книги из ГПНТБ / Шамин А.Н. Развитие химии аминокислот

ГЛАВА ВТОРАЯ

АМИНОКИСЛОТЫ КАК КЛАСС ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

К 1850 г. было известпо пять аминокислот, из которых три — глицин, тирозин и лейцин — были открыты в гидро­ лизатах белковых веществ, а цистин и аспарагиновая кисло­ та были выделены из объектов иной природы. Современ­ ные химики, вооруженные знаниями о строении всех пере­ численных аминокислот, могут оценить прозорливость исследователей первой половины XIX в., не только объеди­ нивших аминокислоты в одну группу веществ, но и пытав­ шихся построить гомологические ряды аминокислот.

1850 г. оказался переломным годом в химии амино­ кислот. Была открыта новая аминокислота, и это открытие ознаменовало собой возникновение синтетической химии аминокислот.

Первые синтезы и изучение свойств аминокислот

В 1845 г. А. В. Кольбе осуществил первый синтез органи­ ческого соединения из элементов [1], получив уксусную кислоту по схеме:

Всего через пять лет, в 1850 г. А. Штреккером был осу­ ществлен первый синтез в ряду аминокислот [1а]. Этот первый синтез был, однако, случайным, неожиданным для самого его создателя. Штреккер получил новую амино­ кислоту, стремясь синтезировать молочную кислоту из ацетальдегида и муравьиной кислоты. Он основывался на наблюдениях Ю. Либиха за выделением бензальдегида при окислении миндальной кислоты [CSH5 -СН(ОН) •

•СООН].

Гидролизуя избытком соляной кислоты продукт взаи­ модействия ацетальдегида с аммиаком, а затем с синиль-

раствора, нз которого соляная кислота удалялась в виде хлорида свинца, а избыток свинца — сероводородом, при выпаривании раствора кристаллизовалось. Штреккер наз­ вал новое вещество «аланином», отмечая его альдегидное происхождение.

Штреккер не только заметил образование нового ве­ щества, дал ему название, но и охарактеризовал его, отме­ тив его амфотерпость. Он отнес его к гомологическому ряду соединений, включающему глиции в качестве перво­ го члена, а лейцин в качестве пятого. Он отметил также, что пз аланина обработкой азотистой кислотой можно получить молочную кислоту, к получению которой он первоначально стремился.

Новый метод синтеза, ставший впоследствии основой известного цпангпдрпнпого метода синтеза аминокислот, был сразу оценен Штреккером как возможный общий ме­ тод синтеза новых соединений этого ряда.

Таким образом, появились основания для признания аминокислот новым п, возможно, весьма обширным классом органических соединений. Однако понадобилось еще 6 лет, чтобы расширить список известных аминокислот. В 1856 г. Ф. Горуп-Безанец сообщил о своих продолжительных ис­ следованиях содержания аминокислот в экстрактах различ­ ных желез [2]. Но еще раньше Кольбе узаконил представ­ ления о новых веществах как аминокислотах («амидокпслотах», как называли их до конца XIX в.), распознав в аланине ампнопрОппоновую кислоту и изучив конститу­ цию аспарагиновой кислоты [3].

Работа Горуп-Безанца интересна как образец развития приемов препаративной химии аминокислот, а также как первый случай целенаправленного выделения нескольких аминокислот из одного объекта (хотя первым случаем вы­ деления нескольких аминокислот из одного объекта надо признать случай выделения глицина и лейцина из гидро­ лизатов белков, но в этом случае считалось, что происходит выделение частей сложного тела, а не выделение амино­ кислот, скорее всего находящихся в свободном состоянии, как это полагали в случае работ Горуп-Безанца).

