Глава III. БЕЛКИ

§ 6. АМИНОКИСЛОТЫ КАК СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЕЛКОВ

Природные аминокислоты

Аминокислоты в живых организмах встречаются преимущественно в составе белков. Белки построены в основном двадцатью стандартными аминокислотами. Они являются a-аминокислотами и отличаются друг от друга строением боковых групп (радикалов), обозначаемых буквой R:

Разнообразие боковых радикалов аминокислот играет ключевую роль при формировании пространственной структуры белков, при функционировании активного центра ферментов.

Структура стандартных аминокислот приведена в конце параграфа в табл.3. Природные аминокислоты имеют тривиальные названия, оперировать которыми при записях структуры белков неудобно. Поэтому для них введены трехбуквенные и однобуквенные обозначения, которые также представлены в табл.3.

Пространственная изомерия

У всех аминокислот, за исключением глицина, a-углеродный атом является хиральным, т.е. для них характерна оптическая изомерия. В табл. 3 хиральный атом углерода обозначен звездочкой. Например, для аланина проекции Фишера обоих изомеров выглядят следующим образом:

Для их обозначения, как и для углеводов, используется D, L-номенклатура. В состав белков входят только L-аминокислоты.

L- и D-изомеры могут взаимно превращаться друг в друга. Этот процесс называется рацемизацией.

Интересно знать! В белке зубов – дентине – L -аспарагиновая кислота самопроизвольно рацемизуется при температуре человеческого тела со скорость 0,10 % в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L -аспарагиновая кислота, у взрослого же человека в результате рацемизации образуется D -аспарагиновая кислота. Чем старше человек, тем выше содержание D-изомера. Определив соотношение D- и L-изомеров, можно достаточно точно установить возраст. Так были изобличены жители горных селений Эквадора, приписывавшие себе слишком большой возраст.

Химические свойства

Аминокислоты содержат амино- и карбоксильную группы. В силу этого они проявляют амфотерные свойства, то есть свойства и кислот и оснований.

При растворении аминокислоты в воде, например, глицина, его карбоксильная группа диссоциирует с образованием иона водорода. Далее ион водорода присоединяется за счет неподеленной пары электронов у атома азота к аминогруппе. Образуется ион, в котором одновременно присутствуют положительный и отрицательный заряды, так называемый цвиттер-ион:

Такая форма аминокислоты является преобладающей в нейтральном растворе. В кислой среде аминокислота, присоединяя ион водорода, образует катион:

В щелочной среде образуется анион:

Таким образом, в зависимости от рН среды аминокислота может быть положительно заряженной, отрицательно заряженной и электронейтральной (при равенстве положительных и отрицательных зарядов). Значение рН раствора, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты. Для многих аминокислот изоэлектрическая точка лежит вблизи рН 6. Например, изоэлектрические точки глицина и аланина имеют значения 5,97 и 6,02 соответственно.

Две аминокислоты могут реагировать друг с другом, в результате чего отщепляется молекула воды и образуется продукт, который называется дипептидом :

Связь, соединяющая две аминокислоты, носит название пептидной связи . Если пользоваться буквенными обозначениями аминокислот, образование дипептида можно схематически представить следующим образом:

Аналогично образуются трипептиды, тетрапептиды и т.д.:

H 2 N – лиз – ала – гли – СООН – трипептид

H 2 N – трп – гис – ала – ала – СООН – тетрапептид

H 2 N – тир – лиз – гли – ала – лей – гли – трп – СООН – гептапептид

Пептиды, состоящие из небольшого числа аминокислотных остатков, имеют общее название олигопептиды .

