senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

L-Валин есть во многих белках, входит в гидрофобные участки, участвует в биосинтезе ряда алкалоидов, пантотеновой кислоты.

L-Лейцин è L-изолейцин есть во многих белках, формируют гидрофобные участки белков и пептидов.

L-Фенилаланин распространен в белках и пептидах, участвует в гидрофобных взаимодействиях, в биосинтезе алкалоидов, многих фенольных соединений.

Моноаминодикарбоновые (кислые) аминокислоты и их амиды

L-Аспарагиновая кислота широко представлена в белках и пептидах, особенно в некоторых белках злаковых (до 25 %), участвует в реакциях переаминирования, биосинтеза мочевины, является предшественником аспарагина. Может входить в активные центры ферментов в качестве кислотно-основного катализатора и вступать в нуклеофильные реакции. В активном центре фермента вместе с остатками глутамата, триптофана и молекулой субстрата может участвовать в образовании цепи переноса зарядов.

L-Аспарагин не только входит в состав белков и пептидов, но и активно используется в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, служит нетоксичной формой аммиака. За счет реакции гликозилирования по азоту амидной группы принимает участие в образовании N-гликозидных связей в гликопротеинах и гликопептидах.

L-Глутаминовая кислота присутствует почти во всех пептидах и белках, в том числе и в активных центрах ферментов. Формирует структуру фолиевой кислоты. Принимает активное участие в метаболизме аминокислот: реакции аминирования, дезаминирования, переаминирования. Является исходным соединением для биосинтеза глутамина, -аминомасляной кислоты, порфиринов è äð.

L-Глутамин встречается в белках и пептидах, служит предшественником пуриновых и пиримидиновых оснований.

Диаминомонокарбоновые (оснoвные) аминокислоты

L-Лизин есть почти во всех белках и пептидах. Максимальное содержание (до 20 %) в ядерных белках — гистонах. Участвует в биосинтезе ряда алкалоидов, в организации и функциони-

12

ровании активных центров многих ферментов, в связывании коферментов (пиридоксальфосфат, биотин) с белковой частью че- рез -аминогруппу.

L-Аргинин содержится практически во всех белках, особенно в гистонах (до 12 %). У насекомых образует макроэргическое соединение L-аргининфосфат. Выполняет ключевую роль в азотистом метаболизме — участвует в синтезе мочевины, креатина и др. В реакции N-окисления гуанидиновой группы аргинина синтезируется монооксид азота (NO) — универсальный регулятор биохимических реакций.

Гидроксиаминокислоты

L-Серин è L-треонин широко представлены в белках, где могут подвергаться обратимому фосфорилированию по ОН-группе, которое выполняет роль регулятора функций белков (ферментов). За счет реакции гликозилирования по ОН-группе принимают участие в структуре О-гликозидных связей гликопротеинов и гликопептидов.

Серин входит в состав фосфолипидов в виде фосфатидилсеринов, формирует каталитические участки в активном центре особой группы протеолитических ферментов (сериновые протеазы). Треонин участвует в биосинтезе витамина В12.

L-Тирозин широко распространен в белках и пептидах. Принимает непосредственное участие в биосинтезе гормонов щитовидной железы, катехоламинов, многих алкалоидов, пигментов меланиновой структуры и других фенольных соединений. Подвергается обратимому фосфорилированию, которое выполняет роль регулятора функций белков (ферментов).

Тиоаминокислоты

L-Цистеин — источник серы для многих биомолекул, за счет SH-группы придает восстанавливающие свойства, входит в состав белков, пептидов, кофермента А, лейкотриенов, главного тиолного соединения клеток — глутатиона, участвует в организации и функционировании активных центров многих ферментов, включая образование в некоторых белках активных железосероцентров. В связи с этим концентрация свободного цистеина в клетках невелика.

Некодируемый L-цистин — продукт окислительной димеризации остатков цистеина в составе белков и пептидов. За счет дисульфидной связи участвует в формировании нативной структу-

13

ры пептидов белков. Обе аминокислоты широко представлены в белках и пептидах, а максимально — в белках волос, рогов, копыт (около 20 %).

L-Метионин входит в состав белков и пептидов, в виде S-àäå- нозилметионина является универсальным донором метильных групп в биохимических реакциях, источник серы цистеина и витамина В1 тиамина.

Гетероциклические аминокислоты

L-Пролин — это иминокислота, наиболее высокое содержание пролина в белках семян злаков (до 40 %), в коллагене, эластине, в зубной эмали. Пролин создает в белках изгибы полипептидной цепи. При участии витамина С способен превращаться в L-4-гидроксипролин, который формирует специфическую структуру коллагена.

