voronina

атома. Якщо амінокислота містить дві аміногрупи, то друга знахо- диться, головним чином, біля найвіддаленішого (крайнього) вугле- цю стосовно α-вуглецевого атома.

Загальною ознакою, характерною для всіх амінокислот, які входять до складу білків, є наявність вільної карбоксильної групи і вільної незаміщеної аміногрупи біля α-вуглецевого атома. Крім цих двох, так званих функціональних груп, кожна амінокислота містить характерний тільки для неї радикал (R-групу). Хімічна природа радикалів різноманітна: від атома водню до циклічних сполук. Саме радикали визначають структурну і функціональну особливість амінокислот.

Загальний вигляд будови α-L-амінокислоти може бути поданий формулою:

На даний час у природі виявлено близько 300 різних амінокис- лот. Проте деякі з них виявлені лише в певних біологічних спільно- тах або в окремих організмах. В організмі людини міститься близько 60 амінокислот і їх похідних, але не всі вони входять до складу білків. Серед них виділено групу з 20 найважливіших амінокислот, які по- стійно зустрічаються в білкових сполуках. Амінокислоти, що входять до складу білків, одержали назву протеїногенних (стандартних). Се- ред них виділяють головні (їх всього 20) і рідкісні, які у більшості ви- падків є похідними тих же 20 амінокислот. Амінокислоти, які не бе- руть участі в побудові білків, так звані непротеїногенні, знаходяться в клітині або у вільному стані, або входять до складу інших небілкових сполук. Вони більш різноманітні, особливо ті, які містяться у ви- щих рослинах і грибах.

Назви амінокислот будуються за замінною номенклатурою ор- ганічних кислот (наприклад, α-амінопропіонова кислота), але, як правило, використовуються їх тривіальні назви; при цьому часто використовують трьохлітерні і однолітерні позначення цих назв, наприклад: гліцин – глі, G; аланін – ала, А. Ми будемо використо- вувати трьохлітерні позначення. Тривіальні назви часто пов'язані із джерелом виділення амінокислоти або будь-якими іншими озна- ками. Наприклад, гліцин має солодкий смак (від грецького glycos – солодкий), серин входить до складу білка фіброїну шовку (від лат. serius – шовковистий); тирозин виділений із сиру (від грецьк. tyros – сир); аспарагінова кислота – із паростків спаржі (від лат. asparagus – спаржа) і т.ін.

Класифікація і будова амінокислот

Амінокислоти класифікуються кількома способами залежно від ознаки, за якою відбувається їх розподіл на групи. Прийнято в основ- ному три класифікації амінокислот: структурна – за будовою боко-

11

вого радикалу; електрохімічна – за кислото-лужними властивостями амінокислот; біологічна (фізіологічна) – за мірою незамінності амі- нокислот для організму.

Відповідно до загальної формули α-амінокислоти відрізня- ються лише будовою R, згідно з чим вони поділяються на аліфа- тичні (ациклічні), циклічні (див. схему). Кожна група підрозділя- ється на підгрупи. Так, амінокислоти аліфатичного ряду в залеж- ності від кількості аміно- і карбоксильних груп поділяються на моноаміномонокарбонові, диаміномонокарбонові, моноаміноди- карбонові, диамінодикарбонові.

Схема класифікації амінокислот

У свою чергу аліфатичні амінокислоти, залежно від наявності ті- єї чи іншої групи в радикалі, підрозділяють на такі підгрупи: гідро- кси-, сірко-, амідовмісні та інші амінокислоти.

Хімічна структура, назва і скорочені трьохлітерні позначення амінокислот наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Класифікація протеїногенних амінокислот

R-група	Назва	Позначення

I.АЦИКЛІЧНІ АМІНОКИСЛОТИ

1.Аліфатичні незаміщені амінокислоти (моноаміномонокарбонові)

Гліцин (глікокол), Глі α-амінооцтова кислота

Аланін (α-аміно- Ала пропіонова кисло- та)

12

Продовження табл. 1

R-група			Назва	Позначення
			Валін (α-аміноізо-	Вал
			валеріанова кисло-
			та)
			Лейцин (α-аміно-	Лей
			ізокапронова кис-
			лота)
			Ізолейцин (α-аміно-	Іле
			β-метил-β-етилпро-
			піонова кислота)
2. Аліфатичні заміщені амінокислоти
	а) Гідроксиамінокислоти
			Серин (α-аміно-β-	Сер
			гідроксипропіонова
			кислота)
			Треонін (α-аміно-	Тре
			β-гідроксимасляна
			кислота)
	б) Тіоамінокислоти
			Цистеїн (α-аміно-	Цис
			β-тіопропіонова
			кислота)
			Метіонін (α-аміно-	Мет
			γ-метилтіомасляна
			кислота)
в) Карбоксиамінокислоти		(моноамінодикарбонові кислоти)
			Аспарагінова	Асп
			(α-аміноянтарна
			кислота)

