manjim afinitetom prema kiseoniku, što mu omogućava da im, pri niskim parcijalnim pritiscima kiseonika koji postoji u tkivima, daje značajan deo vezanog kiseonika. Kisik se lakše vezuje hemoglobinskim željezom pri višim pH vrijednostima i niskim koncentracijama CO 2, karakterističnim za plućne alveole; oslobađanju kisika iz hemoglobina pogoduju niže pH vrijednosti i visoke koncentracije CO 2 svojstvene tkivima.
Osim kiseonika, hemoglobin nosi ione vodonika, koji se vezuju za ostatke histidina u lancima. Hemoglobin također nosi ugljični dioksid, koji se vezuje za terminalnu amino grupu svakog od četiri polipeptidna lanca, što rezultira stvaranjem karbaminohemoglobina:
U eritrocitima je supstanca 2,3-difosfoglicerat (DFG) prisutna u dovoljno visokim koncentracijama, njen sadržaj raste s usponom na veliku nadmorsku visinu i tijekom hipoksije, olakšavajući oslobađanje kisika iz hemoglobina u tkivima. DFG se nalazi u kanalu između α 1 β 1 i α 2 β 2 u interakciji sa pozitivno inficiranim grupama β-lanaca. Kada je kiseonik vezan hemoglobinom, DPG se istiskuje iz šupljine. Eritrociti nekih ptica ne sadrže DPG, već inozitol heksafosfat, koji dodatno smanjuje afinitet hemoglobina za kisik.
2,3-difosfoglicerat (DPG)
HbA - normalni hemoglobin odraslih, HbF - fetalni hemoglobin, ima veći afinitet za O2, HbS - hemoglobin kod anemije srpastih ćelija. Anemija srpastih ćelija je ozbiljna nasledna bolest povezana sa genetskom abnormalnošću hemoglobina. U krvi bolesnih ljudi nalazi se neobično veliki broj tankih srpastih crvenih krvnih zrnaca, koja se, prvo, lako kidaju, a drugo, začepljuju krvne kapilare. Na molekularnom nivou, hemoglobin S se razlikuje od hemoglobina A po jednom aminokiselinskom ostatku na poziciji 6 β-lanaca, gdje se nalazi valin umjesto ostatka glutaminske kiseline. Dakle, hemoglobin S sadrži dva negativna naboja manje, pojava valina dovodi do pojave "ljepljivog" hidrofobnog kontakta na površini molekule, kao rezultat toga, tokom deoksigenacije, molekule deoksihemoglobina S se spajaju i formiraju nerastvorljive abnormalno duge filamentne agregata, što dovodi do deformacije eritrocita.
Nema razloga da se misli da postoji nezavisna genetska kontrola nad formiranjem nivoa strukturne organizacije proteina iznad primarne, budući da primarna struktura određuje i sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu (ako postoji). Prirodna konformacija proteina je termodinamički najstabilnija struktura pod datim uslovima.
Predavanje #1
TEMA: "Aminokiseline".
Plan predavanja:
1. Karakterizacija aminokiselina
2. Peptidi.
Karakterizacija aminokiselina.
Aminokiseline su organska jedinjenja, derivati ugljovodonika, čiji molekuli uključuju karboksilne i amino grupe.
Proteini se sastoje od aminokiselinskih ostataka povezanih peptidnim vezama. Za analizu sastava aminokiselina provodi se hidroliza proteina, nakon čega slijedi izolacija aminokiselina. Razmotrimo glavne obrasce karakteristične za aminokiseline u proteinima.
Sada je utvrđeno da sastav bjelančevina uključuje konstantno čest skup aminokiselina. Ima ih 18. Pored navedenih, pronađena su još 2 amida aminokiselina - asparagin i glutamin. Svi su bili imenovani major(česte) aminokiseline. Često se figurativno spominju "magija" amino kiseline. Osim glavnih aminokiselina, postoje i rijetke, one koje se ne nalaze često u sastavu prirodnih proteina. Oni se nazivaju minor.
Gotovo sve aminokiseline u proteinima su α - aminokiseline(amino grupa se nalazi na prvom atomu ugljenika posle karboksilne grupe). Na osnovu prethodno navedenog, za većinu aminokiselina vrijedi opća formula:
NH 2 -CH-COOH
Gdje su R radikali različite strukture.
Razmotrite formule proteinskih aminokiselina, tabela. 2.