L-Гистидин входит в состав многих белков и пептидов, участвует в формировании активных центров ферментов в каче- стве кислотно-основного катализатора, обладает способностью вступать и в электрофильные, и в нуклеофильные реакции. После декарбоксилирования превращается в биологически активное соединение гистамин. В составе сложных ферментов образует координационные связи с ионами металлов (см. Гемопротеины).

L-Триптофан есть во многих белках, участвует в синтезе витамина РР, ауксина, гормона эпифиза мелатонина и др. Может входить в состав активных центров ферментов.

В 2002 г. учеными США обнаружена еще одна кодируемая аминокислота — пиролизин, которая пока найдена только у метансинтезирующих бактерий.

Можно отметить значение некоторых генетически не кодируемых аминокислот, распространенных в живых объектах.

L-Орнитин в составе белков и пептидов не встречается, образуется из аргинина и участвует в цикле мочевинообразования, в синтезе ряда алкалоидов.

-Аланин в отличие от аланина оптически неактивен, в белках не встречается, входит в состав кофермента А, витамина В3, пептидов ансерина и карнозина.

-Аминомасляная кислота оптически неактивна, главный тормозный нейромедиатор в синапсах нервной системы. Синтезируется в реакции декарбоксилирования глутаминовой кислоты.

L-Пироглутаминовая кислота является специфическим продуктом посттрансляционной циклизации N-концевого остатка L-Глу в составе ряда пептидных гормонов.

14

Таурин в белках не встречается, входит в состав некоторых производных желчных кислот.

L- -карбоксиглутаминовая кислота синтезируется в белках в реакции карбоксилирования остатка L-Ãëó при участии витаминов К, формирует в Ñà2+-связывающих белках центры специфического хелатирования ионов кальция.

Несимметричный N,N-диметил-L-аргинин синтезируется путем биохимической модификации остатков аргинина в белках и появляется в результате глубокого гидролиза белков. Выполняет роль специфического ингибитора участия L-аргинина в образовании NO.

Таким образом, высокая вариабельность структуры аминокислот, их гетерофункциональность создают основу для проявления разнообразных биохимических свойств.

Физико-химические свойства аминокислот

Кислотно-основные свойства аминокислот. Аминокислоты относятся к амфотерным соединениям, которые в водных растворах диссоциируют с образованием монополярных (катионов и анионов) и биполярных ионов (цвиттерионов).

В зависимости от химического строения аминокислоты и от значения рН раствора существующая пропорция между всеми тремя заряженными формами может весьма значительно меняться. Диссоциация функциональных групп аминокислот численно характеризуется значениями константы диссоциации карбоксильных групп (pK1) и константы диссоциации аминогрупп (pK2). Для унификации обозначений рК принято правило: цифровой индекс при рК увеличивается с ростом основности функциональной группы. Необходимо отметить, что одна и та же группа (например, -СООН или -NH2) характеризуется различными значениями рК в составе не только разных, но и одной и той же аминокислоты. Значения рК групп аминокислот и других соединений легко определяются экспериментально методом амперометрического титрования. При определенном значении рН среды в растворе будет доминировать биполярный ион аминокислоты. Такое значение рН среды, при котором суммарный за-

15

ряд аминокислоты равен нулю, обозначается как изоэлектриче- ская точка (ðI) аминокислоты. В простейших случаях, когда в составе аминокислоты число ионогенных групп не более двух, рI можно рассчитать по формуле:

ðI = (pK1 + pK2) / 2,

ãäå pK1 — константа диссоциации карбоксильных групп; pK2 — константа диссоциации аминогрупп.

Если же число таких групп более двух, то используют следующую формулу:

pI = (pKn + pKn+1) / n,

ãäå n — максимальное число положительных зарядов в полностью протонированной аминокислоте.

При увеличении рН раствора аминокислоты выше значения рI (добавляя в раствор щелочь) диссоциация основных групп подавляется и в щелочной среде доминирует анион аминокислоты. При уменьшении рН раствора ниже рI, напротив, будет нарастать содержание катиона аминокислоты. Основываясь на разли- чии в структуре аминокислот и результатах экспериментального измерения рI аминокислот, можно заключить, что значения рI строго индивидуальны для каждой аминокислоты.

Растворы аминокислот обладают буферной емкостью, которая минимальна вблизи рI, как и растворимость аминокислот, и максимальна вблизи рК функциональных групп.

