Амины, аминоспирты, аминокислоты, белки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный медико-стоматологический университет» федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию Российской Федерации

Кафедра общей и биоорганической химии

Учебное пособие

по биоорганической химии для самостоятельной работы студентов стоматологических факультетов медицинских вузов

Амины, аминоспирты, аминокислоты, белки

И.Ю. Левина

А.С. Берлянд

Москва 2008



ББК 24. 1 я 73

0 - 28

УДК546 (075.8).

Рецензенты:

зав. кафедрой органической химии ММА им. И.В. Сеченова доктор хим. наук. профессор Н.А. Тюкавкина

Зав кафедрой фармакологии МГМСУ д.м.н. профессор А.Г. Муляр.

И.Ю. Левина, А.С. Берлянд. Биоорганическая химия, часть II.



1. Аминокислоты

аминокислота бензольный пептид

Аминокислотами называют бифункциональные производные углеводородов, которые содержат карбоксильную группу COOH и аминогруппу NH₂.

Номенклатура

По систематической номенклатуре аминокислоты называют, по соответствующей карбоновой кислоте добавляя приставку амино-. Положение аминогруппы в углеродной цепи указывают цифрой:

Подробнее номенклатурные правила для названий аминокислот изложены в пособии Левина И.Ю., Берлянд А.С. «Номенклатура, классификация и электронное строение химических связей в органических соединениях».

В зависимости от положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе различают б, в, г и так далее аминокислоты:

Все природные аминокислоты содержат аминогруппу только в б-положении и имеют общую формулу:



Размещено на http://www.allbest.ru/

Помимо систематической, для природных аминокислот широко распространена тривиальная номенклатура (аланин, валин, лизин и т.д.). Иногда запись аминокислот осуществляют, используя трехбуквенные сокращения (Ala, Val, Lys и др.).

1.1 Классификация аминокислот

В настоящее время единой классификации аминокислот не существует.

Аминокислоты делят на природные (содержатся в растительных и животных организмах) и синтетические - получены икусственным путем.

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
CH3	Аланин	2-аминопропановая	Ала Ala
	Валин	2-амино-3-метил-бутановая	Вал Val
	Лейцин	2-амино-4-метил-пентановая	Лей Leu
	Изолейцин	2-амино-3-метил-пентановая	Иле Ile

2. Гидроксилсодержащие:

Строение радикала кислоты R	Название	Условное обозначение
	Тривиальное	Cистематическое
	Серин	2-амино-3-гидрокси-пропановая	Сер Ser
	Треонин	2-амино-3-гидрокси-бутановая	Тре Thr
	Тирозин	2-амино-3-(4-гидро-ксифенил)пропановая	Тир Tyr

3. Серусодержащие:

Строение радикала кислоты R	Название	Условное обозначение
	Тривиальное	Cистематическое
	Цистеин	2-амино-3-мер-каптопропановая	Цис Cys
	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
	Лизин	2,6-диамино-гексановая	Лиз Lys
	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
	Аспарагиновая	2-аминобутан-диовая	Асп Asp
	Глутаминовая	2-аминопентан-диовая	Глу Glu
	Аспарагин	2-амино-3-карбоксамидо-пропановая	Асн Asn
	Глутамин	2-амино-4-карбоксамидо-бутановая	Глн Gln

6. Ароматические и гетероциклические аминокислоты:

Строение радикала кислоты R	Название	Условное обозначение
	Тривиальное	Cистематическое
	Фенилаланин	2-амино-3-фенил-пропановая	Фен Phe
	Триптофан	2-амино-3-индол-илпропановая	Три Trp
	Гистидин (иминокислота)	2-амино-3-имидо-золилпропановая	Гис His
	Пролин (полная форма)	2-пирролидин-карбоновая	Про Pro

Современная рациональная классификация основана на полярности радикалов. Полярность радикала во многом определяет такое важное свойство аминокислот как растворимость в воде и в других полярных растворителях. Полярные группы радикала (COOH, NH₂, OH и др.) притягивают воду и тем самым повышают растворимость аминокислот в воде, неполярные радикалы, наоборот, отталкивают воду и снижают растворимость аминокислот в воде.

В этой связи различают:

1. Аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами.

