21.2.4. Окислительно-восстановительные свойства

ос-Аминокислоты вступают в разнообразные окислительно-восстановителъные реакции, сопровождаемые изменением степе­ней окисления углеродных атомов и углеродного скелета моле­кулы. Эти реакции происходят как внутримолекулярно, так и межмолекулярно. Однако среди всех природных а-аминокислот особенно чувствителен к действию окислителей цистеин, легко окисляемый за счет атома серы тиольной группы (—SH) в цистин, содержащий дисульфидную группировку (—S—S—) (разд. 9.3.9, 12.2.6).

Тиол-дисульфидное равновесие. Цистеин, как все тиолы (разд. 17.2), выступая восстановителем, легко окисляется, обра­зуя цистин, являющийся дисульфидом цистеина и сопряжен­ным ему окислителем.

Цистеин и цистин составляют сопряженную восстанови­тельно-окислительную пару (вопреки правилам, исторически на первое место поставлена восстановленная форма), для которой характерно тиол-дисульфидное равновесие. Значение нормаль­ного восстановительного потенциала этой пары свидетельствует, что восстановительные свойства у нее преобла­дают над окислительными. Поэтому цистеин является эффектив­ным антиоксидантом, выполняя защитные функции при воздей­ствии на организм сильных окислителей благодаря восстанови­тельным свойствам тиольной группы (разд. 9.3.9, 12.2.6).

В то же время цистеин был первым препаратом, проявившим противолучевое действие, который уменьшал степень лучевого поражения и повышал выживаемость больных. При радиацион­ном воздействии в водных средах организма возникают сильные окислители называемые активными или токсичными формами кислорода (разд. 9.3.9, 12.2.5). Наряду с окислителями при этом воздействии в организме возникают другие токсиканты — короткоживущие сильные восстановите­ли: гидратированный электрон (е-_гидр) и атомарный водород Н*. Компоненты сопряженной восстановительно-окислительной па­ры цистеин - цистин активно взаимодействуют и с теми и дру­гими агрессивно-токсичными частицами, нейтрализуя их. Имен­но этим объясняется эффективность цистеина при остром луче­вом поражении. Легкое и быстрое за счет цистеинредуктазы взаимодействие тиольных групп двух Молекул цистеина с образованием дисульфидной связи цистина и обратимость этой ре­акции играют важную роль в регуляции процессов обмена в организме. Превращение цистеина в цистин приводит к образованию дисульфидной связи в пептидах и белках, влияя на их конформацию (разд. 21.3 и 21.4).

При исчерпывающем окислении тиольной группы цистеина последний переходит в цистеиновую кислоту, содержащую сульфогруппу. Появление в молекуле еще одной сильной кислотной и электроноакцепторной группы способствует протеканию реакции декарбоксилирования с образованием таурина:

Таурин, взаимодействуя с холевой кислотой, образует тау-рохолевую кислоту, принимающую активное участие в эмуль­гировании и всасывании жиров (разд. 20.3).

Разнообразные окислительно-восстановительные реакции а-аминокислот с участием углеродных атомов протекают как в организмах, так и вне их. В организме направление и скорость этих реакций определяются ферментом и коферментом, участвующих в них.

Д екарбоксилирование. В а-аминокислотах электроноакцепторная группа — NH3 расположена в а-положении к группе —СОО- , также проявляющей электроноакцепторные свойства. Это сильно поляризует связь C_a-C1, повышая электрофильность и нуклео-фильность ее углеродных атомов и способствуя внутримолеку­лярной окислительно-восстановительной дисмутации между ними вплоть до расщепления указанной связи с образованием СС2, т. е. декарбоксилированием. В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании а-аминокислот в присутст­вии Ва(ОН)₂:

В организме процесс происходит в комплексе:

Вначале а-аминокислота в этом комплексе реагирует с аль­дегидной группой пиридоксальфосфата, образуя так называе­мый альдимин, в котором под действием декарбоксилазы про­исходят поляризация и разрыв связи Ca-C1. При этом отщепля­ется СO2, а в результате гидролиза альдимина образуется амин и регенерируется пиридоксальфосфат:

При декарбоксилировании а-аминокислот в организме син­тезируются биогенные амины, выполняющие важные биологи­ческие функции:

Декарбоксилирование аминокислот происходит сравнитель­но легко в тканях животных и растений, но особенно оно ха­рактерно для микроорганизмов.

Альдольное расщепление межуглеродной связи

а-Аминокислоты, содержащие в р-положении электроноак-цепторную гидроксильную группу (серии, треонин), образуют с коферментом пиридоксалъфосфатом альдимин, в котором под действием альдолазы связь сильно поляризуется, что приводит к ее разрыву, сопровождающемуся внутримолекуляр­ной дисмутацией между атомами углерода. При этом образуется глицин и, в случае серина, формальдегид, а из треонина - аце-тальдегид.

Прямое дезаминирование. Этот процесс характерен для а-аминокислот, у которых в B-положении содержатся легко ухо­дящие электроноакцепторные группы: гидроксильная или тиольная. В альдимине, образуемом пиридоксальфосфатом с сери-ном, треонином или цистеином, под действием соответствующе­го фермента сильно поляризуется связь С_а—Н, что приводит к внутримолекулярному отщеплению Н2О или H₂S с образовани­ем енаминокислоты. Прототропная таутомерная перегруппи­ровка енаминокислоты в a-иминокислоту и гидролиз последней с образованием соответствующей а-оксокислоты протекает бы­стро и без участия ферментов:

В этом случае и реакция отщепления (I стадия), и прото­тропная енамин-иминная таутомерия (II стадия) сопровождают­ся внутримолекулярной дисмутацией за счет углеродных ато­мов С_а и СB, на что указывает изменение значений их степеней окисления. Непосредственное удаление аминогруппы при пря­мом дезаминировании происходит в результате гидролиза воз­никающей а-аминокислоты.