Характерно также, что Горуп-Безанец сознательно искал аминокислоты в экстрактах тканей желез. Экстрак­ ты, очищенные от примеси белков нагреванием, он обра-

34

батывал Ва(ОН) 2 и упаривал фильтрат. Оп обнаружил лейцин в зобной железе, а также в щитовидной п подже­ лудочной железах, печени и селезенке. В поджелудочной железе он, помимо лейцина, открыл тирозин и новое, близ­ кое по свойствам лейцину соединение, одпако, меиее рас­ творимое в спирте. Состав пового вещества был описай фор -

аланина и лейцина. Это было подтвержденное позднейши­ ми исследованиями первое свидетельство о существовании новой аминокислоты — валина [4].

В работе Горуп-Безанца имеется одно интересное вы­ сказывание: «...кипячение в этиловом спирте труднорастворпмых веществ показало, что они состоят в основном из гомологов лейцина, и ...имеется много подобных веществ» [3]. Это можно рассматривать как свидетельство понима­ ния Горуп-Безанцем не единичности открытий аминокис­ лот в биологических объектах.

С середины XIX в. начались первые попытки предста­ вить строение аминокислот и описать их свойства с более общих позиций. К этому времени были накоплены доволь­ но значительные знания о некоторых аминопроизводных п некоторых других близких соединениях.

В 1771 г. Г. Ф. Руэль выделил мочевину, а в 1785 г. К. В. Шееле осуществил выделение из мочп «летучей ще­ лочи». А. Фуркруа и Л. Н. Воклен признали мочевпну хи­ мически индивидуальным веществом и дали ей наимено­ вание. В 1808 г. И. Г. Валлериус впервые выделил ее в чистом виде. В 1812 г. Г. Дэви синтезировал мочевпну, воз­ действуя на фосген аммпаком, а в 1824-г. Ф. Вёлер провел свой знаменитый синтез:

(CN), + 2ГШз + ГЬО СО (УН»)- + NIIiCN.

В 1849 г. А. Вюрц открыл «летучие органические осно­ вания»— алифатические амины, а А. В. Гофмап, получив первичные, вторичные и третичные амины, отнес их к ти­ пу аммиака. Эти работы послужили одной из предпосылок создания жераровской теории типов.

Таким образом, имелись определенные предпосылки для интенсивного изучения свойств и природы амино­ содержащих соединений, к которым относились и амино­ кислоты.

2* 35

Уже в 1858 г. А. Каур сделал правильный вывод о стро­ ении глицина [5]. Эта работа, а также и стимулированные ею исследования В. Перкина [6], были успешным про­ должением начатого Штреккером вторжения в область син­ тетической химии аминокислот и первым успешным ис­ пользованием синтетических методов для решения задач строения аминокислот. Показав, что глицин может быть получен обработкой моиохлоруксусной кислоты аммиаком, а при обработке глицина азотистой кислотой образуется гликолевая кислота, ои сделал вывод о том, что глпции яв­ ляется ампноуксусной кислотой. Интересно, что этим экс­ периментам предшествовали теоретические рассуждения. Каур предположил, что аналогично образованию аминобензойной кислоты при восстановлешш ннтробензопнои, глпцпн должен получаться восстановлением нптроуксусной кислоты [7]. Однако в то время нитроуксусная кислота еще не была синтезирована и проверить гипотезу Каура было невозможно, поэтому он п прибег к косвенному дока­ зательству, которое было тут же подтверждено работой В. Перкина п Б. Данна [6].

Каур, указывая на сходство глицина с уксусной кисло­ той, впервые со всей определенностью определил новые

глпцпн как ампноуксусную кислоту, аланин — как аминопроппоновую и т. д.

В упоминавшихся выше работах Р. Ппрпа [8] 1848 г. были получены данные о превращении аспарагиновой кис­ лоты в яблочную.