К ним относятся гидрофобные радикалы аланина, валина, лейцина, изолейцина, пролина, метионина, фенилаланина и триптофана. Радикалы этих аминокислот воду не притягивают, а стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам.

2. Аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами.

К ним относятся серин, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин и цистеин. В состав радикалов этих аминокислот входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой.

В свою очередь, эти аминокислоты делят на две группы:

1) способные к ионизации в условиях организма (ионогенные).

Например, при рН = 7 фенольная гидроксильная группа тирозина ионизирована на 0,01%; тиольная группа цистеина на 8%.

2) не способные к ионизации (неионогенные).

Например, гидроксильная группа треонина:

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Аминокислоты с отрицательно заряженными радикалами.

К этой группе относят аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Эти аминокислоты называют кислыми, так как они содержат дополнительную карбоксильную группу в радикале, которая диссоциирует с образованием карбоксилат-аниона. Полностью ионизированные формы этих кислот называют аспартатом и глутаматом:

К этой же группе иногда относят аминокислоты аспарагин и глутамин, содержащие карбоксамидную группу (СОNH₂), как потенциальную карбоксильную группу, возникающую в процессе гидролиза.



Величины рK_a в-карбоксильной группы аспарагиновой кислоты и г-карбоксильной группы глутаминовой кислоты выше по сравнению с рK_a б-карбоксильных групп и в большей степени соответствуют значениям рK_a карбоновых кислот.

4. Аминокислоты с положительно заряженными радикалами

К ним относят лизин, аргинин и гистидин. У лизина есть вторая аминогруппа, способная присоединять протон:

У аргинина положительный заряд приобретает гуанидиновая группа:

Один из атомов азота в имидазольном кольце гистидина содержит неподеленную пару электронов, которая также может присоединять протон:

Эти аминокислоты называют оснувными.

Отдельно рассматриваются модифицированные аминокислоты, содержащие в радикале дополнительные функциональные группы: гидроксилизин, гидроксипролин, г-карбоксиглутаминовая кислота и др. Эти аминокислоты могут входить в состав белков, однако модификация аминокислотных остатков осуществляется уже в составе белков, т.е. только после окончания их синтеза.

1.2 Способы получения б-аминокислот в условиях in vitro

1. Действие аммиака на б-галогенкислоты:

2. Циангидринный синтез:

3. Восстановление б-нитрокислот, оксимов или гидразонов б-оксокислот:



4. Каталитическое восстановление оксокислот в присутствии аммиака:

Стереоизомерия аминокислот

Все природные б-аминокислоты, кроме глицина (NH₂ CH₂ COOH), имеют асимметрический атом углерода (б-углеродный атом), а 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 б-аминокислот, условно принимают D- и L-молочные кислоты, конфигурации которых, в свою очередь, установлены по D- и L-глицериновым альдегидам.



Все превращения, которые осуществляются в этих рядах при переходе от глицеринового альдегида к б-аминокислоте, выпол-няются в соответствии с главным требованием они не создают новых и не разрывают старых связей у асимметрического центра.

Для определения конфигурации б-аминокислоты в качестве эталона часто используют серин (иногда аланин). Конфигурации их так же выведены из D- и L-глицериновых альдегидов:

Природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. D-формы аминокислот встречаются сравнительно редко, они синтезируются только микроорганизмами и называются «неприрод-ными» аминокислотами. Животными организмами D-аминокислоты не усваиваются. Интересно отметить действие D- и L-аминокислот на вкусовые рецепторы: большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а аминокислоты D-ряда горькие или безвкусные.

Без участия ферментов самопроизвольный переход L-изомеров в D-изомеры с образованием эквимолярной смеси (рацемическая смесь) осуществляется в течение достаточно длительного промежутка времени.

Рацемизация каждой L-кислоты при данной 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 D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст человека или животного.

1.3 Физические свойства аминокислот

Хотя аминокислоты обычно изображают как соединения, содержащие амино- и карбоксильную группы (H₂N CHR COOH), некоторые их свойства, как физические, так и 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 аминам и карбоновым кислотам аминокислоты представляют собой нелетучие кристаллические вещества, 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 в воде.