Стереохимические свойства аминокислот. Все аминокислоты, кроме глицина, оптически активны и делятся на правовращающие (+) и левовращающие (–). Оптическое вращение — величина относительная, так как может существенно изменяться в зависимости от условий измерения. Оптическая активность является следствием наличия в структуре большинства аминокислот как минимум одного асимметрического (хирального) Ñ-àòî- ма (обычно С-атома), у которого все четыре заместителя различны. Асимметричный Ñ-àòîì находится в состоянии sp3-ãèá- ридизации, придавая расположению заместителей тетраэдриче- скую конфигурацию. Существование асимметрического центра лежит в основе существования двух рядов стереоизомеров (энантиомеров) аминокислот относительно хирального С-атома — L (от лат. laevus — левый) и D (от лат. dexter — правый). Для отнесения стереоизомеров аминокислоты к D- или к L-ðÿäó сравнива-

16

ют абсолютную конфигурацию заместителей у хирального С-ато- ма с абсолютной конфигурацией заместителей у хирального С-атома двух соединений, принятых для сравнения, — у D-гли- церинового альдегида и у L-глицеринового альдегида. Для упрощения этой процедуры сравнения используют не тетраэдриче- ские конструкции, а их проекции на плоскость, т. е. проекционные формулы аминокислот (см. табл. 1). D- и L-стереоизомеры (энантиомеры) представляют собой зеркальные формы одного и того же соединения, не могут быть совмещены друг с другом путем простого перемещения в пространстве и, как следствие, радикально отличаются по биохимическим свойствам.

		COOH
	H2N	H
		R
	Хиральный
	Ñ-àòîì
	CH3	CH3
H2N	COOH	HOOC	NH2
	H	H
	L-аланин	D-аланин
	зеркало

В процессе биохимической эволюции для живых объектов отобраны почти исключительно L-стереоизомеры (или S-конфи- гурация по универсальной стереохимической номенклатуре). D-аминокислоты встречаются намного реже, в основном в составе некоторых пептидных антибиотиков микроорганизмов и в злокачественных клетках опухолей. Весьма демонстративным является и то, что D-изомеры — обычно cладкие, а L-изомеры часто имеют горьковатый привкус.

Существуют специальные методы разделения стереоизомеров и так называемые хироптические методы анализа стереоизомеров. Индивидуальные L- или D-стереоизомеры получают в виде белых кристаллических порошков. Эквимолярная смесь L- и D-стереоизомеров называется рацемической смесью. В боль-

17

шинстве случаев стереоизомеры аминокислот определяются абсолютной конфигурацией заместителей у -углеродного атома. У всех аминокислот, кроме глицина, имеется хиральный центр. Треонин, изолейцин имеют по два хиральных центра, в результате они образуют по две пары диастереоизомеров, одна из них это обычные D- и L-формы, а две другие — D- и L-алло- формы.

Биохимические свойства аминокислот

Биохимические свойства аминокислот определяются нали- чием в их структуре тех или иных функциональных групп (-СООН, -NH2, -ОН, -SH, гуанидиновая; ароматические и гетероциклические кольца) и включают:

образование амидов аминокислот по СООН-группе;

образование пептидной связи между СООН- и NH2-ãðóï-

ïàìè;

карбоксилирование;

декарбоксилирование;

аминирование;

дезаминирование;

переаминирование;

гидроксилирование;

реагирование аминогруппы с альдегидами;

образование N- и O-гликозидов;

N-окисление гуанидиновой группы аргинина;

фосфорилирование гидроксиаминокислот;

окисление тиольных групп и образование цистина. Таким образом, аминокислоты представляют собой гетеро-

функциональные соединения.

Реагируя друг с другом по принципу «голова к хвосту», аминокислоты способны образовывать пептиды и белки. Формирование пептидных связей является универсальным свойством всех кодируемых аминокислот. Другие биохимические свойства присущи не всем, а лишь определенным аминокислотам.

Результатом нескольких десятков биохимических реакций в клетках является образование многочисленных производных аминокислот. Эти реакции модификации протекают как с участием свободных аминокислот, так и в ходе посттрансляционных биохимических модификаций аминокислотных радикалов уже в составе белков и пептидов. К числу наиболее распространенных природных производных аминокислот относятся: гидроксили-

18

зин, 4-гидроксипролин (входит в состав коллагена), группа N-метилпроизводных аминокислот (N-метиллизин, N-метилгис- тидин — в сократительных белках; метильная группа присоединяется не по -аминогруппе), î-фосфотирозин, фосфотреонин и фосфосерин в фосфопротеинах, пироглутаминовая кислота (в пептидных гормонах), -карбоксиглутаминовая кислота (в Са2+-связывающих белках), таурин в составе желчных кислот и многие другие.

