Загальні властивості амінокислот.

Кислотно-основні властивості амінокислот визначають багато фізико-хімічних та біологічних властивостей білків. Амінокислоти легко розчиняються у воді, вони кристалізуються з нейтральних розчинів у вигляді біполярних (амфотерних) іонів або цвіттер-іонов, а не у вигляді недисоційованих молекул. Обидві їх функціональні групи (і –СООН, і –NH₂) здатні до іонізації:

При цьому карбоксильна група дисоціює з утворенням карбоксилат-аніону і поводить себе як кислота, а аміногрупа протонується з утворенням катіону амонію і поводить себе як основа. Таким чином, амінокислоти є амфотерними електролітами і можуть утворювати солі як з кислотами, так і з основами.

Як видно зі схеми, в кислому середовищі пригнічується дисоціація карбоксильних груп і посилюється протонування аміногруп, а в лужному середовищі – навпаки. Моноаміномонокарбонові амінокислоти при цьому мають в розчині нейтральний рівень рН та заряд їх молекули дорівнює 0, диаміномонокарбонові – мають рН >7 та позитивний заряд молекули, а моноамінодикарбонові мають рівень рН<7 та від'ємний заряд молекули.

Сумарний заряд молекул амінокислот визначається:

1. співвідношенням кількості вільних карбоксильних та аміногруп;

2. ступенем дисоціації функціональних груп;

3. рівнем рН середовища.

Значення рН, при якому сумарний заряд молекули амінокислоти дорівнює 0, називають ізоелектричною точкою. При цьому амінокислота має найменшу розчинність та знаходиться в ізоелектричному стані.

Завдяки наявності зарядів амінокислоти здатні до електрофорезу (руху в електричному полі).

Хімічні реакції амінокислот в організмі.

Основним джерелом природних L-α-амінокислот для організму людини є білки харчових продуктів. Проте частина амінокислот (замінні) можуть синтезуватись в організмі чи частково синтезуватись (умовно замінні). Вільні амінокислоти за участю специфічних ферментів використовуються для внутрішньоклітинного біосинтезу білків та пептидів або вступають в біохімічні реакції, що призводять до утворення різноманітних необхідних для метаболізму інтермедіатів. Біохімічні перетворення амінокислот в організмі поділяються на загальні та специфічні шляхи перетворення. До загальних шляхів метаболізму амінокислот належать реакції дезамінування, трансамінування, декарбоксилювання та утворення пептидів.

1. Дезамінування – це реакція відщеплення аміногрупи в вигляді молекули аміаку.

В біологічних об'ектах можливі такі види реакцій дезамінування:

А) Відновне дезамінування:

Карбонова кислота

Б) Гідролітичне дезамінування:

Α-Гідроксикислота

В ) Внутрішньомолекулярне дезамінування:

Ненасичена карбонова кислота

Г) Окислювальне дезамінування.

Ця реакція протікає в два етапи. Перший етап – дегідрування α-амінокислоти з утворенням α-імінокислоти (ферментативний процес, що каталізується ферментом дегідрогеназою):

α-Амінокислота α-Імінокислота

Д ругий етап – гідроліз імінокислоти з утворенням α-кетокислоти та виділенням аміаку (неферментативна стадія):

α-Імінокислота α-Кетокислота

Для тваринних організмів головним типом дезамінування амінокислот є окислювальне, хоча мають місце й інші типи (наприклад, гістидин в печінці та шкірі може подлягати внутрішньомолекулярному дезамінуванню). Різні види дезамінування амінокислот відбуваються в товстому кишківнику під дією ферментів мікроорганізмів під час «мікробного гниття білків» у випадку порушення травлення. Всі реакції дезамінування є зворотніми.

2. Трансамінування – це реакція міжмолекулярного переносу аміногрупи від амінокислоти на α-кетокислоту з утворенням нової кетокислоти та нової амінокислоти:

Процес трансамінування є зворотнім та найактивніше відбувається за участю хоча б однієї дикарбонової амінокислоти чли кетокислоти, наприклад:

Αланін α-Кетоглутарова Піровиноградна Глутамат

кислота кислота

Реакції трансамінування каталізуються ферментами амінотрансферазами (трансаміназами), коферментом яких є піридоксаль-фосфат (ПАЛФ) та піридоксамін-фосфат (ПАМФ) - похідні вітаміну В₆:

Піридоксаль-фосфат Піридоксамін-фосфат

3. Д екарбоксилювання – це реакція виділення вуглекислого газу з α-карбоксильної групи амінокислот. Реакції декарбоксилювання є незворотніми і каталізуються ферментами декарбоксилазами (кофермент – піридоксаль-фосфат):