В-третьих, в водных растворах аминокислоты имеют высокие дипольные моменты.

В-четвертых, константы кислотности и основности для групп СООН и NH₂ необычайно малы. Так, для глицина константа кислотности K_a = 1,610¹⁰, а константа основности K_b = 2,510¹²; в то время как для большинства карбоновых кислот K_a 10⁵ а для алифатических аминов K_b 10⁴. 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.

Кислотно-основные свойства также становятся понятными, если учесть, что измеряемая K_a в действительности относится к кислотности иона RNH₃⁺:

а константа основности (K_b) в действительности относится к основности карбоксилат-иона.

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.



Если подкислить раствор аминокислоты, ион I превратится в катион III, так как более сильная кислота Н₃О⁺ отдает протон карбоксилат-иону и образуется более слабая кислота:

Необходимо отметить, что ионы II и Ш, содержащие свободную аминогруппу или свободную карбоксильную группу, находятся в равновесии с диполярным ионом:

Однако следует иметь в виду, что в данном равновесии участвует также определенное (хотя и небольшое) количество незаряженных молекул аминокислот.

1.4 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 поле, то в 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.

Среда
Сильнокислая	Нейтральная	Сильнощелочная
I. Аминокислоты с недиссоциирующими радикалами
Заряд: +1	0	1
II. Аминокислоты, содержащие в радикале анионные группы
Заряд: +1	1	2
III. Аминокислоты, содержащие в радикале катионные группы
Заряд: +2	+1	1



Концентрация ионов водорода (pH), при которой аминокислота не перемещается в электрическом поле, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты (рI).

Изоэлектрическая точка аминокислоты зависит от кислотности группы NH₃⁺, 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 пособие «Общая химия, часть III» под редакцией профессора А.С. Берлянда, глава «Буферные системы»). Значительной буферной ёмкостью в интервале физиологических значений рН, (т.е. 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 амино-кислот, основанное на этом явлении, называется электрофорезом.

1.5 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, так и при действии щелочи.



Аминокислоты, будучи гетерофункциональными соединениями, должны проявлять свойства как одной, так и другой функциональной группы.

Реакции карбоксильной группы

1. Образование внутрикомплексных солей.

С катионами тяжелых металлов б-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Так, со свежеприготовленным гидрокси-дом меди (II) б-аминокислоты образуют хорошо кристаллизующиеся хелатные соли меди (II), окрашенные в синий цвет:

2. Образование сложных эфиров.

Так как реакция этерификации протекает в кислой среде, слож-ные эфиры аминокислот образуются в виде солей по аминогруппе:

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 б-аминокислот получают действием на аминокислоты тионилхлорида (SOCl₂) или хлорида фосфора (V) (PCl₅). Полученные хлорангидриды неустойчивы и существуют только в виде солей:

Поэтому реакцию обычно проводят, предварительно защитив аминогруппу ацилированием (см. далее).

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:

5. Декарбоксилирование аминокислот.

В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании аминокислоты с Ba(OH)₂. В результате получается первичный амин:



Все реакции карбоксильной группы аминокислот можно представить следующей схемой:

1.6 Реакции аминогруппы

1. Реакция ацилирования. Образование N-замещённых амидов.

N-замещенные амиды часто рассматривают как N-ацильные производные. Эта реакция была отмечена ранее как реакция защиты аминогруппы. Её можно рассматривать как процесс ацилирования аминогруппы хлорангидридами или ангидридами кислот:

Реакция протекает лучше в щелочной среде. Примером может служить получение N-бензоилаланина в присутствии водного раствора гидроксида натрия. Этот метод получения N-ацильных производных называют ацилированием по Шоттен-Бауману:

Щёлочь необходима для связывания выделяющегося хлоро-водорода, т.к. в кислой среде N-ацильные производные легко гидролизуются, освобождая исходную аминокислоту:

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:



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.

При избытке иодистого метила образуется четвертичная аммонийная соль:



3. Действие азотистой кислоты (дезаминирование in vitro).

Реакция протекает так же, как и при взаимодействии с азотистой кислотой алифатических первичных аминов выделяется азот, а аминогруппа замещается на гидроксильную группу:

Таким образом можно установить структурное родство аминокислот с соответствующими оксикислотами. По объёму выделившегося азота определяют количество б-аминокислоты, вступившей в реакцию (метод Ван-Слайка).