Т рансаминирование. Процесс трансаминирования между а-аминокислотой и а-оксокислотой в организме происходит с участием кофермента пиридоксалъфосфата и соответствующей трансаминазы. Суть этого процесса состоит в передаче амино­группы от а-аминокислоты, выступающей донором аминогруп­пы, на a-оксокислоту, являющуюся акцептором аминогруппы:

Кофермент пиридоксальфосфат выполняет функцию пе­реносчика аминогруппы:

Сначала пиридоксальфосфат за счет альдегидной группы обра­зует с молекулой а-аминокислоты имин I, который в результате иминиминной таутомерии (разд. 18.2.3) превращается в имин II с иным положением кратной связи C=N. Этот имин гидролизуется, образуя а-оксокислоту и пиридоксаминфосфат. С пири-доксаминфосфатом взаимодействует другая а-оксокислота, и реакция протекает в обратном направлении, давая новую а-аминокислоту и пиридоксальфосфат. Реакция трансаминирования является межмолекулярным окислительно-восстановительным процессом, в котором участвуют углеродные атомы не только взаимодействующих кислот, но и пиридоксальфосфата. С помощью этой реакции устраняется избыток отдельных а-амино-кислот и регулируется их содержание в клетках.

Окислительное дезаминирование. Этот процесс характерен для a-аминокислот при действии на них окислителей и проте­кает как в лабораторных условиях, так и в организме.

Взаимодействие с азотистой кислотой. При взаимодействии с таким сильным окислителем, как азотистая кислота, а-аминокислоты в лабораторных условиях превраща­ются в а-гидроксикислоты с выделением азота и воды:

Это реакция межмолекулярной окислительно-восстановитель­ной дисмутации за счет атомов азота. Она используется для ко­личественного определения аминных групп в аминокислотах, а также в белках и продуктах их распада.

Частичное дезаминирование аргинина моле­кулярным кислородом. В последнее время открыт но­вый фермент NO-синтаза, под действием которого при окисле­нии аргинина и кофермента НАДФ(Н) молекулярным кислоро­дом образуется оксид азота(2) и цитрулин:

Полученный оксид азота(2) быстро используется в иммунной системе для устранения ксенобиотиков, а также для регуляции кровяного давления за счет расслабления мышц кровеносных сосудов.

В заимодействие с нингидрином. Общая качест­венная реакция а-аминокислот заключается во взаимодейст­вии с нингидрином в водных растворах при нагревании с появлением сине-фиолетовой окраски, интенсивность которой пропорциональна концентрации а-аминокислот. Это реакция окисления а-аминокислот нингидрином, сопровождаемая их дезаминированием и декарбоксилированием, а также образова­нием красителя из нингидрина с участием растворенного в воде кислорода:

В этом случае окисляются углеродные атомы Cl и С_а ами­нокислоты, а восстанавливаются углеродный атом нингидрина и молекула кислорода. Нингидриновая реакция широко используется для визуального обнаружения а-аминокислот при проявлении хроматограмм и электрофореграмм.

Взаимодействие с дегидрогеназой. В организме аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты подвергаются окислительному дезаминированию под действием соответствую­щих дегидрогеназ с коферментом НАД⁺ или НАДФ⁺. На первой стадии процесса происходит реакция дегидрирования (окисле­ния) а-аминокислоты в а-иминокислоту под действием окислен­ной формы кофермента НАД⁺ или НАДФ⁺ в субстрат-фермент­ном комплексе:

На второй стадии без участия фермента а-иминокислота гидролизуется в соответствующую а-оксокислоту:

Характерной особенностью окислительного дезаминирова-ния аминокислот является то, что этот процесс может проте­кать в обратном направлении, т. е. возможно восстановительное аминирование 2-оксокислот. Таким путем в организме из 2-оксоглутарата и иона аммония образуется глутамат.

Внутримолекулярное дезаминирование. Аспарагиновая кислота из-за наличия в молекуле еще одной силь­ной электроноакцепторной группы (СООН) легко вступает под действием аспартат-аммиак-лиазы в реакцию внутримолекуляр­ного дезаминирования, образуя фумарат аммония:

Реакция сопровождается отщеплением иона аммония и внутримолекулярной дисмутацией углеродных атомов и и носит обратимый характер. В микробиологической промышлен­ности из фумарата аммония с помощью клеток кишечной па­лочки, содержащих аспартат-аммиак-лиазу, синтезируют L-acпарагиновую кислоту.

Завершая рассмотрение окислительно-восстановительных свойств а-аминокислот, следует еще раз подчеркнуть, что в орга­низмах в основном это реакции внутри- или межмолекулярной дисмутации углеродных атомов. При этом в а-аминокислотах ла­бильной оказывается любая связь а-углеродного атома с сосед­ними атомами, а сам С_а, имея нулевую степень окисления, может быть и окислителем, и восстановителем. Установлено, что разрывается та связь, которая расположена перпендикулярно плоскости сопряженной системы субстрат — кофермент.