α-Амінокислота Біогенний амін

В результаті реакції утворюються біогенні аміни – фізіологічно активні речовини (гормони, нейромедіатори). Наприклад, при декарбоксилюванні похідних ароматичних амінокислот утворюються катехоламіни – адреналін, норадреналін, при декарбоксилюванні глутамінової кислоти – γ-аміномасляна кислота (ГАМК) – гальмівний медіатор ЦНС, при декарбоксилюванні гістидину – тканинний гормон і медіатор гістамін:

Гістидин Гістамін

4. Поліконденсація та утворення пептидів.

Характерною хімічною властивістю протеїногенних амінокислот є їх здатність утворювати кислото-амідні (пептидні) зв'язки при взаємодії α-карбоксильної групи однієї амінокислоти з α-аміногрупою іншої амінокислоти, що супроводжується видаленням молекули води. Продукти реакції одержали назву пептидів (ди-, три-, … олігопептидів) та поліпептидів (якщо кількість амінокислотних залишків більше 10). Як приклад наведемо реакцію утворення дипептиду:

Аланін Цистеїн Аланіл-цистеїн

Ця реакція відбувається за механізмом нуклеофільного заміщення S_N.

Утворений пептид называють за назвами залишків амінокислот, змінюючи закінчення на –ил, а назву останньої амінокислоти не змінюють. Початком пептиду вважається амінокислотний залишок з вільною α-аміногрупою (N-кінець), а кінцем – залишок амінокислоти з вільною α-карбоксильною групою (С-кінець).

У зв'язку з широким застосуванням білково-пептидних препаратів в медицині, сільському господарстві, харчовій промисловості велике значення має штучний синтез білків та пептидів. Вперше його здійснив видатний німецький хімік Еміль Фішер в 1901 році, одержавши гліцил-гліцин. При штучному хімічному синтезі пептидів застосовують такі загальні методичні подходи:

1) метод послідовного нарощування амінокислотного ланцюга, що дає можливість одержати невеликі пептидні молекули (до 10 залишків амінокислот);

2) метод блочного синтезу, що полягає в об'єднанні в одну велику молекулу декількох олігопептидів, одержаних послідовним нарощуванням пептидного ланцюга.

При цьому всі методи включають такі етапи синтезу:

А) блокування (захист) тих функціональних груп амінокислот чи пептидів, що не беруть участь в реакції;

Б) взаємодія карбоксильної групи одного реагента з аміногрупою іншого;

В) видалення захисних груп для одержання вільного пептиду чи продовження синтезу.

Меріфілдом був запропонований метод твердофазного синтезу пептидів, що полягає в закріпленні поліпептидного ланцюга на полімерному нерозчинному носії, поверхня якого містить хлорметильні «якірні» групи. Таким чином були синтезовані такі природні пептиди, як брадикінін (нанопептид), ангіотензин (декапептид), рибонуклеаза (поліпептид – білок з 124 залишками амінокислот).

В живих організмах біосинтез білків та пептидів відбувається за участю складної мультимолекулярної субклітинної системи, що включає структурний апарат рибосом (білки та р-РНК), комплекс природних амінокислот з т-РНК та сукупність специфічних ферментів.

Реакції кількісного визначення амінокислот.

1. Реакція формол-титрування за Серенсеном відбувається в два етапи. Спочатку α-амінокислота взаємодіє з формальдегідом, який зв'язує аміногрупу, вивільняючи з внутрішньої солі (цвіттер-іону) карбоксильну групу:

R-CH-COOH + H-C=O → R-CH-COOH + H₂O

│ │ │

NH₂ H N=CH₂

При цьому рН розчину знижується (вихідний рівень рН ≈ 7) та вільну карбоксильну групу титрують розчином лугу з відомою концентрацією. Кількість лугу, що витрачається на титрування, є еквівалентною кількості карбоксильних групп. Цей метод дає змогу визначити точну кількість амінокислот у вихідному розчині.

2. Реакція Ван-Слайка полягає у взаємодії амінокислот з азотистою кислотою, що відбувається з виділенням молекулярного азоту:

R-CH-COOH + H-O-N=O → N₂ + R-CH-COOH + H₂O

│ │

NH₂ OH

Половинна кількість молей виділеного азоту еквівалентна кількості молей амінокислот у вихідному розчині, що дає змогу точно визначити концентрацію амінокислот.