4. Взаимодействие с альдегидами.

б-Аминокислоты, подобно первичным аминам, реагируют с альдегидами, образуя замещенные имины (основания Шиффа). Реакция протекает через стадию образования карбиноламинов.

При взаимодействии б-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 NH₃⁺ группы биполярного иона и легко соединяется со свободной (непротонированной) аминогруппой, образуя устойчивое метилольное 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 б-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.

Продукт реакции окрашен в интенсивно желтый цвет. Эта реакция представляет исключительную ценность для идентификации N-концевых аминокислот полипептидных цепей.

Все вышеперечисленные реакции аминогруппы аминокислот можно представить следующей схемой:



Реакции функциональных групп, содержащихся в радикалах аминокислот

Аминокислоты вступают также в реакции, типичные для функциональных групп, присутствующих в их радикалах. Например для SH-групп цистеина, гидроксильной группы тирозина и треонина, гуанидиновой группы аргинина.

1. Реакции сульфгидрильной (тиоловой) группы.

Для сульфгидрильной группы характерна исключительно высокая реакционная способность. Например, при действии на цистеин незначительных концентраций ионов некоторых тяжелых металлов образуются меркаптиды.



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:

Дисульфидные связи, присоединяя два атома водорода, переходят в сульфгидрильные (тиоловые) группы:

Рассмотрим этот процесс на примере превращения цистеина в цистин:

В цистине при действии восстановителей дисульфидная связь разрывается и образуется две молекулы цистеина:



Дисульфидная связь может также подвергаться окислению под действием таких жестких окислителей, как например надмуравьиная кислота. В результате образуется цистеиновая кислота:

2. Реакции гидроксильной группы - реакции элиминирования.

Эти реакции характерны для аминокислот, содержащих в радикале гидроксильную группу в 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.



3. Реакции гуанидильной группы.

Гуанидильная группа содержится в радикале аргинина:

Гуанидильная группа аргинина легко отщепляется при гидролизе в избытке гидроксида бария при 100⁰С с образованием мочевины и орнитина:

Орнитин б-аминокислота, 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 количествах содержится в печени и в малых количествах в почках и селезенке млекопитающих животных.

Специфические реакции б-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:



Затем дипептид присоединяет следующую молекулу аминокислоты, образуя трипептид, и так далее:

Подробно механизм образования пептидов и их номенклатуру мы рассмотрим ниже, в теме «Пептиды и белки».

2. Межмолекулярная циклизация образование дикето-пиперазинов.

При отщеплении двух молекул воды от двух молекул аминокислот образуется циклический дипептид дикетопиперазин:



Реакции аминокислот in vivo

Простые аминокислоты, как и многие другие простые «биологические молекулы», не накапливаются в клетке: как правило, их избыток разрушается при 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, так и окислительным путём.

Неокислительное дезаминирование встречается, в основном, у бактерий и грибов. Например, превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую под действием фермента аспартазы.

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-Н₂.

Окислительное дезаминирование осуществляется через стадию образования промежуточного имина.

Рассмотрим процесс превращения аланина в пировиноградную кислоту.



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.

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 образует камни в почках и в 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 с точки 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 преиму-щество. 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 б-кетоглутаровой в щавелевоуксусную и глутаминовую кислоты:

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 б-кетокислоту и образует имин с другой б-кетокислотой.

Рассмотрим процесс превращения аминокислоты I в б-кетокислоту I и б-кетокислоты II в аминокислоту II.

Альдегидная группа пиридоксальфосфата образует имин с аминокислотой I, имин далее изомеризуется и после гидролиза выделяет кетокислоту I и пиридоксаминфосфат.



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):

По завершении всей сложной последовательности реакций, после гидролиза пиридоксальфосфат регенерируется и способен принять участие в следующих взаимопревращениях аминокислот и б-кетокислот.

Как своеобразную реакцию взаимопревращения аминокислоты и амидоаминокислоты, сопровождающуюся заменой амидогруппы одной аминокислоты на гидроксильную группу другой, можно рассматривать реакцию взаимодействия L-аспарагиновой кислоты и L-глутамина, катализируемую аспарагинсинтетазой в присутствии АТФ, и приводящую к образованию L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты.



