Материал: химия биополимеров часть 3

Природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. D-формы аминокислот встречаются сравнительно редко, они синтезируются только микроорганизмами. Животными организмами D-аминокислоты не усваиваются.

Физические свойства аминокислот.

α-Аминокислоты представляют собой нелетучие кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при близких и довольно высоких температурах, хорошо растворимы в воде.

Кислотно-основные свойства -аминокислот.

По протолитической теории кислот и оснований, -аминокислоты относятся к амфолитам, т.к. содержат в составе молекулы кислотный и основной центры. В водном растворе молекула -аминокислоты существует в виде биполярного иона.

В зависимости от рН среды может преобладать тот или иной заряд.

В сильнокислых средах (рН 1-2) формируется катионная форма -аминокислоты. В сильнощелочной среде (рН 13-14) преобладает анионная форма -аминокислоты.

Существуют значения рН спецефические для каждой аминокислоты, в которой количество анионных форм в растворе равно количеству катионных форм. При этом необходимо учитывать наличие ионогенных группировок боковой цепи.

Значение рН при котором общий заряд молекулы -аминокислоты равен 0, называется изоэлектрической точкой -аминокислоты (pI_АК).

Если рН раствора соответствует изоэлектрической точке -аминокислоты, то при электрофорезе не происходит движения молекулы в растворе. Если рН раствора < pI, то катионная форма -аминокислоты движется к катоду. Если рН раствора > pI, то анионная форма -аминокислоты движется к аноду. На этом основано разделение АК методом электрофореза.

Для большинства белков животного происхождения изоэлектрические точки лежат в пределах от 5,5 до 7,0 (исключение: пепсин – pI = 1, сальмин – pI = 12), т.е. белки обладают более выраженными кислотными свойствами.

При физиологических значения рН 7,34-7,36 in vivo ни одна -аминокислота и ни один белок не находится в изоэлектрическом состоянии, а преобладает анионная форма, отрицательный заряд которой уравновешивается катионами натрия и калия (Na⁺ и К⁺).

Химические свойства аминокислот.

Аминокислоты – это гетерофункциональные органические соединения, вступающие в реакции, характерные для карбоксильных групп, аминогрупп, и проявляющие ряд специфических биохимических свойств.

1. Как амфолиты -аминокислоты образуют соли при взаимодействии с кислотами и основаниями.

аланин натриевая соль аланина

аланин гидрохлорид аланина

2. Реакция декарбоксилирования -аминокислоты – это ферментативный процесс образования биогенных аминов из соответствующих -аминокислот. Декарбоксилирование происходит с участием фермента – декарбоксилазы и кофермента (KoF) – пиридоксальфосфата.

Г истамин является медиатором аллергических реакции организма. При декарбоксилировании глутаминовой α-аминокислоты образуется ГАМК (γ-аминомасляная кислота), которая является медиатором торможения нервной системы.

3. Реакция дезаминирования – эта реакция является процессом удаления аминогруппы путем окислительного, восстановительного, гидролитического или внутримолекулярного дезаминирования. В организме преобладает путь окислительного дезаминирования с участием ферментов – дегидрогеназ и кофермента – NAD⁺.

На первой стадии процесса осуществляется дегидрирование -звена с образованием -иминокислоты. На второй стадии происходит неферментативный гидролиз -аминокислоты, приводящий к образованию -кетокислоты и сопровождающийся выделением аммиака, включающегося в цикл образования мочевины.

Общая схема процесса окислительного дезаминирования:

Например, реакция окислительного дезаминирования аланина:

С помощью подобных процессов снижается уровень избыточных АК в клетке.

4. Трансаминирование или переаминирование -аминокислоты – это путь синтеза необходимых АК из -кетокислот. При этом донором аминогруппы является -аминокислота, находящаяся в избытке, а акцептором аминогруппы – -кетокислота (ПВК, ЩУК, -кетомасляная кислота). Процесс происходит с участием фермента – трансаминазы и кофермента – пиридоксальфосфата. Например, процесс трансаминирования L-аланина и ЩУК:

Процесс переаминирования связывает обмен белков и углеводов в организме, он регулирует содержание -аминокислот и синтез заменимых -аминокислот.

Кроме этих реакций -аминокислоты способны образовывать сложные эфиры, ацильные производные и вступать в реакции, которые не имеют аналогий в химии in vitro. К таким процессам относятся гидроксилирование фенилаланина в тирозин.

При отсутствии необходимого фермента в организме накапливается фенилаланин, при его дезаминировании образуется токсичная кислота, накопление которой приводит к тяжелому заболеванию – фенилкетонурии.

Контрольные вопросы

1. Строение α-аминокислот, номенклатура, изомерия.

2. Классификация α-аминокислот по характеру бокового радикала, физико-химические характеристики боковой радикала. Классификация α-аминокислот по способности синтезироваться в организме.

3. Кислотно-основные свойства α-аминокислот.

4. Общие пути обмена α-аминокислот в организме. Реакции декарбоксилирования, трансаминирования, окислительного дезаминирования.

