Амінокислоти

У живих клітинах синтезується багато макромолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів), які відіграють роль структурних компонентів, біокаталізаторів, гормонів, рецепторів або в них зосереджена генетична інформація. Ці макромолекули представляють собою біополімери, які побудовані з мономерних одиниць, або структурних блоків. В нуклеїнових кислотах мономерними одиницями є нуклеотиди, в складних полісахаридах – цукри і їх похідні, а в білках – L-a-амінокислоти.

Білки, крім того можуть містити й інші компоненти, однак трьохвимірна структура, а відповідно, й їх біологічне значення визначається в основному амінокислотним складом, порядком чергування амінокислот в поліпептидному ланцюзі і як наслідок їх взаємним просторовим розміщенням.

Амінокислоти в клітинах виконують багато важливих функцій; деякі з біологічно важливих сполук, які утворюються із амінокислот наведені в таблиці 3.

Біологічне значення. Амінокислоти являючись будівельними блоками пептидів і білків, виконують і ряд інших важливих функцій. Деякі з них, мабуть приймають участь у передачі нервових імпульсів; прикладами служать гліцин і глютамінова кислота. В їжі повинні міститися незамінні амінокислоти, оскільки організм людини не здатен синтезувати їх в кількостях, достатніх для росту. В результаті метаболізму амінокислот утворюється багато сполук, які мають важливе біологічне значення. Наприклад, при декарбоксилуванні деяких амінокислот утворюються відповідні аміни, і деякі з них (гістамін, g-аміномасляна кислота (ГАМК)) виконують важливі біологічні функції. Ряд аномальних процесів, які виникають в організмах, пов’язані з порушенням транспорту амінокислот до клітин.

Амінокислоти містять в якості функціональних груп аміногрупу і карбоксильну групу. В a-амінокислотах обидві вони зв’язані з одним і тим же (a) вуглецевим атомом:

У природі існує близько 300 амінокислот, однак в білках виявлено тільки 20 з них. У результаті повного гідролізу білків вивільняється 20 L-a-амінокислот (табл. 1). Одні і ті ж 20 амінокислот присутні в білкових молекулах всіх форм життя – рослин, тварин і мікроорганізмів. Чому це так – ми зрозуміємо пізніше, коли будемо обговорювати універсальну природу генетичного коду. Однак, у ряді білків зустрічаються похідні деяких амінокислот, які утворюються вже після включення звичайних амінокислот в молекулу білка (табл. 3).

За виключенням гліцину, у якого R – це атом гідрогену, у всіх амінокислот чотири групи, зв’язані з a-вуглецевим атомом, різні. Дякуючи тетраедричному розміщенню чотирьох різних груп відносно a-вуглецевого атома амінокислота володіє оптичною активністю (здатністю обертати площину поляризації плоскополяризованого світла). Одні амінокислоти, що входять до складу білків, є (при рН=7,0) правообертаючими, а інші – лівообертаючими, однак всі вони мають абсолютну конфігурацію L-гліцеральдегіду і тому є L-a-амінокислотами.

Іонні форми амінокислот. Амінокислоти несуть по крайній мірі дві слабоіонізуючі кислі групи, –СООН і –NH₃⁺. У розчині ці групи знаходяться у двох формах, зарядженій і незарядженій, між якими підтримується протонна рівновага:

R–СООН Û R–СОО^- + Н⁺ і R–NН₃⁺ Û R–NН₂ + Н⁺.

Групи R–СООН і R–NН₃⁺ є протонованими партнерами, тобто кислотами, а R–СОО^- і R–NН₂ – спряженими основами, тобто акцепторами протонів відповідних кислот. При значеннях рН, характерних для плазми крові і міжклітинної рідини (7,4 і 7,1 відповідно), карбоксильні групи знаходяться виключно у формі карбонілатних іонів, R–СОО^-. При цих же значеннях рН більша частина аміногруп знаходиться переважно у асоційованій формі, R–NН₃⁺. Однак в багатьох рівняннях краще використовувати не дисоційовані форми молекул амінокислот, наприклад при обговоренні питання про хімізм реакцій.

Повний сумарний заряд (алгебраїчна сума всіх позитивних і негативних зарядів) амінокислоти залежить від рН середовища, тобто від концентрації протонів гідрогену в розчині. Заряд амінокислоти або її похідного можна змінити, варіюючи значенням рН середовища; це полегшує фізичне розділення амінокислот, пептидів, білків.

Значення рН, при якому сумарний заряд молекули амінокислоти дорівнює нулю, називається ізоелектричною точкою (рІ), саме тому вона не переміщується в постійному електричному полі. Значення ізоелектричної точки знаходиться між найближчими значеннями рК дисоціюючих груп по різні сторони від рІ.

Структура амінокислот. Амінокислоти, які входять до складу білків, є можливість розбити на дві великі групи на основі того, якими є R–групи, зв’язані з атомом a-вуглецю, – полярними і неполярними (табл. 2).

Усі амінокислоти, які виявлено в складі білків, синтезуються в рослинних організмах. В організмі людини і тварин синтезується лише частина протеїногенних амінокислот, а деякі з них утворюються в недостатній кількості для нормального синтезу. В зв’язку з цим усі їх поділяють на три групи: замінні, напівзамінні і незамінні (табл. 2). Останні дві групи в організмі синтезуються в недостатній кількості або не синтезуються взагалі, і тому вони повинні надходити до організму ззовні, в основному з їжею.

Таблиця 1

L-a-амінокислоти, які входять до складу білків^{1 )}

№	Назва	Скорочене позначення	Структурна формула
З аліфатичними боковими ланцюгами
	Гліцин	Глі Gly G
	Аланін	Ала Ala A
	Валін	Вал Val V
	Лейцин	Лей Leu L
	Ізолейцин	Іле Ile I
З боковими ланцюгами, які містять гідроксильні (ОН) групи
	Серин	Сер Ser S
	Треонін	Тре Thr T
	Тирозин	Тир Tyr Y	див. нижче
З боковими ланцюгами, які містять атоми сірки
	Метіонін	Мет Met M
	Цистеїн2)	Цис Cys C
Імінокислоти
	Пролін	Про Pro P
З боковими ланцюгами, які містять кислі групи і їх аміди
	Аспарагінова кислота	Асп Asp D
	Аспарагін	Асн Asn N
	Глютамінова кислота	Глу Glu E
	Глютамін	Глн Gln Q
З боковими ланцюгами, які містять основні групи
	Аргінін	Арг Arg R
	Лізин	Ліз Lys K
	Гістидин	Гіс His H
Амінокислоти, які містять ароматичні кільця
	Гістидин	Гіс His H	див. вище
	Фенілаланін	Фен Phe F
	Тирозин	Тир Tyr Y
	Триптофан	Три Trp W

1) За виключенням гідроксилізину і гідроксипроліну, які включаються до молекул білків у вигляді лізину та проліну, а потім гідроксилюються, для всіх перерахованих в таблиці амінокислот є специфічні тРНК, тому їх включення в білок здійснюється під прямим генетичним контролем.

2) Цистин складається із двох молекул цистеїну, з’єднаних дисульфід ним зв’язком:

У таблиці 1 наведені трьохбуквенні і однобуквені позначення амінокислот, які широко використовуються в біохімії. Однобуквені позначення застосовуються для запису досить довгих амінокислотних послідовностей (наприклад, повних амінокислотних послідовностей білків).

Таблиця 2

Класифікація L-a-амінокислот, які входять до складу білків,