Ак. Аминокислоты 26 (1). Лекция 26 аминокислоты аминокислотами называют бифункциональные производные углеводородов, которые содержат карбоксильную группу
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
1 ЛЕКЦИЯ № 26 АМИНОКИСЛОТЫ Аминокислотами называют бифункциональные производные углеводородов, которые содержат карбоксильную группу COOH и аминогруппу NH 2 . Номенклатура По систематической номенклатуре аминокислоты называют, по соответствующей карбоновой кислоте добавляя приставку амино-. Положение аминогруппы в углеродной цепи указывают цифрой C H COOH C H N H 2 C H 2 C H 3 C H 3 5 4 3 2 1 амином е ти л пентан ова яки слота Подробнее номенклатурные правила для названий аминокислот изложены в пособии Левина И.Ю., Берлянд АС. Номенклатура, классификация и электронное строение химических связей в органических соединениях, раздел 4.3. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе различают α, β, γ итак далее аминокислоты C H 2 C H N H 2 COOH C H 3 C H C H 2 COOH C H 3 N H 2 C H 2 C H 2 COOH C H 2 N H 2 аминомасляная кислота аминомасляная кислота -ам ином аслян ая кислота Все природные аминокислоты содержат аминогруппу только в положении и имеют общую формулу Помимо систематической, для природных аминокислот широко распространена тривиальная номенклатура (аланин, валин, лизин и т.д.). Иногда запись аминокислот осуществляют, используя трёх- буквенные сокращения (Ala, Val , Lys и др. Классификация аминокислот В настоящее время единой классификации аминокислот не существует. Аминокислоты делят на природные (содержатся в растительных и животных организмах) и синтетические – получены искусственным путем. C H R COOH N H 2 2 Организм синтезирует аминокислоты главным образом из пищевых белков. Но есть целая группа аминокислот, которых организм сам синтезировать не может. Эти аминокислоты называют незаменимыми К ним относятся (валин, лейцин, изолейцин, лизин, треонин, метионин, фенилаланин и триптофан Такие аминокислоты должны поступать в организм извне. В настоящее время известно свыше 150 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков. По природе радикала аминокислоты делят на 1. Моноаминомонокарбоновые. Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое H Глицин аминоэтановая Гли Gly Аланин 2-аминопропановая Ала Ala C H 3 C H C Валин 2-амино-3-метил- бутановая Вал Val C H 3 C H C H 3 C Лейцин 2-амино-4-метил- пентановая Лей Leu C H 3 C H 2 C H C Изолейцин 2-амино-3-метил- пентановая Иле Ile 2. Гидроксилсодержащие: Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое C H 2 O Серин 2-амино-3-гидрокси- пропановая Сер Ser C H O H C Треонин 2-амино-3-гидрокси- бутановая Тре Thr C H 2 O Тирозин 2-амино-3-(4-гидро- ксифенил)пропановая Тир Tyr 3 3. Серусодержащие: Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое C Цистеин 2-амино-3-мер- каптопропановая Цис Cys S C H 2 C H 2 C Метионин 2-амино-4-метил- тиобутановая Мет Met 4. Аминокислоты, содержащие в радикале дополнительную аминогруппу или гуанидильный остаток. Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое N H 2 (CH 2 ) 3 C Лизин 2,6-диамино- гексановая Лиз Lys N H (CH 2 ) 2 C H 2 C N H N Аргинин содержит гунидиновую группу) 2-амино-5- гуанидил- пентановая Арг Arg 5. Аминокислоты, которые содержат в радикале дополнительную карбоксильную или амидную группы Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое COOH C Аспарагиновая 2-аминобутан- диовая Асп Asp COOH C H 2 C Глутаминовая 2-аминопентан- диовая Глу Glu C H 2 C O N Аспарагин 2-амино-3- карбоксамидо- пропановая Асн Asn C H 2 C O N H 2 C Глутамин 2-амино-4- карбоксамидо- бутановая Глн Gln 4 6. Ароматические и гетероциклические аминокислоты Строение радикала кислоты R Название Условное обозначение Тривиальное Cистематическое C Фенилаланин 2-амино-3-фенил- пропановая Фен Phe C Триптофан 2-амино-3-индол- илпропановая Три Trp C Гистидин (иминокислота) 2-амино-3-имидо- золилпропановая Гис His Пролин полная форма) пирролидин- карбоновая Про Pro Современная рациональная классификация основана на полярности радикалов. Полярность радикала во многом определяет такое важное свойство аминокислот как растворимость вводе ив других полярных растворителях. Полярные группы радикала (COOH, NH 2 , OH и др) притягивают воду и тем самым повышают растворимость аминокислот вводе, неполярные радикалы, наоборот, отталкивают воду и снижают растворимость аминокислот вводе. Стереоизомерия аминокислот Все природные аминокислоты, кроме глицина (NH 2 CH 2 COOH), имеют асимметрический атом углерода (углеродный атома некоторые из них даже два хиральных центра, например, треонин. Таким образом, все аминокислоты могут существовать в виде пары несовместимых зеркальных антиподов (энантиомеров. За исходное соединение, с которым принято сравнивать строение аминокислот, условно принимают D- и молочные кислоты, конфигурации которых, в свою очередь, установлены пои глицериновым альдегидам. C O H CH 2 OH O H H COOH C H 3 O H H COOH R N H 2 H D глицериновый