Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

глицин и, в случае серина, формальдегид, а из треонина - аце­ тальдегид.

Н2С=0 + H3N— СН2— СОО 4- пиридоксальфосфат

глицин

Прямое дезаминирование. Этот процесс характерен для а- аминокислот, у которых в (3-положении содержатся легко ухо­ дящие электроноакцепторные группы: гидроксильная или тиольная. В альдимине, образуемом пиридоксальфосфатом с сери­ ном, треонином или цистеином, под действием соответствующе­ го фермента сильно поляризуется связь Са—Н, что приводит к внутримолекулярному отщеплению Н20 или H2S с образовани­ ем енаминокислоты. Прототропная таутомерная перегруппи­ ровка енаминокислоты в а-иминокислоту и гидролиз последней с образованием соответствующей а-оксокислоты протекает бы­ стро и без участия ферментов:

В этом случае и реакция отщепления (I стадия), и прото­ тропная енамин-иминная таутомерия (II стадия) сопровождают­ ся внутримолекулярной дисмутацией за счет углеродных ато­ мов Са и Ср, на что указывает изменение значений их степеней окисления. Непосредственное удаление аминогруппы при пря­ мом дезаминировании происходит в результате гидролиза воз­ никающей а-аминокислоты.

Трансаминирование. Процесс трансаминирования между а- аминокислотой и а-оксокислотой в организме происходит с участием кофермента пиридоксальфосфата и соответствующей трансаминазы. Суть этого процесса состоит в передаче амино­ группы от а-аминокислоты, выступающей донором аминогруп­ пы, на а-оксокислоту, являющуюся акцептором аминогруппы:

546

+2

R — С - -С О О Н + R '- -С Н — C O O "

Кофермент пиридоксальфосфат выполняет функцию пе­ реносчика аминогруппы:

N H 2

о — с н 2

+ R— С— СООН

II

О

Сначала пиридоксальфосфат за счет альдегидной группы обра­ зует с молекулой а-аминокислоты имин I, который в результате имин-иминной таутомерии (разд. 18.2.3) превращается в имин II с иным положением кратной связи C=N. Этот имин гидролизу­ ется, образуя а-оксокислоту и пиридоксаминфосфат. С пиридоксаминфосфатом взаимодействует другая а-оксокислота, и ре­ акция протекает в обратном направлении, давая новую а-ами- нокислоту и пиридоксальфосфат. Реакция трансаминирования является межмолекулярным окислительно-восстановительным процессом, в котором участвуют углеродные атомы не только взаимодействующих кислот, но и пиридоксальфосфата. С по­ мощью этой реакции устраняется избыток отдельных а-амино- кислот и регулируется их содержание в клетках.

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

В з а и м о д е й с т в и е с а з о т и с т о й к и с л о т о й . При взаимодействии с таким сильным окислителем, как азотистая кислота, а-аминокислоты в лабораторных условиях превраща­ ются в а-гидроксикислоты с выделением азота и воды:

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

Ч а с т и ч н о е д е з а м и н и р о в а н и е а р г и н и н а м о л е ­ к у л я р н ы м к и с л о р о д о м . В последнее время открыт но­ вый фермент NO-синтаза, под действием которого при окисле­ нии аргинина и кофермента НАДФ(Н) молекулярным кислоро­ дом образуется оксид азота(П) и цитрулин:

цитрулин

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

В з а и м о д е й с т в и е с н и н г и д р и н о м . Общая качест­ венная реакция а-аминокислот заключается во взаимодейст­ вии с нингидрином в водных растворах при нагревании с по­ явлением сине-фиолетовой окраски, интенсивность которой пропорциональна концентрации а-аминокислот. Это реакция окисления а-аминокислот нингидрином, сопровождаемая их дезаминированием и декарбоксилированием, а также образова­ нием красителя из нингидрина с участием растворенного в воде кислорода:

548

о

Ч о / ™ 3

•NH4 + 4С02 + 4RC^ + 6Н20

Н

В этом случае окисляются углеродные атомы С?! и Са ами­ нокислоты, а восстанавливаются углеродный атом нингидрина и молекула кислорода. Нингидриновая реакция широко ис­ пользуется для визуального обнаружения а-аминокислот при проявлении хроматограмм и электрофореграмм.