Интересно знать! Многие олигопептиды обладают высокой биологической активностью. К ним относится ряд гормонов, например, окситоцин (нанопептид) стимулирует сокращение матки, брадикинин (нанопептид) подавляет воспалительные процессы в тканях. Антибиотик грамицидин С (циклический декапептид) нарушает регуляцию ионной проницаемости в мембранах бактерий и тем самым убивает их. Грибные яды аманитины (октапептиды), блокируя синтез белка, способны вызвать сильное отравление у человека. Широко известен аспартам - метиловый эфир аспартилфенилаланина. Аспартам имеет сладкий вкус и используется для придания сладкого вкуса различным продуктам, напиткам.

Классификация аминокислот

Существует несколько подходов к классификации аминокислот, но наиболее предпочтительной является классификация, основанная на строении их радикалов. Выделяют четыре класса аминокислот, содержащих радикалы следующих типов; 1) неполярные (или гидрофобные); 2) полярные незаряженные; 3) отрицательно заряженные и 4) положительно заряженные:

К неполярным (гидрофобным) относятся аминокислоты с неполярными алифатическими (аланин, валин, лейцин, изолейцин) или ароматическими (фенилаланин и триптофан) R-группами и одна серусодержащая аминокислота – метионин.

Полярные незаряженные аминокислоты в сравнении с неполярными лучше растворяются в воде, более гидрофильны, так как их функциональные группы образуют водородные связи с молекулами воды. К ним относятся аминокислоты, содержащие полярную НО-группу (серин, треонин и тирозин), HS-группу (цистеин), амидную группу (глутамин, аспарагин) и глицин (R-группа глицина, представленная одним атомом водорода, слишком мала, чтобы компенсировать сильную полярность a-аминогруппы и a-карбоксильной группы).

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты относятся к отрицательно заряженным аминокислотам. Они содержат по две карбоксильные и по одной аминогруппе, поэтому в ионизированном состоянии их молекулы будут иметь суммарный отрицательный заряд:

К положительно заряженным аминокислотам принадлежат лизин, гистидин и аргинин, в ионизированном виде они имеют суммарный положительный заряд:

В зависимости от характера радикалов природные аминокислоты также подразделяются на нейтральные, кислые и основные . К нейтральным относятся неполярные и полярные незаряженные, к кислым – отрицательно заряженные, к основным – положительно заряженные.

Десять из 20 аминокислот, входящих в состав белков, могут синтезироваться в человеческом организме. Остальные должны содержаться в нашей пище. К ним относятся аргинин, валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин и гистидин. Эти аминокислоты называются незаменимыми. Незаменимые аминокислоты входят часто в состав пищевых добавок, используются в качестве лекарственных препаратов.

Интересно знать! Исключительно важную роль играет сбалансированность питания человека по аминокислотам. При недостатке незаменимых аминокислот в пище организм саморазрушается. При этом страдает в первую очередь головной мозг, что приводит к различным заболеваниям центральной нервной системы, психическим расстройствам. Особенно уязвим молодой растущий организм. Так, например, при нарушении синтеза тирозина из фенилаланина у детей развивается тяжелое заболевание финилпировиноградная олигофрения, вызывающее тяжелую умственную отсталость или гибель ребенка.

Таблица 3

Стандартные аминокислоты

Аминокислота (тривиальное название)	Условные обозначения			Структурная формула
		Латинское
		трехбук- венное	однобук-венное
НЕПОЛЯРНЫЕ (ГИДРОФОБНЫЕ)
Изолейцин
Фенилаланин
Триптофан
Метионин
ПОЛЯРНЫЕ НЕЗАРЯЖЕННЫЕ
Аспарагин
Глутамин

Классификация аминокислот разработана на основе химического строения радикалов. Различают циклические и алифатические (ациклические) аминокислоты. По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты разделяют на:

1 – моноаминомонокарбоновые (глицин, аланин, лейцин и др.);

2 – диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин);

3 - моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты);

4- диаминодикарбоновые (цистин).

По характеру заряженности боковых радикалов, их полярности аминокислоты классифицируют на:

1 – неполярные, гидрофобные (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан, тирозин);

2 – полярные, незаряженные (серин, треонин, метионин, аспарагин, глутамин, цистеин);

3 - полярные, отрицательно заряженные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты,);

4 – полярные, положительно заряженные (лизин, аргинин, гистидин).