Sve α - aminokiseline, osim aminosirćetne (glicin), imaju asimetričnost α je atom ugljika i postoji kao dva enantiomera. Uz rijetke izuzetke, prirodne aminokiseline pripadaju L-seriji. Samo u sastavu ćelijskih zidova bakterija i u antibioticima pronađene su aminokiseline D genetske serije. Vrijednost ugla rotacije je 20-30 0 stepeni. Rotacija može biti desno (7 aminokiselina) i lijevo (10 aminokiselina).
H— *—NH 2 H 2 N—*—H
D - konfiguracija L-konfiguracija
(prirodne aminokiseline)
Ovisno o prevlasti amino ili karboksilnih grupa, aminokiseline se dijele u 3 podklase:
kiselih aminokiselina. Karboksilne (kiseline) grupe prevladavaju nad amino grupama (baznim), na primjer, asparaginska, glutaminska kiselina.
Neutralne aminokiseline Broj grupa je jednak. Glicin, alanin itd.
Bazične aminokiseline. Bazne (amino grupe) prevladavaju nad karboksilnim (kiselim), na primjer, lizinom.
Po fizičkim i nizu hemijskih svojstava, aminokiseline se oštro razlikuju od odgovarajućih kiselina i baza. Rastvorljivije su u vodi nego u organskim rastvaračima; dobro kristalizirano; imaju veliku gustinu i izuzetno visoke tačke topljenja. Ova svojstva ukazuju na interakciju aminskih i kiselinskih grupa, zbog čega su aminokiseline u čvrstom stanju iu rastvoru (u širokom pH opsegu) u cviterionskom obliku (tj. kao unutrašnje soli). Međusobni utjecaj grupa posebno je izražen kod α-amino kiselina, gdje su obje grupe u neposrednoj blizini.
H 2 N - CH 2 COOH ↔ H 3 N + - CH 2 COO -
zwitterion
Zwitter - jonska struktura aminokiselina potvrđuje njihov veliki dipolni moment (ne manji od 5010 -30 C m), kao i apsorpciona traka u IR spektru čvrste amino kiseline ili njenog rastvora.
Aminokiseline su u stanju da uđu u reakcije polikondenzacije, što dovodi do stvaranja polipeptida različitih dužina, koji čine primarnu strukturu proteinske molekule.
H 2 N–CH(R 1)-COOH + H 2 N– CH(R 2) – COOH → H 2 N – CH(R 1) – CO-NH– CH(R 2) – COOH
dipeptid
C-N veza se zove peptid veza.
Pored 20 najčešćih aminokiselina o kojima se raspravljalo, neke druge aminokiseline su izolirane iz hidrolizata nekih specijaliziranih proteina. Svi su oni, po pravilu, derivati običnih aminokiselina, tj. modifikovane aminokiseline.
4-hidroksiprolin , nalazi se u fibrilarnom proteinu kolagenu i nekim biljnim proteinima; 5-oksilizin koji se nalazi u hidrolizatima kolagena, desmosy n i izodesmozin izolovani iz hidrolizata proteina fibrilarnog elastina. Čini se da se ove aminokiseline nalaze samo u ovom proteinu. Njihova struktura je neobična: 4. molekule lizina, povezane svojim R-grupama, formiraju supstituirani piridinski prsten. Moguće je da upravo zbog ove strukture ove aminokiseline mogu formirati 4 radijalno divergentna peptidna lanca. Rezultat je da se elastin, za razliku od ostalih fibrilarnih proteina, može deformirati (istezati) u dva međusobno okomita smjera. itd.
Od navedenih proteinskih aminokiselina živi organizmi sintetiziraju ogroman broj raznovrsnih proteinskih spojeva. Mnoge biljke i bakterije mogu sintetizirati sve potrebne aminokiseline iz jednostavnih neorganskih spojeva. U organizmu ljudi i životinja sintetiše se i oko polovina aminokiselina, dok drugi dio aminokiselina može ući u ljudski organizam samo s proteinima hrane.
- esencijalne aminokiseline - ne sintetišu se u ljudskom organizmu, već dolaze samo sa hranom. Esencijalne aminokiseline uključuju 8 aminokiselina: valin, fenilalanin, izoleucin, leucin, lizin, metionin, treonin, triptofan, fenilalanin.
- neesencijalne aminokiseline - može se sintetizirati u ljudskom tijelu iz drugih komponenti. Neesencijalne aminokiseline uključuju 12 aminokiselina.