В з а и м о д е й с т в и е с д е г и д р о г е н а з о й . В организме аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты подвергаются окислительному дезаминированию под действием соответствую­ щих дегидрогеназ с коферментом НАД+ или НАДФ+. На первой стадии процесса происходит реакция дегидрирования (окисле­ ния) а-аминокислоты в а-иминокислоту под действием окислен­ ной формы кофермента НАД+ или НАДФ+ в субстрат-фермент- ном комплексе:

+ НАД(Н) + Н+

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 проте­ кать в обратном направлении, т. е. возможно восстановительное аминирование 2-оксокислот. Таким путем в организме из 2-ок- соглутарата и иона аммония образуется глутамат.

549

В н у т р и м о л е к у л я р н о е д е з а м и н и р о в а н и е . Аспа­ рагиновая кислота из-за наличия в молекуле еще одной сильной электроноакцепторной группы (СООН) легко вступает под дейст­ вием аспартат-аммиак-лиазы в реакцию внутримолекулярного дезаминирования, образуя фумарат аммония:

......... ок-ль

Реакция сопровождается отщеплением иона аммония и внут­ римолекулярной дисмутацией углеродных атомов Са и С3 и но­ сит обратимый характер. В микробиологической промышленно­ сти из фумарата аммония с помощью клеток кишечной палочки, содержащих аспартат-аммиак-лиазу, синтезируют L-аспарагино- вую кислоту.

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

21.3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПЕПТИДОВ

Пептиды представляют собой биосубстраты, построенные из а-аминокислотных остатков. Принято различать н и зк о м о л ек у­ лярные пепт иды (олигопептиды), содержащие не более 10 амино­ кислотных остатков, и полипепт иды , в состав которых входит до 100 аминокислотных остатков. Пептиды являются продуктом по­ ликонденсации а-аминокислот, в котором они соединены между собой пепт идны м и (ам и д н ы м и ) группами —СО—NH—. Реакцию получения полипептида схематично можно представить так:

H 2 N — C R XH — СОО Н + H 2 N — C R 2 H C O O H + ... + H 2 N — C R reH -C O O H — ►

-(n-tlHgO^ H 2N—CRjH-Pcpj^NH'-j-CRaH— CO— NH— CR„H— COOH

^ пептидная группа полипептид

В пептидной группе связь между карбонильным углеродным атомом и атомом азота, находящимся в зр2-состоянии, называ­

550

ется пептидной (амидной) связью. Вследствие сильного взаимо­ действия неподеленной электронной пары, локализованной на р-орбитали атома азота, с тс-электронами связи С=0 для пеп­ тидной группы характерна трехцентровая р,я-сопряженная де­ локализованная система. Следовательно, пептидная связь имеет частично двойной характер - меньшую длину (0,132 нм вместо 0,147 нм) и сильно заторможенное вращение вокруг данной свя­ зи. Поэтому для пептидной группы в целом характерна пла­ нарная транс-структура с трансоидной конформацией в распо­ ложении заместителей R аминокислотных остатков:

ОН,

/Н

/ 1/С —No>‘V / - с £ * оли /

........X............. "

R

Таким образом, при образовании пептидной связи атом азо­ та а-аминокислот из $р3-состояния переходит в sp2-состояние, а его заместители R и R' в пептидах наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры молекул пепти­ дов и белков.

Пептиды представляют собой цепь, на одном конце которой находится аминокислота со свободной аминогруппой, называе­ мой N-концом, а на другом - аминокислота со свободной карбок­ сильной группой, называемой С-концом. Формулы пептидов при­ нято записывать, начиная с N-конца. Названия пептидов скла­ дываются из последовательного перечисления аминокислотных остатков с N-конца с добавлением суффикса -ил, а для послед­ ней С-концевой аминокислоты сохраняется ее полное название. Для сокращенной записи состава пептида используются трех­ буквенные обозначения его аминокислот:

трипептид-глутатион

у-глутамилцистеинилглицин; сокращенная запись: у-глу—цис—гли

Для пептидов принято записывать концевые группы неионизованными, хотя в действительности в водных растворах они, конечно, ионизованы и на N-конце находится аммонийная группа, проявляющая кислотные свойства, а на С-конце - иони­ зованная карбоксильная группа, проявляющая основные свой­ ства. Это особенно принципиально при рассмотрении кислотно­ основных свойств пептидов, аналогичных кислотно-основным свойствам аминокислот и белков (разд. 8.3; 21.2.1).