3. 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.

В реакции декарбоксилирования, которая протекает при гниении белков, лизин и орнитин, образуют диамины: кадаверин и путресцин.

Интересной является реакция декарбоксилирования глутаминовой кислоты, так как она приводит к образованию г-аминомасляной кислоты, которую рассматривают как природный транквилизатор.

Этот процесс также нуждается в присутствии пиридоксаль-фосфата.



Ярко выраженной биологической активностью обладает амин, образующийся при декарбоксилировании гистидина:

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, гидрокси-лирование фенилаланина приводит к образованию тирозина:

Отсутствие в организме фермента, катализирующего эту реакцию, приводит к тяжелому заболеванию фенилкетонурии.

Значительный интерес представляет реакция гидроксилирования пролина:

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 называют введение в молекулу органического соединения карбоксильной группы. Таким образом получают, например, г-карбоксиглутаминовую кислоту:

г-Карбоксиглутаминовая 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:



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 б-кетокислот в б-аминокислоты осуществляется в организме при участии восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАД•Н). Так, продуктом метаболизма углеводов является б-кетоглутаровая кислота, которая в результате ряда реакций превращается в глутаминовую кислоту:

6. Альдольное расщепление.

Реакция протекает с б-аминокислотами, содержащими гидроксильную группу в в-положении углеводородного радикала.

Рассмотрим, например, реакцию расщепления серина, в результате которой образуются глицин и формальдегид.



В результате этой реакции расщепляется С-С связь между б- и в-углеродными атомами. Образующийся формальдегид не выделяется, а связывается с другим коферментом тетрагидро-фолиевой кислотой и в качестве одноуглеродного фрагмента участвует далее в синтезе многих важных соединений.



2. Пептиды

Ещё в 1888 году А.Я. Данилевский обратил внимание на способность белков давать своеобразную цветную реакцию при добавлении к раствору белка щелочи и раствора сульфата меди. Голубая окраска, характерная для раствора медного купороса, переходила в краснофиолетовую. В этих же условиях такое же изменение окраски давал биурет.

Реакция была названа «биуретовой».

Было высказано предположение о том, что в белке должны существовать связи, подобные тем, которые имеются в биурете. Наличие таких группировок в белке можно объяснить, только предполагая возможность протекания реакции поликонденсации между аминогруппой и карбоксильной группой аминокислот. В результате этой реакции образуется полиамид. Полиамиды, образованные б-аминокислотами, были названы полипептидами, а связь получила название пептидной связи.

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 полипеп-тидами. 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 амино-кислотная 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.

2.1 Строение полипептидной цепи и пептидной связи

Мономеры аминокислот, входящие в состав полипептидов, называют аминокислотными остатками. Аминокислотный остаток, имеющий свободную аминогруппу, называют N-концевым и записывают слева пептидной цепи, а имеющий свободную б-карбо-ксильную группу - С-концевым, и записывают справа. Цепь повторяющихся атомов -СН - СО - NH- в полипетидной цепи называется пептидным остовом.

Полипептидная цепь имеет следующий общий вид:



где R₁, R₂, R₃, … R_n - радикалы аминокислот, образующие боковую цепь.

В проявлении биологических функций пептидов и белков большую роль играет электронное и пространственное строение пептидной группы:

Наличие р-р-сопряжения в пептидной группе приводит к частичной двоесвязанности связи С - N. Длина пептидной связи С - N равна 0,132 нм, а длина связи N - С_б составляет 0,147 нм. Одинарная связь С - N в пептидах примерно на 40% имеет характер двойной связи, а двойная связь С = О приблизительно на 40% является одинарной. Это обстоятельство приводит к двум важным последствиям:

1) иминогруппа (- NH -) пептидной связи не обладает заметно выраженной способностью отщеплять или присоединять протон;

2) свободное вращение вокруг связи C - N отсутствует.

Частичая двоесвязанность связи С - N означает, что пептидная группа представляет собой плоский участок пептидной цепи. Плоскости пептидных групп расположены под углом друг к другу:



Вокруг связей С - С_б и N - С_б возможно вращение, хотя и ограниченное размерами и характером радикалов, что позволяет полипептидной цепи принимать различные конфигурации.

