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. -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-

54

q5

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):

Г

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.

57

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:

58

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

59

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)

60

в иділено 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

61

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.

Для одержання амінокислот широко застосовують методи хімічного синтезу. Серед них найбільш розповсюдженими є:

метод амінування галогенопохідних карбонових кислот

62

Крім того, розроблено методи хімічного синтезу окремих аміго кислот, зокрема синтез метіоніну з метилмеркаптану та акрилового альдегіду, синтез триптофану з індольного альдегіду і нітрооцтового ефіру, синтез глута мі нової кислоти з акрилонітрилу, синтез лізину з циклогексану або з 1-нітро-1,3-бутадієну і нітрооцтового ефіру та ін. Застосування різних хімічних методів дало можливість синтезувати майже всі амінокислоти. Зараз налагоджено синтез метіоніну і глутамінової кислоти в промислових умовах.

Основним недоліком хімічних методів синтезу амінокислот є утворення рацемічних форм амінокислот (за винятком гліцину), тоді як в організмах людини і тварин використовуються /.-амінокислоти. Винятком є тільки метіонін.

Вважають, що найбільш рентабельно та економічно вигідно добувати амінокислоти мікробіологічним способом, тому що цей спосіб не має недоліків хімічного синтезу (при цьому не утворюються рацема-ти амінокислот).

Світовий рівень виробництва амінокислот зараз становить сет іі тисяч тонн на рік. Більшу кількість таких амінокислот одержують за допомогою мікроорганізмів. Іноді хімічні способи синтезу поєднують з мікробіологічними.

Лізин. Для добування лізину застосовують комбінований метод — використання органічного синтезу і ферментів та мікробіологічний спосіб. Суть комбінованого методу добування лізину, який розроблений японською фірмою «Торей», полягає в тому, що вихідною речовиною для синтезу амінокислоти є циклогексан. В результаті хімічних реакцій з циклогексану одержують циклічний ангідрид лізину Р, /., а-аміно-є-капролактам. Розділення оптичних ізомерів цієї сполуки проводять за допомогою мікробних ферментів. При цьому відбувається асиметричний гідроліз за участю гідролази амінокапролактаму з утворенням /.-лізину. Процес одержання лізину можна показати такою схемою: циклогексан -> D, /.-а-аміно-є-рацемаза-капролактам ■*- /.-лізин -> D-a-аміно-к-капролактам.

Крім лізину в реакційній суміші міститься D-a-аміно-к-капролак-там, який для більшого виходу /.-лізину піддають рацемізації. Для високої ефективності процесу добування /.-лізину з циклогексану і;ею-хідпо, щоб одночасно з гідролазою L-a-аміно-є-капролактаму діяв фермент, рацемізуючий D-a-аміно-е-капролактам. Спільна дія цих двох ферментів забезпечує перетворення D, L-a-аміно-є-капролактаму на /.-лізин майже із 100 %-м виходом. Це досягається введенням у водний розчин D, /.-амінокапролактаму певної кількості біомаси або сухих .дріжджів, які мають гідролазну активність, а також бактерій з рацемазною активністю по відношенню до амінокапролактаму. Цей метод виробництва лізину цікавий ще й тим, що L-гідролазу і рацема-зу амінокапролактаму можна добувати в іммобілізованій формі, що має певну перевагу порівняно з використанням розчинних ферментів.

63

Мікробіологічний метод добування лізину грунтується на використанні ауксотрофних мутантів мікроорганізмів роду Micrococcus, Brevibacterium, Corunebacterium та ін. Як поживне середовище для вирощування мікроорганізмів і біосинтезу амінокислоти лізину використовують малясу, кукурудзяний екстракт або білкові гідролізати. Джерелом азоту можуть бути солі амонію або сечовина. У біосинтезі амінокислоти важливу роль відіграє концентрація в середовищі біотину і необхідних амінокислот — метіоніну, гомосерину і треоніну.