В отличие от белков, природные пептиды довольно часто включают а-аминокислоты D-ряда или аминокислоты, не вхо­

551

дящие в 20 важнейших, или даже а-гидроксикарбоновые кисло­ ты. Пептиды содержатся во всех живых организмах, проявляя и выполняя различные биологические и физиологические функ­ ции. Пептидами являются многие антибиотики, гормоны, токси­ ны. В то же время с химических позиций они могут проявлять свойства кислотно-основных буферных систем, ионофоров, анти­ оксидантов.

Кислотно-основные свойства. Пептиды, подобно аминокис­ лотам, являются амфолитами и в водных растворах могут на­ ходиться в зависимости от pH преимущественно в виде катио­ нов (pH < р/), молекул (pH = рI) и анионов (pH > р/). При этом в организме кислотно-основные превращения пептидов проис­ ходят главным образом за счет заместителя (—RH), который может проявлять или основные, или кислотные свойства. По­ этому наиболее вероятные кислотно-основные превращения пеп­ тидов можно представить обобщенной схемой:

На основе этих кислотно-основных превращений в организ­ ме действуют пептидные буферные системы. Они состоят из ка­ тионной сопряженной кислотно-основной пары, где донором протона является катион, а акцептором протона - молекула пептида. В качестве буферной системы наиболее эффективен пептид, для которого pH данной биологической системы нахо­ дится между значениями его р / и pKa(R), т. е. рI < pH < pl£a(R). В этих случаях в растворе концентрации донора протона и ак­ цептора протона не будут сильно отличаться друг от друга и, следовательно, буферная емкость данной системы и по кислоте, и по основанию будет значительна. Именно поэтому считают, что в мышцах животных и человека дипептиды карнозин и анев­ рину состоящие из (3-аланина и гистидина или его N-метилпро- изводного соответственно, проявляют буферные свойства. По­ скольку у имидазольного заместителя, проявляющего основные свойства, рКа « 6,0, что близко физиологическому значению pH « 7 многих клеток и тканей, то в этом случае pH поддержи­ вает катионная сопряженная кислотно-основная пара, состоя­ щая из катиона и молекулы этих пептидов.

Комплексообразующие свойства. Многие пептиды, высту­ пая как полидентатные лиганды, являются эффективными комплексонами (разд. 10.1), образующими комплексы различной ус­ тойчивости. Особое внимание обратим на пептиды валиномицин

552

играмицидин S: они не только антибиотики, но одновременно ионофоры, с помощью которых транспортируются через клеточ­ ные мембраны катионы К+ и Na+ (разд. 10.4).

Циклическая молекула валиномицина напоминает "бублик”, у которого внутренняя поверхность полярная, а полость соответству­ ет по размеру катиону К+. Внешняя поверхность этого "бублика” гидрофобна. Поэтому валиномицин, взаимодействуя с катионом К+

изабирая его во внутреннюю полость, легко переносит катион че­ рез гидрофобный слой мембраны благодаря гидрофобности своей

внешней оболочки. С катионами Na+, размеры которых меньше, чем у К+, валиномицин практически не взаимодействует.

Другой циклический пептид грамицидин S, состоящий из 10 аминокислотных остатков, имеет форму трубки, которая пе­ ресекает мембрану. Наружная поверхность этой трубки гидро­ фобна, а внутренняя - полярна, по ней происходит перенос од­ нозарядных катионов: Na+, К+ и других, - но предпочтительно катионов Na+.

Окислительно-восстановительные свойства. В клетках жи­ вотных, растений и бактериях содержится трипептид-глутатион GSH. Глутатион за счет наличия цистеина активно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, обратимо переходя из восстановленной формы GSH в окисленную GS-SG и наобо­ рот (разд. 9.3.9), представляя собой, подобно цистеину, сопря­ женную восстановительно-окислительную систему.

Восстановленная форма глутатиона GSH выполняет роль анти­ оксиданта, нейтрализуя в клетке активные формы кислорода и защищая от них другие белки. В то же время его окисленная фор­ ма GS—SG защищает биосубстраты клетки от радикальных частиц восстановителей. Таким образом, обе формы глутатиона образуют важную равновесную тиол-дисульфидную систему, поддерживаю­ щую окислительно-восстановительный гомеостаз в клетке.