Za osobu su obje vrste aminokiselina podjednako važne: i zamjenjive i nezamjenjive. Većina aminokiselina se koristi za izgradnju vlastitih proteina u tijelu, ali tijelo ne može postojati bez esencijalnih aminokiselina. Proteini, koji sadrže esencijalne aminokiseline, treba da budu oko 16-20% u ishrani odraslih (20-30g uz dnevni unos proteina od 80-100g). U ishrani djece udio proteina se povećava na 30% za školarce, a do 40% za predškolce. To je zbog činjenice da djetetov organizam neprestano raste i stoga mu je potrebna velika količina aminokiselina kao plastičnog materijala za izgradnju proteina u mišićima, krvnim sudovima, nervnom sistemu, koži i svim drugim tkivima i organima.
U ovim danima brze hrane i opće strasti za brzom hranom, u ishrani vrlo često dominiraju namirnice bogate lako svarljivim ugljikohidratima i mastima, a udio proteinske hrane je primjetno smanjen. Uz nedostatak bilo koje aminokiseline u ishrani ili tokom kratkotrajnog gladovanja u ljudskom organizmu, proteini vezivnog tkiva, krvi, jetre i mišića mogu biti uništeni, a „građevinski materijal“ koji se dobija iz njih - aminokiseline odlaze u održavaju normalan rad najvažnijih organa – srca i mozga. Ljudsko tijelo može imati manjak i esencijalnih i neesencijalnih aminokiselina. Nedostatak aminokiselina, posebno esencijalnih, dovodi do slabog apetita, usporavanja rasta i razvoja, masne jetre i drugih teških poremećaja. Prvi "vjesnici" nedostatka aminokiselina mogu biti smanjenje apetita, pogoršanje stanja kože, gubitak kose, slabost mišića, umor, pad imuniteta, anemija. Takve se manifestacije mogu pojaviti kod osoba koje, kako bi smanjile težinu, slijede niskokaloričnu neuravnoteženu prehranu s oštrim ograničenjem proteinskih proizvoda.
Češće od ostalih, s manifestacijama nedostatka aminokiselina, posebno esencijalnih, susreću se vegetarijanci koji namjerno izbjegavaju uključivanje kompletnih životinjskih proteina u svoju prehranu.
Danas je višak aminokiselina prilično rijedak, ali može uzrokovati razvoj ozbiljnih bolesti, posebno kod djece i adolescenata. Najtoksičniji su metionin (provocira rizik od srčanog i moždanog udara), tirozin (može izazvati razvoj arterijske hipertenzije, dovesti do poremećaja u radu štitne žlijezde) i histidin (može doprinijeti manjku bakra u organizmu i dovesti do razvoja aneurizme aorte, bolesti zglobova, rano sijeda kosa), teška anemija). U normalnim uslovima funkcionisanja organizma, kada postoji dovoljna količina vitamina (B 6, B 12, folna kiselina) i antioksidansa (vitamini A, E, C i selen), višak aminokiselina brzo se pretvara u korisne komponente i nema vremena da "ošteti" tijelo. Kod neuravnotežene prehrane dolazi do manjka vitamina i elemenata u tragovima, a višak aminokiselina može poremetiti rad sistema i organa. Ova opcija je moguća uz dugotrajno pridržavanje proteinske ili dijeta s niskim udjelom ugljikohidrata, kao i uz nekontrolisani unos proteinsko-energetskih proizvoda od strane sportaša (aminokiselinsko-vitaminskih koktela) za povećanje težine i razvoj mišića.
Među hemijskim metodama, najčešća metoda rezultat aminokiselina (scor - score, count). Zasniva se na poređenju sastava aminokiselina proteina ocjenjivanog proizvoda sa sastavom aminokiselina standardni (idealni) protein. Nakon kvantitativnog kemijskog određivanja sadržaja svake od esencijalnih aminokiselina u ispitivanom proteinu, za svaku od njih se određuje aminokiselinska ocjena (AC) prema formuli
AC = (m ak . istraživanja / m ak . idealan ) 100
m acc. istraživanje - sadržaj esencijalne aminokiseline (u mg) u 1 g proteina koji se proučava.
m acc. idealan - sadržaj esencijalne aminokiseline (u mg) u 1 g standardnog (idealnog) proteina.
