Аминокислоты. Белки

§ 51. Классификация, изомерия, номенклатура аминокислот

Простейшей аминокислотой является 2-аминоуксусная (глицин):

Аминокислотам присущи следующие виды изомерии: изомерия углеродного скелета, положения аминогруппы, межклассовая (аминокислоты изомерны нитросоединениям) и оптическая изомерия.

Классификация аминокислот

Аминокислоты могут быть классифицированы:

— по положению аминогруппы:

317

Глава 10. Аминокислоты. Белки

—по природе углеводородного радикала (алифатические, ароматические, гетероциклические):

— по числу карбоксильных групп (моно-, дикарбоновые):

— по числу аминогрупп (моно-, диаминокислоты):

318

§ 51. Классификация, изомерия, номенклатура аминокислот

Молекулы аминокислот могут содержать также группы –ОН (гидроксиаминокислоты, например треонин, серин), сульфигидрильные группы –SH (например, цистеин):

α-аминокислоты

Вприродных объектах обнаружено до 150 различных аминокислот. Из них в состав пептидов и белков входит примерно 20 наиболее часто встречающихся α-аминокислот, которые называют протеиногенными. Белки всех живых существ — от бактерии до человека — построены из одного и того же набора протеиногенных аминокислот. Такой «белковый алфавит» существует на Земле уже миллионы лет! Формулы и названия этих аминокислот приведены в табл. 10.1.

Тривиальные названия α-аминокислот в основном обусловлены названием первоисточников их получения. Например, аспарагин (от лат. asparagus — спаржа), серин (от греч. seros — шелковичный червь), тирозин (от греч. tyros — сыр), цистин и цистеин (от греч. cystis — мочевой пузырь) и т. д.

Вобщем виде формулу α-аминокислоты можно записать следующим образом:

Здесь R — заместитель (боковой радикал), который может быть полярным или неполярным.

Во всех (кроме глицина) природных α-аминокислотах α-углеродный атом асимметрический, т. е. соединен с четырьмя различными заместителями, при-

319

Глава 10. Аминокислоты. Белки

чем у большинства этих соединений (кроме изолейцина и треонина) имеется только один хиральный центр. Поэтому они существуют в виде двух оптических изомеров — D- и L-энантиомеров:

Принадлежность аминокислот к L- или D-ряду определяется по расположению заместителей у углеродного атома, находящегося в α-положении относительно карбоксильной группы.

Вотличие от углеводов почти все природные аминокислоты находятся

вL-форме. Интересно отметить, что многие L-аминокислоты имеют сладкий вкус, а D-аминокислоты — горькие или безвкусные.

Основным источником аминокислот для живого организма являются пищевые белки. Некоторые из перечисленных здесь α-аминокислот не могут синтезироваться в организме и поэтому обязательно должны поступать в него с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. У каждого вида живых организмов свои биохимические особенности, а потому и свой конкретный набор незаменимых аминокислот. Для человеческого организма незаменимыми являются валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин.

Животные белки обычно богаче незаменимыми аминокислотами, чем растительные. Наилучшие источники незаменимых аминокислот — яйца и молоко. Среди источников растительных белков полный и сбалансированный набор незаменимых аминокислот содержат хлеб, арахисовое масло и, особенно, рис.

Прогноз реакционной способности аминокислот. Биполярный ион

В молекулах аминокислот содержатся одновременно группы, обладающие кислотными и оснóвными свойствами. Можно предположить, что аминокислотам должны быть присущи свойства как аминов, так и карбоновых кислот. Кроме того, аминокислоты должны обладать свойствами, которых нет у представителей перечисленных классов веществ. Так ли это в действительности?

320

§ 51. Классификация, изомерия, номенклатура аминокислот

Таблица 10.1. Важнейшие α-аминокислоты и их кислотно-оснóвные характеристики

321

Глава 10. Аминокислоты. Белки

Продолжение табл. 10.1

α-Аминокислоты с полярным (гидрофильным) заместителем R

322

§ 51. Классификация, изомерия, номенклатура аминокислот

Продолжение табл. 10.1

α-Аминокислоты с преобладанием кислотных свойств

323

Глава 10. Аминокислоты. Белки

*Гистоны — белки, участвующие в регуляции активности генома. Это белки клеточных ядер.

**Изоэлектрическая точка (соответствующее определение см. в § 52).

Обсудим несколько фактов. Температуры плавления аминокислот намного выше, чем у аминов и карбоновых кислот с таким же числом углеродных атомов в молекуле. Если низшие амины при обычных условиях — газы, карбоновые кислоты — жидкости, то аминокислоты — твердые вещества. Водные растворы аминокислот являются электролитами. При этом значение рН водных растворов аминокислот близко к таковому для нейтральной среды. Константы диссоциации аминокислот намного ниже, чем константы диссоциации аминов и карбоновых кислот. Как это можно объяснить?