Однако отдельные факты, ведущие к устаповлепшо строения некоторых аминокислот, накапливались уже с 40-х годов XIX в. Ш. Жерар в 1846 г. предложил формулы нескольких органических соединений, в том числе и гипо­ тетическую формулу глицина [9]. Годом раньше Дессень развил своп представления о строении, вернее, конститу­ ции глпцпиа [10], основанные на его представлеипях об аналогии последней с конституцией бензойной и гиппуровой кислот [11]. Работа Дессеня 1850 г. по получению аспарагиновой кислоты из аммонийных солей яблочной, фумаровой и малеиновой кислот и открытие им явления «сбраживания» аспарагиновой кислоты в янтарную имели большое историческое значение, но не по своим непосред­ ственным результатам, а благодаря тому, что работа при-

36

влекла внимание Л. Пастера, не пропускавшего нп одного исследования веществ, обладающих оптической актив­ ностью. Таким образом, был поставлен вопрос о стерео­ химии аминокислот.

Пастер заметил, что яблочная и аспарагиновая кисло­ ты обладают способностью вращать плоскость поляриза­ ции, а фумаровая кислота этой способности лишепа [12]. Пастер считал, что если синтез Дессеня трактуется пра­ вильно, то невозможно объяснить образование оптически активной аспарагиновой кислоты из фумаровой. Но синте­ тическая аспарагиновая кислота у Дессеня была неактив­ ной.

Пастер приступил к изучению химических н оптических свойств активной и неактивной аспарагиновой и яблочной кислот. Он сравнил яблочную кислоту, полученную из ас­ парагиновой кислоты, с естественным продуктом [13]; при этом он показал, что диамид яблочной кислоты, также как и амид яблочной кислоты (оба получены амминироваиием эфира яблочной кислоты аммиаком), был изомерен, но не идентичен аспарагину. Оксаминовая кислота и оксамид при воздействии щелочи при нагревании выделяли азот, в то время как аспарагин при такой же обработке вы­ делял в виде аммиака только половину своего азота. Аспа­ рагиновая кислота и вовсе не выделяла его. Такпм обра­ зом, вопрос о строении аспарагиновой кислоты и аспараги­ на вновь оказался далеким от решения.

Эти работы имели важное значение: они не только дали новые данные для заключений о строении аспарагиновой кислоты и аспарагина, но впервые затронули вопросы стереохимии аминокислот.

Данные о свойствах и превращениях тирозина, распро­ страненность которого в белковых веществах была дока­ зана многочисленными работами [14—18], позволили от­ нести его также к ряду глицин — лейцина. К. Викке уже в 1857 г. распознал принадлежность тирозина к тем же веществам, что и глицин, лейцин н т. п. Он отмечал: «Одно­ временное выделение тирозина и лейцина при разложении белковых веществ, в некотором отношении сходные их формулы и легкая растворимость обоих в кислотах и щело­ чах дают возможность предположить, что тирозин обладает строением, сходным с лейцином, и может стоять в ряду ароматических кислот, как лейцин в ряду жирных кис­ лот» [18].

37

В последовании свойств тирозина наиболее сильно сказался новый для физиологической химии методологи­ ческий подход — сопоставление некоторых конечных про­ дуктов обмена веществ и предполагаемых продуктов рас­ пада сложных органических соединений или промежу­ точных продуктов обмена, к которым начали относить

иаминокислоты.

Кконцу 70-х годов XIX в. начали использовать метод введения в организм чужеродных соединений с характер­

ными свойствами с целью проследить их превращения. К этим работам относятся опыты Э. Баумана и К. Прёйсе, вводивших собакам бромбеизол и обнаружившим в 1881 г. его превращение в бромфеиилмеркаптановую кислоту [1 9 -2 1 ]. О значении этих работ для изучения структуры цистпиа речь пойдет ниже. Важно, что сходным путем были получены принципиальные сведения о связанных с тирозином продуктах обмена веществ.