альдегид молочная кислота аминокислота ряда глицериновый альдегид молочная кислота аминокислота ряда Все превращения, которые осуществляются в этих рядах при переходе от глицеринового альдегида к аминокислоте, выполняются в соответствии с главным требованием они не создают новых и не разрывают старых связей у асимметрического центра. Для определения конфигурации аминокислоты в качестве эталона часто используют серин (иногда аланин. Конфигурации их также выведены из D- и L- глицериновых альдегидов COOH CH 2 OH H N H 2 COOH CH 2 OH N H 2 H COOH C H 3 H N H 2 COOH C H 3 N серин -серин L-аланин D -аланин Природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся кряду. формы аминокислот встречаются сравнительно редко, они синтезируются только микроорганизмами и называются «неприродными» аминокислотами. Животными организмами аминокислоты не усваиваются. Интересно отметить действие D- и аминокислот на вкусовые рецепторы большинство аминокислот ряда имеют сладкий вкуса аминокислоты ряда горькие или безвкусные. Безучастия ферментов самопроизвольный переход изомеров в изомеры с образованием эквимолярной смеси (рацемическая смесь) осуществляется в течение достаточно длительного промежутка времени. Рацемизация каждой кислоты приданной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возраста людей и животных. Так, например, в твердой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год. В период формирования зубов в дентине содержится только изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст человека или животного. Физические свойства аминокислот Хотя аминокислоты обычно изображают как соединения, содержащие амино- и карбоксильную группы (H 2 N CHR COOH), некоторые их свойства, как физические, таки химические, не согласуются с этой структурой. Присутствие в молекуле у одного атома углерода двух функциональных групп приводит к появлению ряда специфических свойств. Во-первых, в противоположность аминами карбоновым кислотам аминокислоты представляют собой нелетучие кристаллические вещества, 6 плавящиеся с разложением при близких и довольно высоких температурах, поэтому идентификации аминокислот по температурам плавления достаточно затруднительна. Во-вторых, аминокислоты очень плохо растворимы в неполярных растворителях типа петролейного эфира, диэтилового эфира, бензола и хорошо растворимы вводе. В-третьих, вводных растворах аминокислоты имеют высокие дипольные моменты. В-четвертых, константы кислотности и основности для групп СООН и необычайно малы. Так, для глицина константа кислотности K a = 1,610 10 , а константа основности K b = 2,510 12 ; в то время как для большинства карбоновых кислота для алифатических аминов K b Все эти свойства вполне объяснимы,если принять во внимание тот факт, что аминокислоты существуют в виде диполярного иона, который образуется за счет отщепления протона от карбоксильной группы и присоединения его к аминогруппе. Диполярный ион часто называют внутренней солью. C H N H 2 COOH R C внутренняя соль (диполярны й ион I) Кислотно-основные свойства также становятся понятными, если учесть, что измеряемая K a в действительности относится к кислотности иона RNH 3 + : R C H NH 3 + COO + H 2 O H 3 O + + R C H N кислота основание сопряженное основание сопряженная кислота а константа основности (K b ) в действительности относится к основности карбоксилат-иона. R C H NH 3 + COO + H 2 O + O кислота основание сопряженное основание сопряженная кислота При подщелачивании раствора аминокислоты диполярный ион I превращается в анион II, так как более сильное основание (гидроксильный ион) отрывает протон от иона аммония и образуется более слабое основание амин. R C более сильное основание более сильная кислота (более слабая кислота более слабое основание анион Если подкислить раствор аминокислоты, ион I превратится в катион III, так как более сильная кислота НО отдает протон карбоксилат-иону и образуется более слабая кислота R C более сильная кислота более сильное основание (более слабое основание более слабая кислота катион Необходимо отметить, что ионы II и Ш, содержащие свободную аминогруппу или свободную карбоксильную группу, находятся в равновесии с диполярным ионом R C H NH 3 + COOH R C H NH 3 + COO R C H N Однако следует иметь ввиду, что в данном равновесии участвует также определенное (хотя и небольшое) количество незаряженных молекул аминокислот. Изоэлектрическая точка аминокислот Мы рассмотрели превращение в кислой и щелочной средах моноаминомонокарбоновых кислот, в радикалах которых не содержится ионогенных групп (аминокислоты с недиссоциирующими радикалами. Изменение суммарного заряда аминокислот с анионными и катионными группами в радикале, в зависимости от рН среды, можно представить в следующей таблице. Для сравнения в эту же таблицу поместим аминокислоты, в радикале которых нет диссоциирующих групп. В сильнокислом растворе имеется значительный избыток катионов, а в сильно щелочном избыток анионов. Если раствор аминокислоты