FAO/WHO uzorak aminokiselina
Istovremeno sa određivanjem aminokiselinskog skora, ograničavanje esencijalnih aminokiselina za dati protein , to je onaj kome je brzina najmanja.
Peptidi.
Dvije aminokiseline mogu biti kovalentno povezane putem peptid vezu sa formiranjem dipeptida.
Tri aminokiseline mogu biti povezane preko dvije peptidne veze kako bi se formirao tripeptid. Nekoliko aminokiselina formira oligopeptide, veliki broj aminokiselina formira polipeptide. Peptidi sadrže samo jednu -amino grupu i jednu -karboksilnu grupu. Ove grupe se mogu ionizirati pri određenim pH vrijednostima. Poput aminokiselina, imaju karakteristične krivulje titracije i izoelektrične točke u kojima se ne kreću u električnom polju.
Kao i druga organska jedinjenja, peptidi učestvuju u hemijskim reakcijama koje su određene prisustvom funkcionalnih grupa: slobodne amino grupe, slobodne karboksi grupe i R-grupe. Peptidne veze su podložne hidrolizi jakom kiselinom (npr. 6M HCl) ili jakom bazom za formiranje aminokiselina. Hidroliza peptidnih veza je neophodan korak u određivanju aminokiselinskog sastava proteina. Peptidne veze mogu se razbiti djelovanjem enzima proteaze.
Mnogi prirodni peptidi su biološki aktivni u vrlo niskim koncentracijama.
Peptidi su potencijalno aktivni farmaceutski preparati, postoje tri načina dobiti ih:
1) izlučivanje iz organa i tkiva;
2) genetski inženjering;
3) direktna hemijska sinteza.
U potonjem slučaju postavljaju se visoki zahtjevi za prinos proizvoda u svim međufazama.
Aminokiseline se nazivaju organske karboksilne kiseline u kojima je barem jedan od atoma vodika u lancu ugljikovodika zamijenjen amino grupom. U zavisnosti od položaja grupe -NH 2 razlikuju se α, β, γ itd. L-amino kiseline. Do danas je u raznim objektima živog svijeta pronađeno do 200 različitih aminokiselina. Ljudsko tijelo sadrži oko 60 različitih aminokiselina i njihovih derivata, ali nisu sve dio proteina.
Aminokiseline se dijele u dvije grupe:
- proteinogen (dio proteina)
Među njima su glavne (ima ih samo 20) i rijetke. Rijetke proteinske aminokiseline (na primjer, hidroksiprolin, hidroksilizin, aminolimunska kiselina, itd.) su zapravo derivati istih 20 aminokiselina.
Preostale aminokiseline nisu uključene u izgradnju proteina; oni su u ćeliji ili u slobodnom obliku (kao metabolički produkti), ili su dio drugih neproteinskih spojeva. Na primjer, aminokiseline ornitin i citrulin su međuprodukti u formiranju proteinogene aminokiseline arginin i uključeni su u ciklus sinteze uree; γ-amino-maslačna kiselina je također u slobodnom obliku i igra ulogu posrednika u prijenosu nervnih impulsa; β-alanin je dio vitamina - pantotenske kiseline.
- neproteinogeni (ne učestvuju u stvaranju proteina)
Neproteinogene aminokiseline su, za razliku od proteinogenih, raznovrsnije, posebno one koje se nalaze u gljivama i višim biljkama. Proteinogene aminokiseline sudjeluju u izgradnji mnogih različitih proteina, bez obzira na vrstu organizma, a neproteinogene aminokiseline mogu biti čak i toksične za organizam druge vrste, odnosno ponašaju se kao obične strane tvari. Na primjer, kanavanin, dienkolna kiselina i β-cijano-alanin izolirani iz biljaka otrovni su za ljude.
Struktura i klasifikacija proteinogenih aminokiselina
Radikal R u najjednostavnijem slučaju predstavljen je atomom vodika (glicin) i može imati složenu strukturu. Stoga se α-aminokiseline razlikuju jedna od druge prvenstveno po strukturi bočnog radikala, a samim tim i po fizičko-hemijskim svojstvima koja su svojstvena ovim radikalima. Postoje tri klasifikacije aminokiselina:
Navedena fiziološka klasifikacija aminokiselina nije univerzalna, za razliku od prve dvije klasifikacije, i donekle uslovna, jer vrijedi samo za organizme ove vrste. Međutim, apsolutna neophodnost osam aminokiselina je univerzalna za sve vrste organizama (Tabela 2 prikazuje podatke za neke predstavnike kralježnjaka i insekata [prikaži] ).