324

§51. Классификация, изомерия, номенклатура аминокислот

Врезультате переноса иона Н+ от карбоксильной группы к аминогруппе при растворении аминокислоты в воде образуется так называемый биполяр-

ный ион:

Биполярный ион носит также название цвиттер-иона (от нем. zwitter — двуполый, гибридный). Вот почему аминокислоты являются кристаллическими веществами с высокими температурами плавления: в узлах их кристаллических решеток находятся биполярные ионы, между которыми реализуются ион-ионные взаимодействия.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Приведите структурные формулы аминокислот со следующими характеристиками:

—неполярные боковые цепи;

—полярные боковые цепи;

—первичная спиртовая группа в боковой цепи;

—вторичная спиртовая группа в боковой цепи.

Дайте названия этим аминокислотам.

2.Напишите возможные структурные формулы аминокислот состава C5H11O2N. Дайте названия аминокислотам по международной номенклатуре. Найдите среди этих изомеров протеиногенные аминокислоты и дайте им тривиальные названия.

3.γ-Аминомасляная кислота (ГАМК) является нейромедиатором в центральной нервной системе: ингибирует процесс передачи нервных импульсов. В отличие от

большинства α-аминокислот она не имеет D- и L-изомеров. Почему?

4.Составьте структурную формулу γ-аминовалериановой кислоты. Напишите ее молекулярную формулу. Составьте структурные формулы трех ее изомеров и дайте им названия.

5.Известно, что в противоположность аминам аминокислоты являются нелетучими кристаллическими веществами, плавящимися с разложением при высоких температурах. Чем объясняется такое различие в физических свойствах этих соединений?

6.Какие из перечисленных аминокислот имеют оптические изомеры: глицин, треонин, аланин, γ-аминомасляная кислота, серин?

7.Массовая доля кислорода в молекуле предельной монокарбоновой моноаминокислоты составляет 24,43 %. Выведите молекулярную формулу аминокислоты, составьте формулы четырех ее изомеров и дайте им названия.

325

Глава 10. Аминокислоты. Белки

§52. СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

ИСПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

Физические свойства аминокислот

Особенности физических свойствах аминокислот во многом обусловлены наличием биполярных ионов. Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества со сравнительно высокими температурами плавления (200–300 °С). Большинство из них растворимы в воде.

Химические свойства аминокислот

Химические свойства аминокислот обусловлены как наличием карбоксильной так и аминогрупп. Рассмотрим химические свойства на примере α-аминокислот.

Кислотно-оснóвные свойства. Аминокислоты являются амфотерными органическими веществами — они реагируют как с кислотами, так и со щелочами:

При низких значениях рН аминокислоты существуют в виде катионов, а при высоких — в форме анионов:

Должно существовать и некоторое промежуточное значение рН, при котором аминокислота будет электронейтральной частицей — биполярным ионом. Это значение рН называют изоэлектрической точкой и обозначают pI. Значение изоэлектрической точки зависит от строения аминокислоты. Оно практически никогда не бывает равным 7 (нейтральная среда), так как карбоксильная группа в молекулах аминокислот проявляет кислотные свойства сильнее, чем аминогруппа — оснóвные. Значения pI для α-аминокислот приведены в табл. 10.1.

326

§ 52. Свойства аминокислот и способы их получения

Декарбоксилирование аминокислот. α-Аминокислоты легко подвергаются реакции декарбоксилирования при их кипячении с известковой водой:

При декарбоксилировании α-аминокислот в организме (с участием ферментов — декарбоксилаз) синтезируются амины, выполняющие важные биологические функции. Например, из аминокислоты гистидина образуется гистамин:

Этерификация аминокислот. Подобно карбоновым кислотам аминокислоты вступают в реакцию этерификации. Обычно ее осуществляют действием сухого хлороводорода на смесь безводного спирта и аминокислоты:

Благодаря этой реакции можно разделять аминокислоты, основываясь на различии температур кипения, образующихся в ходе этерификации сложных эфиров аминокислот. Аминокислоты нелетучи, а их эфиры — летучие вещества.

Дезаминирование аминокислот. Дезаминирование аминокислот является биологически важной реакцией. В результате ее образуются либо гидроксикарбоновые (окислительное дезаминирование), либо непредельные карбоновые кислоты (внутримолекулярное дезаминирование).

Рассмотрим последний процесс на примере дезаминирования аспарагиновой кислоты, которое происходит в организме под действием фермента:

327

Глава 10. Аминокислоты. Белки

Алкилирование аминокислот. В результате алкилирования аминокислот происходит замещение атомов водорода аминогруппы на алкильный радикал. Эта реакция осуществляется при избытке алкилгалогенида:

Ацилирование аминокислот. Ацилирование аминокислот используют как метод защиты аминогруппы при проведении реакций, в ходе которых должна быть затронута только карбоксильная группа. Ацилирующими реагентами могут быть галогенангидриды и ангидриды карбоновых кислот:

Образованиепептидов.При конденсации аминокислот образуются пептиды. В пептидах аминокислотные остатки соединены между собой пептидными (амидными) связями –CO–NH–. Пептид, образованный двумя аминокислотами, называется дипептидом, тремя — трипептидом, четырьмя — тетрапептидом и т. д. Название пептида образуется из названий исходных аминокислот: их перечисляют в той последовательности, в которой аминокислотные звенья соединены в молекуле пептида (с N-конца пептида), заменяя при этом суффикс «-ин» на «-ил». Название последней аминокислоты (на С-конце пептида) не меняется. Приведем пример образования пептидов из аминокислот — аланина и серина:

328

§ 52. Свойства аминокислот и способы их получения

Название дипептида в нашем примере — аланилсерин. Его также можно сокращенно обозначить как Ала–Сер (Ala–Ser).

