A.k. i proteini

AMINOKISELINE
STRUKTURA I OSOBINE
● Aminokiseline su karboksilne kiseline koje u svom
molekulu sadrže AMINO grupe.
RCHCOOH
NH 2
2-aminokiselina
(α-aminokiselina)
R'CHCH 2
COOH
NH 2
3-aminokiselina
(β-aminokiselina)
● Od prirodnih, najuobičajenije su 2-aminokiseline ili
α-aminokiseline, opšte formule:
RCHCOOH
NH 2
● R ostatak može biti:
alifatičan
aromatičan
heterocikličan
1
● R ostatak može sadržavati grupe:
hidroksilnu
amino
merkapto
sulfidnu
itd.
● Prema broju amino i karboksilnih grupa,
aminokiseline se dele na:
a) monoamino monokarboksilne
b) monoamino dikarboksilne
c) diamino monokarboksilne
● R ostaci mogu biti polarni ili nepolarni, kiseli ili
bazni.
● Postoji još i podela aminokiselina na:
ESENCIJALNE
(ne mogu se sintetizovati u čovečijem
organizmu – moraju se unositi hranom
biljnog porekla)
NEESENCIJALNE
2

NOMENKLATURA
● Uglavnom se koriste trivijalni nazivi.
● Neke prirodne aminokiseline predstavljene
Fisher–ovom projekcionom formulom:
N H 2
COOH
R
R ostatak Ime Kôd od 3
slova
Kôd od 1
slova
H glicin Gly G
CH 3 alanin Ala A
C 6 H 5 CH 2 fenilalanin Phe F
H
DOBIJANJE α-AMINOKISELINA
● Direktna amonoliza
3
● Gabriel–ova sinteza
O
O
N
kalijum-ftalimid
- +
K
● Strecker–ova sinteza
O
CH 3
CH
NH 3
-H 2
O
Cl CH 2
COOC 2
H 5 +
N CH 2
COOC 2
H 5
etil-hloracetat
O
HCl, H 2
O
CH 2
COOH
- +
Cl NH 3
+ ftalna kiselina
ukupan prinos 89%
NH
CH 3
CH
imin
O
glicin-hidrohlorid
+
NH 2
NH 3
HCN H + , H 2
O
H 3
C C CN
-
H 3
C C COO
∆
H
H
( + - )-2-aminopropanonitril ( + - )-2-aminopropanska k.
(alanin)
prinos 55%
4
Br 2
, P
CH 3
CH 2
COOH CH 3
CHCOOH CH 3
CHCOO
-
Br
NH 3
, višak
+
NH 3
prinos 70%
alanin
DOBIJANJE β-AMINOKISELINA
● Adicija NH 3 na α,β-nezasićene kiseline
RCH=CHCOOH
NH 3
+
RCHCH 2
COO
-
NH 3

REAKCIJE AMINOKISELINA
KISELOST I BAZNOST
● Aminokiseline sadrže karboksilnu i amino funkciju,
spadaju u AMFOTERNA jedinjenja, tj. i kisele su i
bazne.
● U čvrstom stanju postoje u obliku cviterjona
(dipolarni–jon), kao posledica intramolekulskog
protonovanja amino grupe od strane karboksilne:
RCHCOOH
NH 2
-
RCHCOO
+
NH 3
cviter jon
(dipolarni-jon)
● Ovakav AMONIJUM–KARBOKSILATNI oblik je
favorizovan zbog toga što je amonijum-jon znatno
manje kiseo (pK a ̴ 10–11) od karboksilne kiseline
(pK a ̴ 2–5).
● Veoma polarna priroda CVITERJONSKE strukture
omogućava aminokiselinama da formiraju posebno
jake kristalne rešetke.
5
● Za razliku od amina i karboksilnih kiselina,
aminokiseline su neisparljive kristalne supstance
koje se tope uz razgradnje pri visokim
temperaturama.
● Nerastvorne su u nepolarnim rastvaračima
(petroletar, benzen, etar), a rastvorne u vodi.
Šta se dešava u vodenom rastvoru
● Struktura aminokiselina u vodenom rastvoru zavisi
od pH.
● Razmotrimo, na primer, slučaj glicina.
+
CH 2
COOH
NH 3
protonovana
amonijum-karboksilna
kiselina
dominira na pH < 1
H +
-
OH OH -
+
CH 2
COO
-
NH 3
dipolarni jon
H +
CH 2
COO
-
NH 2
2-aminokaroksilatni jon
dominira na pH ~ 6 dominira na pH > 13
● Ove forme meñusobno se izmenjuju kiselobaznim
uravnotežavanjem.
6