| Tabela 2. Esencijalne (+), neesencijalne (-) i poluesencijalne (±) aminokiseline za neke kralježnjake i insekte (prema Lubka et al., 1975.) | |||||||
| Amino kiseline | Čovjek | Rat | Miš | Piletina | Losos | Mosquito | Bee |
| Glycine | - | - | - | + | - | + | - |
| Alanya | - | - | - | - | - | - | - |
| Valine | + | + | + | + | + | + | + |
| Leucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Izoleucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Cistein | - | - | - | - | - | - | - |
| Metionin | + | + | + | + | + | + | + |
| Serene | - | - | - | - | - | - | - |
| Treonin | + | + | + | + | + | + | + |
| Asparaginska kiselina | - | - | - | - | - | - | - |
| Glutaminska kiselina | - | - | - | - | - | - | - |
| Lysine | + | + | + | + | + | + | + |
| Arginin | ± | ± | + | + | + | + | + |
| fenilalanin | + | + | + | + | + | + | + |
| Tirozin | ± | ± | + | + | - | - | - |
| Histidin | ± | + | + | + | + | + | + |
| triptofan | + | + | + | + | + | + | + |
| Proline | - | - | - | - | - | - | - |
Za pacove i miševe već postoji devet esencijalnih aminokiselina (histidin se dodaje na osam poznatih). Normalan rast i razvoj pilića moguć je samo uz prisustvo jedanaest esencijalnih aminokiselina (dodati se histidin, arginin, tirozin), odnosno aminokiseline poluesencijalne za čovjeka su apsolutno neophodne za piletinu. Za komarce je glicin apsolutno neophodan, a tirozin je, naprotiv, neesencijalna aminokiselina.
To znači da su za različite vrste organizama moguća značajna odstupanja u potrebi za pojedinim aminokiselinama, što je određeno karakteristikama njihovog metabolizma.
Sastav esencijalnih aminokiselina koji se razvio za svaki tip organizma, odnosno tzv. auksotrofija organizma u odnosu na aminokiseline, najvjerovatnije odražava njegovu želju za minimalnim troškovima energije za sintezu aminokiselina. Zaista, isplativije je dobiti gotov proizvod nego ga sami proizvoditi. Stoga organizmi koji konzumiraju esencijalne aminokiseline troše oko 20% manje energije od onih koji sintetiziraju sve aminokiseline. S druge strane, u toku evolucije nisu sačuvani oblici života koji bi u potpunosti ovisili o opskrbi svih aminokiselina izvana. Bilo bi im teško prilagoditi se promjenama u vanjskom okruženju, s obzirom da su aminokiseline materijal za sintezu takve tvari kao što je protein, bez koje je život nemoguć.
Fizičko-hemijska svojstva aminokiselina
Kiselinsko-bazna svojstva aminokiselina . Po svojim hemijskim svojstvima, aminokiseline su amfoterni elektroliti, odnosno kombinuju svojstva kiselina i baza.
Kiselinske grupe aminokiselina: karboksilna (-COOH -> -COO - + H +), protonirana α-amino grupa (-NH + 3 -> -NH 2 + H +).
Glavne grupe aminokiselina: disocirani karboksil (-COO - + H + -> -COOH) i α-amino grupa (-NH 2 + H + -> NH + 3).
Za svaku aminokiselinu postoje najmanje dvije konstante kiselinske disocijacije pKa - jedna za -COOH grupu, a druga za α-amino grupu.
U vodenom rastvoru moguće je postojanje tri oblika aminokiselina (slika 1.)
Dokazano je da su u vodenim rastvorima aminokiseline u obliku dipola; ili zwitterion.
Utjecaj pH medija na ionizaciju aminokiselina . Promjena pH sredine iz kiselog u alkalni utiče na naboj otopljenih aminokiselina. U kiseloj sredini (pH<7) все аминокислоты несут положительный заряд (существуют в виде катиона), так как избыток протонов в среде подавляет диссоциацию карбоксильной группы:
U kiseloj sredini, aminokiseline u električnom polju kreću se prema katodi.
U alkalnoj sredini (pH> 7), gdje postoji višak OH - jona, aminokiseline su u obliku negativno nabijenih jona (aniona), budući da se NH + 3 grupa disocira:
U ovom slučaju, aminokiseline se kreću u električnom polju prema anodi.