поместить в электрическое полетов зависимости от активной реакции среды будет наблюдаться следующая картина в кислой среде ион аминокислоты мигрирует к катоду, а в щелочной к аноду. Если при определенном рН среды концентрация катионов станет равной концентрации анионов, то никакого движения аминокислоты происходить не будет. Концентрация ионов водорода (pH), при которой аминокислота не перемещается в электрическом поле, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты (р. Изоэлектрическая точка аминокислоты зависит от кислотности группы NH 3 + , основности карбоксилат-аниона, природы радикала и присутствия в молекуле кислоты любой дополнительной основной или кислотной группы. При pH ≠ pI в растворе присутствует равновесная смесь диполярного иона и катионной или анионной формы, что в некоторых случаях может привести к появлению у растворов аминокислот буферных свойств (подробнее см. учебное 8 пособие Общая химия, часть III» под редакцией профессора АС. Берлянда, глава Буферные системы. Значительной буферной ёмкостью в интервале физиологических значений рН, (те. в интервале 6-8) обладает только гистидин. Отметим лишь, что при pH = pI растворы аминокислот буферного действия не проявляют. При пропускании постоянного тока через раствор, содержащий смесь нескольких аминокислот, каждая из них будет двигаться к катоду или к аноду со скоростью, зависящей от природы этой аминокислоты и от рН среды. Разделение и анализ смесей аминокислот, основанное на этом явлении, называется электрофорезом. Химические свойства аминокислот Амфотерность аминокислот Наличие в молекуле аминокислоты функциональных групп кислотного и основного характера обусловливает амфотерность аминокислот. Подобно любому амфотерному соединению, аминокислоты образуют соли как при действии кислоты, таки при действии щелочи. R C H NH 3 + COO N aO H H C l R C H NH 3 + COONa O H H 2 O R C H N H 2 COONa R C H NH 3 + COOH C натриевая соль глицина гидрохлорид глицина Аминокислоты, будучи гетерофункциональными соединениями, должны проявлять свойства как одной, таки другой функциональной группы. Реакции карбоксильной группы 1. Образование внутрикомплексных солей С катионами тяжелых металлов аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Так, со свежеприготовленным гидроксидом меди (II) аминокислоты образуют хорошо кристаллизующиеся хелатные соли меди (II), окрашенные в синий цвет C H 2 N H 2 C O O H Cu O H O H C H 2 N H 2 C O O H + + C H 2 N H 2 C O O Cu C H 2 N медная соль глицина. Образование сложных эфиров. Так как реакция этерификации протекает в кислой среде, сложные эфиры аминокислот образуются в виде солей по аминогруппе 9 R C H N H 2 COOH + R 'O H H C l R C H NH 3 + COOR' C l + Образовавшиеся эфиры не могут существовать в виде биполярных ионов, поэтому, в отличие от исходных аминокислот, они растворяются в органических растворителях и имеют более низкие температуры кипения. Это даёт возможность разделить смесь эфиров аминокислот перегонкой. 3. Образование хлорангидридов. Эту реакцию часто называют реакцией активации карбоксильной группы. Хлорангидриды аминокислот получают действием на аминокислоты тионилхлорида (SOCl 2 ) или хлорида фосфора (V) (PCl 5 ). Полученные хлорангидриды неустойчивы и существуют только в виде солей R C H N H 2 COOH + P C l 5 R C H NH 3 + C O C l C l + P O C Поэтому реакцию обычно проводят, предварительно защитив аминогруппу ацилированием. 4. Образование амидов аминокислот. Такие амиды получают действием аммиака или первичных аминов на хлорангидриды с защищённой аминогруппой. В случае использования реакции с аминами получают замещённые по азоту амиды аминокислот R C H N H C C C H 3 O O C l + R 'N H 2 R C H N H C C C H 3 O O N H R' 5. Декарбоксилирование аминокислот. В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании аминокислоты с Ba(OH) 2 . В результате получается первичный амин H N H 2 COOH t 0 C , B a(O H ) 2 R C H 2 N H 2 + B a C O 3 + Все реакции карбоксильной группы аминокислот можно представить следующей схемой 10 R C H N H 2 COOH N a O H R C H N H 2 COONa C H 3 O H , H C l R C H NH 3 + C O OCH 3 C l P C l 5 R C H NH 3 + C O C l C l t 0 C , B a(O H ) 2 R C H 2 N H 2 C u (O H ) 2 C H 2 N H 2 C O O Cu C H 2 N Реакции аминогруппы 1. Реакция ацилирования. Образование N-замещённых амидов. замещенные амиды часто рассматривают как ацильные производные. Эта реакция была отмечена ранее как реакция защиты аминогруппы. Её можно рассматривать как процесс ацилирования аминогруппы хлорангидридами или ангидридами кислот C H 3 C O C l R C H N H 2 COOH + R C H N H COOH C O C H 3 N -ацильное производное Реакция протекает лучше в щелочной среде. Примером может служить получение N-бензоилаланина в присутствии водного раствора гидроксида натрия. Этот метод получения ацильных производных называют ацилированием по Шоттен-Бауману: C H 3 C H N H 2 COOH C O C l + O H C l C H 3 C H N аланин бензоилхлорид -бензоилаланин 11 Щёлочь необходима для связывания выделяющегося хлороводорода, т.