13

Продовження табл. 1

R-группа	Назва	Позначення
	Глутамінова	Глу
	(α-аміноглутарова)
	кислота
г) Амінокислоти, які містять амідні групи
	Аспарагін (γ-амід-	Асн
	α-аміноянтарної
	кислоти)
	Глутамін (δ-амід	Глн
	α-аміноглутарової
	кислоти)

д) Диамінокислоти (диаміномонокарбонові кислоти)

Лізин (α, ε-диамі- Ліз нокапронова кисло- та)

Аргінін (α-аміно- Арг δ-гуанідиновале- ріанова кислота)

II.ЦИКЛІЧНІ АМІНОКИСЛОТИ 1. Ароматичні амінокислоти

Фенілаланін Фен (α-аміно-β-феніл- пропіонова кисло- та)

Тирозин (α-аміно- Тир β-парагідрокси- фенілпропіонова кислота)

14

Продовження табл. 1

R-група		Назва	Позначення
2. Гетероциклічні амінокислоти
		Триптофан (α-амі-	Трп або Три
		но-β-індолілпро-
		піонова кислота)
		Гістидин (α-аміно-	Гіс
		β-імидазолілпро-
		піонова кислота)
	3. Циклічні імінокислоти
		Пролін (піролідин-	Про
		α-карбонова кисло-
		та)
Амінокислоти, які рідко зустрічаються
		Амінолимонна (α-	–
		аміно-β-гідрокси-β-
		карбоксиглутарова
		кислота)

Деякі амінокислоти, вже входячи до складу білків, можуть мо- дифікуватися, тобто зазнавати певних хімічних перетворень, які при- зводять до зміни у структурі радикала. Вони не беруть безпосеред- ньої участі у синтезі білків. Але їх можна знайти в гідролізаті білків. Так, у результаті процесу гідроксилювання, який відбувається в орга- нізмі, у бокові радикали лізину та проліну білка колагену вводяться ОН-групи з утворенням гідроксилізину та гідроксипроліну:

Внаслідок модифікаційних перетворень може відбуватися конден- саціядвохмолекулцистеїнузутвореннямдисульфіду– цистину.

15

Цей процес має місце під час взаємодії цистеїнових залишків у поліпептидному ланцюзі: як усередині його, так і між поліпептидни- ми ланцюгами, що спостерігається при формуванні просторової конформації білкової молекули.

За електрохімічними (кислотно-лужними) властивостями амінокислоти залежно від кількості NH2– і СООH– груп у моле- кулі поділяють на три групи: кислі – з додатковими карбоксиль- ними групами в боковому радикалі (моноамінодикарбонові кис- лоти: аспарагінова і глутамінова); лужні – диаміномонокарбонові (лізин, аргінін) і гістидин; нейтральні – решта амінокислот, у яких боковий радикал не проявляє ні кислих, ні лужних властивостей. Деякі автори вважають, що у цистеїну і тирозину сульфгідрильна і гідроксильна групи в боковому радикалі мають слабковиражені кислі властивості.

Сучасна раціональна класифікація амінокислот ґрунтується на полярності радикалів, тобто здатності їх до взаємодії з водою при фізіологічних значеннях pН (близько pН 7,0). Вона включає

4класи амінокислот:

-неполярні (гідрофобні), бокові радикали яких не мають спорід- неності з водою. До них відносяться аланін, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін, фенілаланін, триптофан, пролін;

-полярні (гідрофільні) незаряджені – гліцин, серин, треонін, цис- теїн, тирозин, аспарагін, глутамін;

-полярнінегативнозаряджені– аспарагіноваіглутаміновакислоти;

-полярніпозитивнозаряджені– лізин, аргінін, гістидин.

За біологічним (фізіологічним) значенням амінокислоти поді- ляють на три групи:

-незамінні, котрі не можуть синтезуватися в організмі з інших спо- лук, тому повинні обов'язково надходити з харчовими продуктами. Це незамінні добавки їжі. Незамінних амінокислот для людини вісім: трео- нін, метіонін, валін, лейцин, ізолейцин, лізин, фенілаланінітриптофан;

-напівзамінні амінокислоти можуть утворюватися в організмі, але не в достатній кількості, тому частково мають надходити з їжею. Для людини такими амінокислотами є аргінін, тирозин, гістидин;

-замінні амінокислоти синтезуються в організмі в достатній кі- лькості з незамінних амінокислот та інших сполук. До них належить решта амінокислот.