Пептидная связь является единственной ковалентной связью, при помощи которой аминокислотные остатки соединяются друг с другом, образуя остов белковой молекулы.

Пептидные связи обычно расположены в трансконфигурации, т.е. б-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептидной связи. В результате боковые радикалы аминокислот находятся в пространстве на наиболее удаленном расстоянии друг от друга.

2.2 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 б-карбоксильных групп и ни одна из б-аминогрупп, участвующих в образовании пептидных связей, не может ионизироваться в интервале рН от 0 до 14, кислотно-основные свойства пептидов определяются свободной NH₂ группой N-концевого остатка и свободной карбоксильной группой С-концевого остатка пептида и теми R-группами, которые способны к ионизации. В длинных пептидных цепях число ионизированных R-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 б-аминогруппа и свободная концевая карбоксильная группа в пептидах разделены значительно большим расстоянием, чем в простых аминокислотах, и поэтому электростатические взаимодействия между ними ослаблены. Величины рK для концевых карбоксильных групп в пептидах несколько выше, а для концевых б-аминогрупп несколько ниже, чем в соответствующих свободных аминокислотах. У R-групп в коротких пептидах и в соответствующих свободных аминокислотах величины рK 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 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.

2.3 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 в цепи.

Для определения состава пептида его подвергают гидролизу в горячей соляной кислоте с С(HCl) = 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, т.е. 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: N-концевой остаток содержит свободную аминогруппу, а С-концевой остаток содержит свободную карбоксильную группу.

Для идентификации N-концевого остатка используют метод Ф. Сенгера, который основан на реакции свободной аминогруппы пептида с динитрофторбензолом. Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения:

Замещенный пептид подвергают гидролизу, после чего N-концевой остаток, меченный динитрофенильной группой, выделяют и идентифицируют. N-концевая аминокислота с динитрофторбензолом дает 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 N-концевую аминокислоту можно удалить при помощи фенилизотиоцианата: (С₆Н₅ - N = C = S). В результате следующая за ней аминокислота становится N-концевой и её, в свою очередь, также можно удалить, действуя фенилизотиоцианатом. Этот метод определения N-концевых остатков получил название «метод деградации по Эдману».

Наиболее успешным методом определения С-концевых остатков является не химический метод, а ферментативный. Избирательное удаление С-концевого звена осуществляется при помощи фермента карбоксипептидазы, которая расщепляет лишь ту пептидную связь, которая находится в б-положении к свободной б-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 вышеописан-ным методом, окончательно подтверждается синтезом этого пептида.

2.4 Синтез пептидов

Основная проблема при синтезе пептидов проблема защиты аминогруппы. При взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой кислоты необходимо исключить возможность протекания реакции между карбоксильной группой и аминогруппой молекул одной и той же аминокислоты.

Например, при получении дипептида гли - ала необходимо предотвращать одновременное образование глицилглицина и аланилаланина. Реакцию можно направить в нужную сторону, если в одну из аминогрупп ввести заместитель, который сделает эту аминогруппу нереакционноспособной. Этот процесс называется защитой аминогруппы. Как уже было отмечено выше, защищать аминогруппу можно реакциями взаимодействия с ангидридом и хлорангидридом уксусной кислоты, с бензоилхлоридом.

Но для защиты пептида необходимо выбрать такую группу, которую можно в дальнейшем удалить без разрушения пептидных связей. Такой группой, как уже было отмечено выше, является карбобензоксихлорид, который одновременно является и хлорангидридом и сложным эфиром. И как любой хлорангидрид он может превращать амин в амид.

Подобные амиды, однако, отличаются от большинства амидов в одном отношении, которое очень существенно для синтеза пептидов: карбобензоксигруппу можно отщеплять действием реагентов, не затрагивающих пептидные связи, (каталитическим гидрогенолизом).

Рассмотрим подробно синтез дипептида глицилаланина. Процесс складывается из следующих стадий:

защита аминогруппы глицина:



2) активация карбоксильной группы глицина (получение хлорангидрида):

3) защита карбоксильной группы аланина (взаимодействие ала-нина с этиловым спиртом с образованием сложноэфирной группы):

4) образование пептидной связи:

5) снятие защиты с аминогруппы:



6) гидролиз сложноэфирной группы:

Открытые и изученные в настоящее время пептиды можно разделить на следующие группы по их физиологическому действию:

1) регулирующие процессы пищеварения;

2) обладающие гормональной активностью;

3) регулирующие тонус сосудов и артериальное давление;

4) обладающие обезболивающим действием;

5) регулирующие аппетит;

6) участвующие в регуляции высшей нервной деятельности.



3. Белки

Как уже было отмечено ранее, трудно провести четкую границу между пептидами и белками. Обычно к белкам относят, как правило, высокомолекулярные пептиды, выполняющие основные биологические функции.

3.1 Классификация белков

По мере развития химии белковых тел число различных белков, выделенных из растений, микробов, низших и высших животных, чрезвычайно возросло, и в настоящее время достигло более двух тысяч. Возникла необходимость дать рациональную классификацию белков.

В зависимости от укладки пептидных цепей в молекулах различают белки глобулярные, имеющие округлую или эллипсоидную форму и фибриллярные, имеющие форму тончайших нитей. Для удобства классификации белки, у которых отношение длины к ширине больше десяти, называют фибриллярными, а белки, для которых это отношение меньше десяти глобулярными. К группе фибриллярных белков принадлежат, например, фиброин шелка, кератин, коллаген. К группе глобулярных белков относятся альбумины, глобулины, большинство ферментов. Глобулярные белки встречаются в физиологических жидкостях и в тканях организма. Они растворимы в воде и в слабых солевых растворах. Фибриллярные белки встречаются в сухожилиях, коже, мышцах, волосах. В большинстве случаев они не растворимы в воде.

Следует отметить, что между глобулярными и фибриллярными белками существуют белки промежуточных форм. Например, глобулы некоторых белков имеют продолговатую форму и, тем самым, близки к фибриллярным. Некоторые типично фибриллярные белки (миозин, фиброин шелка) при некоторых условиях могут находиться в глобулярном состоянии.

Белки делят на две большие группы простые и сложные.

1. Простые белки (протеины).

Простыми белками являются:

1) Альбумины группа распространенных белков, встречается в тканях животных и растений, а также в различных жидкостях организма. Эти белки растворимы в воде и нерастворимы в насыщенных растворах сульфата аммония.

2) Глобулины подобно альбуминам, широко представлены в организмах. Они нерастворимы в воде, но растворимы в водных растворах различных солей. В отличие от альбуминов, глобулины или не содержат глицин, или же содержат его в незначительных количествах.

3) Гистоны группа белков, в состав которых входит от 20 до 30% диаминомонокарбоновых кислот (лизин, аргинин), и значительное количества гистидина. Гистоны встречаются в белках эритроцитов и щитовидной железы.

4) Протамины отличаются особо высоким содержанием (до 80%) диаминомонокарбоновых кислот. В большом количестве они содержатся в сперме и икре рыб. Протамины и гистоны представляют значительный биологический интерес, так как составляют белковую часть нуклеопротеидов.

5) Проламины группа белков растительного происхождения, встречается в семенах злаков, содержит большое количество пролина. Проламины хорошо растворимы в 60-80% этаноле, тогда как другие белки в этих условиях выпадают в осадок.

6) Кератины имеют фибриллярное строение, находятся, главным образом, в составе волос, копыт и ногтей. Характеризуются полной нерастворимостью в воде, кислотах, щелочах, солевых раст-ворах и органических растворителях. Распадаются при длительном гидролизе с минеральными кислотами, выделяя от 7 до 14 различных аминокислот, в которых содержится до 12% цистеина, до 15% лейцина и до 17% глутаминовой кислоты. Кератины способны к набуханию, легко образуют комплексные соединения с солями калия и кальция.

7) Коллагены белки соединительной ткани (сухожилий, связок, подкожной клетчатки и хрящей) содержат до 25% глицина, 14% пролина. В их состав не входят цистин, цистеин и триптофан. Они нерастворимы в воде, но легко набухают с образованием студней.