В α-аминокислотах можно выделить:

Анионные группы : -СОО - ;

Катионные группы : -NH 3 + ; =NH + ; -NH-C=NH + 2 ;

Полярные незаряженные группы: -ОН; -СОNH 2 ; -SH;

Неполярные группы : -СН 3 , алифатические цепи, ароматические циклы (фенилаланин, тирозин и триптофан содержат ароматические циклы).

Пролин в отличие от других 19 аминокислот не аминокислота, а иминокислота, радикал в пролине связан как с α-углеродным атомом, так и с аминогруппой:

NH – CH – COOH

Аминокислоты различают по их растворимости в воде . Это связано со способностью радикалов взаимодействовать с водой (гидрироваться).

К гидрофильным относят радикалы, содержащие анионные, катионные и полярные незаряженные функциональные группы.

К гидрофобным относят радикалы, содержащие метильные группы, алифатические цепи или циклы.

Пептидные связи соединяют аминокислоты в пептиды. α-карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с α-аминогруппой другой аминокислоты с образованием пептидной связи.

NH 2 -CH-COOH + NH 2 -CH-COOH NH 2 -CH-CO- NH-CH-COOH

N-конец пептидная связь С-конец

Полипептидные цепи белков представляют собой полипептиды, т.н. линейные полимеры α-аминокислот, соединенных пептидной связью. Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками . Цепь повторяющихся групп –NH-CH-CO- называется пептидным остовом . Аминокислотный остаток, имеющий свободную α-аминогруппу, называется N-концевым, а имеющий свободную α-карбоксильную группу – С-концевым.

Пептиды пишутся и читаются с N-конца!

Пептидные связи очень прочные, и для их химического неферментативного гидролиза требуются жесткие условия: высокие температуры и давление, кислая среда и длительное время.

В живой клетке, где нет таких условий, пептидные связи могут разрываться с помощью протеолитических ферментов, называемых протеазами или пептидгидролазами.

Наличие пептидных связей в белке можно определить с помощью биуретовой реакции.

Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы и соседним α-углеродным атомом, а также между α-углеродным атомом и углеродом карбонильной группы. Благодаря этому линейная структура может приобретать более сложную пространственную конформацию.

Гидрофильные аминокислоты

К гидрофильным относятся аминокислоты, содержащие в боковой цепи карбоксильную или аминогруппу. Обе эти группы при физиологических значениях pH ионизированы.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты - кислые аминокислоты, лизин и аргинин - сильно основные, а гистидин - слабо основная аминокислота. Кольцевая структура в молекуле гистидина называется имидазольным кольцом.

Аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты в белках представлены также и своими амидами - аспарагином и глутамином.

К гидрофильным относятся также гидроксилсодержащие аминокислоты:

Цистеин, как и серин, содержит тиольную группу -SH вместо гидроксильной -ОН. Его специфическая роль в белках двояка: благодаря цистеину в активные центры белков могут быть введены тиольные группы, а два остатка цистеина в белках могут соединяться ковалентной связью -S-S-.

Пролин примечателен тем, что его остаток вызывает излом пептидной цепи. В отличие от других аминокислот свободный пролин содержит не амино-, а иминогруппу.

Определение электрического заряда аминокислоты по кривой титрования

Аминокислоты - амфотерные электролиты (амфолиты) обладают свойствами как кислот, так и оснований. На основании положений физической химии, аминокислоты принадлежат к слабым электролитам и в водных растворах в зависимости от pH среды несут на себе различный заряд в соответствии с уравнением равновесия (константы равновесия К а, К а2 и K aR):

И, как видно из табл. 3.1, боковые функциональные группы ряда аминокислот также обладают кислотно-основными свойствами: рK aR - это константа кислотности для боковой цепи аминокислоты, имеющей функциональные группы с кислотно-основными свойствами. Например, в боковой цепи глутаминовой кислоты имеется функциональная группа -СООН, для которой при определенных условиях характерно кислотно-основное равновесие