Прп изучении свойств тирозина и его распространен­ ности в организме (это также один из новых аспектов изучения аминокислот) были проведены первые патологохпмпческпе исследования. Ф. Фрерпхс и Г. Штеделер в 1883 г. обнаружили образование тирозина в больной пече­ ни [22], а затем в моче и крови [23]. Через несколько лет Й. Нёйкомм обнаружил лейцин п тирозин в органах людей, умерших от различных заболеваний [24]. И, наконец, в 1861 г. К. Бедекер сделал важное открытие: он заметил зависимость появлеипя 2 ,5-диокспфенилуксусной (гомогентизпиовой) кислоты в моче при алкаптонукрпи от вве­ дения в организм тирозина [25]. В дальнейшем изучение этого явления пос.лужило одним из исходных пунктов создания учения об азотистом обмене в организме.

Эти исследования повлияли на решение вопроса о строе­ нии тирозина и его отнесении к ряду аминокислот. В 1859 г. Г. Штеделер на основании этих исследований подтвердил точку зрения, что тирозин является амино­ кислотой и относится к ряду лейцина [26]. Однако строе­ ние тирозина окончательно ие было выяснено и остава­ лось неясным вплоть до его синтеза.

В 1865 г. Р. Шмидт и О. Нассе предположили, что тиро­

пристально изучавшим свойства тирозина [29, 30].

В 1879 г. Э. Позен прямым аминированием бромгидро-

38

коричной кислоты синтезировал фенилаМниопрониоповую кислоту — среиилаланин [31]. Полученные им характе­ ристики синтезированного вещества свидетельствовали, что ему удалось получить именно фенилаланин, но он ошибся в определении точки плавления (120—121° С вме­ сто истинной точки плавления 284° G с разложением). Поэтому синтез Позена подвергался сомнениям, и перво­ открывателями фенилаланина считают Э. Шульце и И. Барбпери, выделивших его из белковых гидролизатов.

Аминокислоты как постоянные компоненты белковых молекул

Одновременно с изучением общих свойств уже известных аминокислот продолжались исследования строения белков, которые позволили получить данные о наличии амино­ кислот в белковых гидролизатах. Начиная с 1865 г., когда в гидролизате белков шелка Э. Крамером был открыт се­ рин, и до конца XIX в., когда в гидролизатах белков был обнаружен цистин — первая из открытых аминокислот, список белков, в гидролизатах которых обнаруживали аминокислоты, непрерывно рос. Одновременно открывали уже известные и неизвестные ранее аминокислоты в бел­ ковых гидролизатах. К 1899 г. список известных амино­ кислот увеличился до тринадцати (не считая открытого в 1896 г. Э. Дрекселем 3, 5-диподтпрозина, или иодогоргоевой кислоты), при этом непосредственно в белках были открыты три новых аминокислоты: серин, глутаминовая кислота и лизин. Стало известно, что в состав белковых веществ входят (или образуются при их распаде) двена­ дцать аминокислот (неясно было только происхождение валина).

Новые открытия усложнили понимание положения аминокислот среди других групп органических соединений. Новые вещества обладали далеко не сходными свойствами, и их сопоставление было делом нередко весьма затрудни­ тельным.

В 1865 г. Э. Крамер в Гамбурге изучал свойства необ­ работанного шелка и обнаружил, что шелк, состоящий из фиброина, сверху покрыт тонким слоем белкового веще­ ства. Крамер назвал его серицином. Гидролизат серицпна содержал тирозин и вещество, сначала принятое Крамером за глицин. Но изучение образования медных солей очи-

39

щениого перекристаллизацией вещества показало, что это вещество новое, отличиое от глицина. Крамер дал ему на­ звание «серин» [32]

Работу Крамера можно признать классической для данной фазы исследований аминокислот. Из полученного нм препарата он стремился выжать максимум возможных результатов, на основе полученных данных он сделал много важных и совершенно правильных выводов. Проведя образцовый по точности анализ, он дал сразу же правиль­

на один эквивалент больше кислорода, чем аланин, и имеет с последним много общего в химических свойствах. Так как уже было известно, что аланин близок молочной кис­ лоте, то Крамер предположил, что серин должен являться аналогом глицериновой кислоты и, действительно, превра­ тил в нее серин действием азотистой кислоты. Он сделал даже заключение о возможности перевода серина в аланин восстановлением, но этой реакции не осуществил. Мало того, Крамер отметил сходство серина с цистином, который еще не был обнаружен в белковых гидролизатах.

Работа Крамера выделялась по своей завершенности среди работ этого периода, но после ее опубликования серин уже не привлекал внимания химиков до работ Э. Фи­ шера, о нем не появилось больше ни одной публикации.

Таким образом, открытия новых аминокислот знамено­ вали начало интенсификации развития аминокислотной химии белка.

Уже в 1886 г. Г. Всртер, профессор минералогии Кёниг­ сбергского университета, опубликовал сообщение, что он исследовал переданное ему Г. Рпттхаузеном для кристал­ лографического анализа вещество, выделенное из пшенич­ ного белка глутина [33]. Это была одноосновная азот­ содержащая кислота, формулу которой Вертер вывел на основании анализа свободной кислоты, а также ее медной и бариевой солей, Ci0H9NO8, при С = 6 и О = 8 (C5H0NO4 в современных атомных весах). Вертер дал новому соеди­ нению название «глутаминовая кислота».

В том же году появилось сообщение самого Риттхаузена о методе выделения новой аминокислоты [34]. Гидро­ лизу был подвергнут так называемый глутенфибрии —1

1 Полный текст статьи Э. Крамера см. в Приложениях (стр. 120).

40

растворимая в спирте фракция пшеничного глутина. Уже при наблюдении за процессом гидролиза Рпттхаузен заметил образование значительно более кислых, чем обык­ новенно, продуктов распада белков. Так, карбонат, обра­ зующийся при нейтрализации серной кислоты, распадался и избыток кальция приходилось удалять щавелевой кисло­ той, что создавало дополнительные трудности при очистке гидролизата (щавелевую кислоту удаляли карбонатом свинца, избыток свинца удаляли действием ITS). В гид­ ролизате при упаривании образовывались кристаллы ти­ розина, смешанные с каким-то неизвестным веществом. Последнее осторожно растворяли в горячей воде, отделяя таким образом от кристаллов тирозина. Из раствора при выпаривании выпадали блестящие ромбовидпые кристал­ лы. Такие кристаллы и получил для анализа Вертер.

Вгидролизате глиадина пшеницы содержание глутами­ новой кислоты доходило до 30%, по данным Риттхаузена. Он исследовал образование бариевых, медных и серебря­ ных солей повой кислоты. Было показано, что при обра­ ботке азотистой кислотой глутаминовая кислота дает безазотпстое соединение, которое Рпттхаузен считал молочной кислотой. Им было показало, что глутаминовая кислота содержится во мпогих растительных белках [35].

В1873 г. Г. Глазпветц и Й. Габерман впервые исполь­ зовали для гидролиза белка соляную кислоту в присутствии хлорида олова. При этом ими было показано, что глутами­ новая кислота из гидролизата легко отделяется в виде гид­ рохлорида. Этим методом установлено, что глутаминовая кислота образуется и при гидролизе животного белка —

казеина [3 6 ]2.

В 1868 г. Рпттхаузен впервые обнаружил в белковых гидролизатах и аспарагиновую кислоту [37]. Открытие аспарагиновой кислоты в белках было связано с двумя важными историческими обстоятельствами. Во-первых, Рпттхаузен намеренно искал новые вещества среди фрак­ ций, полученных в результате многочисленных обработок

2 Г. Глазиветц п Й. Габермен впервые обратплп внимание на «из­ быточный» аммпак, образующийся при гидролизе белков, и свя­ зали его с образованием аспарагиновой и глутаминовой кислот. Опи совершенно справедливо предположили, что в белках этот аммпак принадлежит аспарагину и глутамину, входящим в со­ став белков и распадающимся при гидролизе до соответствую­ щих кислот.

41