Классификация, физико-химические свойства аминокислот

Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кольский филиал Петрозаводского Государственного Университета

Реферат на тему:

" Классификация, физико-химические свойства аминокислот. Заменимые и незаменимые аминокислоты"

Выполнила: Иванова Е.А.

Студентка 4-го курса Факультет Экологический Кафедра Экологии и Биологии Проверил: Никанова А.В.

Апатиты 2013 г.

• 1. Общие положения
• Определение, функции, основные аминокислоты
• Номенклатура аминокислот
• Классификация аминокислот
• Классификация по участию в образовании белка
• Классификация аминокислот по полярности радикалов
• Классификация на основе метаболических превращений
• 2. Физико-химические свойства аминокислот
• Оптическая активность аминокислот
• Конфигурация и конформация аминокислот
• 3. Физико-химические свойства
• Растворимость
• Кислотно-основные свойства
• Заменимые и незаменимые аминокислоты
• Незаменимые аминокислоты
• Заменимые аминокислоты
• 4. Краткое содержание

1. Общие положения

Определение, функции, основные аминокислоты

Аминокислоты существуют на нашей планете более трех миллиардов лет. Это доказано исследованием ископаемых микроорганизмов углеродсодержащих кремниевых остатков из докембрийского геологического периода с помощью рубидиево-цезиевого метода датирования. Существуют они и вне Земли, что показано хроматографическим анализом органических частей метеоритов. В водных экстрактах лунных пород найдены следы глицина и аланина.

Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Аминокислоты можно рассматривать как буквы алфавита, при помощи которых, как в слове, записывается информация. Слово несет информацию, например, о предмете или действии, а последовательность аминокислот в белке несёт информацию о построении пространственной структуры и функции данного белка. Аминокислоты — это органические соединения, физико-химическое поведение и разнообразные реакции которых объясняются одновременным присутствием в молекуле основной аминогруппы NH2 — и кислой карбоксильной группы — СООН. Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы.

В природе встречаются главным образом б — аминокислоты. Они имеют общую формулу:

И различаются они только по остаткам R боковой цепи.

Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. Кроме аминокислот, входящих в состав белков, живые организмы обладают постоянным резервом «свободных» аминокислот, содержащихся в тканях и клеточном соке. Они находятся в динамическом равновесии при многочисленных обменных реакциях. Многие из аминокислот встречаются лишь в определенных организмах, а есть и такие, которые обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. Большинство микроорганизмов и растения синтезируют необходимые им аминокислоты; животные и человек не способны к образованию так называемых незаменимых аминокислот, получаемых с пищей. Аминокислоты используются в биосинтезе полипептидов и белков, а также в синтезе фосфатидов, порфиринов и нуклеотидов. Аминокислоты участвуют в обмене белков и углеводов, в образовании важных для организмов соединений (например, пуриновых и пиримидиновых оснований, являющихся неотъемлемой частью нуклеиновых кислот), входят в состав гормонов, витаминов, алкалоидов, пигментов, токсинов, антибиотиков и т. д.; некоторые аминокислоты служат посредниками при передаче нервных импульсов.

Свободные аминокислоты нужны в живом организме и для выполнения специфических задач. Так, глутаминовая кислота выполняет особую функцию переноса при переаминировании, метионин — при переметилировании. Главными продуктами разложения аминокислот являются аммиак, мочевина и мочевая кислота. Восполнение потери аминокислот происходит в результате расщепления белков, а также переаминирования б-кетокислот и взаимных превращений аминокислот.

В природе существует около 300 аминокислот, однако в белках обнаружены только 20 из них (Табл.1.). Последовательность расположения этих аминокислот в белках закодирована в последовательности нуклеотидов соответствующих генов.

Табл.1.20 аминокислот белкового происхождения. (Якубке Х. — Д., Ешкайт Х)

аминокислота заменимая незаменимая растворимость

Номенклатура аминокислот

Названия аминокислот произошли в основном от исходных материалов, из которых они были впервые выделены; например, аспарагин получен из сока спаржи, цистеин и цистин — из камней мочевого пузыря. Другие названия связаны с методами выделения. Так, аргинин был впервые получен в виде серебряной соли, триптофан выделен при расщеплении белка с помощью трипсина. Структурные связи с другими природными соединениями также внесли вклад в названия некоторых аминокислот. Так, валин назван как производное валериановой кислоты, треонин структурно связан с моносахаридом треозой.

За исключением триптофана и аминодикарбоновых кислот, названия аминокислот имеют окончания — ин, что подчеркивает их принадлежность к аминам. У аспарагиновой и глутаминовой кислот и их полуамидов одинаковые корневые слова, поэтому остатки глутамина и аспарагина называют обычно «глутаминил» и «аспарагинил», а остатки глутаминовой и аспарагиновой кислот получили названия «глутамил» и «аспарагил» .

Для удобства написания пептидных фрагментов предложено пользоваться сокращенными названиями аминокислотных остатков, которые состоят из первых трех букв тривиального названия аминокислоты, например Ala для аланина (см. табл 1.). Оптическая конфигурация аминокислоты указывается символами.

Сокращения соответствуют правилам, принятым Международным союзом по чистой и прикладной химии (IUPAC) и Международным союзом по биохимии (IUB). Кроме того, введены также однобуквенные символы, которые применяются для изображения структур белков и длинных пептидных последовательностей, а также для расчетов с помощью ЭВМ.

Первая система сокращений для аминокислот и пептидов была опубликована Брандом и Эдсалом в 1947 г. Система графического изображения аминокислот, предложенная Веллнером и Мейстером, учитывает структурные особенности аминокислотных цепей.

По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино - и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Нумерация углеродной цепи с атома углерода карбоксильной группы.

Например:

Часто используется также другой способ построения названий аминокислот, согласно которому к тривиальному названию карбоновой кислоты добавляется приставка амино - с указанием положения аминогруппы буквой греческого алфавита.

Пример:

Для б-аминокислот R-CH (NH₂) COOH, которые играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, применяются тривиальные названия. Если в молекуле аминокислоты содержится две аминогруппы, то в ее названии используется приставка диамино-, три группы NH₂ — триамино - и т. д.

Пример:

Наличие двух или трех карбоксильных групп отражается в названии суффиксом — диовая или — триовая кислота:

Классификация аминокислот

Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть различной, в зависимости от выбранного качества аминокислот.

Классификация по положению аминогруппы.

Различают б — аминокислоты, у которых амино — и карбоксильная группы соединены с одним и тем же атомом углерода, и в-, г-, д — аминокислоты, функциональные группы которых разделены несколькими атомами углерода.

Классификация по участию в образовании белка

1. Протеиногенные аминокислоты.

Аминокислоты, участвующие в образовании белков. Их так же можно классифицировать по признакам. По положению изоэлектрической точки различают кислые, основные и нейтральные аминокислоты, по строению боковой цепи — алифатические, ароматические и гетероциклические. Гидроксиаминокислоты содержат дополнительно ОН-группы, серосодержащие аминокислоты имеют в боковой цепи тиольные или тиоэфирные группы. Самостоятельную группу образуют иминокислоты пролин и гидроксипролин, у которых вторичная аминогруппа — NH — входит в состав пирролидинового кольца.

По полярности боковой цепи различают полярные и неполярные аминокислоты.

По строению соединений, получающихся при расщеплении углеродной цепи протеиногенных аминокислот, различают глюкопластичные (глюкогенные) и кетопластичные (кетогенные) аминокислоты. Кроме того, биохимики различают заменимые и незаменимые аминокислоты, смотря по тому, могут ли они образоваться в организме или должны быть доставлены с пищей.

2. Непротеиногенные аминокислоты.

В растениях и микроорганизмах, в частности, встречаются аминокислоты, не принимающие участия в образовании белков. Они образуются во время повышенной потребности в азоте, например при образовании почек или прорастании семян, или же запасаются в виде растворимых веществ. Многие аминокислоты, образовавшиеся при обмене веществ низших организмов, имеют свойства антибиотиков. Они действуют как аминокислоты-антагонисты, т. е. являются конкурентными ингибиторами при обмене веществ, задерживая определенные ступени биосинтеза аминокислот или способствуя образованию ложных последовательностей при биосинтезе белков.

Между непротеиногеннымии и протеиногенными аминокислотами иногда существует близкое структурное родство. Так, алинину соответствуют свыше 30 производных, различающихся заместителями водородного атома метильной группы. Заместителем может быть аминогруппа, как, например, у б, в-диаминопропионовой кислоты H₂N-CH₂-CH (NH₂) — COOH, существующей в растениях семейства мимозовых.

Стизолобиновая кислота в проростках гороха содержит пироновое кольцо

гормон щитовидной железы тироксин — йодозамещенную ароматическую боковую цепь.

Производное глицина саркозин CH₃-NH-CH₂-COOH — промежуточное звено метаболизма аминокислот, входит в состав актиномицина.

Из соединений, принадлежащих к ряду аминомасляной кислоты, интересны гомосерин HOCH₂-CH₂-C (NH₂) — COOH из Pisum sativum.

Как антагонисты аргинина действуют присутствующий в бобовых канаванин и его гомолог бактериального происхождения 5- (О-изоуреидо) — L-норвалин.

К ряду иминокислот принадлежит также L-транс-2,3-дикарбоксиазаридин из культуры Streptomyces.

К ряду основных аминокислот относится орнитин H₂N-CH₂-CH₂-CH₂-CH (NH₂) — COOH. Орнитин, как и цитруллин H₂N-CO-NH-CH₂-CH₂-CH₂-CH (NH₂) — COOH, — промежуточный продукт цикла мочевины, он широко распространен как свободная аминокислота, а также входит в состав различных антибиотиков. Как составная часть белка орнитин до сих пор был обнаружен только в гидролизатах некоторых морских водорослей.

Классификация протеиногенных аминокислот по строению радикала.

1. Алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин). В составе алифатических радикалов могут находиться функциональные группы, придающие им специфические свойства

· Моноаминомонокарбоновые: глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин

· Оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин

· Моноаминодикарбоновые: аспартат, глутамат, за счёт второй карбоксильной группы несут в растворе отрицательный заряд

· Амиды моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин

· Диаминомонокарбоновые: лизин, аргинин, несут в растворе положительный заряд

· Серосодержащие: цистеин, метионин

2. Ароматические (фенилаланин, тирозин, триптофан);

3. Гетероциклические: триптофан, гистидин, пролин

4. Иминокислоты: пролин

Аминокислотные остатки в полипетидной цепи имеют сокращенные названия.

Существует несколько специальных классификаций аминокислот, основанных на структуре и химической природе, заменимости, путях метаболизма итд.

Классификация аминокислот по полярности радикалов

1. Неполярные аминокислоты (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин). Эти аминокислоты гидрофобны. Радикалы незаряжены и имеют алифатические углеводородные цепи, ароматические кольца. Радикалы таких аминокислот в воде стремятся друг к другу или к другим гидрофобным молекулам, в результате чего поверхность соприкосновения их с водой уменьшается. Нейтрально-полярные аминокислоты ответственны за каталитическую активность ферментов.

2. Полярные, гидрофильные, незаряженные аминокислоты (глицин, треонин, цистеин, тирозин, серин, аспарагин, глутамин). Содержат такие полярные функциональные группы как гидроксильная, сульфгидрильная и амидогруппа. Радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы, растворяются в воде, так как в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. Гидрофильные полярные соединения увеличивают растворимость пептидов и белков в водных системах. Цистеин и тирозин содержат тиольную и гидроксильную группы соответственно, эти группы способны к диссоциации с образованием Н⁺, но при рН около 7, поддерживаемого в клетках, эти группы практически не диссоциируют. Связанные дисульфидной связью два остатка цистеина называют цистином.

3. Кислые аминокислоты (отрицательно заряженные аминокислоты). К этой группе относят аспарагиновую и глутаминовую аминокислоты, имеющие в радикале дополнительную карбоксильную группу, при рН около 7 диссоциирующую с образованием СОО ^- и Н⁺. следовательно, радикалы данных аминокислот — анионы. Ионизированные формы глутаминовой и аспарагиновой кислот называют соответственно глутаматом и аспартатом.

4. Основные аминокислоты (положительно заряженные аминокислоты) имеют положительный заряд при рН 7,0 (аргинин, гистидин, лизин). Дополнительную положительно заряженную группу в радикале имеют лизин и аргинин. У лизина вторая аминогруппа, способная присоединять Н⁺, располагается в е — положении алифатической цепи, а у аргинина положительный заряд приобретает гуанидиновая группа. Кроме того, гистидин содержит слабо ионизированную имидазольную группу, поэтому при физиологических колебаниях значений рН (от 6,9 до 7,4) гистидин заряжен либо нейтрально, либо положительно. При увеличении количества протонов в среде имидазольная группа гистидина способна присоединять протон, приобретая положительный заряд, а при увеличении концентрации гидроксильных групп — отдавать протон, теряя положительный заряд радикала. Положительно заряженные радикалы — катионы. Наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот.

Классификация по биологической (пищевой) ценности.

1. Незаменимые (эссенциальные) аминокислоты не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей. Они необходимы для обеспечения и поддержания роста: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин

2. Заменимые аминокислоты. Организм может синтезировать около 10 аминокислот для обеспечения биологических потребностей, поэтому строгое поступление их с пищей не обязательно (аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глутамин, глицин, пролин, серин, тирозин).

Классификация на основе метаболических превращений

Биодеградация аминокислот может идти разными путями. По характеру продуктов катаболизма у животных протеиногенные аминокислоты делят на три группы: глюкогенные (при распаде дают метаболиты, не повышающие уровень кетоновых тел, способные относительно легко становиться субстратом для глюконеогенеза: пируват, б-кетоглутарат, сукцинил-KoA, фумарат, оксалоацетат), кетогенные (распадаются до ацетил-KoA и ацетоацетил-KoA, повышающие уровень кетоновых тел в крови животных и человека и преобразующиеся в первую очередь в липиды), глюко-кетогенные (при распаде образуются метаболиты обоих типов).

· Глюкогенные: глицин, аланин, валин, пролин, серин, треонин, цистеин, метионин, аспартат, аспарагин, глутамат, глутамин, аргинин, гистидин.

· Кетогенные: лейцин, лизин.

· Глюко-кетогенные (смешанные): изолейцин, фенилаланин, тирозин, триптофан.

2. Физико-химические свойства аминокислот

Оптическая активность аминокислот

Все аминокислоты, кроме глицина, содержат хиральный углеродный атом и могут встречаться в виде энантиомеров:

Энантиомерные формы, или оптические анитиподы, имеют различные показатели преломления и различные коэффициенты молярной экстинкции (круговой дихроизм) для лево и право циркулярно поляризованных компонент линейно-поляризованного света. Они поворачивают плоскость колебаний линейного поляризованного света на равные углы, но в противоположных направлениях. Вращение происходит так, что обе световые составляющие проходят оптически активную среду с различной скоростью и при этом сдвигаются по фазе.

По углу вращения б, определенному на поляриметре, можно определить удельное вращение.

Где с — концентрация раствора, l — толщина слоя, то есть длина трубки поляриметра.

Используют также молекулярное вращение, то есть [б] относят к 1 молю.

Следует заметить, что зависимость оптического вращения от концентрации имеет значение только в первом приближении. В области с=1ч2 соответствующие значения почти не зависят от изменения концентрации.

Если при измерении молекулярного вращения оптически активного соединения используют линейно-поляризованный свет с непрерывно меняющейся длиной волны, то получают характерный спектр. В том случае, если значения молекулярного вращения возрастают с уменьшением длины волны, говорят о положительном эффекте Коттона, в противоположном случае — об отрицательном. Особенно существенные эффекты наблюдаются при длине волны, соответствующей максимумам полос поглощения соответствующих энантиомеров: происходит изменение знака вращения. Это явление, известное как дисперсия оптического вращения (ДОВ), наряду с круговым дихроизмом (КД) используется при структурных исследованиях оптически активных соединений.

На рисунке 1. представлены кривые ДОВ L — и D-аланина, а на рисунке 2 — спектры КД D — и L-метионина. Положение и величина вращения карбонильных полос в области 200−210 нм сильно зависят от рН. Для всех аминокислот принято, что при L-конфигурации проявляется положительный, при D-конфигурации отрицательный эффект Коттона.

Рис. 1. кривые ДОВ для L — и D-аланинов.1 — гидрохлорид, 2 нейтральный раствор аминокислоты. (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

Рис. 2. Спектры КД D — и L-метионина. (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

Конфигурация и конформация аминокислот

Конфигурацию протеиногенных аминокислот соотносят с D-глюкозой; такой подход предложен Э. Фишером в 1891 году. В пространственных формулах Фишера заместители у хирального атома углерода занимают положение, которое соответствует их абсолютной конфигурации. На рисунке представлены формулы D — и L-аланина.

Схема Фишера для определения конфигурации аминокислоты применима ко всем б — аминокислотам, обладающим хиральным б — углеродным атомом.

Из рисунка видно, что L-аминокислота может быть правовращающей (+) или левовращающей (-) в зависимости от природы радикала. Подавляющее большинство б-аминокислот, встречающихся в природе, относится к L-ряду. Их энантиоморфы, т. е. D-аминокислоты, синтезируются только микроорганизмами и называются «неприродными» аминокислотами.

Согласно номенклатуре (R, S), большинство «природных» или L-аминокислот имеет S-конфигурацию.

В двухмерном изображении для D — и L-изомеров принят определенный порядок расположения заместителей. У D-аминокислоты наверху изображают карбоксильную группу, далее по часовой стрелке следуют аминогруппа, боковая цепь и атом водорода. У L-аминокислоты принят обратный порядок расположения заместителей, причем боковая цепь всегда стоит внизу.

Аминокислоты треонин, изолейцин и гидроксипролин имеют два центра хиральности.

В настоящее время определение абсолютной конфигурации аминокислот проводят как с помощью рентгеноструктурного анализа и ферментативных методов, так и с помощью исследования спектров КД и ДОВ.

Для некоторых аминокислот наблюдается связь между их конфигурацией и вкусом, например L-Trp, L-Phe, L-Tyr, L-Leu имеют горький вкус, а их D-энантиомеры сладкие. Сладкий вкус глицина известен давно. Мононатриевая соль глутаминовой кислоты — глутамат натрия — один из важнейших носителей вкусовых качеств, применяемых в пищевой промышленности. Интересно заметить, что производное дипептида из аспарагиновой кислоты и фенилаланина обнаруживает интенсивно сладкий вкус. В последние годы стереохимия аминокислот развивается в основном в направлении изучения проблем конформации. Исследования с помощью различных физических методов, в особенности спектроскопии ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения, показывают, что заместители у б — и в-С-атомов аминокислоты предпочитают находиться в определенных конфигурациях. С помощью ЯМР-спектроскопии можно проводить конформационный анализ как в твердом состоянии, так и в растворе. Конформационный анализ дает важные сведения о конформационном поведении белков и пептидов.

3. Физико-химические свойства

Растворимость

Аминокислоты (за немногими исключениями) хорошо растворяются в воде, аммиаке и других полярных растворителях, в неполярных и слабополярных растворителях (этанол, метанол, ацетон) растворяются плохо. Причиной такого поведения является легкий переход незаряженной молекулы в цвиттер-ион, который связан с выигрышем свободной энергии 44,8 — 51,5 кДж/моль. В равновесии практически существуют только цвиттер-ионы. Кроме того, растворимость аминокислот зависит от их строения. Более высокую растворимость имеют соединения с гидрофильной боковой цепью. Низкая растворимость большинства аминокислот в их изоэлектрической точке объясняется снижением гидрофильности амино — и карбоксильных групп. Особенно трудно растворимы ароматические аминокислоты.

Кислотно-основные свойства

Аминокислоты — амфотерные вещества, которые могут существовать в виде катионов или анионов. Это свойство объясняется наличием как кислотной (-СООН), так и основной (-NH2) группы в одной и той же молекуле. В очень кислых растворах NH2-группа кислоты протонируется и кислота становится катионом. В сильнощелочных растворах карбоксильная группа аминокислоты депротонируется и кислота превращается в анион.

В твердом состоянии аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов (биполярных ионов, внутренних солей). В цвиттер-ионах протон переносится от карбоксильной группы к аминогруппе:

Если поместить аминокислоту в среду, обладающую проводимостью, и опустить туда пару электродов, то в кислых растворах аминокислота будет мигрировать к катоду, а в щелочных растворах — к аноду. При некотором значении рН, характерном для данной аминокислоты, она не будет передвигаться ни к аноду, ни к катоду, так как каждая молекула находится в виде цвиттер-иона (несет и положительный, и отрицательный заряд). Это значение рН называется изоэлектрической точкой (pI) данной аминокислоты.

Это объясняет высокую температуру разложения аминокислот и их трудную растворимость в неполярных растворителях. Доказательства ионного дипольного строения аминокислот получены методами ЯМР-, ИК-,. КД-спектроскопии: в спектрах отсутствуют полосы поглощения NH2 — и СООН-групп.

При титровании щелочью аминокислоты протонируются и ведут себя как двухосновные кислоты, т. е. они могут отдавать два протона. Если регистрировать изменения рН при добавлении щелочи, то получают типичные кривые титрования для аминокислот.

Рис. 3. Кривые титрования глицина, лизина и глутаминовой кислоты. (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

Значения отдельных ступеней диссоциации лежит далеко одно от другого и может быть найдено с помощью уравнения Гендерсона — Хассельбаха.

При равных концентрациях акцептора протонов и донора протонов измеренное значение рН численно равно значению рК соответствующей группы.

При рН 5,97 для глицина кривая титрования имеет точку перегиба, которая называется изоэлектрической точкой (рН_i). рН, соответствующее этой точке у моноаминокарбоновой кислоты, есть среднее арифметическое значений рК₁ и рК₂ и в сущности определяет условия (кислотность раствора), при которых почти все молекулы аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов. При формольном титровании глицина значение рК₂ сдвигается из основной в нейтральную область рН (заштрихованная область). Это объясняется тем, что аминокислоты сначала переводятся в гидроксиметиламинокислоты, которые затем титруются фенолфталеином в качестве индикатора как истинные слабые кислоты.

У аминокислот, имеющих диссоциирующие группы в боковой цепи (Glu, Asp, Cys, Tyr, Lys, Arg, His), на кривых титрования появляется третий перегиб рК₃.

В отличие от нейтральных и кислых аминокислот значение рН_i основных аминокислот вычисляют как среднее арифметическое значений рК₂ и рК₃. Большое биологическое значение имеет поведение гистидина в качестве буфера. Это единственная протеиногенная аминокислота, которая действует в физиологической области рН 6−8. У аминодикарбоновых кислот б-карбоксильная группа проявляет более сильные кислотные свойства, и преимущественно она принимает участие в образовании цвиттер-ионной структуры. Основной характер аминокислот ослабляется из-за СОО-группы, так что глицин с рК₂ = 9,72 менее основен, чем этиламин с рК= 10,75. Еще более низкая основность у эфиров аминокислот.

У диаминокарбоновых кислот щ-аминогруппа проявляет более выраженные основные свойства, чем б-аминогруппа. Здесь цвиттер-ионная структура осуществяется преимущественно с участием щ-аминогруппы

Табл.2. Температура разложения, растворимость и константы диссоциации протеиногенных аминокислот.

Хорошее представление о кислотно-основных равновесиях в растворах аминокислот особенно важно при их разделении в аналитических и препаративных целях с помощью электрофореза и ионобоменной хроматографии.

Спектры поглощения аминокислот.

УФ-спектры.

В области видимого света растворы протеиногенных аминокислот практически не поглощают, а в УФ-области для ароматических аминокислот можно наблюдать относительно высокое поглощение (Рис. 4.). Характеристический максимум поглощения этих аминокислот лежит >250 нм; слабое поглощение цистина, которое объясняется наличием дисульфидной группы, обнаруживается при 240 нм.

Высокая молярная экстинкция тирозина при 280 нм используется для определения содержания белка в растворах.

Рис. 4. УФ-спектры триптофана (а) и тирозина (б) в 0,1 н. НСl (1) и 0,1 н. NaOH (2). (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

ИК-спектры.

В спектрах аминокислот отсутствуют полосы нормальных валентных колебаний в области 3300 — 3500 см^-1, наблюдается поглощение при 3070 см^-1, которое можно отнести к H₃N⁺ — группе. Эта полоса наблюдается также в спектрах гидрохлоридов аминокислот. Кроме того, две характеристические полосы H₃N⁺ — группы находятся в области 1500 — 1600 см^-1.

Аминокислоты и их соли показывают типичное для СОО ^- поглощение при 1500 — 1600 см^-1. Карбонильное поглощение СООН-группы при 1700 — 1730 см^-1 у гидрохлоридов аминокислот сдвинуто на 20 см^-1 в коротковолновую область. Непрерывный ряд полос находится в интервале 2500 — 3030 см^-1.

Рис. 5. ИК-спктры L-аланина (а) и L-аланингидрохлорида (б). (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

Спектры ЯМР.

Н-ЯМР-спектроскопические исследования аминокислот показали, что химический сдвиг аминокислотных протонов, а также константы протон-протонного взаимодействия зависят от заряженного состояния молекулы. В графическом изображении зависимость химического сдвига от рН имеет вид типичной кривой титрования. В качестве растворителей для ЯМР-спектроскопии аминокислот, пептидов и белков служит обычно вода или D₂О, а в качестве внутреннего стандарта применяют тетраметилсилан (ТМС), гексаметилдисилоксан (ГМДС) и 2,2-диметил-2-силапентан-5-сульфонат (ДДС).

В случае С-ЯМР-спектроскопии, которая применяется для выяснения строения неизвестных соединений и для аналитической характеристики простых производных аминокислот и пептидов, резонансные пики свободных аминокислот (стандарт — ТМС) лежат для карбоксильных групп между — 168 и — 183 м. д., для б-углеродного атома между — 40 и — 65 м. д., для в-углеродного атома между — 17 и — 70 м. д. и для г — и д-углеродных атомов между — 17 и — 50 м. д. сигналы атомов углерода ароматических и гетероароматических колец находятся между — 110 и — 140 м. д. на рисунке 6 приведены С-ЯМР-спектры аспарагиновой кислоты и в-третбутилового эфира бензилоксикарбонил-L-аспарагиновой кислоты.

Рис. 6. С-ЯМР-спектры аспарагиновой кислоты и в-третбутилового эфира бензилоксикарбонил-L-аспарагиновой кислоты. (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

В полипептидах и белках индивидуальные сигналы сдвигаются и перекрываются из-за взаимодействия отдельных аминокислотных остатков. Это затрудняет количественное отнесение сигналов к определенным группам. Например, при применении в качестве внутреннего стандарта ДСС сигналы протонов у метильных групп алифатических остатков лежат между 0,9 и 1,5 м. д., у остальных протонов алифатических боковых цепей между 1,5 и 3,5 м. д., у протонов б-С-атома между 3,5 и 4,5 м. д., у ароматически-связанных СН-протонов, а также у протона пептидной группы СО-NH между 6,7 и 9,0 м. д. Резонансная область С₂-протона имидазола гистидина лежит между 8,0 и 9,2 м. д., а NH-индольного протона триптофана между 9,0 и 11,0 м. д.

Заменимые и незаменимые аминокислоты

Современному человеку не надо долго объяснять о важной роли белков в жизни человека, столь же необходимых как воздух и вода.

Белки формируются из аминокислот. Образно, можно сравнить аминокислоты с буквами алфавита, а белки со словами. Также как слова, белки имеют самое разнообразное строение и определенное предназначение.