Біосинтез лізину мікроорганізмами (діамінопімеліновий метод) починається з аспарагінової кислоти і проходить через діамінопіме-лінову кислоту. Один напрям біосинтетичних перетворень аспарагінової кислоти приводить до синтезу лЧзину, інший — до синтезу гомосерину. Гомосерии — проміжний продукт для одержання треоніну та ізолейцину, з одного боку, і метіоніну — з іншого. При порушенні біосинтезу цих амінокислот на стадії утворення гомосерину перетворення аспарагінової кислоти зміщується у напрямку утворення лізину.

Технологічна схема одержання лізину складається з двох основних стадій: культивування продуцентів амінокислоти і виділення кінцевого продукту. Зараз синтезують два види лізину: кристалічний лізин і кормовий концентрат лізину (ККЛ). Спочатку синтез обох видів лізину відбувається однаково. Мікроорганізми, які синтезують лізин, вирощують у ферментаторах на відповідному поживному сеоедовищі. За даних умов лізин синтезується мікроорганізмами і нагромаджується в культу рал ьн і й рідині.

Дальшу переробку культуральної рідини ведуть одним із двох способів. За першим способом рідину пропускають через іонообмінні колони. Адсорбований на іонній смолі лізин вимивають і кристалізують у вигляді монохлоргідрату. Z,-Лізин монохлоргідрат містить 97—98 % основної речовини, зольність його до 0,3 %, температура плавлення 210 °С. На жаль, собівартість кристалічного препарату лізину ще висока.

Значну частину лізину випускають як кормовий концентрат. Для цього культуральну рідину (за другим способом) не пропускають через іонообмінні колони, а випаровують, потім висушують з наповнювачами, наприклад з пшеничними висівками. Так добувають кормовий концентрат лізину у вигляді сірувато-коричневого порошку або гранул. Кормовий концентрат містить крім основної амінокислоти — лізину невелику кількість інших амінокислот, втому числі і незамінних, а також вітаміни, мінеральні речовини і мікроелементи.

Собівартість кормового концентрату лізину, порівняно з кристалічним, значно менша. Він містить до 20 % амінокислоти. Одержувати більш концентрований кормовий продукт даним способом важко. Без наповнювачів (пшеничних висівок, кісткового борошна, бентоніту тощо) утворюється дуже гігроскопічна маса, яку важко зберігати і використовувати.

04

Зараз розроблено технологію одержання більш концентрованих препаратів лізину, однак у промисловості вона широкого використання не знайшла.

Триптофан добувають двома способами. Перший з них грунтується па мікробному синтезі /.-триптофану за участю мутантів Б. Соїі і A. acrogenes, «дефіцитних» по тирозину і фенілаланіну. Основним проміжним продуктом даного процесу є шикімова кислота, з якої потім утворюється хорізмова кислота. Ця стадія при синтезі триптофану найбільш важлива.

Цей шлях мікробного синтезу L-триптофану — трансформація попередника амінокислоти — антранілової кислоти за участю ферментних систем мікроорганізмів до триптофану. Дріжджі Candida utilis, синтезуючії триптофан, захищають клітини від шкідливої дії антранілової кислоти. Вони перетворюють її спочатку на індол, а потім (за участю серину в присутності піридоксальфосфату) — на триптофан.

Із культуральпої рідини одержують два види препарату триптофану: кормовий концентрат триптофану та очищений препарат L-триптофану. З метою одержання очищеного препарату триптофану використовують фільтрат культуральпої рідини, а для кормових цілей одержують кормовий концентрат, до складу якого входить і мікробна біомаса.

У вітчизняній і зарубіжній практиці нагромаджено певний досвід щодо використання синтетичного триптофану для годівлі сільськоп с-подарських тварин. Введення в організм тварин з кормами триптофану поліпшує засвоєння білка, збільшує нагромадження азоту в органах і тканинах, позитивно впливає на ріст і розвиток молодих тварин.

Окремі амінокислоти широко використовуються як високоефективні і малотоксичні лікарські препарати для профілактики і лікування різних захворювань. Так, метіонін застосовується при захворюванні печінки, при недокрів'ї, опіках; гістидин — при виразковій хворобі Шлунка; триптофан -при пелагрі; гл у тамі нову кислоту використовують при захворюванні нервової системи тощо. Амінокислоти мають важливе значення в азотному обміні, вони є джерелом для утворення великої кількості біологічно активних речовин, необхідних для нормальної життєдіяльності організму.