Аминокислоты

Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. Кроме аминокислот, входящих в состав белков, живые организмы обладают постоянным резервом «свободных» аминокислот, содержащихся в тканях и в клеточном соке. Данные молекулы используются в синтезе множества биологически активных соединений, к которым относятся нейромедиаторы и гормоны, обеспечивающие регуляцию процессов обмена веществ в организме. Аминокислоты служат донорами атомов азота при синтезе всех небелковых азотсодержащих соединений, в том числе нуклеотидов, гема, креатина, холина и других веществ. Аминокислоты и их производные входят в состав коферментов, желчных кислот, антибиотиков.

Различают протеиногенные и непротеиногенные аминокислоты.

Аминокислоты, которые в соответствии с генетическим кодом включаются в состав белков в процессе трансляции, называются протеиногенными. В состав белков входят 20* протеиногенных аминокислот. Одни и те же аминокислоты присутствуют в различных по структуре и функциям белках. Индивидуальность белковых молекул определяется содержанием и последовательностью расположения входящих в них аминокислот. Последовательность аминокислот в белке несёт информацию о построении пространственной структуры и функции данного белка.

Аминокислоты, которые нередко обнаруживаются в белках, но не имеют кодовых слов и не включаются в белки в процессе трансляции, называются непротеиногенными. Обнаружение таких аминокислот в белках объясняется протеканием реакций модифицирования данных биомолекул пост-трансляционно или, например, рацемизацией аминокислот в составе белков (см. далее). Непротеиногенные аминокислоты могут образовываться в качестве промежуточных продуктов при биосинтезе и деградации протеиногенных аминокислот, а также других органических молекул.

Строение аминокислот. Аминокислоты – это аминопроизводные класса карбоновых кислот. Основными функциональными группами аминокислот являются их амино- и карбоксильные группы, которые связаны с одним и тем же атомом () углеродного скелета аминокислоты (рис. 1.1). Между собой аминокислоты различаются только строением боковых цепей (R–группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде.

*В 2002 г. была открыта 21-ая протеиногенная аминокислота – селеноцистеин.

При физиологических значениях рН аминокислоты в растворах находятся преимущественно в виде биполярных ионов (обычно используемая запись строения -аминокислоты в неионизированном виде служит лишь для удобства).

Рис. 1.1. Общая структурная формула -аминокислот.

Стереоизомерия аминокислот. Это свойство связано с наличием в молекуле всех природных аминокислот (за исключением глицина) в -положении асимметрического атома углерода (хирального центра), все четыре валентные связи которого заняты различными заместителями. Аминокислоты cущeствуют в виде двух зеркальных изомеров (рис. 1.2) или энантиомеров: L- и D-aминoкиcлoт.

Рис. 1.2. Модели асимметрических молекул аланина. а – тетраэдрическая модель, б – модель Кекуле.

Абсолютную конфигурацию аминокислот принято соотносить стереохимически с соединением, произвольно взятым для сравнения, а именно с глицериновым альдегидом, также содержащим асимметрический атом углерода (рис. 1.3). Два возможных его стереоизомера принято обозначать буквами L и D.

Рис. 1.3. Стерическое соответствие между структурой энантиомеров аланина и абсолютной конфигурацией L- и D-глицеральдегида.

Стереоизомеры всех хиральных соединений, соответствующие по конфигурации L-глицеральдегиду, обозначаются буквой L, а стереоизомеры, соответствующие D-глицеральдегиду – буквой D.

Все пpотeиногенныe аминoкиcлoты oтноcятcя к  L-ряду. D-Аминoкиcлоты вcтpeчaютcя во многих природных пептидах, продуцируемых микроорганизмами, например в антибиотиках (грамицидин, актиномицин, полимиксин), а также в составе биополимеров клеточной стенки бактерий.

Среди протеиногенных аминокислот имеются две аминокислоты (треонин и изолейцин), которые содержат по два асимметрических атома углерода. Для них возможно существование четырёх стереоизомеров. Например, у треонина, помимо L- и D-треонина, имеется ещё два стереоизомера, которые называются диастереоизомерами или аллоформами: L-аллотреонин и D-аллотреонин (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структурные конфигурации стереоизомеров треонина.