к. в кислой среде ацильные производные легко гидролизуются, освобождая исходную аминокислоту R C H N H COOH C O H 2 O , H + R C Это общепринятый способ удаления защитной группы. Однако в некоторых случаях невозможно удалять защитную группу гидролизом в кислой среде. Например, при гидролизе пептидов будет разрушаться пептидная связь. В этих случаях защиту проводят такими реагентами, удаление которых можно провести не гидролизом, а каким-либо другим методом. Например, аминогруппу можно защищать реакцией с карбобензоксихлоридом (бензиловый эфир хлормуравьиной кислоты. Карбобензоксигруппа удаляется затем каталитическим гидрогенолизом: C H 3 C H N H 2 COOH C H 2 O C O C l + + C H 3 C H N H COOH C O O C H 2 H 2 /P d R C H N H 2 COOH + C H 3 + C O 2 H C l 2. Алкилирование аминокислот. Аминокислоты можно алкилировать по аминогруппе галоидными алкилами обычно иодистыми алкилами. Например, алкилированием глицина можно получить метиламиноуксусную кислоту саркозин, которая в связанном виде содержится в некоторых белках. C H 2 N H 2 COOH C H 2 N H COOH C H 3 C H 3 I При избытке иодистого метила образуется четвертичная аммонийная соль C H 2 N H 2 COOH 3C H 3 I C H 2 (H 3 C) 3 N + COOH 12 3. Действие азотистой кислоты (дезаминирование in vitro). Реакция протекает также, как и при взаимодействии с азотистой кислотой алифатических первичных аминов выделяется азота аминогруппа замещается на гидроксильную группу C H 2 N H 2 COOH + H N O 2 C H 2 O H COOH + N 2 + глицин гликолевая кислота Таким образом можно установить структурное родство аминокислот с соответствующими оксикислотами. По объёму выделившегося азота определяют количество аминокислоты, вступившей в реакцию (метод Ван-Слайка). 4. Взаимодействие с альдегидами. Аминокислоты, подобно первичным аминам, реагируют с альдегидами, образуя замещенные имины (основания Шиффа). Реакция протекает через стадию образования карбиноламинов. R C H N H 2 COOH C H 3 C O H + R C H N H COOH C H C H 3 O H R C H N COOH C H C карбин олам и н основание Ш и ф фа При взаимодействии аминокислот с формальдегидом образуются относительно устойчивые карбиноламины N-метилольные производные, свободная карбоксильная группа которых может быть оттитрована щелочью. Формальдегид, взятый в избытке, способствует отщеплению протона от группы биполярного иона и легко соединяется со свободной (непротонированной) аминогруппой, образуя устойчивое метилольное производное. R C H N H 2 COOH + H H C O R C H N H COOH CH 2 OH N -м етилольное производное Титрование аминокислоты в избытке формальдегида (формольное титрование) представляет собой аналитический метод (метод Серенсена), при помощи которого прослеживается, в частности, образование свободных аминокислот в процессе гидролиза белков. 5. Взаимодейстивие с динитрофторбензолом (ДНФБ). Важной реакцией аминогруппы является её реакция с 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ) в слабощелочном растворе, которую впервые использовал Фредерик Сенгер для количественного введения метки в аминогруппы аминокислот и пептидов. Эта реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения. 13 N H 2 C H COOH R + O 2 N O 2 N F H F O 2 N O 2 N N H C H COOH R O Продукт реакции окрашен в интенсивно желтый цвет. Эта реакция представляет исключительную ценность для идентификации концевых аминокислот полипептидных цепей. Все вышеперечисленные реакции аминогруппы аминокислот можно представить следующей схемой R C H N H 2 COOH H C l R C H N H COOH C R' O C H 3 I R' C O C l R C H NH 3 + COOH C l C H 2 O C O C l R C H N H COOH C H 3 R C H O H COOH R' C O H H N O 2 R C H N COOH C H R O 2 N O 2 N F C H COOH R N H NO 2 NO 2 C H 3 C H COOH N H C O O C Реакции функциональных групп, содержащихся в радикалах аминокислот Аминокислоты вступают также в реакции, типичные для функциональных групп, присутствующих в их радикалах. Например, для групп цистеина, гидроксильной группы тирозина и треонина, гуанидиновой группы аргинина. 1. Реакции сульфгидрильной (тиоловой) группы. 14 Для сульфгидрильной группы характерна исключительно высокая реакционная способность. Например, при действии на цистеин незначительных концентраций ионов некоторых тяжелых металлов образуются меркаптиды. S H C H 2 C H N H 2 COOH S C H 2 C H N H 2 COOH A g A В щелочных растворах цистеин легко теряет атом серы. Так, при нагревании цистеина с ацетатом свинца в щелочном растворе образуется черный осадок сульфида свинца. Эта реакция применяется для обнаружения сульфгидрильной группы в пептидах и белках. Тиоловая группа цистеина легко подвергается окислению с образованием дисульфида. Этот процесс можно отразить следующей схемой S дисульфидная связь Дисульфидные связи, присоединяя два атома водорода, переходят в сульфгидрильные (тиоловые) группы S S + 2 Рассмотрим этот процесс на примере превращения цистеина в цистин S C H 2 C H N H 2 COOH H S C H 2 C H N H 2 HOOC H + H S C H 2 C H N H 2 HOOC S C H 2 C H N цистеин цистин В цистине при действии восстановителей