Для жизнедеятельности организма необходимо 22 аминокислоты, 14 из которых могут синтезироваться в организме.8 аминокислот могут поступать только из пищи и называются незаменимыми или эссенциальными. Все аминокислоты содержат в своем составе атом азота.

Уже, изучены достоинства каждой из аминокислот, и трудно себе представить, что всего 10 лет назад, врачи знали о лечебных свойствах лишь нескольких из них (метионин, глицин, глутаминовая кислота).

Однако, и сейчас, можно встретить «специалистов», не использующих в своей практике эти достойные и совершенно безопасные лечебные средства. Переоценить их важность для организма невозможно. Они необходимы всем системам организма от «корней» волос до иммунной системой.

Важной функцией белков, является их участие в регуляторных механизмах организма, которые управляют работой эндокринных органов, желудочно-кишечного тракта, печени, костного мозга.

Аминокислоты обладают антиоксидантными свойствами, являются эндогенными сорбентами и формируют субстрат — связывающие белки, которые осуществляют непосредственный транспорт большинства активных соединений (минералов, витаминов, гормонов и т. д.)

Незаменимые аминокислоты

Растения и некоторые микроорганизмы могут производить все аминокислоты, нужные им для синтеза клеточных белков. Животные организмы способны синтезировать только 10 протеиногенных аминокислот. Остальные 10 не могут быть получены с помощью биосинтеза и должны постоянно поступать в организм в виде пищевых белков. Отсутствие их в организме ведет к угрожающим жизни явлениям (задержка роста, отрицательный азотный баланс, расстройство биосинтеза белков ит. д). В таблице 3. приведены незаменимые для организма аминокислоты и минимальная суточная потребность в них.

Табл.3. Минимальная суточная потребность организма человека в незаменимых аминокислотах (НАК). (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

Некоторые незаменимые аминокислоты, как, например, метионин, могут вводиться в организм животного в форме DL — или D-соединений, но скорость их усвоения значительно ниже по сравнению с аминокислотами L-ряда. Сначала происходит окислительное дезаминирование с помощью специфической D-аминокислотной оксидазы. Затем, полученная б-кетокислота стереоспецифически переаминируется в L-аминокислоту. Вообще говоря, незаменимые аминокислоты можно заменить промежуточными продуктами их биосинтеза, например, соответствующими кетокислотами.

Потребность в незаменимых аминокислотах, определяемая по методу азотного баланса, различна для разных видов животных и в большей степени зависит от физиологического состояния организма. Так, например, необходимые молодым млекопитающим во время роста незаменимые аминокислоты аргинин и гистидин для поддержания обмена веществ взрослой особи не нужны. Обе эти аминокислоты наряду с другими входят в состав активных центров многих ферментов. Они служат для узнавания и связывания отрицательно заряженных субстратов и кофакторов. Недостаток аргинина может быть причиной импотенции мужской особи.

Во время беременности повышается потребность женского организма в триптофане и лизине, у грудных детей — в триптофане и изолейцине. Особенно увеличивается потребность организма в незаменимых аминокислотах после больших потерь крови, ожогов, а также во время других процессов, сопровождаемых регенерацией тканей.

Для птиц незаменимой аминокислотой является глицин. У жвачных животных биосинтез всех НАК производится микроорганизмами кишечного тракта, при этом необходимы в достаточном количестве соединения азота. Для человека обеспечение организма НАК — важнейшая задача питания. Высокую биологическую ценность имеют лишь немногие животные белки, такие, как белок куриного яйца или белок материнского молока. Они содержат НАК не только в достаточном количестве, но и в необходимом для человека соотношении. Низкая ценность многочисленных растительных белков связана с небольшим содержанием в них незаменимых аминокислот. Важными компонентами смешанного корма являются рыбная и соевая мука. В белке соевой муки и в белке кормовых дрожжей мало метионина, в кукурузе — лизина и триптофана. Дефицит может компенсироваться добавлением недостающей аминокислоты или подходящей комбинацией других белков.

Табл.4. содержание НАК в белках различного происхождения. (Якубке Х. — Д. Ешкайт Х.)

В таблице приведено содержание НАК в некоторых важных природных белках. Высоко содержание лизина в дрожжах, культивируемых на нефтепродуктах, бедных, однако, метионином.

В гидролизатах некоторых белков кроме протеиногенных аминокислот находятся и другие аминокислоты, появление которых обусловлено изменением боковых цепей после биосинтеза белка. Таковыми являются 4-гидроксипролин и 5-гидроксилизин коллагена, пиридиновые аминокислоты дезмозин и изодезмозин эластина, а также N-метилированный лизин нкоторых мышечных белков.

Далее приведена характеристика для каждой незаменимой аминокислоты.

Лизин входит в состав практически любых белков. Высоко ее содержание в протаминах и гистоная (молоки рыб); является исходным продуктом синтеза алкалоидов; участвует в образовании комплекса между белковой частью фермента и коферментом. Лизин также понижает уровень триглицеридов в сыворотке крови. Эта аминокислота оказывает противовирусное действие, особенно в отношении вирусов, вызывающих герпес и острые респираторные инфекции. Хорошо сочетается с витамином С и биофлавоноидами.

Метионин обеспечивает дезинтоксикационные процессы, прежде всего по связыванию тяжелых металлов, эндогенных и экзогенных токсинов, а также при токсикозе беременности. Метионин оказывает выраженное антиоксидантное действие, так как является хорошим источником серы, инактивирующей свободные радикалы. Помогает переработке жиров, предотвращая их отложение в печени и стенках артерий. Отмечено высокое содержание его в молоке. Синтез таурина и цистеина зависит от количества метионина в организме. Метионин в организме переходит в цистеин, который является предшественником глутатиона.

Треонин поддерживает липотропную функцию печени совместно с метионином и аспартамом. Треонин играет важную роль в образовании коллагена и эластина. Он повышает иммунитет, участвует в производстве антител. Участвует в синтезе витамина В₁₂.

Фенилаланин принимает активное участие в синтезе белков, повышает умственную активность, память. Он способствует улучшению секреторной функции поджелудочной железы и печени. Из фенилаланина может образовываться тирозин, который используется для синтеза нейротрансмиттеров (передатчиков нервных импульсов), способствующих улучшению умственного восприятия, усиливая выработку гормонов щитовидной железы, также обладающих антидепрессантными свойствами. D-фенилаланин входит в состав антибиотиков грамицидинов и тироцидина.

Триптофан необходим для производства витамина B₃ (ниацина) и серотонина-важнейшего нейромедиатора, передающего нервные импульсы. Серотонин нормализует сон, стабилизирует настроение, снижает аппетит. Триптофан снижает содержание жиров, образующих холестерин в крови, также обладает гипотензивным свойством, расширяя кровеносные сосуды. Участвует в синтезе альбуминов и глобулинов, усиливает выделение гормона роста.

Валин необходим для восстановления поврежденных тканей и метаболических процессов в мышцах при тяжелых нагрузках и для поддержания нормального обмена азота в организме, оказывает стимулирующее действие. Относится к разветвленным аминокислотам, может быть использован мышцами в качестве источника энергии вместе с лейцином и изолейцином. Участвует в синтезе алкалоидов, некоторых циклических пептидов, пантотеновой кислоты, пенициллина.

Лейцин, действуя вместе с валином и изолейцином, защищают мышечные ткани и является источником энергии, также способствует восстановлению костей, кожи, мышц. Лейцин также несколько понижает уровень сахара в крови и стимулирует выделение гормона роста.

Изолейцин необходим для образования гемоглобина, стабилизирует уровень сахара в крови, восстанавливает мышечные ткани, ускоряет процесс выработки энергии.

Аргинин замедляет рост опухолей, в том числе раковых, за счет стимуляции иммунной системы организма. Он повышает активность вилочковой железы, которая вырабатывает T-лимфоциты. Его также применяют при заболеваниях печени (цирроз и жировая дистрофия), он способствует дезинтоксикационным процессам в печени (прежде всего обезвреживанию аммиака). Он способствует поддержанию оптимального азотного баланса в организме, так как участвует в транспортировке и обезвреживании избыточного азота в организме. Стимулирует выработку гормона роста, что вызывает некоторое уменьшение запасов жира в организме. Аргинин повышает половую активность у мужчин за счет восстановления эректильной функции и стимуляции сперматогенеза.

Гистидин усиливает секрецию соляной кислоты и пепсина в желудке. Стимулирует образование гемоглобина и кроветворение в целом. Гистидин способствует улучшению половой функции, так как гистамин (производное гистидина) положительно влияет на эректильную функцию и усиливает половое возбуждение.

Заменимые аминокислоты

Аланин нормализует метаболизм углеводов. Является составной частью таких незаменимых нутриентов как пантотеновая кислота и коэнзим А. также является исходным продуктом для синтеза каротиноидов, каучука, жиров и углеводов.

Аспарагиновая кислота в организме присутствует в составе белков и в свободном виде. Играет важную роль в обмене азотистых веществ. Участвует в образовании пиримидиновых оснований мочевины, в образовании креатина, циклических пептидов. При декарбоксилировании образуются б — и в-аланин, необходимый для синтеза мышечных депептидов карнозина, ансерина и кофермента А. Биологическое действие аспарагиновой кислоты: иммуномодулирующее, повышающее физическую выносливость, нормализующее баланс возбуждения и торможения в ЦНС. В большом количестве содержится в растительных белках.

Глицин (аминоуксусная кислота) широко распространен, особенно много в желатине. Является предшественником пуринов, гемоподобных структур и коллагена, используется для построения клеточных стенок бактерий. Является центральным нейромедиатором тормозного типа действия, оказывает седативное действие, улучшает метаболические процессы в тканях мозга, ослабляет влечение к алкоголю, оказывает положительное влияние при мышечных дистрофиях, уменьшает повышенную раздражительность, нормализует сон.

Глутаминовая кислота (глутамин) входит в состав фолиевой кислоты и глутатиона. Обладает уникальным свойством присоединять дополнительный атом азота, тем самым, являясь организатором синтеза различных белков (перенос азота), либо связывая избыток азота (в том числе аммиак), который может вызывать нарушение работы различных органов, но, прежде всего мозга и печени.

В центральной нервной системе глутаминовая кислота является возбуждающим нейромедиатором. Глутаминовая кислота является важной составляющей мышечной ткани, воздействует на гормон роста.

Глутамин является транспортной формой азота у животных и растений, исходным соединением в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты. Глутамат натрия является вкусовой приправой.

Пролин участвует в синтезе коллагена, восстанавливает структуру соединительной ткани (в том числе опорно-двигательного аппарата, паренхиматозных органов, сердца). Входит в состав ряда антибиотиков — циклических пептидов.

Тирозин является предшественником нейромедиаторов норадреналина и дофамина. Тиреоидные гормоны образуются при присоединении к тирозину атомов йода. Эта аминокислота участвует в регуляции настроения; недостаток тирозина приводит к дефициту норадреналина, что, в свою очередь приводит к депрессии. Тирозин подавляет аппетит, способствует уменьшению отложения жиров, способствует выработке мелатонина и улучшает функции надпочечников, щитовидной железы и гипофиза. Симптомами дефицита тирозина также являются пониженное артериальное давление, низкая температура тела и синдром беспокойных ног. Тирозин может синтезироваться из фенилаланина в организме человека.