Чистые L- или D-стереоизомеры могут со временем самопроизвольно и неферментативно превращаться в эквимолярную смесь L- и D-изомеров. Этот процесс называют рацемизацией. Рацемизация каждой L-аминокислоты при данной температуре идёт с определённой скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возраста людей и животных. Так, в твёрдой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,10 % в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст обследуемого.

Физические свойства. Аминокислоты – нелетучие кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Они хорошо растворяются в воде, аммиаке и других полярных растворителях, в неполярных и слабополярных растворителях (этанол, метанол, ацетон) растворяются плохо. Причиной такого поведения является легкий переход незаряженной молекулы в цвиттерион, который связан с выигрышем свободной энергии.

Кислотно-основные свойства. Все встречающиеся в природе аминокислоты обладают общим свойством – амфотерностью (от греч. amphoteros – двусторонний), то есть каждая аминокислота содержит как минимум одну кислотную (–СООН) и одну основную (–NH₂) группы. В растворе эти группы находятся в двух формах, заряженной и незаряженной, между которыми поддерживается протонное равновесие:

R–COOH и R–NH₃⁺ являются протонированными партнерами, то есть кислотами (донорами протонов), а R–COO¯ и R–NH₂ – сопряженными основаниями (акцепторами протонов).

Поэтому в водной среде -аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм молекулы (рис. 1.5):

Рис. 1.5. Ионные формы аминокислот.

Соотношение между этими формами, то есть заряд молекул аминокислот в растворе зависит от рН среды (рис. 1.6).

Изменение рН в кислую среду приводит к подавлению диссоциации кислотных групп. Поэтому в сильнокислой среде аминокислоты существуют преимущественно в виде катионов (приобретают положительный заряд).

Напротив, изменение рН в щелочную среду, вызывает отщепление протонов от основных функциональных групп. Поэтому в сильнощелочной среде аминокислоты существуют преимущественно в виде анионов.

Рис. 1.6. Изменение суммарного заряда аминокислот (гистидина и глутамата) в зависимости от рН среды.

При нейтральных значениях рН все кислотные и все основные функциональные группы аминокислот находятся в диссоциированном состоянии. Поэтому нейтральные аминокислоты, содержащие недиссоциирующий радикал, имеют суммарный нулевой заряд и существуют в виде биполярного иона (цвиттериона). Кислые аминокислоты содержат две карбоксильные группы, которые диссоциируют, отдавая два протона, но поскольку у них только одна аминогруппа, принимающая один протон, то такие аминокислоты ведут себя как кислоты и раствор их имеет кислую реакцию. Сам ион аминокислоты заряжается отрицательно. Основные аминокислоты реагируют в водном растворе как слабые основания, так как один протон, который освобождается при диссоциации карбоксильной группы, связывается с одной из аминогрупп, а вторая аминогруппа связывает протон из водного окружения, в результате увеличивается количество OH^– групп и повышается pH среды. Заряд иона таких аминокислот в нейтральной среде будет положительным.

При определенном значении pH наступает такое состояние, при котором заряд аминокислоты становится нейтральным (скомпенсированным). Значение рН, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю и она не перемещается в постоянном электрическом поле, называется ее изоэлектрической точкой (рI).

Таким образом, при значении pH = рI, аминокислоты не перемещаются в электрическом поле и обладают наименьшей растворимостью. Если pH < рI, катион аминокислоты движется к катоду, а при pH > рI, анион аминокислоты – к аноду. На этих свойствах аминокислот основана возможность разделения их в электрическом поле (электрофорез). Изоэлектрическая точка кислых аминокислот находится в слабокислой среде, основных – в слабоосновной, а нейтральных – в нейтральной среде. Изоэлектрическая точка для нейтральных аминокислот рассчитывается по формуле:

рI = ½ (рК₁ + рК₂), где

рК₁ – величина рК для -карбоксильной группы, а рК₂ — для -аминогруппы.

Изоэлектрическая точка для кислых и основных аминокислот рассчитывается по формуле:

рI = ½ (рК₁ + рК_R), где

рК_R – рК для ионизированной группы, находящейся в радикале.

Кривые титрования аминокислот. Если регистрировать изменение рН раствора аминокислот при добавлении щелочи или кислоты, то получаются типичные кривые титрования аминокислот, зависящие от числа ионизированных групп (рис. 1.7-1.9).

Если радикалы аминокислот нейтральны, то они почти не оказывают влияния на диссоциацию -карбоксильной группы или -аминогруппы, и величины рК (то есть значения рН, при которых эти группы в среднем наполовину диссоциированы) остаются относительно постоянными. Вследствие этого кривые титрования почти всех нейтральных аминокислот накладываются друг на друга и могут быть рассмотрены на примере аланина (рис. 1.7).

В начале титрования (при значении pH < рК₁) большинство молекул аланина находятся в полностью протонированной форме и в растворе преобладают ионы ⁺NH₃–CHR–COOH. При приближении значения рН к 2,34 (численно равном величине рК₁ -карбоксильной группы) начинает происходить активная диссоциация протонов от -карбоксильных групп, что при рН 2,34 приводит к присутствию в растворе в эквимолярных концентрациях ионов ⁺NH₃–CHR–COOH и ⁺NH₃–CHR–COO⁻. На этом участке кривой титрования наблюдается «плато»: добавления щелочи не приводит к существенному изменению рН раствора. Это связано с нейтрализацией вносимой щелочи активно высвобождающимися из аланина протонами.

После участка «плато» в растворе начинают преобладать молекулы аминокислоты с депротонированной -карбоксильной группой и при дальнейшем титровании при рН 6,01 (точка перегиба кривой) молекулы аланина достигают изоэлектрической точки, то есть находятся в виде биполярного иона (цвиттериона) ⁺NH₃–CHR–COO⁻.

На второй стадии титрования, при приближении значения рН к 9,69 (численно равном величине рК₂ аминогруппы) происходит диссоциация протона от -аминогруппы аланина и при рН 9,69 в растворе присутствуют в эквимолярных концентрациях ионы ⁺NH₃–CHR–COO^– и NH₂–CHR–COO⁻. На этом участке кривой титрования наблюдается второе «плато», после чего в растворе начинает преобладать полностью депротонированная форма аминокислоты. Титрование завершается приблизительно при рН 12, когда практически все молекулы аланина находятся в форме полностью депротонированных ионов: NH₂–CHR–COO⁻.

Из кривой титрования аланина можно сделать вывод, что данная аминокислота проявляет буферные свойства в двух областях рН. Одна из них определяется сравнительно плоским участком кривой по обе стороны от точки, соответствующей рК_1. Другая буферная зона расположена между значениями рН 8,7 и 10,7. Необходимо отметить, что при значении рН = 7,4, характерном для межклеточной жидкости и крови, аланин не проявляет буферные свойства.

Рис. 1.7. Кривая титрования 0,1 М раствора аланина 0,1 М раствором NaOH.

Аминокислоты, с диссоциирующими группами в радикале, имеют более сложные кривые титрования, складывающиеся из трех участков, соответствующих трем возможным стадиям ионизации (рис. 7 и 8), и следовательно, они имеют три значения рК (рК_1, рК_2, рК_R). Изоэлектрические точки для таких аминокислот определяются типом присутствующей ионизируемой группы в радикале.

Рис. 1.8. Кривая титрования глутаминовой Рис. 1.9. Кривая титрования гистидина.

кислоты.

Таким образом, в интервале рН от 4,0 до 9,0 почти все аминокислоты существуют преимущественно в форме цвиттерионов с протонированной аминогруппой и диссоциированной карбоксильной группой. При значениях рН, близких к величинам их рК (т.е. при рН 1,7-3,2 и 8,6-10,8), аминокислоты обладают буферными свойствами.

Большое биологическое значение имеет поведение гистидина в качестве буфера. Это единственная аминокислота, которая обладает буферными свойствами в физиологической области рН.

Спектральные свойства. Все аминокислоты поглощают свет в инфракрасной области спектра. Три ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин и триптофан) поглощают свет в ультрафиолетовой области в диапазоне 260-290 нм (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Спектры поглощения ароматических аминокислот

Химические свойства аминокислот. Функциональные амино- и карбоксильные группы аминокислот вступают во все характерные для них реакции.