дисульфидная связь разрывается и образуется две молекулы цистеина 2 H S C H 2 C H N H 2 COOH S C H 2 C H N H 2 COOH S H C H 2 C H N Дисульфидная связь может также подвергаться окислению под действием таких жестких окислителей, как, например, надмуравьиная кислота. В результате образуется цистеиновая кислота 15 H C O O O H S C H 2 C H N H 2 COOH S C H 2 C H N H 2 COOH SO 3 H C H 2 C H N цистеин о вая кислота. Реакции гидроксильной группы – реакции элиминирования. Эти реакции характерны для аминокислот, содержащих в радикале гидроксильную группу в положении по отношению к карбоксильной группе серин и треонин. В результате ряда последовательных реакций аминокислота превращается в кетокислоту. Рассмотрим этот процесс на примере превращения треонина в 2- оксобутановую кислоту. C H 3 C H C H N H 2 COOH O H H 2 O C H 3 C H C N изомеризация ими но кислота непредельная аминокислота -о ксо бутан о вая кислота. Реакции гуанидильной группы. Гуанидильная группа содержится в радикале аргинина N H (CH 2 ) 3 C H C N H N H 2 COOH N H 2 гуан иди л ьн ая группа аргинин Гуанидильная группа аргинина легко отщепляется при гидролизе в избытке гидроксида бария при 100 С с образованием мочевины и орнитина N H (CH 2 ) 3 C H C N H N H 2 COOH N аргинин орнитин мочевина, содержащая в радикале вторую аминогруппу, в состав белков не входит. Появляется в организме в результате гидролитического расщепления аргинина с участием фермента аргиназы. Аргиназа в значительных 16 количествах содержится в печении в малых количествах в почках и селезенке млекопитающих животных. Специфические реакции аминокислот Присутствие у одного атома углерода двух функциональных групп аминогруппы и карбоксильной) приводит к появлению специфических реакций. 1. Образование пептидов реакция ацилирования одной аминокислоты другой аминокислотой O H C O C H C H 3 N H 2 O H C O C H C H 3 N H H H 2 O C O C H C H 3 N H 2 COOH C H C H 3 N дипептида л а -а л а Затем дипептид присоединяет следующую молекулу аминокислоты, образуя трипептид, итак далее C O C H C H 3 N H 2 C O C H C H 3 N H O H C O C H C H N H C H 3 C H 3 C O C H C H 3 N H 2 O H C O C H C H 3 N H O H C O C H C H N H H C H 3 C три пептида л а -а лава л ) 2. Межмолекулярная циклизация образование дикетопиперазинов. При отщеплении двух молекул воды от двух молекул аминокислот образуется циклический дипептид дикетопиперазин: C H N H C O O H C H 3 H C H N H C O O H C H 3 H t 0 C H 2 O C H N H C O C H 3 C H N H C O C д и ке топи пера зи н Реакции аминокислот in vivo Простые аминокислоты, как и многие другие простые биологические молекулы, не накапливаются в клетке как правило, их избыток разрушается при 17 помощи реакций, которые снабжают живую систему энергией. Три основные реакции, катализируемые ферментами, благодаря которым осуществляется превращение аминокислот в клетке, это реакции дезаминирования, переаминирования и декарбоксилирования. 1. Дезаминирование аминокислот В организме дезаминирование может осуществляться как неокислительным, таки окислительным путём. Неокислительное дезаминированиевстречается, в основному бактерий и грибов. Например, превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую под действием фермента аспартазы. COOH C H 2 C H HOOC N аспарагиновая кислота асп ар таза HOOC COOH C C H H ф ум аровая кислота Окислительное дезаминирование протекает при участии фермента оксидазы. Для того чтобы полностью прошла реакция окислительного дезаминирования, фермент, катализирующий эту реакцию, нуждается в окислительном (дегидрирующем) агенте. Обычно акцептором водорода в таких системах служит ФАД (флавинадениндинуклеотид), который затем переходит в восстановленную форму, сокращённо обозначаемую ФАД-Н 2 Окислительное дезаминирование осуществляется через стадию образования промежуточного имина. Рассмотрим процесс превращения аланина в пировиноградную кислоту. C H 3 C H COOH N оксидаза Реакции дезаминирования позволяют организму удалять избыток аминокислот, однако при этом повышается концентрация нежелательных азотистых веществ. Высокие концентрации аммиака и его производных токсичны для организма, который поэтому стремится освободиться от них, выделяя лишний азот в виде мочевины или мочевой кислоты. N H N H N H N H O O O N мочевина мочевая кислота Мочевая кислота образуется в организме взрослого человека в качестве побочного продукта. Высокое содержание мочевой кислоты приводит к мочекаменной болезни. Мочевая кислота в виде кристаллов мононатриевой соли 18 образует камни в почках ив мочевом пузыре. Соли мочевой кислоты в суставах вызывают болезненные симптомы подагры очень широко распространенного заболевания человека. Содержание мочевой кислоты и её солей в организме человека может представлять интерес сточки зрения эволюционной теории, поскольку большинство животных полностью разлагают мочевую кислоту до её выделения из организма. Было высказано предположение о том, что присутствие мочевой кислоты в организме человека предоставляет людям некоторое эволюционное преимущество. Эта гипотеза ещё не доказана, но она может быть интересным связующим звеном между биохимическими свойствами вещества и поведением живых организмов. 