Цистеин — серосодержащая аминокислота играет важную роль в процессах формирования тканей кожи. Имеет значение для дезинтоксикационных процессов. Цистеин входит в состав альфа-керотина, основного белка ногтей, кожи и волос. Он способствует формированию коллагена и улучшает эластичность кожи. Цистеин входит в состав и других белков организма, в том числе некоторых пищеварительных ферментов. Цистеин помогает обезвреживать некоторые токсические вещества и защищает организм от повреждающего действия радиации. Он представляет собой один из самых мощных антиоксидантов. Цистеин является предшественником глутатиона — вещества, оказывающего защитное действие на клетки печени и головного мозга от повреждения алкоголем, некоторых лекарственных препаратов и токсических веществ, в том числе содержащихся в сигаретном дыме. Эта аминокислота образуется в организме из метионина, при обязательном присутствии витамина B₆.

Карнитин был выделен русскими учеными Гулевичем и Кримсбергом в 1905 году из мясного экстракта. Собственно, отсюда пошло и название от латинского «carnis» — мясо. Однако исследования карнитина, как и многих других биологических соединений, открытых в начале столетия, были приостановлены на достаточно долгий срок. И только в 1947 году, это витаминоподобное вещество вновь стало предметом интереса научной и прикладной медицины. Лишь в 1994 году удалось создать условия для его промышленного производства. Какие же функции в нашем организме выполняет L-карнитин? Его уникальная особенность заключается в том, что он повышает проницаемость клеточных мембран для жирных кислот. Основная его функция — транспортировать жирные кислоты в клеточные «фабрики энергии» — митохондрии, где происходит переработка жиров в энергию, необходимую организму. Не усиливая скорости распада жировой ткани, карнитин повышает утилизацию липидов с целью энергообеспечения и, в результате, замедляет скорость синтеза молекул жирных кислот в подкожно-жировых депо.

Замечательным свойством карнитина является его способность снижать содержание в организме холестерина и замедлять образование атеросклеротических бляшек. Под его влиянием усиливается образование лецитина в печени, а поскольку лецитин «вымывает» из атеросклеротических бляшек холестерин, то можно говорить о том, что карнитин — это одно из немногих соединений, применение которых позволяет достичь активного долголетия.

С возрастом уровень карнитина падает, поэтому необходимо дополнительное его введение в рацион, прежде всего, пожилым людям.

Большая часть карнитина в человеческом организме синтезируется из аминокислот-лизина и метионина, железа и витаминов С и B₆. Недостаток какого-либо из этих веществ приводит к дефициту карнитина.

Картинин влияет на выведение из организма аммиака, в частности из тканей головного мозга, путем активации мочевинного цикла и синтеза глутамата.

4. Краткое содержание

Аминокислоты — это органические соединения, физико-химическое поведение и разнообразные реакции которых объясняются одновременным присутствием в молекуле основной аминогруппы NH2 — и кислой карбоксильной группы — СООН. Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы. В природе встречаются главным образом б — аминокислоты.

Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. Кроме аминокислот, входящих в состав белков, живые организмы обладают постоянным резервом «свободных» аминокислот, содержащихся в тканях и клеточном соке.

В природе существует около 300 аминокислот, однако в белках обнаружены только 20 из них.

Из-за разнообразного строения и свойств классификация аминокислот может быть различной, в зависимости от выбранного качества аминокислот. Существует классификация аминокислот по положению аминогруппы; по участию в образовании белка; классификация протеиногенных аминокислот по строению радикала; классификация аминокислот по полярности радикалов; по биологической (пищевой) ценности; классификация на основе метаболических превращений.

Все аминокислоты, кроме глицина, содержат хиральный углеродный атом и могут встречаться в виде энантиомеров. Подавляющее большинство б-аминокислот, встречающихся в природе, относится к L-ряду. Их энантиоморфы, т. е. D-аминокислоты, синтезируются только микроорганизмами и называются «неприродными» аминокислотами.

Аминокислоты (за немногими исключениями) хорошо растворяются в воде, аммиаке и других полярных растворителях, в неполярных и слабополярных растворителях (этанол, метанол, ацетон) растворяются плохо.

Аминокислоты — амфотерные вещества, которые могут существовать в виде катионов или анионов. Это свойство объясняется наличием как кислотной (-СООН), так и основной (-NH2) группы в одной и той же молекуле.

В твердом состоянии аминокислоты существуют в виде цвиттер-ионов (биполярных ионов, внутренних солей). В цвиттер-ионах протон переносится от карбоксильной группы к аминогруппе.

Для жизнедеятельности организма необходимо 22 аминокислоты, 14 из которых могут синтезироваться в организме.8 аминокислот могут поступать только из пищи и называются незаменимыми или эссенциальными.

Незаменимые (эссенциальные) аминокислоты не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей. Они необходимы для обеспечения и поддержания роста: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин

Заменимые аминокислоты организм может синтезировать сам для обеспечения биологических потребностей, поэтому строгое поступление их с пищей не обязательно (аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глутамин, глицин, пролин, серин, тирозин).

1. Биохимия: учебник., под ред. Северина Е. С. — 2-е изд., испр. — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2004. — 784 с.

2. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэл В., Биохимия человека — в 2 томах., том 2., Москва., Мир., БИНОМ. Лаборатория знаний., 2009.

3. Чиркин А. А., Данченко Е. О., Биохимия: Учебное пособие для студентов и магистрантов высших учебных заведений по биологическим и медицинским специальностям — М.: Медицинская литература, 2010., 605 с.

4. Якубке Х. — Д., Ешкайт Х., Аминокислоты, пептиды, белки: пер. с нем. — М.: Мир, 1985. — 456 с., ил.