На самом деле из аланина и серина могут образоваться еще три дипептида.

329

Глава 10. Аминокислоты. Белки

Для направленного синтеза аланилсерина требуется заблокировать аминогруппу аланина, проведя предварительное ацилирование аланина:

и(или) карбоксильную группу серина, проведя ее этерификацию:

Затем проводят реакцию конденсации:

После получения пептида надо снять защиту:

330

§ 52. Свойства аминокислот и способы их получения

Защита обычно снимается щелочным гидролизом, врезультате которого не разрушаются пептидные связи. Для блокирования С-концевых и N-концевых групп предложено много разных защитных групп с последующими вариантами их удаления.

В 1963 году американский химик Б. Меррифилд (Robert Bruce Merrifield) предложил метод твердофазного синтеза пептида (метод Меррифилда). Он основан на присоединении блокируемой аминогруппы к носителю из синтетической смолы — хлорметилполистирола.

Принято различать низкомолекулярные пептиды (олигопептиды), содержащие не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, в состав которых входят до 100 аминокислотных остатков. Полипептиды с большей молекулярной массой называют белками. Молекулярная масса пептидов составляет до 10 000, а белков — от 10 000 до нескольких миллионов. Термин «белок» применяют в тех случаях, когда число аминокислотных звеньев превышает 50. Пептиды обладают широким спектром биологической активности. Они содержатся во всех живых организмах. К ним относят многие антибиотики, токсины. Некоторые из пептидов обладают гормональной активностью (инсулин, вазопрессин). Вазопрессин, например, состоит из 9 аминокислотных остатков и участвует в регуляции минерального обмена и водного баланса.

Огромную роль в поддержании уровня сахара в крови выполняет гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Это уже низкомолекулярный белок, образованный 51 аминокислотными остатками и состоящий из двух цепей, соединенных друг с другом дисульфидными мостиками.

В головном мозге содержится около 150 пептидов, называемых нейропептидами, регулирующих поведение человека и животных. Такие ощущения, как пищевое наслаждение, жажда, удовольствие, память, двигательная активность, сон и зимняя спячка, вызываются различными пептидами. Многие нейротоксины ядовитых грибов, пчел, змей, скорпионов и морских рыб также имеют пептидно-белковую природу.

Получение аминокислот

В настоящее время производство аминокислот осуществляется в промышленных масштабах. Их используют для синтеза пептидов, а также как добавки в питательные растворы и лекарственные средства. Оптически активные аминокислоты выделяют из природных белков, получают микробиологическими и ферментативными методами. Достаточно большое место в производстве аминокислот занимают синтетические методы, хотя с их помощью получают рацемические смеси D- и L-аминокислот, а не чистые биологически активные энантиомеры. Рассмотрим два важных способа синтеза α-аминокислот.

331

Глава 10. Аминокислоты. Белки

Аммонолиз галогенопроизводных карбоновых кислот. Реакцию обычно проводят в присутствии карбоната аммония (NH4)2CO3 и при десятикратном избытке аммиака:

Циангидринный синтез. Соответствующий альдегид обрабатывают водным раствором смеси цианида калия и хлорида аммония (метод Штреккера (Adolph Friedrich Ludwig Strecker)). Образующийся в результате реакции циангидрин претерпевает сначала замещение гидроксильной группы на аминогруппу, а затем гидролиз:

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Напишите уравнения реакций, подтверждающих амфотерные свойства лейцина

ифенилаланина.

2.Напишите структурные формулы следующих аминокислот: глутаминовой кислоты, тирозина, аспарагиновой кислоты. Почему в отличие от большинства аминокислот они плохо растворяются в воде?

3.Алкилированием глицина можно синтезировать бетаин (N,N-диметилглицин). Он содержится в соке свеклы (лат. Beta vulgaris — свекла обыкновенная), отку-

да и получил свое название. Напишите уравнение реакции, с помощью которой можно синтезировать бетаин.

4.В 1957 году из мозга млекопитающих впервые были выделены пептиды, действие которых сходно с действием морфина: они обладают обезболивающим эффектом, влияют на эмоциональное состояние. Эти пептиды были названы энкефалинами. Составьте формулы: а) лейцин-энкефалина Тир–Гли–Гли–Фен–Лей; б) метио- нин-энкефалина Тир–Гли–Гли–Фен–Мет.

5.Сколько разных пептидов можно получить из трех аминокислот: фенилаланина, тирозина и валина? Составьте формулы таких пептидов.

6.В мышцах животного и человека дипептид карнозин, образованный β-аланином

игистидином, проявляет буферные свойства (что способствует сохранению определенного значения рН). Составьте уравнение реакции синтеза карнозина (β-А- ла–Гис) из исходных аминокислот.

332