Так как коллаген богат глицином и пролином, он не способен образовывать ни правую б-спираль, ни в-складчатый листок. Этот белок построен из трех левых спиралей, которые переплетаются, давая правую «сверхспираль». Две из трех переплетенных пептидных цепей имеют одинаковую первичную структуру. Строение этой «сверхспирали» представлено на следующем рисунке:

Каждая из трех полипептидных цепей закручена в левовращающую спираль, а все вместе они переплетаются, образуя правовращающую спираль. На каждый виток тройной спирали приходится десять витков отдельных цепей.

В биологических системах коллаген встречается в виде пучков линейных волокон, которые по прочности на растяжение почти не отличаются от стальной проволоки.

8) Элластины белки соединительной ткани, составляют основу связок и сухожилий. Они нерастворимы в воде, не способны к набуханию. В их составе преобладают глицин и лейцин (до 25-30%).

Эластины фибриллярные белки, более прочные, чем коллаген.

2. Сложные белки (протеиды).

Это системы, состоящие из простого белка и небелкового соединения, называемого простетической группой. Функцию этой группы могут выполнять различные углеводы, липиды, витамины, гормоны. В настоящее время группу сложных белков принято разделять на две большие подгруппы: стабильные с прочными химическими связями между белком и простетической группой и лабильные имеющие непрочные связи белка с простетической группой (водородные связи, адсорбционные и др.).

Первую группу сложных белков можно выделить из тканей обычными методами; для выделения второй группы белков требуются мягкие методы, щадящие лабильную структуру, иначе эти белки разлагаются.

Классификация сложных белков основана на химических особенностях их небелковых компонентов. Исходя из этого, сложные белки делят на фосфопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды, нуклеопротеиды и липопротеиды.

1) Фосфопротеиды характеризуются наличием фосфорно-эфирной связи, которая образуется в результате присоединения фосфатного остатка к гидроксогруппе серина и треонина. Интересно отметить, что из всех гидроксилсодержащих аминокислот только серин и треонин связывают фосфорную кислоту:

Применение более совершенных методов исследования позволило выявить наличие в фосфопротеидах пирофосфорных и фосфодиэфирных остатков. Это указывает на то, что пептидные цепи в молекулах фосфопротеидов соединены друг с другом не только дисульфидными мостиками, но и с помощью остатков фосфорной кислоты.

2) Гликопротеиды сложные белки, которые имеют в своем составе углеводы и производные углеводов: (глюкуроновую кислоту, гексозамины).

3) Хромопротеиды сложные белки, включающие окрашенные (греч chroма краска) простетические группы, которыми могут быть железо (гемоглобин), медь (гемоцианины).

4) Нуклеопротеиды сложные белки, в которых простетической группой являются нуклеиновые кислоты. Белковой частью нуклеопротеидов чаще всего бывают гистоны и протамины. Эти основные белки образуют с нуклеиновыми кислотами солеобразные соединения. Нуклеопротеиды содержатся в основном в ядрах клеток, но могут встречаться и вне их.

5) Липопротеиды это комплексы, состоящие из белков и липидов (фосфатидов жиров). В отличие от липидов, липопротеиды растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях. Липопротеиды чрезвычайно распространены. Они встречаются в сос-таве различных тканей, являясь важнейшим компонентом протоплаз-мы клеток, обнаруживаются в форменных элементах, плазме крови, яичном желтке, молоке. Особенно богата липопротеидами нервная ткань.

Приведенная классификация основана частично на химическом строении и частично на биологических свойствах белковых тел.

3.2 Структура белков

Строго определенная последовательность аминокислот, связанных пептидными связями, образует первичную структуру белка.

Первичная структура каждого индивидуального белка матрицы закодирована в участке ДНК, называемом геном. В процессе синтеза белка информация, находящаяся в гене, сначала переписывается на м-РНК, а затем, используя м-РНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка первичной структуры белка. Каждый белок организма человека имеет уникальную для него первичную структуру. При нарушении аминокислотной последовательности белков возникают многие генетические болезни. Информация о первичной структуре нормального и мутантного белка может быть полезна для диагностики и прогнозирования развития заболевания. Установление первичной структуры белков включает, как и в случае пептидов, два основных этапа, описанных выше:

...