Необходимо отметить, что в биологических объектах синтетические реакции с участием аминокислот реализуются только путем ферментативных процессов активации аминокислот, т. е. путем энергозависимого перевода аминокислот в реакционноспособное состояние. В редких случаях аминокислоты способны вступать в организме в неферментативные реакции.

Заменимые и незаменимые аминокислоты. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в клетках организма, незаменимые — не могут и, следовательно, должны поступать в организм с пищей. Эти понятия относительны, так как метаболиче- ские возможности разных одноклеточных и многоклеточных организмов чрезвычайно различны. Поэтому списки заменимых и незаменимых аминокислот видоспецифичны. Для человека к числу полностью заменимых относят 10 аминокислот: аланин, аспарагин, аспарагиновую кислоту, глутамин, глутаминовую кислоту, глицин, пролин, серин, тирозин, цистеин. Из них 2 аминокислоты (тирозин и цистеин) являются условно заменимыми, так как синтезируются в организме только с участием незаменимых аминокислот — фенилаланина и метионина соответственно. Также 10 и незаменимых аминокислот: аргинин, гистидин, валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин, причем аргинин и гистидин считают частично заменимыми. Весьма важным является то обстоятельство, что все заменимые и незаменимые аминокислоты относятся к числу генетически кодируемых.

Разработан ряд химических реакций, которые используются для идентификации и количественного фотоколориметрического анализа аминокислот. К их числу относят специфические реакции:

реакция Паули на тирозин и гистидин;

реакция Миллона на тирозин;

реакция Сакагучи на аргинин;

ксантопротеиновая реакция на фенилаланин и тирозин;

19

нитропруссидная реакция на цистеин;

реакция Адамкевича на триптофан;

реакция Фолина на тирозин.

Для анализа аминокислот широко используется универсальная нингидриновая реакция, которая характерна для всех аминокислот с -аминогруппой. Существуют флуоресцентные реагенты на аминокислоты: ортофталевый ангидрид, дансилхлорид и др. Ряд реакций используется в аминокислотных анализаторах и секвенаторах (реакция Сенгера, реакция Эдмана и др.), а также в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ, HPLC), тонкослойной хроматографией (ТСХ, TLC), капиллярным электрофорезом и другими высокотехнологическими, информативными современными методами биохимических исследований.

Разработаны методы промышленного химического синтеза аминокислот. В настоящее время наиболее перспективны эффективные биотехнологические методы получения L-аминокислот с помощью микробных суперпродуцентов. Общемировое производство ряда аминокислот достигает сотен тысяч тонн в год! Они находят широкое применение в качестве пищевых и кормовых добавок, лекарственных средств и др.

ПЕПТИДЫ

Строение пептидов. Природные пептиды — это универсальные природные полимерные соединения, обычно L- -аминокис- лот, связанных пептидными связями. Термин «пептид» предложен Э. Фишером. Большинство природных пептидов — это линейные неразветвленные нерегулярные соединения. В живых системах распространены так называемые простые (гомомерные) пептиды, т. е. пептиды, построенные только из аминокислот. Реже встречаются циклические пептиды (так называемые пептолиды; некоторые антибиотики микроорганизмов, токсины грибов и др.) и сложные (гетеромерные) пептиды.

В состав сложных пептидов входят не только аминокислоты, но и неаминокислотные компоненты:

углеводы в гликопептидах;

липиды в липопептидах;

остатки фосфорной кислоты в фосфопептидах;

ионы металлов в металлопептидах.

Особую группу гетеромерных пептидов образуют депсипептиды микроорганизмов, которые наряду с аминокислотами содержат фрагменты, не являющиеся остатками аминокислот, а также содержат в молекуле не только пептидные, но и несколько сложноэфирных связей. К числу депсипептидов относят цикли- ческие ионофоры, способные специфически транспортировать катионы щелочных и щелочно-земельных металлов через биологические мембраны, а также целый ряд пептидных антибиотиков. Природные пептидные антибиотики — это весьма разнородная группа антимикробных соединений, которые содержат заместители непептидной природы (остатки алифатических спиртов, аминов, жирных кислот, сахаров, гетероциклов и др.). В группу пептидных антибиотиков включают -лактамные антибиотики, циклосерин, грамицидины, бацитрацины, полимиксины, блеомицины, актиномицины и др., которые используются в качестве лекарственных и ветеринарных препаратов. В составе линейных пептидов свободная -аминогруппа называется N-êîí-

21