Билет 4

Вопрос 1 Аминокислоты. Общие сведения о структуре, физико-химических свойствах аминокислот. Особенности пептидной связи.

Аминокисло́ты (аминокарбо́новые кисло́ты) — органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы.

По физическим свойствам аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Все они кристаллические вещества, лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях, имеют достаточно высокие температуры плавления; многие из них имеют сладкий вкус. Эти свойства отчётливо указывают насолеобразный характер этих соединений.Особенности физических и химических свойств аминокислот обусловлены их строением — присутствием одновременно двух противоположных по свойствам функциональных групп: кислотной и основной. α-аминокислоты являются амфотерными электролитами.

Общие химические свойства[править | править вики-текст]

Все аминокислоты — амфотерные соединения, они могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы —C O O H, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой —N H₂. Аминокислоты взаимодействуют с кислотами и щелочами:

N H₂ —C H₂ —C O O H + H Cl → H Cl • N H₂ —C H₂ —C O O H (хлороводородная соль глицина)

N H₂ —C H₂ —C O O H + Na O H → H₂O + N H₂ —C H₂ —C O O Na (натриевая соль глицина)

Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов, то есть находятся в состоянии внутренних солей.

N H₂ —C H₂C O O H N⁺H₃ —C H₂C O O^-

Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для карбоновых кислот и аминов.

Этерификация:

N H₂ —C H₂ —C O O H + C H₃O H → H₂O + N H₂ —C H₂ —C O O C H₃ (метиловый эфир глицина)

Важной особенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, приводящей к образованию полиамидов, в том числе пептидов, белков, нейлона,капрона.

Реакция образования пептидов:

H O O C —C H₂ —N H —H + H O O C —C H₂ —N H₂ → H O O C —C H₂ —N H —C O —C H₂ —N H₂ + H₂O

Изоэлектрической точкой аминокислоты называют значение pH, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом. При таком pHаминокислота наименее подвижна в электрическом поле, и данное свойство можно использовать для разделения аминокислот, а также белков и пептидов.

Цвиттер-ионом называют молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде -NH₃⁺, а карбоксигруппа — в виде -COO⁻. Такая молекула обладает значительным дипольным моментом при нулевом суммарном заряде. Именно из таких молекул построены кристаллы большинства аминокислот.

Некоторые аминокислоты имеют несколько аминогрупп и карбоксильных групп. Для этих аминокислот трудно говорить о каком-то конкретном цвиттер-ионе.

Получение[править | править вики-текст]

Большинство аминокислот можно получить в ходе гидролиза белков или как результат химических реакций:

C H₃C O O H + Cl₂ + (катализатор) → C H₂Cl C O O H + H Cl; C H₂Cl C O O H + 2N H₃ → N H₂ —C H₂C O O H + N H₄Cl

Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы.

органические соединения, молекулы которых содержат аминогруппы (NH₂-группы) и карбоксильные группы(СООН-группы); являются элементами, из которых построены пептиды и белки. Известно около 200природных А., однако в состав белков входят только 20 аминокислот, которые называют нормальными,основными, или стандартными. В редких случаях в белках встречаются нестандартные А.: в коллагене — 4-(гидр) оксипролин и 4-(гидр) оксилизин, в миозине — N-метиллизин, в протромбине — γ-карбоксиглутаминовая кислота, в эластине — десмозин и др.

Характерной особенностью нормальных А. является наличие в их молекуле СООН- и NH₂-групп, связанныхс одним и тем же α-углеродным атомом: H₂N—(R) C (H)—СООН, где R — углеводородный радикал.

α-Углеродный атом у всех А., за исключением глицина, асимметричен, что объясняет существование А. ввиде двух стереоизомеров и делает их оптически активными, т.е. способными вращать плоскостьполяризации проходящего через раствор А, поляризованного света. В зависимости от того, в какомнаправлении происходит это вращение, различают правовращающие и левовращающие стереоизомеры(энантиомеры) А., обозначаемые знаками «+» и «—» соответственно. Молекулы белков высших организмовпостроены из строго определенных стереоизомеров аминокислот — L-аминокислот, α-углеродный атомкоторых соответствует по своей абсолютной конфигурации углеродному атому L-глицеральдегида. В составнекоторых бактериальных белков и пептидов иногда входят остатки D-аминокислот. Такие аминокислоты,как треонин и изолейцин, содержат два асимметричных атома углерода и имеют по 4 стереоизомера,однако в белках встречаются стереоизомеры этих А. только одного типа.