Электрический заряд на функциональной группе определяется соотношением между значениями рК а этой группы и pH раствора, описываемым уравнением Гендерсона-Гассельбаха (2.4). Каждая способная к ионизации группа аминокислоты может находиться в одном из двух состояний - заряженном или нейтральном. Анион СОО- обладает основными свойствами (принимает ион Н +), а катион NH 3+ - свойствами кислоты (отдает ион Н +).

Значение pH, при котором аминокислота находится в растворе только в виде цвиттер-иона (суммарно электрически нейтральна), называют изоэлектрической точкой (ИЭТ) аминокислоты. В ИЭТ растворимость аминокислот минимальна, и в электрическом поле постоянного тока аминокислоты остаются неподвижными. В изо- электрическом состоянии аминокислоты обладают повышенной плотностью, высокой точкой плавления (свыше 200 °С). Растворы аминокислот обладают более высокой диэлектрической постоянной, чем вода, причем максимум значения достигается в ИЭТ. Значение pH в изоэлектрической точке (pi) для моноаминокарбо- новых кислот (кислоты, у которых боковые цепи не имеют функциональных групп, способных к ионизации, иными словами, не содержат амино- и карбоксильных групп) можно определить следующим образом: р! = (К а + К а г)/2.

Таблица 3.1

Характеристика аминокислот 1

Наименование					Примечание
			Выступает в роли простейшего связующего звена в цепи белка		Участвует в синтезе креатина, пиррола, в обезвреживании ряда ядовитых веществ
Аминокислоты с углеводородными боковыми цепями
			Служат для гидрофобной стабилизации белка и для формирования центров свя- зывания в ферментах
Изолейцин**			Имеется еще один хиральный центр
Ароматические аминокислоты
Фенилаланин**
Тирозин* (из фенилаланина)			Способен образовывать гидрофобные связи и эффективно связываться с другими плоскими молекулами		Концентрируется в тканях щитовидной железы
Триптофан**			Способен образовывать гидрофобные связи и эффективно связываться с другими плоскими молекулами
Аминокислоты - спирты
			ОН группа имеет очень слабые кислотные свойства
Треонин**

Окончание табл. 3.1

Наименование	Сокращения, принятые в литературе		Краткая характеристика химических свойств боковых цепей	PКо бок. цепей	Примечание
Аминокислоты с кислыми свойствами боковых цепей
Аспарагиновая			При нейтральных pH карбоксильные группы диссоциированы			Играет важную роль в процессах обмена
Глутаминовая
Аминокислоты с основными свойствами боковых цепей
			Гибкая боковая цепь с реакционно- способной аминогруппой на конце
Аргинин**			Гуанидиниевая группа протонирована			Arg богаты ядра клеток, а также белки растущих тканей (эмбриональная ткань, опухоли)
Гистидин**			Основная группа несет положительный заряд и может служить акцептором протона
Амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот
Аспарагин*			Амидная группа не обладает кислотными свойствами, но полярна и может участвовать в образовании водородных связей
Глутамин*						Встречается во всех тканях организма в свободном состоянии

1 Если неизвестно, какая аминокислота стоит в боковой цепи белка - аспарагин или аспарагиновая кислота, ис пользуют обозначение Asx или В. В случае глутамина или глутаминовой кислоты применяется Glx или Z.

Зоны буферного действия у аминокислот очень малы. Значения рКаи рК а2 , pi для аминокислот определяют, как правило, методом потенциометрического титрования. На рис. 3.1 представлена типичная кривая титрования аминокислоты.

Рис.

Значения рК а и рК а2> рК а я, pi для каждой аминокислоты индивидуальны. В табл. 3.2 представлены значения этих параметров для некоторых аминокислот.