2. Переаминирование (трансамнирование). Реакция сводится к взаимопревращению аминогруппы и карбонильной группы под действием ферментов трансаминаз. Эта реакция служит не только для разрушения аминокислот, но и для их биосинтеза. Рассмотрим реакцию взаимопревращения аспарагиновой кислоты и α- кетоглутаровой в щавелевоуксусную и глутаминовую кислоты HOOC C H 2 C H COOH N H 2 C H 2 C H 2 C HOOC O COOH + HOOC C H 2 C COOH O C H 2 C H 2 C H HOOC N Эта схема не отражает истинного механизма процесса. Данное взаимопревращение нуждается в пиридоксальфосфате, который образует имин с исходной аминокислотой, сохраняет аминогруппу при превращении аминокислоты в соответствующую кетокислоту и образует имин с другой кетокислотой. Рассмотрим процесс превращения аминокислоты I в кетокислоту I и кетокислоты II в аминокислоту II. Альдегидная группа пиридоксальфосфата образует имин с аминокислотой I, имин далее изомеризуется и после гидролиза выделяет кетокислоту I и пиридоксаминфосфат. 19 R C H COOH N H 2 + N C O O H C H 2 O C H 3 H P O H O аминокислота пир и док с а л ьф ос фат пир и док сами н фосфат кетокислота Таким образом, из исходной аминокислоты получилась кетокислота. Образовавшийся пиридоксаминфосфат далее реагирует с другой кетокислотой кетокислота II), образуя имин, содержащий радикал новой кетокислоты (R). Имин далее изомеризуется и после гидролиза образует новую аминокислоту аминокислота II): N C H 2 N H 2 O H CH 2 OPO 3 H 2 C H 3 R' C COOH O + -кетокислота пир и док сами н фосфат гидролиза мин о кислота ими н , содержащий радикал пир и док с а л ьф ос фат изомерный ими н По завершении всей сложной последовательности реакций, после гидролиза пиридоксальфосфат регенерируется и способен принять участие в следующих взаимопревращениях аминокислот и кетокислот. Как своеобразную реакцию взаимопревращения аминокислоты и амидоаминокислоты, сопровождающуюся заменой амидогруппы одной аминокислоты на гидроксильную группу другой, можно рассматривать реакцию взаимодействия аспарагиновой кислоты и глутамина, катализируемую 20 аспарагинсинтетазой в присутствии АТФ, и приводящую к образованию аспарагина и глутаминовой кислоты. аспарагиновая кислота утам и н + COOH H N H 2 CONH 2 H H + COOH H N H 2 H H COOH H H L-асп ар аги н L-гл ута мин о ва яки слота. Декарбоксилирование аминокислот. Декарбоксилирование in vivo это путь образования биогенных аминов. В организме эта реакция катализируется ферментами декарбоксилазами. Некоторые амины обладают ярко выраженной биологической активностью. Интересной, например, является реакция образование дофамина при декарбоксилировании диоксифенилаланина, поскольку дофамин это биологический предшественник адреналина. C H 2 C H N д и окси фенилаланин декарбо ксилаза C H 2 C H 2 N дофамин В реакции декарбоксилирования, которая протекает при гниении белков, лизин и орнитин, образуют диамины кадаверин и путресцин. C H C H 2 C H 2 C H 2 COOH C H 2 N H 2 N H 2 C O 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 N H 2 N лизин кадаверин орнитин путресцин H 2 C H 2 N H 2 C H C H 2 COOH N H 2 C H 2 C H 2 N H 2 C H 2 C H 2 N Интересной является реакция декарбоксилирования глутаминовой кислоты, так как она приводит к образованию аминомасляной кислоты, которую рассматривают как природный транквилизатор. Этот процесс также нуждается в присутствии пиридоксальфосфата. C H C H 2 C H 2 COOH HOOC N H 2 -декарбоксилаза C глутаминовая кислота H 2 C H 2 C аминомасляная кислота Ярко выраженной биологической активностью обладает амин, образующийся при декарбоксилировании гистидина 21 C H 2 N N H C H N H 2 COOH C O 2 C H 2 N N H C H 2 N гистидин гистамин Гистамин является медиатором аллергии он расширяет все периферические сосуды, что приводит к резкому падению артериального давления, нарушает проницаемость сосудистой стенки, что может быть одной из причин появления отеков, вызывает бронхоспазм и.т.д. Группа препаратов, применяемых в медицине для уменьшения проявления аллергических реакций, так или иначе связанных с гистамином, была названа антигистаминными препаратами 4. Реакции гидроксилирования и карбоксилирования. С помощью этих реакций в молекулу органического соединения вводится дополнительная гидроксильная или карбоксильная группы. Реакции протекают при участии соответствующих ферментов и приводят к образованию модифицированных аминокислот. Эти реакции не имеют аналогов в химии in vitro. Гидроксилированием называют введение в молекулу органического соединения гидроксильной группы. Так, гидроксилирование фенилаланина приводит к образованию тирозина C H 2 C H N H 2 COOH C H 2 C H N фенилаланин тирозин Отсутствие в организме фермента, катализирующего эту реакцию, приводит к тяжелому заболеванию фенилкетонурии. Значительный интерес представляет реакция гидроксилирования пролина пролин гидр о кси пролин Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, которая осуществляется за счет образования водородных связей. При цинге нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате образуются менее прочные коллагеновые волокна, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов. Карбоксилированием называютвведение в молекулу органического соединения карбоксильной группы. Таким образом получают, например, γ-карбоксиглутаминовую кислоту 22 C H C H 2 C H 2 COOH HOOC N глутаминовая кислота карбоксилирование H 2 COOH -карбоксиглутам иновая кислота кислота входит в состав белков, участвующих в процессах свертывания крови, так как две близлежащие карбоксильные группы в её структуре способствуют более полному связыванию белковых факторов с ионами кальция C H C H 2 C H COOH HOOC N H 2 COOH C a 2 + C H C H 2 C H C HOOC N H 2 C O O O O C Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свертываемости крови. Таким образом, модифицированные аминокислоты, имеющие в своих структурах дополнительные функциональные группы, приобретают свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций. 5. Восстановительное аминирование. Это реакция превращения кетокислот в аминокислоты осуществляется в организме при участии восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАД∙Н). Так, продуктом метаболизма углеводов является α-кетоглутаровая кислота, которая в результате ряда реакций превращается в глутаминовую кислоту C C H 2 C H 2 COOH HOOC O H 2 O H 3 C C H 2 C H 2 COOH HOOC N им инокислота Н АД глутаминовая кислота -кетоглутаровая кислота. Альдольное расщепление. Реакция протекает с аминокислотами, содержащими гидроксильную группу в положении углеводородного радикала. Рассмотрим, например, реакцию расщепления серина, в результате которой образуются глицин и формальдегид. 23 C H 2 C H COOH N H 2 O H C H 2 COOH N серин глицин формальдегид В результате этой реакции расщепляется С-С связь между α- и углеродными атомами. Образующийся формальдегид не выделяется, а связывается с другим коферментом тетрагидрофолиевой кислотой ив качестве одноуглеродного фрагмента участвует далее в синтезе многих важных соединений. ПЕПТИДЫ Полипептиды образуются в результате реакции конденсации, протекающей между аминогруппой одной кислоты и карбоксильной группой другой O H C O C H N H 2 R O H C O C H N H H R' H 2 O C O C H R N H 2 COOH C H N пептидная связь Пептид, образованный двумя аминокислотами, называется дипептид, тремя трипептид и.т.д. Количество аминокислот в составе пептидов может сильно варьировать. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называют олигопептидами. Часто в названии таких молекул указывают число аминокислот, входящих в состав данного олигопетида: дипептид, трипептид, тетрапептид, октапептид и.т.д. Пептиды, содержащие более 10 аминокислот, называют полипептидами. А полипептиды, содержащие более 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Однако такие градации весьма условны например, гормон глюкагон, состоящий из 29 аминокислот, называют белковым гормоном. Гормоны окситоцин и вазопрессин содержат всего по 9 аминокислотных остатков. Поэтому более удачным следует считать различие, проводимое на уровне структуры полимера, более сложном, чем простая аминокислотная последовательность и количественный состав пептида. Полипептиды представляют собой линейные, довольно гибкие молекулы, а длинные цепи белков свернуты в клубок или иную структуру. Многие белки могут иметь в своем составе группы небелкового характера (простетические группы, связанные с полиамидной цепью. Пептиды различаются по аминокислотному составу, количеству и порядку соединения аминокислот. Например, тетрапептиды сер-гис-про-ала и ала-гис-про- сер это два разных пептида, несмотря на то, что они имеют одинаковый качественный и количественный состав. Строение полипептидной цепи и пептидной связи Мономеры аминокислот, входящие в состав полипептидов, называют аминокислотными остатками Аминокислотный остаток, имеющий свободную аминогруппу, называют концевыми записывают слева пептидной цепи, а 24 имеющий свободную карбоксильную группу – С-концевым, и записывают справа. Цепь повторяющихся атомов –СН – СО – NH– в полипетидной цепи называется пептидным остовом. Полипептидная цепь имеет следующий общий вид C O C H R 1 N H 2 C C H N H R 2 C H R 3 N H O C O COOH C H N H Rn пептидный остов С -конец -конец где R 1 , R 2 , R 3 , … R n – радикалы аминокислот, образующие боковую цепь. Hоменклатура пептидов При названии полипептида к названию всех аминокислотных остатков, кроме последнего, добавляют суффикс -ил, концевая аминокислота имеет окончание -ин. Например, пептид мет-асп-вал-про имеет полное название метиониласпарагилвалилпролин. Кислотно-основные свойства пептидов Многие короткие пептиды были получены в чистом кристаллическом виде. Высокие температуры их плавления указывают на то, что из нейтральных растворов пептиды кристаллизуются в виде диполярных ионов. Поскольку