● Za glicin su poznate sledeće vrednosti pKa
funkcionalnih grupa:
pK a pK a
α-COOH α- + NH 3
2,4 9,8
● Prva pK a (2,4) odnosi se na ravnotežu:
+
CH 2
COOH + H CH 2
COO
-
2
O + H
+
3
O
NH 3
kiselina
pK a
= 2,4
+
NH 3
● Zapazite da je ova pK a više od dve jedinice manja
nego kod običnih karboksilnih kiselina (pK a
CH 3 COOH = 4,7). Ovo je posledica elektronprivlačnog
efekta protonovane amino grupe.
● Druga pK a (9,8) odnosi se na ravnotežu:
+
CH 2
COO - + H CH 2
COO
-
2
O + H
+
3
O
NH 3
kiselina
pK a
= 9,8
K 1
= [H 3 O+ ][ + H 3
NCH 2
COO - ]
[ + H 3
NCH 2
COOH]
NH 2
K 2
= [H 3 O+ ][H 2
NCH 2
COO - ]
[ + H 3
NCH 2
COO - ]
= 10 -2,4
= 10 -9,8
7
Izoelektrična tačka
● Rastvaranjem slobodnih aminokiselina u vodi,
dolazi do uspostavljanja ravnoteže izmeñu slabo
kisele NH 3 + grupe, slabo bazne COO – grupe i H +
jona iz vode, a pH vrednost na kojoj dolazi do
uspostavljanja ove ravnoteže naziva se
izoelektrična tačka (pI).
● Pri ovoj vrednosti pH:
količina protonovane amino kiseline
jednaka je količini deprotonovane
najveća je koncentracija neutralnog
dipolarnog-jona
amino kiselina ima najmanju rastvorljivost
(najbolje je taloženje)
● pI je srednja vrednost dve pK a vrednosti
aminokiseline.
● Za glicin je to (2,4 + 9,8)/2 = 6,1
pI je različito za različite aminokiseline!
8

Sa kiselinama i bazama daju soli
-
RCHCOO
+ NH 3
HCl
NaOH
● U zavisnosti od toga da li želimo da izvodimo
reakcije na –COOH ili –NH 2 grupi, podešavanjem
reakcionih uslova aminokiseline iz dipol-jonske
struktire prevodimo prvo u oblik katjona ili anjona.
ESTERIFIKACIJA (reakcija na –COOH grupi)
-
RCHCOO
+ NH 3
H 3
O
+
RCHCOOH
+ NH 3
RCHCOOR'
NH 2
+ R'OH
ACILOVANJE (reakcija na –NH 2 grupi)
-
RCHCOO
OH -
-
RCHCOO + R'COX
9
Cl - OH - - H 3
O +
RCHCOO RCHCOOH
10
PONAŠANJE A.K. PRI ZAGREVANJU
RCHCOOH
+
NH 3
● Stvaranje laktama
(γ- i δ-aminokiseline)
O
-
RCHCOO Na
+
γ β α
∆
RCHCH 2
CH 2
COOH
NH
NH 2
NH 2
R
γ-laktam
δ γ β α
O
∆
RCHCH 2
CH 2
CH 2
COOH
NH
NH 2
RCHCOOR' + H 2
O
R
+ NH 3
δ-laktam
+
NH 3
NH 2
NH
COR'
NH
COR'

OZNAČAVANJE KONFIGURACIJE
ENANTIOMERA
APSOLUTNA konfiguracija: R,S–sistem
(videti stereoizomeriju (OH1), fol. 9–21)
RELATIVNA konfiguracija: D,L–sistem.
Relativna konfiguracija: D,L–sistem
▪ D,L–sistem počiva na hemijskoj korelaciji sa
konfiguracijom (+)-gliceraldehida.
▪ (+)-Gliceraldehid je izabran kao referentni
standard – označen je kao D-gliceraldehid (D se
odnosi na relativni raspored supstituenata).
▪ Drugi
enantiomer je
nazvan L-
gliceraldehid.
▪ Ili prikazano
Fischer-ovom
projekcionom
formulom:
H
H
CHO
C*
CH 2
OH
OH
(+)-gliceraldehid
D-gliceraldehid
CHO
OH
CH 2
OH
D-(+)-gliceraldehid
HOH 2
C
HO
HO
▪ Konfiguracija D-(+)-gliceraldehida:
• OH grupa sa desne strane formule,
CHO
C*
H
(-)-gliceraldehid
L-gliceraldehid
CHO
• aldehidna grupa (supstituent najvišeg
oksidacionog stanja) na vrhu formule.
H
CH 2
OH
L-(-)-gliceraldehid
11
▪ Izvode se hemijske transformacije koje NE
menjaju konfiguraciju streocentra!
Primer 1: Sinteza mlečne k. iz D-(+)-gliceraldehida
CHO
COOH
COOH
COOH
Br 2
PBr 3
Zn, H +
H OH H OH
H OH H OH
CH 2
OH
H 2
O
CH 2
OH
CH 2
Br
CH 3
D-(+)-gliceraldehid D-(-)-glicerinska k. D-(-)-3-brom-
-2-hidroksipropanska k.
D-(-)-mlecna k.
▪ Mada je D-gliceraldehid dekstrotatorni, nema
direktne veze izmeñu znaka zakretanja
polarizovane svetlosti i konfiguracije enantiomera.
▪ Na osnovu odreñene konfiguracije D-(–)-mlečne
k., njen enantiomer L-(+)-mlečna k. je lik u ogledalu:
H
COOH
OH
HO
COOH
CH 3
CH 3
D-(-)-mlecna k. L-(+)-mlecna k.
H
12

Primer 1: Sinteza vinske k. iz D-(+)-gliceraldehida
13
PEPTIDI I PROTEINI
14
H
CHO
OH
CH 2
OH
D-(+)-gliceraldehid
HCN
H
H
HO
H
CN
OH
OH
CH 2
OH
CN
H
OH
CH 2
OH
COOH
COOH
Ba(OH) 2 HNO 3
H OH H OH
H OH
CH 2
OH
H OH
COOH
mezo-vinska k.
COOH
COOH
Ba(OH) 2 HO
H HNO 3
HO
H
H OH H OH
CH 2
OH
COOH
D-(-)-vinska k.
▪ Na osnovu odreñene konfiguracije D-(–)-vinske k.,
njen enantiomer L-(+)-vinska k. je lik u ogledalu:
HO
H
COOH
H
OH
COOH
H
HO
COOH
OH
H
COOH
D-(-)-vinska k. L-(+)-vinska k.
▪ D,L–sistem još uvek zadržan kod šećera i
aminokiselina.
● Naziv PROTEINI potiče od Grčke reči proteios,
što znači PRVI.
● Proteini čine osnovu života, ulaze u sastav svih
živih bića.
● Hemijski, proteini ili belančevine, su prirodni
makromolekuli.
● To su poliamidi izgrañeni od aminokiselina.
● U sastav proteina ulaze α-aminokiseline.
● Osim najjednostavnije aminokiseline, glicina, sve
su optički aktivne i imaju L-konfiguraciju:
• amino grupa sa leve strane Fischer-ove formule,
• COOH grupa na vrhu formule.
+
H 3
N
+
H 3
N
COO
-
R
H
L-aminokiselina
COO
-
H
H
glicin, Gly, G
+
H 3
N
COO
-
CH 3
H
HO
alanin, Ala, A
CHO
H
CH 2
OH
L-glicerinaldehid
+
H 3
N
COO
-
CH 2
H
fenilalanin, Phe, F
esencijalna ak.

PEPTIDI
● Peptidi su amidi dobijeni reakcijom amino-grupa i
karboksilnih grupa aminokiselina.
● Amidna veza, -NHCO-, se ovde zove peptidna
veza.
15
● Predstavljajući polipeptidni niz:
osnovni niz – u njemu se nalaze amidne
(peptidne) veze
bočni nizovi – čine ih supstituenti R (R',
R"...).
16
2n
HN
H
R
C
H
O
C
α-aminokiselina
OH
HN
R
C
H
O
C
NH
peptidna veza
● Peptidi se dele na dipeptide, tripeptide ...
polipeptide.
● Polipeptidi su molekuli sa MM do 10000.
● Proteini su molekuli sa MM preko 10000.
O
+ -
H 3
N CH 2
C NHCH 2
COO
Gly-Gly
glicilglicin
O
dipeptid
+ -
H 3
N CH 2
C NHCHC NHCHCOO
CH 3
O
Gly-Ala-Phe
glicilalanilfenilalanin
tripeptid
R
C
H
CH 2
C 6
H 5
O
C
n
+ 2n H 2
O
N-krajnja ak.
O
+ -
H 3
NCHC
NHCHC NHCHCOO
R
N-kraj
(amino-završetak)
R
O
n
R
C-krajnja ak.
C-kraj
(karboksilni-završetak)
● Za polipeptide je karakteristična sekvenca
(redosled vezivanja) aminokiselinskih ostataka.

Geometrija peptidne veze
N
H
HR
1,32 A
O
o
H
N
o
1,47 A
H
R
O
o
1,24 A
o
1,53 A
● Peptidna veza je na sobnoj t. prilično kruta i
planarna – konjugacija slobodnog el. para atoma N
sa C=O grupom (veoma važno za strukturu
polipeptida).
α
α
C ..
C N H C +
C N H .
O
. _
..
O
C
. . .
. ..
C α
α
I
II
● N–H vodonikov atom je gotovo uvek u trans–
položaju u odnosu na kiseonik karbonilne grupe.
α
α
C
..
C N
H C
..
C N
O C O
α
trans
cis
α
C
● Rotacija oko C–N veze je spora usled njenog
parcijalno dvostrukog karaktera.
● Dužina C–N veze je 1,32 Å, što je kraće od
jednostruke (1,47 Å) i duže od dvostruke (1,27 Å)
C–N veze.
H
17
● Rotacija oko jednostrukih veza u susedstvu
amidne funkcije je slobodna, što omogućava da
polipeptidi zauzmu niz različitih konformacija (mogu
se uvijati na različite načine).
● U većini slučajeva, specifično uvijanje odreñuje
biološku aktivnost; ravni nizovi su uglavnom
neaktivni.
Veze kod proteina
kovalentne veze
kovalentne disulfidne veze
vodonične veze
Vandervalsove sile
elektrostatičke jonske veze
18

Prostorno definisanje belančevina
19
o
1,32 A
20
● Primarna struktura- regulisana kovalentnim
vezama.
● Prostorno definisanje pravilno izgrañenih
fragmenata – sekundarna struktura.
● Prostorno definisanje jedinstvenih
makromolekulskih nizova, uključujući i pravilno i
nepravilno izgrañene fragmente – tercijarna
struktura.
● Prostorno definisanje makromolekulskih sistema,
izgrañenih od više nizova meñusobno povezanih u
agregate nekovalentnim vezama – kvaternerna
struktura.
H O HR
H
121
N
o 125 o N
N
110 o
H R H O H
o
1,47 A
123 o 114 o
123 o 114 o
R
O
o
1,24 A
o
1,53 A