16

Наведена біологічна класифікація амінокислот не є універсаль- ною на відміну від попередніх і певною мірою є умовною, тому що залежить від виду організму. Однак абсолютна незамінність восьми амінокислот є універсальною для усіх видів організмів.

Фізико-хімічні властивості амінокислот

Кислотно-основні властивості амінокислот. Амінокислоти – амфотерні сполуки, які містять дві протилежні за властивостями фу- нкціональні групи: карбоксильну й амінну. Тому у звичайних умовах у водних розчинах або кристалічному стані можлива взаємодія між ними з утворенням дипольних іонів або цвіттер-іонів з дисоційова- ною карбоксильною групою і протонізованою аміногрупою:

За хімічними властивостями амінокислоти – амфотерні елект- роліти, тобто поєднують властивості і основ, і кислот. У залежності від рН середовища вони можуть мати кислі або основні властивості. У кислому середовищі (рН < 7) амінокислоти несуть позитивний за- ряд (катіони), оскільки надлишок протонів у середовищі пригнічує дисоціацію карбоксильних груп:

Уцьому випадку амінокислоти пересуваються в електричному полі до катоду.

Улужному середовищі (рН > 7), коли є надлишок іонів ОН–, амінокислоти перебувають у вигляді негативно заряджених іонів (аніони), внаслідок дисоціації СООН-групи:

Улужному середовищі амінокислоти в електричному полі рухають- ся до аноду. Отже, у залежності від рН середовища амінокислоти мають сумарнийнульовий, позитивнийабонегативнийзаряд.

Відповідно до своєї амфотерної природи амінокислоти можуть утворювати різні солі, реагуючи як з основами, так і з кислотами:

17

Стан, у якому заряд амінокислоти дорівнює нулю, називається ізоелектричним станом. Значення рН, при якому амінокислоти дося- гають цього стану і вже не рухаються в електричному полі ні до ано- ду, ні до катоду, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ) і познача- ється рI. Для нейтральних α-амінокислот значення ІЕТ дещо нижчі за 7 (5,5-6,3) внаслідок більшої здатності до іонізації карбоксильної групи. У кислих α-амінокислот (аспарагінова і глутамінова кислоти) ІЕТ знаходиться значно нижче 7, наприклад, для глутамінової кисло- ти рІ = 3,2. Для лужних амінокислот ІЕТ знаходиться у межах рН вище 7, і в організмі вони містяться у вигляді катіонів, тобто в них протонізовані обидві аміногрупи. Кислотно-основні властивості амі- нокислот використовуються при їх розподілі й ідентифікації за мето- дом іонообмінної хроматографії і електрофорезу.

Виділені з білків амінокислоти – це безбарвні, кристалічні речо- вини, більшість з яких добре розчиняється у воді, і погано – в органі- чних розчинниках. Здатність α-амінокислот розчинятися у воді є важ- ливим фактором, який забезпечує їх біологічні властивості. Розчинні- стю у воді зумовлене всмоктування α-амінокислот, їх транспорт в ор- ганізмі і т.ін. Всі амінокислоти плавляться за температури вище 200°С, деякі з них при нагріванні розкладаються.

Стереохімія амінокислот. Усі α-амінокислоти, крім гліцину, оп- тично активні і можуть існувати у вигляді пари просторових ізоме- рів – енантіомерів D і L, оскільки α-вуглецевий атом у них є хіраль- ним (біля нього розташовані чотири різні функціональні групи):

У живих організмах розрізняють L- і D- форми амінокислот. Усі α-амінокислоти, які входять до складу білків тварин і людини, мають L-конфігурацію. У їхніх проекціях аміногрупа знаходиться ліворуч подібно до гідроксигрупи в L-гліцериновому альдегіді. Використання α-амінокислот L-ряду для біосинтезу білків людського організму має надзвичайно важливе значення у формуванні їх просторової структу- ри та виявленні біологічної активності. Із цим безпосередньо пов'я- зана стереоспецифічність дії ферментів-білків.

Залишки D-α-амінокислот входять до складу багатьох природних пептидів, насамперед – антибіотиків. D-амінокислоти знайдено у складі біополімерів клітинних стінок бактерій. Наприклад, залишок D-глу- тамінової кислотивходитьдооболонкибактерійсибірської виразки.

Амінокислоти, їх похідні, суміші амінокислот – лікарські засоби.