Биологические и физиологические функции. Многие пепти­ ды являются гормонами и регулируют протекание определенных процессов в организме. Наиболее простые гормоны, состоящие из 9 аминокислотных остатков, - окситоцин и вазопрессин. Окситоцин встречается только у женских особей, вызывая сокраще­ ние мышечных волокон молочных желез и мускулатуры матки. Вазопрессин содержится и в женском, и в мужском организме,

553

регулируя минеральный обмен и водный баланс. Кроме того, вазопрессин является мощным стимулятором запоминания. Большую роль в поддержании уровня сахара в крови выполняет гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Он содержит 51 аминокислотный остаток и состоит из двух пептидных цепей, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками.

Около 150 пептидов, называемых нейропептидами, содер­ жатся в головном мозге, где они выполняют различные биоло­ гические и физиологические функции. В то же время многие нейротоксины ядовитых грибов, пчел, змей, скорпионов и мор­ ских рыб имеют пептидно-белковую природу. Химические свой­ ства пептидов и особенно их биологические и физиологические функции зависят не только от числа и последовательности ами­ нокислотных остатков в цепи, но и от конформации цепи в рас­ творе, что сближает по свойствам полипептиды и белки.

21.4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белки, или протеины, в живых организмах образуются в основном из 20 важнейших природных а-аминокислот в ре­ зультате реакции поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярные массы белков варьируют в очень широких пре­ делах: от 10 000 до 1 000 000 и выше.

Остов белковой цепи построен из аминокислотных фрагмен­ тов, соединенных пептидной связью, и окружен разнообразными по химической природе заместителями. Пептидная связь в бел­ ках устойчива при 37 °С в нейтральной среде, но в кислой или щелочной среде может гидролизоваться. В организме гидролиз белка осуществляется под действием ферментов пептидаз и стро­ го контролируется.

В природных белках широко варьируются длина и состав це­ пи, что позволяет их молекулам даже в растворе принимать многообразные конформации.

Конформации макромолекулы белка в растворе представ­ ляют собой различные ее пространственные формы, воз­ никающие в результате поворотов отдельных молекуляр­ ных фрагментов вокруг ординарных связей и стабили­ зирующиеся за счет межмолекулярных связей между отдельными группами данной макромолекулы или молеку­ лами веществ, находящимися в окружающем растворе.

554

Взаимные переходы конформаций в основном осуществляют­ ся без разрыва ковалентных связей в макромолекуле белка. При описании состава и конформации белка используют понятия пер­ вичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Первичная структура специфична для индивидуального бел­ ка и определяется составом и последовательностью аминокислот­ ных остатков его цепи. При написании полных формул белков указывают порядок следования друг за другом аминокислотных остатков с помощью их трехбуквенных обозначений, начиная с N-конца цепи. Представление о первичной структуре миоглобина человека, содержащего в молекуле всего 153 аминокислот­ ных остатка, дает следующая сокращенная запись:

Строго линейное расположение полипептидной цепи энергети­ чески не выгодно, так как оно практически исключает взаимодей­ ствия между различными радикалами аминокислотных остатков. В результате именно таких взаимодействий возникают дополни­ тельные связи, которые стабилизируют ту или иную конформацию белковой цепи в пространстве. Это происходит за счет следующих взаимодействий: ион-ионного взаимодействия; водородной связи;

гидратации полярных групп; дисулъфидной связи; взаимодейст­ вий Ван-дер-Ваальса между неполярными заместителями; гидро­ фобных взаимодействий, в результате которых выталкиваются молекулы воды из зоны взаимодействия неполярных заместителей между собой, а также донорно-акцепторной связи между ионом комплексообразователя и лигандными группами белка (рис. 21.3).

Вторичная структура белка характеризует форму полипеп­ тидной цепи, которая может быть спиралевидной (а-структура), складчатой ((3-структура) или неупорядоченной (рис. 21.4). Основ­ ную роль в формировании и поддержании вторичной структуры

Рис. 21.3. Типы взаимодействий между заместителями аминокислотных остатков белковой молекулы и водной средой

555