Некоторые нестандартные А., например β-аланин, γ-аминомасляная кислота, δ-аминолевулиновая кислота(промежуточный продукт биосинтеза порфиринов), отличаются от стандартных А. местоположением NH₂-группы, но главным образом эти различия касаются строения углеводородного радикала. Многие изнестандартных А. являются предшественниками иди катаболитами других биологически активныхсоединений. Так, 2,4-диоксифенилаланин (ДОФА) и 5-(гидр) окситриптофан служат биосинтетическимипредшественниками фенилэтиламина и серотонина соответственно, α-амино-γ-оксимасляная кислота(гомосерин) и α-амини-γ-тиомасляная кислота (гомоцистеин) принимают участие в обменесеросодержащих аминокислот и т.д.

Классифицируют А. либо на основании строения их углеводородного радикала, либо с учетом строениявсей молекулы в целом. Среди групп углеводородного радикала основных А. встречаются неполярные(табл., № 1—8), полярные незаряженные (табл., № 9—15), отрицательно заряженные (табл., № 16, 17)и положительно заряженные (табл., № 18—20). В зависимости от строения углеводородного радикала А.подразделяют на ароматические (табл., № 7, 13), гетероциклические (табл., № 8, 20), иминокислоты(табл., № 5) и алифатические (табл., все остальные аминокислоты). По числу СООН- и NH₂- групп А.делят на диаминомонокарбоновые (табл., № 18—20), моноаминомонокарбоновые (табл., № 16, 17) имоноаминомонокарбоновые кислоты (табл., все остальные аминокислоты). Иногда выделяют также А.,содержащие в своей молекуле спиртовую группу°— оксиаминокислоты (серии, треонин); серу —серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин, метионин) и др.

Таблица

Основные аминокислоты, содержание в крови и моче и суточная потребность в них человека

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Примечания: * — назаменимые аминонокислоты, к — кетогенные аминокислоты, г — глюкогенныеаминокислоты.

Важным свойством А., непосредственно обусловленным их структурой, является амфотерность(способность проявлять кислотные и основные свойства). Имея как минимум две диссоциирующие ипротивоположно заряженные группировки, А. в растворах с нейтральным значением рН практически всегданаходятся в виде биполярных ионов, или цвиттер-ионов, в которых противоположные зарядыпространственно разделены, например H₃⁺N—СН₂—СН₂—СОО. При любом значении рН, превышающемпоказатель рН, при котором находится ее изоэлектрическая точка (pI), аминокислота имеет общийотрицательный заряд и в поле постоянного электрического тока движется к аноду, а при рН, значениекоторого ниже pI, — к катоду. Кислотно-основные свойства А. широко используются для ихфракционирования и препаративного выделения с помощью Электрофореза и ионообменнойхроматографии, в т.ч. и для разделения А. в автоматических аминокислотных анализаторах в клинико-диагностических лабораториях.

Многие химические реакции, характерные для А., включая реакции, предназначенные для обнаружения,идентификации и количественного анализа, также определяются наличием в их молекулах NH₂- и СООН-групп. Наиболее часто для анализа А. применяются цветная нингидриновая проба, флюорогенная реакцияс флюорескамином (флюрамом), а также взаимодействие с 1-фтор-2,4-динитробензолом, используемоепри определении последовательности аминокислотных остатков в пептидной цепи. Реакция с нингидриномпротекает при высокой температуре и приводит к развитию лилово-фиолетового или желтого (в случаепролина) окрашивания. Интенсивность окраски раствора, измеренная при длине волны 570 нм,пропорциональна концентрации определяемой А.

В организме человека синтезируется лишь половина необходимых А., а остальные А. — незаменимые(аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин)должны поступать с пищей (см. Питание). Суточная потребность человека в каждой незаменимой А. непревышает 1—2 г (триптофана требуется не более 0,5 г); рекомендуемые их количества приведены втаблице. Исключение какой-либо незаменимой А. из рациона ведет к развитию отрицательного азотистогобаланса (см. Азотистый обмен), клинически проявляющегося нарушением функций нервной системы,мышечной слабостью и другими признаками патологии обмена веществ (Обмен веществ и энергии) иэнергии (Обмен веществ и энергии).

Некоторые А. в организме образуются из других А.: тирозин — из фенилаланина, цистеин — из метионинаи серина, глицин — из серина. А. участвуют в образовании пуриновых нуклеотидов (глутамин, глицин иаспарагановая кислота), пиримидиновых нуклеотидов (глутамин и аспарагиовая кислота), серотонина(триптофан), меланина (фенилаланин, тирозин), гистамина (гистидин), адреналина, норадреналина,дофамина, тирамина (тирозин), полиаминов (аргинин), холина (метионин), порфиринов (глицин), креатина(глицин, аргинин, метионин), коферментов, сахаров и полисахаридов, липидов и др.

Важнейшей для организма химической реакцией, общей практически для всех А., являетсятрансаминирование (переаминирование), заключающееся в обратимом ферментативном переносе α-аминогруппы аминокислот или аминов на α-углеродный атом кетокислот или альдегидов. Наиболее активнов реакциях трансаминирования участвуют дикарбоновые аминокислоты — глутаминовая и аспарагиновая.Трансаминирование является реакцией, принципиальной для биосинтеза заменимых А. в организме.

Катаболизм А. может протекать по нескольким различным путям. Все А. способны декарбоксилироватьсяпри участии ферментов декарбоксилаз с образованием первичных аминов, которые могут окисляться вреакциях, катализируемых ферментами моноаминоксидазой или диаминоксидазой. Другим путемдеградации А. является их окислительное дезаминирование с образованием аммиака и кетокислот.Прямое дезаминирование L-аминокислот в организме животных и человека протекает крайне медленно, заисключением дезаминирования глутаминовой кислоты, при участии специфического ферментаглутаматдегидрогеназы. Дезаминирование других А. может быть осуществлено в результатетрансаминирования этих А. с образованием глутаминовой кислоты и дальнейшего ее дезаминирования собразованием α-кетоглутаровой кислоты и аммиака. Т.о., одним из продуктов разных путей катаболизма А.служит аммиак, который может образоваться в результате метаболизма и других азотсодержащихсоединений (например, при дезаминировании аденина в составе никотинамидадениндинуклеотида — НАДи пр.).

Аминокислоты, способные превращаться в кетоновые тела (например, через ацетоацетил-КоА), называюткетогенными, а те аминокислоты, которые распадаются с образованием α-кетоглутаровой, янтарной(сукцината) и щавелево-уксусной (оксалоацетата) кислот и в конечном счете превращаются в глюкозу(Глюкоза), называются глюкогенными (см. таблицу).

Нарушения обмена А. часто связаны с аномалиями трансаминирования: с уменьшением активностиферментов, катализирующих реакции трансаминирования, — аминотрансфераз (Аминотрансферазы) пригипо- или авитаминозах В₆, нарушением синтеза аминотрансфераз, недостатком кетокислот, необходимыхдля трансаминирования в связи с угнетением цикла трикарбоновых кислот при гипоксии, сахарном диабетеи т.д. Снижение интенсивности трансаминирования приводит к торможению дезаминированияглутаминовой кислоты, а оно, в свою очередь, — к гипераминоацидемии, т.е. повышению долиаминокислот в составе остаточного азота крови (см. Азот остаточный) и аминоацидурии. При обширныхпоражениях печени и других состояниях, сопровождаемых массивным распадом белка, нарушаютсяпроцессы дезаминирования А. Раневое истощение, повреждения трубчатых костей, спинного и головногомозга, тяжелые ожоги, гипотиреоз, болезнь Иценко — Кушинга и многие другие тяжелые заболеваниясопровождаются аминоацидурией. Она характерна и для состояний, сопровождающихся нарушениемпроцессов реабсорбции в почечных канальцах: болезни Вильсона — Коновалова, или гепатолентикулярнойдистрофии, синдрома Фанкони, или цистиноза, и др. Цистиноз на фоне общей аминоацидуриихарактеризуется избирательным нарушением реабсорбции цистина и цистинурией, сопровождающейгенерализованные нарушения обмена цистина, который в виде кристаллов откладывается в клеткахретикулоэндотелиальной системы. Известно наследственное заболевание Фенилкетонурия, при которомнарушено превращение фенилаланина в тирозин; в крови и моче при этом заболевании резко повышаетсясодержание фенилаланина и продуктов его обмена — фенилпировиноградной и фенилуксусной кислот.Нарушение обмена этих А. характерно и для вирусного гепатита. Врожденная аномалия окислительныхпревращений тирозина лежит в основе алкаптонурии, при которой в соединительной ткани накапливаетсяметаболит тирозина гомогентизиновая кислота (большие количества этой кислоты выводятся с мочой).Алкаптонурия, клинически проявляющаяся во второй половине жизни, характеризуется патологиейсуставов и позвоночника, а также других богатых соединительной тканью органов. Самую большую группунаследственных дефектов обмена составляют генетически обусловленные аминоацидопатии.Метаболический сдвиг при аминоацидопатиях и их клинические проявления связаны с накоплением вкрови и выделением с мочой либо самой непревращенной аминокислоты, либо ее метаболитов. Общимбиохимическим признаком таких патологических состояний являются Ацидоз и аминоацидурия, с чемсвязаны такие неспецифические клинические признаки, как рвота, обезвоживание организма, сонливостьили, наоборот, возбуждение, судороги. Ряд аминоацидопатии характеризуется специфическимипризнаками, например гомоцистинурия — эктопией хрусталика, аномалиями скелета, васкулярнойпатологией.

Способы получения А. весьма разнообразны. Многие А. получают с помощью микроорганизмов.Используется также химический синтез аминокислот, например с помощью аминированиягалоидопроизводных органических кислот аммиаком. Для нужд медицины и пищевой промышленности А.,как правило, получают из гидролизатов белков.

Растворы отдельных А. и гидролизаты белков применяют в медицине для парентерального питания, анекоторые из А. используют в качестве лекарственных средств. Так, метионин назначают при циррозах ижировой дистрофии печени, глутаминовая и γ-аминомасляная кислоты эффективны при ряде нервных ипсихических заболеваний, цистеин используется при многих глазных болезнях. А. служат также исходнымивеществами для синтеза биологически активных пептидов, применяемых в качестве лекарственныхсредств. Глутаминовая кислота используется в кулинарии в качестве пищевой добавки. Триптофан, лизин,метионин и другие А. добавляют в процессе производства к некоторым пищевым продуктам, биологическаяценность которых низка, а также используют для кормления с.-х. животных. Активность ферментов,участвующих в обмене А., — аминотрансфераз, моноаминоксидазы, диаминоксидазы, гистидазы и др.является информативным диагностическим тестом при ряде тяжелых заболеваний: инфаркте миокарда,миопатиях, некоторых болезнях печени.

Библиогр.: Березов Т.Т. и Коровкин Б.Ф. Биологическая химия, М., 1982; Гринштейн Дж. и Виниц М. Химияаминокислот и пептидов, пер. с англ., М., 1965; Збарский И.Б. и Симакова Р.А. Аминокислоты, БМЭ, 3-еизд., т. 1, с. 364, М., 1974; Ленинджер А. Основы биохимии, пер. с англ., т. 1—2, М., 1985.

II Аминокисло́ты (син. аминокарбоновые кислоты)

органические (карбоновые) кислоты, содержащие одну или более аминогрупп; являются основнымиструктурными единицами молекул белков, определяют их биологическую специфичность и пищевуюценность; нарушение обмена А. является причиной многих болезней; наборы А. и отдельные А.применяются как лекарственные средства; по положению аминогруппы в молекуле А. различают α-аминокислоты, β-аминокислоты, γ-аминокислоты и т.д.; природные белки состоят только из α-аминокислот.

Аминокисло́ты антикетоге́нные — А., препятствующие образованию в организме кетоновых тел (ацетона,ацетоуксусной и β-оксимасляной кислот); к А. а. относятся аланин, аргинин, аспарагиновая кислота и др.

Аминокисло́ты гликоге́нные — А., в процессе обмена которых образуется глюкоза и не образуютсяхимические соединения, содержащие кетогруппы; к А. г. относятся аланин, аргинин, аспарагин, серин и др.

Аминокисло́ты замени́мые — А., синтезирующиеся в организме человека из других А. или иныхорганических соединений.

Аминокисло́ты кетоге́нные — А., в процессе обмена которых в организме образуются кетоновые тела; к А.к. относятся пролин, лейцин и др.

Аминокисло́ты лимити́рующие — незаменимые А., входящие в состав определенных белков продуктовпитания в наименьших количествах в сравнении с их физиологической потребностью и в силу этогоограничивающие полноту использования данного белка в пластических целях; к А. л. относятся лизин (длябелков злаковых), метионин (для белков бобовых) и т.д.

Аминокисло́ты незамени́мые (син. А. эссенциальные) — А., которые необходимы для поддержания жизниорганизма, но не синтезируются в нем и должны поступать с пищей; А. н. для человека: триптофан,фенилаланин, лизин, треонин, валин, лейцин, метионин и изолейцин.

Вопрос 2 Окислительное фосфорилирование.

Пептидная связь — вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (—NH₂) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислоты.

Из двух аминокислот (1) и (2) образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды. По этой же схемерибосома генерирует и более длинные цепочки из аминокислот: полипептиды и белки. Разные аминокислоты, которые являются «строительными блоками» для белка, отличаются радикалом R.

Свойства пептидной связи[править | править вики-текст]

Как и в случае любых амидов, в пептидной связи за счет резонанса канонических структур связь C-N между углеродом карбонильной группы и атомом азота частично имеет характер двойной:

Это проявляется, в частности, в уменьшении её длины до 1,33 ангстрема:

Это обусловливает следующие свойства:

4 атома связи (C, N, O и H) и 2 α-углерода находятся в одной плоскости. R-группы аминокислот и водороды при α-углеродах находятся вне этой плоскости.
H и O в пептидной связи, а также α-углероды двух аминокислот транс-ориентированы (транс-изомер более устойчив). В случае L-аминокислот, что имеет место во всех природных белках и пептидах, R-группы также транс-ориентированы.
Вращение вокруг связи C-N затруднено, возможно вращение вокруг С-С связи.

Для обнаружения белков и пептидов, а также их количественного определения в растворе используют биуретовую реакцию.