ни одна из карбоксильных групп и ни одна из аминогрупп, участвующих в образовании пептидных связей, не может ионизироваться в интервале рН от 0 до 14, кислотно- основные свойства пептидов определяются свободной NH 2 группой концевого остатка и свободной карбоксильной группой С-концевого остатка пептида и теми группами, которые способны к ионизации. В длинных пептидных цепях число ионизированных групп обычно велико по сравнению с двумя ионизированными группами концевых остатков пептида. Поэтому для характеристики кислотно-основных свойств пептидов мы будем рассматривать короткие пептиды. Свободная аминогруппа и свободная концевая карбоксильная группа в пептидах разделены значительно большим расстоянием, чем в простых аминокислотах, и поэтому электростатические взаимодействия между ними ослаблены. Величины р для концевых карбоксильных групп в пептидах несколько выше, а для концевых аминогрупп несколько ниже, чем в соответствующих свободных аминокислотах. У групп в коротких пептидах ив соответствующих свободных аминокислотах величины р заметно не различаются. Для определения области рН, в которой может находиться изоэлектрическая точка исследуемого короткого пептида, достаточно сравнить число свободных аминогрупп и число свободных карбоксильных групп, включая N- и С-концевые 25 группы. Если число аминогрупп превышает число карбоксильных групп, изоэлектрическая точка пептида будет лежать в щелочной области рН, так как для предотвращения протонирования аминогрупп необходима щелочь. Если число карбоксильных групп превышает число аминогрупп, изоэлектрическая точка будет находиться в кислой области рН, так как кислая среда подавляет диссоциацию карбоксильных групп. Определение структуры пептидов Для того чтобы выяснить структуру пептида, необходимо знать следующее а) какие аминокислоты входят в состав полипептида; б) сколько аминокислот каждого вида содержится в пептиде в) в какой последовательности эти аминокислоты связаны вцепи. Для определения состава пептида его подвергают гидролизу в горячей соляной кислоте с С) = 6 моль/л. Полученную смесь аминокислот анализируют на аминокислотном анализаторе и устанавливают качественный и количественный состав пептида. Зная весовое содержание каждой из полученных аминокислот, можно вычислить количество каждой кислоты и тем самым установить эмпирическую формулу пептида, те. относительное содержание остатков различных аминокислот в пептиде. Для вычисления молекулярной формулы пептида, то есть для установления действительного числа каждого из остатков в молекуле пептида, необходимо знать его молярную массу, которую определяют различными химическими или физическими методами. Наиболее трудная задача установить, в какой последовательности аминокислотные остатки связаны в пептид. Для решения этого вопроса используют комбинацию двух методов определение концевых групп и частичный гидролиз. Идентификацию аминокислотных остатков на концах пептидной цепи проводят, используя их отличие от всех остальных звеньев и друг от друга концевой остаток содержит свободную аминогруппу, а С-концевой остаток содержит свободную карбоксильную группу. Для идентификации концевого остатка используют метод Ф. Сенгера, который основан на реакции свободной аминогруппы пептида с динитрофторбензолом. Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения + O 2 N O 2 N F C O C H R 1 N H 2 C H N H R 2 C O COOH C H N Замещенный пептид подвергают гидролизу, после чего концевой остаток, меченный динитрофенильной группой, выделяют и идентифицируют. концевая аминокислота с динитрофторбензолом дает 26 устойчивое, окрашенное в желтый цвет, соединение, которое не разрушается при гидролизе. Огромный шаг вперед в химии анализа полипептидов был сделан в 1956 году, когда П. Эдман установил, что концевую аминокислоту можно удалить при помощи фенилизотиоцианата: (С 6 Н 5 – N = C = S). В результате следующая за ней аминокислота становится концевой и е, в свою очередь, также можно удалить, действуя фенилизотиоцианатом. Этот метод определения концевых остатков получил название метод деградации по Эдману». Наиболее успешным методом определения С-концевых остатков является не химический метода ферментативный. Избирательное удаление С-концевого звена осуществляется при помощи фермента карбоксипептидазы, которая расщепляет лишь ту пептидную связь, которая находится в положении к свободной карбоксильной группе в полипептидной цепи. Анализ можно повторить на укороченном пептиде, чтобы определить новую С-концевую кислоту. Однако на практике невозможно определить последовательность остатков аминокислот в длинной пептидной цепи путем ступенчатого удаления концевых остатков. Вместо этого пептид подвергают частичному гидролизу, при котором образуются фрагменты пептидов с укороченной цепью. Эти фрагменты идентифицируют при помощи метода определения концевых групп. Структура, приписанная пептиду и определенная вышеописанным методом, окончательно подтверждается синтезом этого пептида. |