Характеристика протеиногенных аминокислот

В составе белков обнаружено 20 аминокис­лот (протеиногенных). Несмотря на огромное разнообразие вариантов последователь­ностей аминокислот в белках, каждый конкретный белок отличается строгим постоянством состава АК и их последовательности. Все АК, входящие в состав белков, являются α-аминокислотами, поскольку их аминогруппа (^— NH₂) находится в α-положении, т.е. рядом с карбоксильной:

R

|

Н^—С^—NН₂ R— боковые цепи (боковые радикалы)

|

СООН

Существует 4 основных класса АК, содержащих R-группы следующих типов:

1. Неполярные или гидрофобные – аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, фенилаланин, триптофан. R – представлены углеводородными остатками;

2. Полярные (гидрофильные), но незараженные – глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин. R – полярные незаряженные группы;

3. Отрицательно заряженные (кислые) – аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. R – отрицательно заряженные полярные гидрофильные;

4. Положительно заряженные (основные) – лизин, аргинин, гистидин. R – положительно заряженные гидрофильные.

АК – амфотерные электролиты, так как аминогруппа имеет основные свойства, а карбоксильная – кислотные. В водных растворах в интервале рН от 4 до 9 АК существуют преимущественно в виде биполярных ионов – цвиттер-ионов:

R

|

СНNН₃ ⁺

|

СОО ^—

В кислой среде карбоксил нейтрализуется – АК реагирует как катион:

R R

| |

СНNН₃⁺ + Н⁺ СН–NН₃⁺

| |

СОО^— – Н⁺ СООН

Биполярный ион Катион

В щелочной среде цвиттер-ион АК теряет протон – АК реагирует как анион:

R R

| |

СНNН₃⁺ + ОН СН–NН₂ + Н₂О

| |

СОО^— – ОН СОО^—

При нейтральном рН карбоксильные группы АК пол­ностью диссоциированы. В биохимической литературе такие АК принято обозначать с использованием окончания (-ат), например: глутаминовая кислота – глутамат, пировиноградная – пируват и т. д.

Для всех АК характерны реакции с участием аминогрупп, карбоксильных групп или реакционноспособ­ных групп в боковых цепях (^— SH, ^— S ^— S ^—, ^— ОН и др.). Поэтому АК могут реагировать как с основаниями, так и с кислотами, образуя соли:

R R

| |

СНNН₂ СНN⁺Н₃ Cl^—

| |

СООNa СООН

Натриевая соль Солянокислая соль

При взаимодействии АК с азотистой кислотой образуются гидроксикислота и газообразный азот. Реакция лежит в основе количественного определения АК по методу Д. Ван Слайка.

R R

| |

CHNH₂ + HNO₂ СНОН + N₂ + Н₂0

| |

СООН СООН

Аминогруппа АК легко вступает в реакцию с формальдегидом с образованием метиленаминокислот:

R O R

| // |

CHNH₂ + HC СН–N=CH₂ + Н₂0

| \ |

СООН H СООН

После блокирования аминогрупп свободные карбоксильные группы можно оттитровать щелочью. На этой реакции основан метод формольного титрования, который применяют для количественного определе­ния АК.

Карбоксильная группа может реагировать со спирта­ми, образуя сложные эфиры:

О

//

R–СН–СООН + С₂Н₅ОН R–СН–С + H₂О

| | \

NH₂ NH₂ О–С₂Н₅

Эта реакция используется для разделения и определения АК помощью фракционной перегонки их эфиров в вакууме.

Специфическая реакция нингидрина (трикетогидринденгидрата) с α-аминокис-лотами обнаруживает и количественно определять маленькие концентрации АК:

	+ R–СН–СООН   + RCHO + CO2 + NH2 Гидриндантин

О

Гидриндантин реагирует с избытком нингидрина в присутствии аммиака, при этом образуется комплексное соединение сине-фиолетово­го цвета с максимумом поглощения около 570 нм.

Все АК, за исключением глицина, имеют асимметриче­ский атом углерода (т.е. атом углерода с четырьмя различными за­местителями) и поэтому являются оптически активными соединениями. Все АК, встречаю­щиеся в белках, принадлежат к L-ряду.

Следует учитывать, что символы L и D относятся к абсолютной кон­фигурации аминокислот, а не к направлению вращения плоскости по­ляризации света, которое в настоящее время принято обозначать зна­ком (+) или (^—).

