Характеристика амінокислот і 1 страница

Для розуміння хімічної структури і властивостей білків важливе значення має вивчення хімічної природи і властивостей їх елементарних ланок — амінокислот. У природі виявлено багато різних амінокислот, проте до складу більшості білків їх входить лише 20. Близько 10 амінокислот зустрічається у білках досить рідко. Всі амінокислоти, що входять до складу білків, часто називають протеїногенними. Решта

Таблиця 4. Незамінні (^:), напівнезамінні (±) і замінні (—) амінокислоти, необхідні для деяких видів організмів (за Любке та ін.)

	Потреба в амінокислотах
Амінокислота	X І X і	щурів	І Z		лосося	я І	Ті

—	—	±	—	+	—
+	—	4-	+	4-	+
—	4-	4-	4-	4-
+	+	~	4-	4-	-г
+	+	+	4-	+	4~
+	+	4-	+	4-	4-
	і	4-	4-	j_
±	±	+	4-	4-
+	+	+	+	т	+
±	±	4-	—	—	—
+	4-	4-	f	+	4-
+	Т"	4-	4-	• +	4-

Гліцин —

Аланін —

Валін +

Лейцин +

Ізолейцин 4"

Цистеїн —

Метіонін -f-

Сернн —

Треонін -f-
Аспарагінова кислота —
Глутамінова кислота —

Лізин 4-

Аргінін ±

Фенілаланін -f

Тирозин ±

Гістидин ±

Триптофан 4-

Пролін —

амінокислот входить до складу фізіологічно активних речовин (гормонів, коферментів, антибіотиків) або знаходиться в органах та тканинах тварин і рослин у вільному стані — непротеїнпге^ні.

Усі амінокислоті/, які виявлено в складі білка, 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 білка. В зв'язку з ним усі п ротеїногенні аміноки слоти поділяють на три групи: незамінні, напівіТеламінні і замінні.

Незамі ін — не такі амінокислоти, які в організмі

не синтезуються. Тому вони повинні обов'язково поступати в організм ззовні, в основному з їжею. Для організму людини повністю незамінними є вісім амінокислот: валін, лейцин, ізолейцин, треонін, лізин, метіонін, фенілаланін і триптофан.

До наиівдеІДМІннихдіалежать амінокислоти, які синтезуються в організмі в недостатній кількості. Такі амінокислоти повинні частково поступати з організм з їжею. Для організму людини такими амінокислотами є аргінін, тирозин і гістидин.

Заміни кислоти синтезуються в організмі з цілого ряду ор-

ганічних сполук, в тому числі з деяких амінокислот. Організм може певний час обходитися без таких амінокислот при умові, що з їжею поступатимуть речовини, з яких синтезуються замінні амінокислоти.

Разом з цим необхідно зауважити, то для деяких організмів необхідна більша кількість незамінних амінокислот, ніж вісім (табл. 4). Так, для організму щурів і мишей необхідно дев'ять незамінних амінокислот (до восьми вищеназваних амінокислот додається ще одна — гістидин). 6 певні відхилення і щодо визначення напівнезамінних амінокислот. Дані табл. 4 свідчать про те, що для різних видів організмів мають місце свої особливості у визначенні незамінних, напівнезамінних і замінних амінокислот.

Амінокислоти — похідні карбонових кислот аліфатичного або ароматичного ряду, в молекулах яких один чи кілька атомів водню заміщені на аміногрупу. Залежно від того, біля якого вуглецевого атома заміщено атом водню, розрізняють а-, р- і "^-амінокислоти.

В амінокислотах, які входять до складу білків, аміногрупа розміщена біля а-вугленевого атома, тобто усі вони є а-амінокислотами. Загальну формулу амінокислот можна записати так:

#_сн-соон.

Амінокислоти відрізняються між собою лише хімічною природою радикалів. Радикал — це угруповання атомів у молекулі амінокнс-

Таблиця 5. Фізичні властивості амінокислот

Амінокислота					І зо-
			Молеку-	Розчинність	Температура
			лярна	в 100 г води	плавлення.	ря Ч НІ
назва	позначення	маса	при 25 ^fC	"С	ТОЧКа
						(РН)
Аланін	Ала	Ala A	89,06	16,51	297 (розкл.)	6,0
Аргінін	Apr	Arq R	174,14	15,00		10,76
Аспарагінова
кислота	Асп	Asp N	133,06	0,50		2,77
Валін	Вал	Val V	117,09	8,85		5,96
Гістидин	Гіс	His H	155,09	4,29		7,59
Гліцин	Глі	Gly G	75,05	24,99		5,97
Глутамінова кис-
лота	Глу	Glu E	147,08	0,84		3,22
Ізолейцин	Іде	lie 1	131,11	4,12	280 (розкл.)	6,02
Лейцин	Лей	Leu L	131,11	2,19		5,98
Лізин	Ліз	Lys К	146,13	Добра		9,74
Метіонін	Мет	.Met M	149,15	3,35		5,74
Пролін	Про	Pro P	115,08	16,23		5,68
Серни	Сер	Ser S	105,06	5,02		5,68
Тирозин	Тир	Туг У	181,09	0,05	310 (розкл.)	5,66
Триптофан	Три	Trp W	204,11	1,14		5,89
Трсонін	Тре	Thr T	119,08	20,05		5,16
Цистеїн	Цис	Cys С	121,12	Дуже лобра	258 (розкл.)	5.07
Цистин	Цис		240,23	0,01		4,60
Фенілаланін	Фен	Flie F	165.09	3,00	283 (розкл.)	5,91
Аспарагін	Асн	Asn N	132,22			Г>,41
Глутамін	Глн	Gin Q	146,15			5,65

лоти, що зв'язане з а-вуглеиевим атомом, яке не бере участі у формуванні остова пол і пептид ного ланцюга. Радикалами є залишки жирних кислот, ароматичні ядра, різні гетероцикли та ін.

З білків виділено також амінокислоти, які містять більше ніж одну змінну або карбоксильну групу. При наявності у складі амінокислоти двох амі ногру ті одна з них розміщується в а-положенні, а друга —в (о-іюложенні, тобто біля першого вуглецевого атома з протилежного кінця від а-аміногрупи. Крім того, із продуктів гідролізу білків виділено амінокислоти, які містять групу — NH замість групи — NH₂ і дістали назву імінокис.ют.

Виділені з білків амінокислоти — це безбарвні, кристалічні речовини, переважна більшість яких добре розчинна у воді і погано розчинна в органічних розчинниках. Основні фізичні константи амінокислот наведено в табл. 5, з якої видно, що усі амінокислоти плавляться при температурі, вищій ніж 200 ^СС, причому деякі з них при нагріванні розкладаються.

Амінокислоти є оптично активними сполуками. Тому кожна молекула амінокислоти може бути правообертаюча, яку позначають знаком плюс (+), або лівообертаюча, яку позначають знаком мінус (—).

Конфігурацію амінокислот визначають у порівнянні з гліцериновим альдегідом. Відомо D- і L-форми гліцеринового альдегіду:

Якщо розташування атома водню біля вуглецю в а-положенні амінокислоти подібне до розташування водню в тому самому положенні D-гліцеринового альдегіду, то амінокислота належить до D-ряду. Якщо ж розміщення атома водню амінокислоти відповідає £-формі гліцеринового альдегіду, то і амінокислота належить до L-ряду:

D-Форма гліцеринового альдегіду завжди обертає площину поляризації вправо (■+•), а L-форма — вліво (—). Однак для деяких сполук, у тому числі і амінокислот, знаки D і L не співпадають, з напрямом обертання площини поляризації'. Разом з тим слід підкреслити, що знаки D і L характеризують не оптичну активність амінокислот, а на-

гл

лежність їх до групи споріднених сполук, які мають однакову просторову конфігурацію біля а-вуглецевого атома.

У тому випадку, коля в молекулі амінокислот є два центри асимет
рії, і якщо конфігурація другого асиметричного атома відрізняється
від конфігурації а-вуглецевого атома, то після знаків D і L ставиться
префікс алло. Зокрема, такі амінокислоти, як треонін, цистин і ізолей
цин, мають два центри асиметрії. Тому при хімічному синтезі цих
амінокислот одержують суміш чотирьох стереоізомерів. Два з них
позначають як D- і L-форми, а два інших, діастереоізомери, як D-алло-
і L-ялло-форми. Так, для треоніну відомі такі чотири стерео ізомер ні
форми: _л

СООН СООН

NH₂-C-H

СН₃ СН₃

і-алло-Треонін D-алло-Треонін

Необхідно підкреслити, що в білках рослинного і тваринного походження знайдено переважно амінокислоти L-ряду. Одна частина з них обертає площину поляризації вправо, а друга — вліво, тому біля D і L ставлять знак (+) або (—):

Оптичними антиподами природних амінокислот є амінокислоти D-ряду, які добувають у результаті хімічного синтезу. Зараз Оч{юр-ми деяких амінокислот виявлено як у вільному стані, так і в складі деяких антибіотиків, мікроорганізмів.

За певних умов може відбуватися зміна конфігурації груп — Н і — NH₂ біля асиметричного а-вуглецевого атома амінокислот, внаслідок чого L-амінокислоти частково перетворюються на D-форму. Цей процес має назву рацемізації, а суміші речовини D- і L-ряду називають рацемічними. Застосовуючи спеціальні методи, з цих сумішей можна

виділити один з оптичних ізомерів у чистому вигляді. Процес рацемі-зації амінокислот частково має місце і в організмі людини і вищих тварин. Зокрема, є дані про те, що частина амінокислот L-ряду під дією (|)ерментів рацемаз перетворюється на /^-амінокислоти, але таке перетворення вивчено тільки для аланіну і глутамінової кислоти.

Амінокислоти — це амфотерні сполуки, які містять дві протилежні за властивостями функціональні групи — карбоксильну та змінну. Тому за звичайних умов можлива взаємодія між аміно- і карбоксильною групами амінокислот (у водних розчинах або в кристалічному стані):

За цих умов молекула амінокислоти перетворюється на диполярний іон (цвіттеріон), який має два протилежних заряди —негативний, утворений внаслідок відщеплення позитивно зарядженого протона від карбоксильної групи, і позитивний, утворений внаслідок приєднання протона до аміногрупи. В результаті внутрішньомолекулярної взаємодії утворюється нейтральна сполука — внутрішня сіль амінокислоти, тому розчини амінокислот у більшості випадків мають нейтральний характер і на індикатори не діють (за винятком амінокислот, які містять у складі молекул кілька аміно- чи карбоксильних груп).

Амінокислоти в розчинах виявляють властивості амфотерних електролітів (амфолітів). Залежно від рН середовища вони можуть мати кислотні або лужні властивості. Так, у кислому середовищі (при надлишку іонів Н+) дисоціація карбоксильної групи пригнічується, молекула амінокислоти при цьому набуває позитивного заряду і реагує як катіон: У лужному середовищі, під дією іонів ОН", іонізація аміногрупи пригнічується, молекула амінокислоти набуває негативного заряду, тобто реагує як аніон:

Значення рН середовища, при якому загальний сумарний заряд амінокислоти дорівнює нулю, має назву ізоєлектричної точки. У цьому випадку молекула амінокислоти електронейтральна і в електричному полі ні до анода, ні до катода не рухається. Для різних амінокислот ізоелектрична точка різна і залежить від наявності в їх складі здатних

5-3

до іонізації карбоксо- і аміногруп (див. табл. 5). Крім того, ступінь іонізації карбоксильних груп дещо вищий, ніж аміногруп. Тому ізо-електрична точка моноамінокарбонових кислот знаходиться при рН = = 6. Водні розчини цих амінокислот крім диполярних іонів містять невелику кількість аніонів та іонів водню.

Наявність у складі молекул амінокислот аміно- і карбоксильних груп зумовлює їх участь у хімічних реакціях, характерних для цих груп.

КЛАСИФІКАЦІЯ АМІНОКИСЛОТ

Амінокислоти, які входять до складу білків, часто класифікують за кількістю аміно- і карбоксильних груп (див. схему па с 55).

Зараз широко використовується класифікація амінокислот, яка грунтується на полярності їх радикалів. За цією ознакою амінокислоти поділяють на чотири класи: з неполярними радикалами, з незаря-дженими полярними радикалами, з негативно зарядженими полярними радикалами і з позитивно зарядженими полярними радикалами.

Амінокислоти з неполярними радикалами L +)-Аланін (а-амінопропіонова кислота):

Вперше аланін було виділено у 1881 р. із фіброїну шовку. Пізніше його було виділено з продуктів гідролізу білків шовку, а також одержано в результаті синтезу. Ця амінокислота часто зустрічається у складі білків рослин і тварин, а також знаходиться у вільному стані. Крім а-аланіну в організмі виявлено також (і-аланін. Однак до складу білків останній не входить. b-Аланін бере участь в утворенні структури пептидів, зокрема дипептидів карнозину та ансерину, які містяться у м'язовій тканині більшості хребетних тварин, та входить до складу вітаміну В₃.

L (+)-Валін (а-аміноізовалеріанова кислота, а-аміно-р-метилмас-

ляна кислота):

H2N-CH-COOH

Н₃С СН₃

Цю амінокислоту виділено з білків підшлункової залози у 1879 р. В організмі тварин і рослин валін входить до складу білків та зустрічається у вільному стані. Значна кількість валіну (4—15 %) міститься у білках — міоглобіні, казеїні.і еластині. В організмі людини і тварин валін не синтезується, і тому для забезпечення нормальних фізіо-

логічних процесів він повинен постійно надходити з продуктами харчування.

L (— )-Лейцин (а-аміноізокапронова кислота, а-аміно-у-метилвале-ріанова кислота)

вперше виділено у 1819 р. з сиру. Входить до складу багатьох білків тваринного і рослинного походження. Значна кількість його міститься у пророслому зерні злакових культур. В організмі людини і тварин лейцин не синтезується, тому він повинен постійно надходити з їжею; належить до незамінних амінокислот.

L (-Ь)-Ізолейцин (а-аміно-р-метилвалеріанова кислота):

Ізолейцин відкрито у 1904 р. і виділено з меляси, а пізніше з фібрину крові. У складі білків міститься в незначних кількостях, належить, як і лейцин, до незамінних амінокислот.

L (— )-Метіонін (а-аміпп-">'-мртіі.птіпмяг-пяня кислота)

виділено з казеїну у 1922 р. В організмі відіграє надзвичайно важливу роль як донор метильних груп для забезпечення процесів синтезу холіну, адреналіну; бере участь у процесах утворення цистеїну та інших біологічно активних речовин. В організмі людини і тварин не синтезується. Широко використовується у тваринництві для підвищення продуктивності.

L (—)-Фенілаланін (а-аміно-р-феиілпропіонова кислота):

нл-сн-соон

■56

Виділено з білка люпину у 1879 р. В організмі людини і тварин не синтезується. Використовується в процесах синтезу адреналіну і тироксину.

L (—)-Триптофан (а-аміно-р-індолілпропіонова кислота):

н-соон На

Вперше виділено у 1901 р. з продуктів гідролізу казеїну. Міститься в білках рослинного і тваринного походження. В організмах людини і тварин не синтезується і належить до незамінних амінокислот. При декарбоксилюванні триптофану утворюється триптамін, який викликає підвищення кров'яного тиску.

L (— )-Пролін (піролідин-2-карбонова кислота):

Вперше виділено з казеїну у 1901 р. В організмах людини і тварин синтезується з глутамінової кислоти або орнітину. Пролін міститься майже в усіх білках. Особливо велика кількість його є в колагені, казеїні та інших білках.

Амінокислоти з незарядженими полярними радикалами

Гліцин, або глікокол (а-амінооцтова кислота),

вперше було виділено з желатини у 1820 р. У організмах людини і тварин утворюється з інших амінокислот. Використовується для синтезу глутатіону і гіпурової кислоти, парних жовчних кислот і пуринових основ та інших сполук.

L (— )-Серин (а-аміно-[і-оксипропіонова кислота)

виділено з фіброїну шовку у 1856 р. Синтезується в організмах людини і тварин, є складовою частиною багатьох білків. Серин входить до складу активних центрів таких ферментів, як трипсин, холінестераза; бере участь у синтезі окремих амінокислот та ін.

L (—)-Треонін (а-аміно-Р-оксимасляна кислота)

H₂N-CH-COOH

І СН-ОН

одержано у 1935 р. з фіброїну шовку і казеїну. Входить до складу багатьох рослинних і тваринних білків. Значна кількість треоніну міститься в таких білках, як пепсин, фібрин та ін. Треонін має два асиметричні атоми вуглецю — один у а-положенні, а другий у р-поло-женні. Тому для нього характерні чотири ізомерні форми. В організмі людини і тварин треонін не синтезується.

L (—)-Цистеїн (а-аміно-р-тіолпропіопова кислота):

Цистеїн виділено у 1890 р. з білків покривних тканин тварин. Характерною особливістю цієї амінокислоти є те, що її сульфгідрильна група легко окислюється. При цьому дві молекули цистеїну взаємодіють між собою й утворюють діамінодикарбонову кислоту — цистин ф-|5-дитіо-а-а-діамінопропіонову кислоту):

При відновленні цистину відбувається розщеплення його на дві молекули цистеїну. Отже, ці амінокислоти відіграють важливу роль в окислювально-відновних процесах організму.

У значних кількостях цистеїн входить до складу багатьох білків, зокрема білків волосся, нігтів, пір'я та ін.

£(+)- Аспарагін

H₂N-CH-COOH

CONH₂

входить до складу багатьох рослинних і тваринних білків. Особливо багато аспарагіну нагромаджується в паростках бобових рослин. £(-|-)-Глутамін:

Аспарагін і глутамін відіграють важливу роль у процесах обміну в організмі, особливо в процесах зв'язування аміаку і транспорту його до місця синтезу сечовини.

L (—)-Тирозин (а-аміно-р-параоксифенілпропіонова кислота)

H₂N-CH-COOH СН,

Он

виділено з казеїну у 1846 р. Входить до складу різних білків, особливо велика кількість його є в інсуліні великої рогатої худоби (до 12,5 %) і пепсині (до 8,5 %). У організмі людини і тварин тирозин утворюється при окисленні фенілаланіну і використовується в процесах синтезу гормонів — тироксину, адреналіну і норадреналіну тощо.

Амінокислоти з негативно зарядженими полярними радикалами

L (+)-Аспарагінова кислота (а-аміноянтарна кислота)

вперше виділена у 1868 р. з рослинних білків. Особливо високий вміст її було виявлено в соку спаржі (звідси і походить її назва). Аспарагінова кислота синтезується в організмах людини і тварин, входить до складу багатьох білків рослинного і тваринного походження. Вона використовується в процесах синтезу азотистих основ нуклеїнових кислот і сечовини, знешкодження аміаку, переамінування амінокислот та ін.

L (-|-)-Глутамінова кислота (а-аміноглутарова кислота)

Глутамінову кислоту вперше було виділено у 1866 р. з гідролізату клейковини пшеничного зерна. Вона знаходиться як у складі білків, так і у вільному стані. Зокрема, високим вмістом глутамінової кислоти характеризуються альбуміни і глобуліни крові, колаген та інші

білки. Глутамінова кислота, як і аспарагінова, бере участь у багатьох обмінних процесах організму — в дезамінуванні, переамінуван-ні, декарбоксилюванпі амінокислот. З неї утворюється важливий медіатор нервової системи — у-аміномасляна кислота та інші важливі спо- • луки, зокрема глутамін. Натрієва сіль глутамінової кислоти широко використовується в харчовій промисловості для поліпшення смакових якостей харчових продуктів.

Амінокислоти з позитивно зарядженими полярними радикалами

L (+)-Лізин (а, е-діамінокапронова кислота)

виділено у 1889 р. з казеїну. Входить до складу всіх білків; в організмах людини і тварин не синтезується і належать до незамінних амінокислот. Багато лізину міститься в білках ядер — протамінах і гіс-топах.

Зараз лізин добувають у результаті хімічного синтезу, його використовують для підвищення продуктивності сільськогосподарських тварин.

L (+)-Аргінін (а-аміно-а-гуанідинвалеоіанова кислота)

виділено у 1886 р. з паростків люпину. Високий вміст аргініну (до 84 % загальної маси амінокислот) виявлено в спермі риб. Аргінін відіграє досить важливу роль в обміні речовин, зокрема в процесах утворення сечовини, креатину та інших речовин. Аргінін постійно синтезується в організмі людини і тварин.

L (—)-Пстидин (а-аміно-р-імідазолпропіонова кислота)

виділено у 1896 p. з сперми осетра і казеїну. У значних кількостях гістидин міститься в тканинах печінки, нирок та в гемоглобіні крові. З гістидину при його декарбоксилюванні утворюється важливий біогенний амін — гістамін, який сприяє розширенню кровоносних судин та секреції соляної кислоти в шлунку.

Дослідження амінокислотного складу свідчать про те, що деякі амінокислоти входять до складу лише окремих білків. Це такі амінокислоти, як гідроксилізин, гідроксипролін, 3,5-дийодтирозин, оксилі-зин, орнітин та ін.:

Гідроксилізин і гідроксипролін входять до складу колагену і желатини. У складі білка тиреоглобуліну виявлено амінокислоту 3,5-днйод-тирозин, а в білках окремих субклітинних структур — похідні лізину та аргініну.

До амінокислот, які рідко зустрічаються у складі білків, відноситься також лантіонін, виділений з гідролізатів шерсті і деяких антибіотиків. Він належить до діамінодикарбонових кислот, тобто містить дві аміно- і дві карбоксильні групи:

Немає сумніву в тому, що з часом буде відкрито ще ряд амінокислот. Зокрема, з білків нуклеопротеїдних комплексів різних органів — тимусу, селезінки, а також з рибосом клітин тварин — виділено дві амінокислоти — амінолимопну і ^-карбоксіаспарагінову:

Н Н

н₂\-с-соон

Ці амінокислоти містять по три карбоксильні групи і мають високий негативний заряд. Роль цих амінокислот у метаболічних процесах організму поки що не встановлено.

Основні способи добування амінокислот

Дослідження амінокислотного складу білків різних органів і тканин рослин і тварин свідчать про те, що вільних амінокислот у природі дуже мало. Добувають амінокислоти гідролізом білків, а також хімічним та мікробіологічним синтезом. Нині розрізняють три види гідролізу білків — кислотний, лужний і ферментативний. У лабораторних і заводських умовах найчастіше використовують кислотний гідроліз, внаслідок чого утворюється суміш амінокислот, які входили до складу білка. Окремі амінокислоти з гідролізату виділяють різними методами: осадженням, розділенням на спеціальних смолах, а також методами електрофорезу і хроматографії. Проте гідролізом можна добути не всі "амінокислоти, а в основному ті, які входять до складу білків у значних кількостях. Цим способом виділяють гліцин з желатину, глутамі-нову кислоту з казеїну та клейковину із злаків, тирозин з фіброїну шовку, цистин і цистеїн з шерсті, гістидин з білків крові тощо. Однак відносно висока собівартість і дефіцитність вихідної сировини, а також багатоступенева хімічна обробка її (пов'язана з виділенням амінокислот і їх очисткою) не дає поки що можливості широко використовувати цей спосіб у промисловості. Разом з цим кислотний гідроліз білків часто супроводжується руйнуванням деяких амінокислот — триптофану, треоніну, серину, цистеїну (за даних умов окислюється до цистину). Певні недоліки характерні і для ферментативного гідролізу білків. Зокрема, гідроліз може бути неповним і фермент при цьому може розкладатися, утворюючи відповідні амінокислоти.