У практичній медицині широко використовуються препарати аміно- кислот (цистеїн, метіонін, глутамінова кислота, гістидин та ін.); по- хідні амінокислот, наприклад, ацетилцистеїн, цистамін та ін.; проду-

18

кти обміну амінокислот – гаммааміномасляна кислота (аміналон, гаммалон), серотонін, адреналін, норадреналін, дофамін та ін.; гід- ролізати тканинних і плазмових білків і суміші індивідуальних аміно- кислот для парентерального живлення (амікін, амінокровін, гідролі- зат казеїну, поліамін, фібриносол, церебролізин та ін.).

Пептиди

Дуже важливою властивістю α-амінокислот є їхня здатність вступати в реакцію поліконденсації з виділенням молекули води за рахунок ОН-групи α-карбоксилу однієї амінокислоти й одного вод- ню α-NH2-групи другої з утворенням ковалентного амідного зв'язку (-CO-NH-) між ними, який отримав назву пептидного. У його утво- ренні беруть участь тільки α-NH2, та α-СООН групи сусідніх аміно- кислот. Утворені при цьому поліаміди називають пептидами. При взаємодії двох амінокислот утворюється дипептид, трьох – трипеп- тид і так далі аж до утворення величезного поліпептиду. Умовно прийнято, що пептиди, які містять від 2 до 20 амінокислотних за- лишків, належать до олігопептидів; ті, що мають в молекулі від 20 до 50 амінокислотних залишків – до поліпептидів. Пептидні лан- цюги, які об'єднують понад 50 амінокислот і мають молекулярну масу більшу за 6000, належать до білків.

Наведемо приклад утворення тетрапептиду:

Назви пептидів складаються з назв амінокислот, які входять до їх складу. Кожний пептид або поліпептидний ланцюг будь-якої довжини має N-кінцеву амінокислоту, що містить вільну α-NН2-групу і С-кінцеву амінокислоту, що містить вільну СООН-групу біля α-вуглецевого ато- ма. Оскільки до складу пептидів α-амінокислоти входять у формі

19

ацилів, то в назві пептидів вони набувають характерного для ацилів закінчення «іл» замість «ін», тобто «аланіл» замість «аланін», «аспа- рагіл» замість «аспарагін», «глутамініл» замість «глутамінової кис- лоти» і т.ін. Найменування пептидів складається з назви першої N- кінцевої амінокислоти із закінченням «іл», наступних амінокислот із таким самим закінченням і повної назви С-кінцевої амінокислоти з вільною СООН-групою біля α-вуглецевого атома (див. назву тетра- пептиду). Скорочене позначення пептиду має такий вигляд: першою записують амінокислоту, у якої збереглася α-NH2-група, потім іде перелік усіх поспіль розташованих залишків амінокислот і закінчу- ють – амінокислотою з вільною α-карбоксильною групою. У нашому прикладі це набуває такого вигляду:

Н2N-ала-асн-глу-ліз-СООH або N-ала-асн-глу-ліз-С. У структур- них формулах пептидів амінокислоту з кінцевою α-NH2-групою пи- шуть, як правило, ліворуч, а з кінцевою α-карбоксильної групою – праворуч, тобто: ала-асн-глу-ліз.

Особливості пептидного зв'язку. Пептидний зв'язок є повторюва-

ною ланкою поліпептидного ланцюга і має ряд особливостей, які впливають на форму самого поліпептидного ланцюга і на вищі рівні його організації – конформацію. У складі пептидної групи (-СО-NH-) атом вуглецю знаходиться в sp2-гібридному стані. Неподілена пара електронів атома азоту сполучається з π-електронами карбонільної групи, внаслідок чого відбувається деяке вирівнювання довжини зв'я- зків. Подвійний зв'язок С=0 дещо подовжується (1,24 нм замість 1,21 нм для звичайного зв'язку), а зв'язок С-N дещо скорочується (1,32 нм замість 1,47 нм) і, отже, значною мірою набуває характеру по- двійного зв'язку, обертання навколо якого утруднюється. Тому всі атоми пептидного зв'язку знаходяться приблизно в одній площині, тобто він є копланарним. До сьогодні встановлено всі валентні кути і довжини зв'язків у пептидних групах (рис. 1).

Рис. 1. Міжатомні відстані (нм) і кути у пептидному зв'язку. Усі атоми всередині рамки знаходяться приблизно в одній площині

Л.Полінг і Р.Корі, ґрунтуючись на даних рентгеноструктурного аналізу пептидів, запропонували пояснювати особливу природу зв'я-

20