Stoga, ovisno o pH podloge, aminokiseline imaju ukupni nulti, pozitivan ili negativan naboj.
Stanje u kojem je naboj aminokiseline jednak nuli naziva se izoelektrično. pH vrijednost pri kojoj se takvo stanje javlja i aminokiselina se ne kreće u električnom polju ni do anode ni do katode naziva se izoelektrična točka i označava se pH I. Izoelektrična tačka vrlo precizno odražava kiselinsko-bazna svojstva različitih grupa u aminokiselinama i jedna je od važnih konstanti koje karakteriziraju aminokiselinu.
Izoelektrična točka nepolarnih (hidrofobnih) aminokiselina približava se neutralnoj pH vrijednosti (od 5,5 za fenilalanin do 6,3 za prolin), u kiselim ima niske vrijednosti (3,2 za glutaminsku kiselinu, 2,8 za asparaginsku kiselinu). Izoelektrična tačka za cistein i cistin je 5,0, što ukazuje na slaba kisela svojstva ovih aminokiselina. Glavne aminokiseline - histidin, a posebno lizin i arginin - imaju izoelektričnu tačku značajno veću od 7.
U ćelijama i međućelijskoj tečnosti ljudskog i životinjskog organizma pH sredine je blizu neutralnog, tako da osnovne aminokiseline (lizin, arginin) nose ukupni pozitivan naboj (kationi), kisele aminokiseline (asparagin i glutamin) imaju negativan naboj (anioni), a ostali postoje u obliku dipola. Kisele i bazične aminokiseline su više hidratizirane od svih ostalih aminokiselina.
Stereoizomerizam aminokiselina
Sve proteinogene aminokiseline, s izuzetkom glicina, imaju najmanje jedan asimetrični atom ugljika (C*) i optički su aktivne, a većina njih je ljevoruka. Oni postoje kao prostorni izomeri, ili stereoizomeri. Prema rasporedu supstituenata oko asimetričnog atoma ugljika, stereoizomeri se klasificiraju u L- ili D-seriju.
L- i D-izomeri su međusobno povezani kao objekt i njegova zrcalna slika, pa se nazivaju i zrcalnim izomeri ili enantiomeri. Aminokiseline treonin i izoleucin imaju po dva asimetrična atoma ugljika, tako da svaka ima četiri stereoizomera. Na primjer, treonin, pored L- i D-treonina, ima još dva, koja se nazivaju dijastereomeri ili aloformi: L-alotreonin i D-alotreonin.
Sve aminokiseline koje čine proteine pripadaju L-seriji. Vjerovalo se da se D-amino kiseline ne pojavljuju u prirodi. Međutim, pronađeni su polipeptidi u obliku polimera D-glutaminske kiseline u kapsulama bakterija koje nose spore (antraks, krompir i bacil sijena); D-glutaminska kiselina i D-alanin su dio mukopeptida ćelijskog zida nekih bakterija. D-amino kiseline se takođe nalaze u antibioticima koje proizvode mikroorganizmi (vidi tabelu 3).
Možda su D-aminokiseline bile pogodnije za zaštitne funkcije organizama (to je svrha kapsule bakterija i antibiotika), dok su L-aminokiseline potrebne organizmu za izgradnju proteina.
Distribucija pojedinačnih aminokiselina u različitim proteinima
Do danas je dešifrovan sastav aminokiselina mnogih proteina mikrobnog, biljnog i životinjskog porijekla. Najčešće se nalaze u proteinima alanin, glicin, leucin, serija. Međutim, svaki protein ima svoj sastav aminokiselina. Na primjer, protamini (jednostavni proteini koji se nalaze u ribljem mlijeku) sadrže do 85% arginina, ali im nedostaju cikličke, kisele i aminokiseline koje sadrže sumpor, treonin i lizin. Fibroin - prirodni protein svile, sadrži do 50% glicina; Kolagen, protein tetiva, sadrži rijetke aminokiseline (hidroksilizin, hidroksiprolin) kojih nema u drugim proteinima.
Aminokiselinski sastav proteina nije određen dostupnošću ili neophodnošću određene aminokiseline, već svrhom proteina, njegovom funkcijom. Redoslijed aminokiselina u proteinu određen je genetskim kodom.
| Stranica 2 | ukupno stranica: 7 |