Значения pK al , рК а2 , р K aR , pi для некоторых аминокислот

Таблица 3.2

Аминокислота
Аспарагиновая кислота
Глутаминовая кислота
Г истидин
Глутамин
Аспарагин

Из данных, приведенных в табл. 3.2, видно, что буферными свойствами при значениях pH, близких к pH крови и межклеточной жидкости, обладает практически только одна аминокислота - гистидин, так как для нее величина рK aR = 6,04. Это свойство гистидина в организме используется следующим образом: гемоглобин характеризуется высоким содержанием гистидина, что очень важно для создания высокой буферной емкости при pH, близкой к 7, для переноса кислорода и углекислого газа. Зоны буферного действия аминокислот очень малы.

Аминокислоты при значениях pH, отличающихся от значения их pH в ИЭТ (pi), несут суммарный электрический заряд, который в зависимости от pH может быть как положительным, так и отрицательным. При любом значении pH, превышающем значение pi, суммарный заряд молекулы отрицательный, и в электрическом поле она движется в сторону положительного электрода {анода). Соответственно при pH ниже значения pi молекула аминокислоты несет положительный заряд и в электрическом поле движется к катоду. Чем больше значения pH отличаются от значения pi, тем больший суммарный заряд несет молекула и тем выше скорость ее движения к электроду. Данные свойства молекул аминокислот широко используются для их разделения и анализа в смесях, например, методами электрофореза и ионнообменной хроматографии.

Для разделения применяют препаративные методики получения относительно больших количеств чистого материала, который может быть в дальнейшем использован для различных целей.

Для анализа применяют аналитические методики, направленные на контроль качества, определение состава смеси компонентов, определение их заряда и т. п.

1. Неполярные аминокислоты (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин). Эти аминокислоты гидрофобны. Имеют незаряженный радикал. При сближении в пространстве радикалы этих аминокислот обеспечивают гидрофобное взаимодействие .

2. Полярные, гидрофильные, незаряженные аминокислоты (глицин, треонин, цистеин, тирозин, серин, аспарагин, глутамин). Содержат такие полярные функциональные группы как гидроксильная, сульфгидрильная и амидогруппа. При сближении в пространстве радикалы этих аминокислот образуют водородные связи . Связанные дисульфидной связью два остатка цистеина называют цистином.

3. Кислые аминокислоты (отрицательно заряженные аминокислоты) имеют отрицательный заряд (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) при рН 7,0

4. Основные аминокислоты (положительно заряженные аминокислоты) имеют положительный заряд при рН 7,0.

Радикалы аминокислот 3 и 4 групп участвуют в образовании ионных связей .

Аминокислоты классифицируются на заменимые и незаменимые (эссенциальные).

1. Незаменимые (эссенциальные) аминокислоты не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей. Они необходимы для обеспечения и поддержания роста: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин (шесть аминокислот 1-й группы, одна – второй и три – четвертой).

2. Заменимые аминокислоты. Организм может синтезировать около 10 аминокислот для обеспечения биологических потребностей, поэтому поступление их с пищей не обязательно (аланин, аспарагин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глутамин, глицин, пролин, серин, тирозин).

Аминокислоты, связанные пептидной связью, образуют полипептидную цепь и каждая аминокислота в ней называется аминокислотный остаток . В полипептиде выделяют N-конец (терминальная альфа-аминогруппа) и С-конец (терминальная альфа-карбоксильная группа). Большинство природных полипептидных цепей, содержащих от 50 до 2000 аминокислотных остатков, называют белками (протеинами). Полипептидные цепи меньшей длины называют олигопептидами или просто пептидами. В некоторых белках полипептидные цепи связываются поперечными дисульфидными связями, образованными окислением двух остатков цистеина. Внеклеточные белки часто содержат дисульфидные связи, а внутриклеточные белки часто утрачивают их. В некоторых белках образуются поперечные связи при взаимодействии радикалов других аминокислотных остатков (коллаген, фибрин).