Такие L-аминокислоты, как гистидин, лейцин, метионин, цистеин, треонин, фенилаланин, в нейтральных водных растворах являются левовращающими, в то время как аланин, валин, изолейцин, аргинин, лизин и некоторые другие – правовращающими.

Высшие растения и большинство микроорганизмов синтезируют все 20 АК, входящих в состав белков. Применительно к жи­вотным организмам АК можно разделить на две группы: заменимые и незаменимые. Заменимые АК синтезируются в организме, а незаменимые должны поступать с пищей. Биологическая ценность белков определяется содержанием в них незаменимых АК. Аминокислоты могут быть производными жирных и ароматических кислот. В связи с этим выделяют две группы АК: ацикличе­ские (алифатические) и циклические.

Ациклические аминокислоты. В зависимости от количества карбо­ксильных и аминных групп различают моноаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые и диаминодикарбоновые кислоты.

Моноаминокарбоновые кислоты. АК этой группы содержат 1 аминогруппу и 1 карбоксильную группу.

Глицин (гликокол), или α-аминоуксусная кислота, образуется при гидролизе белков и синтезируется в организме.

H—СН₂— СООН

|

N H₂

Является предшественником в синтезе ряда биологически активных соединений: пуринов, порфиринов, глутатиона, креатина, гликолевой и гиппуровой кислот.

α-Аланин, или α-аминопропионовая кислота.

Н₃С—СН₂— СООН

|

N H₂

Аланин и его произ­водные составляют 60-65 % АК, содержащихся в белках. Образуется при гидролизе белков и синтезируется в организме.

Серин, или -амино-β-оксипропионовая кислота. Является одним из компонентов, входящих в состав активных центров ферментов. Гидроксильные группы остатков серина в молекулах белков метаболически активны и способны фосфорилироваться под контролем специфических протеинкиназ:

СООН | H2N—СН | СН2ОН		СООН | H2N—СН | СН2ОРО3Н2
Серин		Фосфосерин

Фосфосерин входит в состав сложных белков – фосфопротеидов. Серин образуется при гидролизе белков и синтезируется в ор­ганизме.

Цистеин, или α-амино-β-тиопропионовая кислота. Получен в 1890 г. из белков волос, рогов, копыт некоторых животных. Это нестой­кое соединение характеризуется наличием сульфгидрильной груп­пы SH:

СООН

|

H₂N—СН

|

СН₂SН

Сульфгидрильная группа этой АК легко окисляется. Цистеин входит в состав структурных белков и многих ферментов.

β-Аланин, или β-аминопропионовая кислота. Входит в состав коэнзима А, пантотеновой кислоты, ансерина и карнозина. В составе белков β-аланин не обнаружен.

α-Аминомасляная кислота В составе белков не обнаружена.

γ-Аминомасляная кислота. В составе белков не обнаружена. Образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН3	СООН | СН2 | СН2 | СН2—NH2
α-Аминомасляная кислота	γ-Аминомасляная кислота

Метионин, или α-амино-γ-метилтиомасляная кислота. Это серосодержащая аминокислота, которая имеет также подвижную метильную группу. Метионин является предшественником универсального донора метиль­ных групп в процессах переметилирования S-аденозилметионина. Участие метионина в процессах переметилирования, например, в синте­зе холина, обусловливает его липотропное действие. При отщеплении от метионина метильной группы образуется гомоцистеин:

СООН | H2N—СН | СН2 | СН2—S—СН3	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2—SН
Метионин	Гомоцистеин

Треонин, или α-амино-β-оксимасляная кислота. В орга­низме не синтезируется. Имеет два асимметрических атома углерода (в α- и β-положениях) и может находиться в виде четырех изомеров. Оксигруппа треонина может фосфорилироваться:

СООН | H2N—СН | СН—ОН | СН3	СООН | H2N—СН | СН—О—РО3Н2 | СН3
Треонин	Фосфотреонин

Валин или а-аминовалериановая кислота, α-амино-β-метилмасляная кислота. Валин присутствует во многих белках, но обычно содержание его не­велико:

Н₃С NH₂

\ |

СН—СН—СООН

/

Н₃С

Лейцин, или α-аминоизокапроновая кислота и и золейцин α-амино-β-метил-валериановая кислота. В организме не синте­зируются.

Норлейцин или α-аминокапроновая кислота. В белках обнаружен в незначительных количествах.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН / \ Н3С СН3	СООН | H2N—СН | СН / \ Н3С С Н2 | СН3	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | СН3
Лейцин	Изолейцин	Норлейцин

Моноаминодикарбоновые кислоты. АК этой группы содержат 1 аминогруппу и 2 карбоксильные.

Аспарагиновая кислота, или аминоянтарная кислота:

N H₂

|

НООС—С Н₂—СН—СООН

Выделена в 1868 г. в виде амида из спаржи.

Глутаминовая кислота, или α-аминоглутаровая кислота:

N H₂

|

НООС—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

Выделена в 1869 г. из гидролизатов белков пшеничного зерна. Вхо­дит в состав белков и других соединений. Является предшественником в синтезе глутатиона. Играет исключительно важную роль в процессах переаминирования АК и обезвреживания аммиака. Синтези­руется в организме и образуется при гидролизе белков. В состав белков входят производные аспарагиновой и глутаминовой кислот – амиды аспарагин и глутамин:

N H2 N H2 | | О=С—С Н2—СН—СООН	N H2 N H2 | | О=С—С Н2—С Н2—СН—СООН
Аспарагин	Глутамин

Диаминомонокарбоновые кислоты. Содержат 2 амино- и 1 карбоксильную группу.

Лизин. Незаменимая АК гистонов, протаминов, белков рибосом.

N H₂

|

H₂N —С Н₂—С Н₂—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

Оксилизин, или α-диамино-δ-оксикапроновая кислота, производное лизина:

N H₂

|

H₂N —С Н₂—С Н₂—С Н₂—С Н₂—СН—СООН

|

ОН

Аргинин, или α-амино-δ-гуанидинвалериановая кислота вхо­дит в растительные белки, особенно белков хроматина (гистонов и протаминов). Незаменимая АК.

СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | NH | C=NH | NH2	СООН | H2N—СН | СН2 | СН2 | СН2 | NH | C=NH | NH—РО3Н2
Аргинин	Аргининфосфорная кислота

Орнитин, или α-, δ-диаминовалериановая кислота:

NH₂

|

NH₂— СН₂— СН₂— СН₂— СН— СООН

В составе белков находится в незначительных количествах.

Цитруллин или α-амино-δ-уреидовалериановая кислота: В белках не обнаружен.

NH₂

|

NH₂— СО— NH— (СН₂)₃— СН— СООН

Диаминокарбоновые кислоты содержат по 2 амино- и по 2 карбоксильные группы.

Цистин или β,β'-дитио-α,α'-аминокротоновая кислота:

СООН СООН

| |

H₂N —С Н H₂N—С Н

| |

С Н₂ —S—S —С Н₂

Играет важную роль в формировании и поддержании нативной структуры белков, а также в окислительно-восстановительных реакциях. Образуется при распаде белков и мета­болизме аминокислот серина и метионина, а также при конденсации двух молекул цистеина.

Циклические аминокислоты. Среди этих АК имеются производные гомо- и гетероциклических соединений.

Гомоциклические аминокислоты.

Фенилаланин, или α-амино-β-фенилпропионовая кислота. Незаме­нимая АК. Является предшественником биосинтеза гормо­нов: адреналина, норадреналина, тироксина и др.

Тирозин, или α-амино-парагидроксифенилпропионовая кисло­та. Незаменимая АК при отсутствии фенилаланина в пище.

Гетероциклические аминокислоты.

Триптофан, или α-амино-β-индолилпропионовая кислота. Относится к ге­тероциклическим АК, так как пиррольное ядро триптофана содержит гетероатом азота. При декарбоксилировании превращается в биологически активное соединение триптамин, вызывающее повышение кровяного давления. Н езаменимая АК.

Гистидин, или α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота. Остаток гистидина частично вхо­дит в состав активных центров ферментов РНК-азы, химотрипсина, транскетолазы и др. При декарбоксилировании гистидина образуется биологически активный амин – гистамин, медиатор парасимпатиче­ской нервной системы:

Пролин, или пирролидин-2-карбоновая кислота. Иминокислота, т.к. нет NH-группы в главной цепи, т.е. у него в двое меньше возможности завязывать водородные связи, на которых держится вторичная структура белка. Богаты пролином проламины (до 10-15 %). Производным пролина является гидроксипролин.

Гидроксипролин, или 4-гидроксипирролидин-2-карбоновая кислота. Имино­кислота. Пролин и гидроксипролин играют важную роль в формирова­нии нативной структуры белка.

В растениях обнаружено большое количество аминокислот (свы­ше 250), не входящих в состав белков, а содержащихся только в свободном состоянии или в составе коротких пептидов. Эти непротеиногенные АК присутствуют пептидах в небольших количествах и обычно характерны для небольшой группы рас­тений (семейство, род).