Типовые задания

Задание 1. Напишите все возможные стереоизомеры треонина в проекционных формулах Фишера. Укажите конфигурацию каждого хирального центра. Какие структуры являются энантиомерами, а какие диастереомерами? Есть ли среди приведенных структур мезоформа?

Решение. Молекула треонина содержит два хиральных центра:

следовательно, число оптических изомеров равно 2ⁿ = 2² = 4.

I и II, III и IV  энантиомеры;

I и III, I и IV, II и III, II и IV  σ-диастереомеры.

Среди приведенных структур мезоформы нет, так как каждый стереоизомер имеет свой энантиомер.

Задание 2. Приведите примеры α-аминокислот, входящих в состав белков, с гидрофобными и гидрофильными боковыми радикалами.

Решение. α-Аминокислоты с гидрофобными радикалами: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан и пролин (иминокислота). Радикалы этих аминокислот воду не притягивают, а стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам.

α-Аминокислоты с гидрофильными радикалами: серин, треонин, тирозин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, цистеин и оксипролин (иминокислота). В состав радикалов этих аминокислот входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой.

В свою очередь, эти аминокислоты делят на две группы:

- неионогенные α-аминокислоты, не способные к ионизации.

Н апример, гидроксильная группа треонина:

- ионогенные α-аминокислоты, способные к ионизации в условиях организма.

К α-аминокислотам с отрицательно заряженными радикалами относятся тирозин, цистеин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Эти аминокислоты называют кислыми.

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

Полностью ионизированные формы аспарагиновой и глутаминовой кислот называют аспартатом и глутаматом:

К α-аминокислотам с положительно заряженными радикалами относятся лизин, аргинин и гистидин. Эти аминокислоты называют оснóвными.

У лизина есть вторая аминогруппа, способная присоединять протон:

У аргинина положительный заряд приобретает гуанидиновая группа:

Пиридиновый атом азота в имидазольном ядре гистидина содержит неподеленную пару электронов, которая также может присоединять протон:

Задание 3. Для аланина напишите уравнения реакций, иллюстрирующих его амфотерный характер.

Решение. Напишем формулу аланина – 2-аминопропановой кислоты

Как все аминокислоты, аланин за счет наличия карбоксильной группы обладает кислотными свойствами, а за счет аминогруппы проявляет основные свойства.

Реакция, иллюстрирующая кислотные свойства аланина, – это реакция взаимодействия со щелочью, с образованием натриевой соли аланина.

Реакция, доказывающая основные свойства аланина, – это реакция взаимодействия с соляной кислотой, с образованием соответствующей соли.

Задание 4. Смесь глицина, аланина, лизина, аргинина, серина и глутаминовой кислоты разделяли методом электрофореза при рН 6.

Определите направление движения аминокислот при электрофорезе, если изоэлектрические точки этих аминокислот соответственно равны значениям pH: 6,0; 6,0; 9,8; 10,8; 5,7 и 3,2.

Решение. В изоэлектрической точке (pI  рН) суммарный заряд α-аминокислоты равен нулю. В данных условиях такое соотношение выполняется для аланина, глицина и серина и эти аминокислоты в электрическом поле перемещаться не будут.

При рН > pI преобладает анионная форма и аминокислота (в данном случае глутаминовая кислота) будет перемещаться к аноду.

В случае, когда рН < pI в растворе преобладает катионная форма, поэтому лизин и аргинин будут перемещаться к катоду.

Задание 5. Даны три аминокислоты: аспарагиновая, лизин и глицин. Определите, в какой среде  кислой, нейтральной или щелочной  будут находиться изоэлектрические точки этих кислот по сравнению с глицином, для которого рI = 6.

Решение. У аспарагиновой кислоты рI будет находиться в более кислой среде, чем у глицина, так как для подавления диссоциации второй карбоксильной группы требуется дополнительное количество ионов H⁺.

У лизина рI будет находиться в более щелочной среде, чем у глицина, так как для предотвращения образования второй NH₃⁺ группы требуется дополнительное количество ионов OH^.

Задание 6. Заболевание фенилкетонурия связано с нарушением синтеза тирозина из фенилаланина и накоплением в организме токсичных продуктов дезаминирования фенилаланина. Какое соединение получается в результате окислительного дезаминирования фенилаланина?

Решение. α-Аминокислота фенилаланин в организме под действием фермента (фенилаланингидроксилаза) гидроксилируется в α-аминокислоту тирозин. В отсутствие этого фермента или при его недостаточной активности в организме накапливается фенилаланин. При его дезаминировании (удаление азотсодержащей функциональной группы) получается оксокислота – фенилпировиноградная кислота, которая и вызывает токсический эффект.

Дезаминирование не затрагивает углеродного скелета α-аминокислоты, поэтому у продуктов дезаминирования сохраняется способность включаться в другие обменные процессы. Кроме того, через реакцию дезаминирования осуществляется генетическая связь α-аминокислот с другими типами органических кислот: