Белки – основа жизни

В медико-биологическом  значении, α-аминокислоты участвуют в азотистом обмене, многие из них используются в качестве лекарственных средств. К примеру, глицин улучшает метаболические процессы в тканях мозга, оказывает положительное действие при мышечной дистрофии. Глутаминовая кислота применяется для лечения заболеваний центральной нервной системы, метионин и гистидин – лечения и предупреждения заболеваний печени, цистеин – глазных болезней.

2.1.Классификация  аминокислот по химическому строению  радикалов

По химическому  строению аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические (табл.1).

В составе алифатических  радикалов могут находиться функциональные группы, придающие им специфические  свойства: карбоксильная (-COOH), амино (-NH2), тиольная (-SH), амидная (-CO-NH2),

гидроксильная (-OH) и гуанидиновая  группы.

Также общей чертой всех 20 аминокислот в белках организма  человека можно сгруппировать по способности их радикалов растворяться в воде. Радикалы можно выстроить  в непрерывный ряд, начинающийся полностью гидрофобными и заканчивающийся сильно гидрофильными.

Растворимость радикалов  аминокислот определяется полярностью  функциональных групп, входящих в состав молекулы (полярные группы притягивают  воду, неполярные её отталкивают).

Наибольшей растворимостью в воде обладают полярные заряженные радикалы аминокислот.

2.2.Модифицированные  аминокислоты присутствующие в белках

Непосредственно в  синтезе белков организма человека принимают участие только 20 аминокислот. Однако в некоторых белках имеются  нестандартные модифицированный аминокислоты – производственные одной из этих 20 аминокислот. Например, в молекуле коллагена (фибриллярного белка межклеточного матрикса) присутствуют гидроксипроизводные лизина и пролина – 5-гидроксилизин и  4-гидроксипролин. Модификация аминокислотных остатков осуществляется уже в составе белков, т.е только после окончания синтеза.

Рис.1. Модифицированные кислоты, найденные в составе  белков.

Введение дополнительных функциональных групп в структуру аминокислот придает белкам свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций. Так, γ-карбоксиглутаминовая кислота входит в состав белков, участвующих в свёртывании крови, и две близко лежащие карбоксильные группы в их структуре необходимы для связывания белковых факторов с ионами Ca2+. Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свёртываемости крови.

2.3.Стереоизомерия

Принцип построения α-аминокислот, т.е нахождение у одного и того же атома углерода двух различных функциональных групп, радикала и атома углерода, уже сам по себе предопределяет хиральность α-атома углерода. Исключение составляет простейшая α-аминокислота глицинH2NCH2COOH , не имеющая углеводородного радикала R и соответственно центра хиральности.

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один ассиметричный атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и одного оптически неактивного рацемата.

Почти все природные  α-аминокислоты принадлежат к L-ряду.

α-Аминокислоты –  изолейцин, треонин, 4-гидроксипролин – содержат в молекуле по два центра хиральности.

Эти аминокислоты могут  существовать в виде четырех диастереомеров, представляющих собой две пары энантиомеров, каждая из которых образует рацемат. Из этих четырех стереоизомеров для построения белков человеческого организма используется только один.

Использование для  построения белков человеческого организма  только одного вида стереоизомеров α-аминокислот , а именно  L-энантиомеров, имеет важнейшее значение для формирования пространственной структуры белков. С этим непосредственно связана стереоспецифичность действий ферментов, построенные из α-аминокислот вступают во взаимодействие только с теми субстратами, которые также имеют определенную конфигурацию.

α-Аминокислоты D-ряда называют «неприродными», так как  они не используются для построения белков человеческого организма. Однако D-α-аминокислоты встречаются в составе  пептидов, продуцируемых микроорганизмами, например в антибиотиках (грамицидин, актиномицин, полимиксин), а также в составе биополимеров клеточной стенки бактерий, например остаток D-глутаминовой кислоты – в оболочке бактерий сибирской язвы. Против этого вида бактерий бессильны расщепляющие ферменты человека и животных.

α-Аминокислоты, относящиеся  к разным стереохимическим рядам, различаются  по вкусу. Так, D-глутаминовая кислота безвкусна, а L-глутаминовая кислота имеет вкус мяса. Поэтому L-глутаминовую кислоту, получаемую путем гидролиза клейковины пшеницы, применяют в виде глутамата натрия в качестве вкусовой добавки к пишевым концентратам. Сладкий вкус имеют, как правило, α-аминокислоты D-ряда: Валин, лейцин, треонин, метионин, аспаргиновая кислота, тирозин, триптофан, гистидин. В то же время их энантиомеры либо безвкусны, либо обладают горьким вкусом. В этом отношении α-аминокислоты привлекают внимание как возможные заменители сладких веществ углеводной природы в связи с проблемой диабета.

2.4.Разделение  рацематов

Источником получения  α-аминокислот L-ряда служат белки, которые подвергают для этого гидролитическому расщеплению. Синтетическим путем, например амонолизом α-галогенкарбоновых кислот, получается только рацемические α-аминокислоты. В связи с большой потребностью в отдельных энантиомерах (для синтеза белков, лекарственных веществ и т.д) разработаны химические методы расщепления синтетических рацемических α-аминокислот. Более предпочтительным является ферментативный способ расщепления с использованием ферментов ацилаз, способных гидролизовать N-ацетил-L- α-аминокислоты.

Смесь энантиомеров ацетилируют уксусным ангидридом и получают смесь N-ацетилпроизводных α-аминокислоты, которую обрабатывают ферментом, выделенным из животного жира (например почек свиньи). При этом гидролизуются производные амнокислоты только L-ряда. Свободная амнокислота отличается от ацетилированной растворимостью: кислота растворяется как в кислотах, так и в щелочах, а N-ацетил-α-аминокислота – только в щелочах. После отделения L- α-аминокислоты, с помощью кислотного гидролиза можно получить свободнуюD-α-аминокислоту.

Рис.5. ферментативный способ разделения

α-аминокислоты на энантиомеры

В настоящее время  для разделения рацемических смесей используют хроматографию на хиральных адсорбентах.

2.5.Кислотно – основные свойства.

Амфотерность α-аминокислот обусловлена наличием в их молекулах функциональных групп кислотного (COOH) и основного (NH2) характера. Поэтому α-аминокислоты образуют соли как с щелочами, так и с кислотами.

С катионами тяжелых  металлов α-аминокислот, как бифункциональные соединения, образуют внутрикомплексные соли.

В твердом состоянии  α-аминокислоты существуют в виде диполярных ионов; в водном растворе – в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм (обычно используемая запись строения α-аминокислоты в неионизированном виде служит лишь для удобства). Положение равновесия зависит от pHсреды. Общим для всех α-аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислых (pH 1-2) и анионных – в сильнощелочных (pH13-14) средах.

Рис.7.Зависимость  положения равновесия в α-аминокислотах от pH стреды.

Ионное строение обуславливает некоторые особенности: высокую температуру плавления (выше 200 оС), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность α-аминокислот растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования – с ней связаны всасываемость α-аминокислот, их транспорт в организме и т.п.

В организме основные α-аминокислоты находятся в виде катионов, т.е. у них протонированы обе аминогруппы.

Содержащиеся в  радикалах α-аминокислот другие ионогенные группы способны к ионизации при различных значения pH. Например, фенольная гидроксильная группа в тирозине ионизирована при pH 10,1; тиольная группа в цистеине – при pH8,1 – 8,3 и т.д. В целом ни одна α-аминокислота внутри организма не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде, т.е. α-аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

Кислотно-основные свойства α-аминокислот обуславливают их разделение и идентификацию методом ионообменной хроматографии.

2.6.Химические  свойства

α-Аминокислоты как  гетерофункциональные соединения вступают в реакции, характерные для карбоксильной группы и аминогруппы. Некоторые химические свойства α-аминокислот обусловлены наличием функциональных групп в радикале.

К основным химическим реакциям, происходящими с аминокислотами, можно отнести: образование эфиров, образование галогенангидридов, образование N-ацильных производных, образование оснований Шиффа, образование ДНФ-производных, образование ФТГ-производных.

3. Структурная  организация белков.

Выяснение структурной  организации белков считается одной  из главных проблем современной  биохимии. Оно имеет важное научно-практическое значение для понимания огромного  разнообразия функций белков, выполняемых  ими в живых организмах. Белковые молекулы представляют собой продукт  полимеризации 20 различных мономерных молекул (аминокислот), соединенных не хаотично, а в строгом соответствии с кодом белкового синтеза. Вопрос о том, каким образом соединяются между собой многие десятки и сотни аминокислот в белковой молекуле, был предметом пристального внимания многих лабораторий мира, занимавшихся химией белка.

Впервые А.Я.Данилевский (1888), изучая биуретовую реакцию, высказал предположение о существовании во всех белковых веществах одинаковых групп атомов и связей, аналогичных биурету

NH2-СО-NH-СО-NH2. Тем  самым А.Я. Данилевский первый  указал на связь

-NH-СО- (позднее получившую название пептидной связи) как на наиболее вероятный способ соединения аминокислот в белковой молекуле.

Однако только Э. Фишер сформулировал полипептидную  теорию строения. Согласно этой теории, белки представляют собой сложные  полипептиды, в которых отдельные  аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при  взаимодействии α-карбоксильных СООН- и α-NН2-групп аминокислот. На примере взаимодействия аланина и глицина образование пептидной связи и дипептида (с выделением молекулы воды) можно представить следующим уравнением:

Аналогичным способом к дипептиду могут присоединяться и другие аминокислоты с образованием три-, тетра-, пентапептида и т.д. вплоть до крупной молекулы полипептида (белка). Наименование пептидов складывается из названия первой N-концевой аминокислоты со свободнойNH2-группой (с окончанием -ил, типичным для ацилов), названий последующих аминокислот (также с окончаниями -ил) и полного названия С-концевой аминокислоты со свободной СООН-группой. Например, пентапептид из 5 аминокислот может быть обозначен полным наименованием: глицил-аланил-серил-цистеинил-аланин, или сокращенно Гли–Ала–Сер–Цис–Ала.

Химический синтез полипептидов и современные физико-химические методы исследования белков полностью  подтвердили существование пептидных  связей в структуре белка. Получены следующие экспериментальные доказательства полипептидной теории строения белка.

1. В природных  белках сравнительно мало титруемых  свободных СООН- и NH2-групп, поскольку абсолютное их большинство находится в связанном состоянии, участвуя в образовании пептидных связей; титрованию доступны в основном свободные СООН- и NН2-группы у N- и С-концевых аминокислот пептида.

2. В процессе  кислотного или щелочного гидролиза  белка образуются стехиометрические  количества титруемых СООН- и NH2-групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.

3. Под действием  протеолитических ферментов (протеиназ) белки расщепляются на строго определенные фрагменты, называемые пептидами, с концевыми аминокислотами, соответствующими избирательности действия протеиназ. Структура некоторых таких фрагментов неполного гидролиза доказана последующим химическим их синтезом.

4. Биуретовую реакцию (сине-фиолетовое окрашивание в присутствии раствора сульфата меди в щелочной среде) дают как биурет, содержащий пептидную связь, так и белки, что также является доказательством наличия в белках аналогичных связей.

5. Анализ рентгенограмм  кристаллов белков подтверждает  полипептидную структуру белков. Таким образом, рентгеноструктурный  анализ при разрешении 0,15–0,2 нм  позволяет не только вычислить  межатомные расстояния и размеры  валентных углов между атомами С, Н, О и N, но и «увидеть» картину общего расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи и пространственную ее ориентацию (конформацию).

6. Существенным  подтверждением полипептидной теории  строения белка является возможность  синтеза чисто химическими методами  полипептидов и белков с уже  известным строением: инсулина  – 51 аминокислотный остаток, лизоцима  – 129 аминокислотных остатков, рибонуклеазы – 124 аминокислотных остатка . Синтезированные белки обладали аналогичными природным белкам физико-химическими свойствами и биологической активностью.

Полипептидная теория строения не отрицает существования  в молекуле белка и других связей, включая ковалентные (например, дисульфидные —S—S-связи) и нековалентные (например, водородные связи и др.). Они будут рассмотрены далее.

Пептидные связи  играют исключительную роль как в «архитектуре», так и в функции белков. Поэтому следует указать на некоторые особенности строения полипептидной цепи. Во-первых, это своеобразие расположения атомов углерода и азота, находящихся примерно в одной плоскости, и атомов водорода и радикалов, направленных к этой плоскости под углом 109°28'. Во-вторых, это своеобразие петидной связи. Расстояние между атомами С и N в пептидной связи (равное 0,132 нм) является промежуточным между простой (ординарной) связью (связь —С—N—, равная 0,147 нм) и двойной связью (связь —C=N—, равная 0,125 нм). Это создает предпосылки для осуществления по месту двойной связи таутомерных перегруппировок и для образования енольной (лактимной) формы. Последняя в свою очередь дает молекуле белка ряд преимуществ (повышение реакционной способности, возникновение дополнительных возможностей вращения и др: