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

белка, подобных гипотезе Ф. Тпмана: «Производные бен­ зойной кпслоты п бензальдегида, получаемые при окисле-

ппп белковых веществ, свидетельствуют о том, что остаток белкового вещества является монозамещеиными продукта­ ми бензола» [89].

Строение фенилаланина можно было, однако, предста­ вить себе в виде одного из четырех изомерных соединений. И здесь у Шульце и Барбиерп уверенность отсутствовала. Э. Позеп на основании определений точек плавления изо­ меров пытался идентифицировать фенилаланин, но опреде­ ленных заключений ему сделать не удалось (в частности, он отрпцал возможность существования а-ампнопропионо- вого остатка) [90].

Вслед за этим определенность была внесена и в вопрос о строении дпампнокпслот. При решении проблемы строе­ ния глутампповой кпслоты основным приемом идентификацпп было сопоставление продуктов превращений глутами­ новой кислоты с известными уже структурами алифатичес­ ких кислот. Ключевой структурой была так называемая «глутаповая» кислота, полученная Риттхаузеном при окпсленпп глутампповой кислоты. Эта кислота была восстанов­ лена В. Дпттмаром подпстоводородной кислотой в соедине­ ние [91], которое В. В. Марковппков определил как триметнленцпанпд пли (CN—СН2—СН2—СН2—CN) [92] — продукт его гидролиза. Впоследствии Л. Вольфом путем синтеза, абсолютно бесперспективного с препаративной точки зреппя, было доказано, что «глутановая» кислота является а-оксиглутаровой кислотой. Вольф синтезировал также глутаминовую кислоту пз левулиновой через про­ межуточный окспм, чем доказал ее структуру [93].

Первые синтезы аминокислот, открытие аминокислот в составе белков, изучение свойств аминокислот и первые за­ ключения об их строении создали предпосылки для созда­ ния современной химии аминокислот. Этот процесс был связан с решением проблемы строения белка и повлек за собой установление критериев определения природных аминокислот, создания общих методов синтеза и анализа, создание основ стереохимии аминокислот и первых методов разделения оптических изомеров. Эта огромная работа, на­ чатая в конце XIX в. работами Л. Пастера, Э. Дрекселя, Э. Шульце, А. Штреккера и других, была осуществлена Э. Фишером, одним из основателей современной биоорганической химии.

62

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.A. Hide. The Development of Modern Chemistry. New York, 1970, p. 165.

la. A. Strecker. Ueber die kiinslliche Bildung der Milchsaure und einen neuen dem Glycocoll homologen Korper.— Ann., 75, 27 (1850).

2.E. von Gorup-Bezanez. Ueber die chemischen Bestandteile einiger

Driisensafte.— Ann, 98, 1 (1856).

3.II. Kolbe. Ueber die chemische Constitution des Asparagins und der Asparaginsaure.— Ann., 121, 232 (1862).

6.W. II. Perkin, B. F. Duppa. Ueber die Einwirkung des auf Essigsaure.— Ann, 108, 106 (1858).

7.A. Cahours. Rechercbes sur les acides amides, des acides monobasiques.— C. r. Acad. Sci., 44, 567 (1857).

8.R. Piria. Rechercbes sur la constitution de l’asparagine et de

10.A. Dessaignes. Nouvelles rechercbes sur l’acide hippurique, l’acide benzoique et le sucre de gelatine.— C. r. Acad. Sci., 21, 1224 (1845).

11.A. Dessaignes. Formation d’acide aspartique avec le bimalate, d’ammoniaque.— C. r. Acad. Sci., 30, 324 (1850).

12.L. Pasteur. Memoire sur les acides asparatique et malique.— Ann. chim. phys., [3], 34, 30 (1852).

13.L. Pasteur. Nouvelles rechercbes sur les relations qui peuvent exister entre la forme cristalline, la composition chimique et pheno-

mene rotatoire moleculaire.— Ann. chim. phys., [3], 38, 437 (1853).

14.I. Liebig. Baldriansiiure und ein neuer Korper aus Kasestoff.—

Ann, 57, 127 (1846).

15.A. C. Leyer, F. Roller. Zerzetzungsproducte der Fedem, Igelsta-

cheln, I-Iaare, des Globulins, Hamatins und der Fliigeldecken der Maikafer mit verdiinnter Schwefelsaure.— Ann, 83, 332 (1852).

16.A. Chevallier, I. L. Lassaigne. Ueber eine neue organische Substanze, welche die Materie gewisser Tuberkeln der Schleimhaute von dem Darmkanal, dem Herz, der Leber ausmacht.— Chem. Pharm. Centralb, 22, 717 (1851).

17.E. Baumann. Ueber die Bildung von Hydroparacumarsaure aus

Tyrosin.— Ber, 12, 1450 (1879).

18.C. Wicke. Ueber Tyrosin.— Ann, 101, 314 (1857).

19. E. Baumann. Ueber Cystin und Cystein.— Z. physiol. Chem, 8,

299(1884).

20.E. Baumann. Ueber die schwefelhaltigen Derivate der Eiweisskor-

per und deren Beziehungen zu einander.— Z. physiol. Chem, 20,

583 (1895).

21.E. Baumann, C. Preusse. Zur Kenntniss der synthetischen Processe im Thierkorper.— Z. physiol. Chem, 5, 309 (1881).

63

22.F. T. Frerichs. G. Stadeler. Ueber das Vorkommcn von Leucins uiid

'L'vrosin in dor menschlichen Leber.— Milt, natiuTorsch. Ges. Zu­ rich, 3, 80 (1855).

23.F. T. Frerichs, G. Stadeler. Ueber das Vorkommen von Loucin und

Tyrosin im Thierischen Organismus.— Milt, nanrforsch. Ges. Zu­ rich, 4, SO (1855).

24.J. Neukomm. Ueber das Vorkommen von Leucin, Tyrosin uiid andere Umsalzsloffen in menschlichen Korper bei Krankheiten.— Arch. Anat. Physiol., 1860, 1.

25.C. Bbdeker. Das Alkaplon; ein Beitrag zur Frage: welche Slolfe des Darns konnon aus einer alkalischen Kupferoxydlosung roducieren? — Ann., 117, 98 (1861).

26.G. Stadeler. Untcrsnchungen iiber das Fibroin, Spongin und Chilin

nebst Bemerknngeu iiber den Ihierischen Schleim.— Ann., Ill,

12 (1859).

27.G. Stadeler. Ueber das Tyrosin.— Ann., 116, 57 (1860).

27a. R. Schmidt, O. Nasse. Beitrag zur Kenntniss des Tyrosins.— Ann.,

133, 211 (1865).

28. L. Barth. Notiz iiber Tyrosin.— Ann., 163, 296 (1872).

29. L. Barth. Zur Geschichte des Tyrosins.— Ann., 136, 110 (1865).

30.L. Barth. Uber der Constitution der Phloretinsaure und des Tyro­ sin s.-A n n ., 152, 96 (1869).

31.E. Posen. Notiz iiber Amidohydrozimmtsaure (Plienylamido-Pro- pionsaure).— Ann., 195, 143 (1879).

454 (1866).

35.И. Ritthaasen. Asparaginsaure und Glutaminsaure, Zersetzungsprodukle des Leguniins beim Kocben mit Schwefelsaure.— J. prakt. Chem., 106, 445 (1869).

36.II. Hlasiwetz, J. IJabermann.— Ann., 169, 150 (1873).

37.H. Rltthausen. Ueber die Glutaminsaure, das Zersetzungsprodukt der Glutaminsaure.— J. prakt. Chem., 103, 239 (1868).

38.W. Kreusler. Asparaginsaure als Zersetzungsprodukt Thierischer

Proteinstoffe.— J. prakt. Chem., 107, 240 (1869).

39.P. Schiitzenberger, A. Bourgeois. Recherches sur la constitution

de la fibroine et de la soie.— C. r. Acad. Sci., 81, 1191 (1875).

40.A. H. Шамин. Развитие химии белка. М., «Наука», 1966.

41.Р. Schiitzenberger. Memoire sur les matieres albuminoides.—

Ann. chim. phys., [5], 16, 289 (1879).

42. T. Weyl. Sur Kenntniss der Seide. I.— Ber., 21, 1407 (1888).

43.N. Lubavin. Ueber die kiinstliche Popsin-Verdauung des Caseins und die Einwirkung von Wasser auf Eiweisssubstanzen.— F. Hop- pe-Seyler’s Med.-Chem. Untersuchungen (1866—1871). 1871, S. 463.

44.E. Schulze, J. Barbieri. Correspondenzen.— Ber. chem. Ges., 12,

64

saure beim Erhilzcn von Eiweissstoffen mit Salzsaurc nnd Zinnch-

48.E. Drechsel. Ueber die Bildung von Harnsloff aus Eiweiss.— Ber. chem. Ges., 23, 3096 (1890).

49.M. Siegfried. Zur Kennlniss der Spaltungsproducte der Eiweiskcirper.— Ber. chem. Ges., 24, 418 (1892).

50.S. G. lledin. Eine Methode, das Lysin zu isoilieren, nebst einigen

Bemerkungon iiher das Lysalhinin.— Z. physiol. Chem., 21, 297 (1895—1896).

51.A. Ellinger. Zur konslitutions des Lysins.— Ber. chem. Ges., 32,

3542 (1899). .

52.E. Schulze, E. Steiger. Ueher einen neuen slickstoffhaltigen Bestandleil der Keimlinge von Lupinus luteus.— Ber. chem. Ges., 19,

1177 (1886); Ueber das Arginin.— Z. physiol. Chem., 11, 45 (1886).

53.E. Schulze, E. Winterstein. Ueber ein Spaltungsprodukt des Arginins.— Ber. chem. Ges., 30, 2879 (1897).

54.M. Siegfried. Zur Kennlniss der Spaltungsprodukte der Eiweisskorper.— Ber., 24, 418-432 (1891).

55.E. Drechsel. Der Abbau der Eiweissstofle.— Arch. Anat. Physiol.,

1891, 248.

56.S. G. He din. Ueber die Bildung von Arginin aus Proteinkorper.—

Z. physiol. Chem., 21, 155 (1895—1896).

57.S. G. lledin. Ueber ein neues SpaUungsprodukt des Hornsubstanzes.— Z. physiol. Chem., 20, 186 (1895).

58.II. B. Vickery, C. Schmidt. I-Iislory of Discovery of Amino Acids.—

Chem. Rev., 9, 242 (1931).

59.F. Miescher. Das Protamin, eine neue organische Base aus den

Samenfaden des Rheinlackses.-^-Ber., 7, 376 (1874).

60.J. Piccard. Ueber Protamin, Guanin und Sarkin als Bestandteile des Lachssperma — Ber., 7, 1714 (1874).

61.A. Kossel. Ueber das Histidin.— Z. physiol. Chem., 28, 382 (1899).

62.E. Drechsel. Beitrage zur Chemie einiger Seetiere. III.— Ueber das

299 (1884).

67.A. Emmerling. Cystin unter den Spaltungprodukten des Homs.—

Verhandl. Ges. Naturforsch., II, 2, 391 (1894); Chem. Ztg, II, 18, 1539 (1894).

68.F. Suter. Ueber die Bindung des Schwefels im Eiweiss.— Z. phy­ siol. Chem., 20, 64 (1895).

69.К. A. II. Morner. Brenztraubensaure unten den Spaltungsprodukten der Proteinstoffe.— Z. physiol. Chem., 42, 121 (1904).

70.К. A. II. Morner. Cystin, ein Spaltungsprodukt der Hornsubstans.—

Z. physiol. Chem., 28, 595 (1899).

71.A. Cahours. Reclierches sur les acides amides.— C. r. Acad. Sci.,

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ПЕПТИДНАЯ ТЕОРИЯ

ИРАЗВИТИЕ ХИМИИ АМИНОКИСЛОТ

Кначалу XX в. развитие химии аминокислот оказалось теснейшим образом связано с развитием химии белков. Основным источником вновь открываемых аминокислот стали белки. Аминокислоты в свободном состоянии встре­ чались гораздо реже, чем в белковых гидролизатах, и в го­ раздо меньшем количестве. Одпако окончательное пони­ мание взаимосвязи химии белка и химии аминокислот,

как и понимание методологического значения этого фак­ та, пришло не сразу. Оно тормозилось не только отсут­ ствием удовлетворительных методов их анализа и син­ теза. Основной причиной было отсутствие руководящей гипотезы о строении белка, которая связала бы воедино химию аминокислот и химию белка. Но и появлеиие такой гипотезы зависело от определенного уровня знаний о свой­ ствах и строении аминокислот.

Впервые гипотеза о преимущественной роли аминокис­ лот в построении белковой молекулы была высказана в 1870 г. II. Н. Лгобавппым [1]. Одиако его гипотеза не получила развития да и сам ее автор отошел от химии белка, став крупным хпмпком-технологом. Допущение о возможности свести все составные части белков к какомулибо одному типу соединений было более аргументированно высказано А. Косселем, который также допустил, что «протамныовые ядра» белков состоят из одних аминокислотных остатков [2]. То, что аминокислоты, если пе являются единственным типом компонентов белковых молекул, ио все же играют в их построении существенную роль, пред­ полагали и другие авторы (см. [3]).

Дальнейшее развитие химии белка тормозилось отсут­ ствием достаточно надежного и удобного метода разделе­ ния и анализа продуктов распада белков, в том числе и аминокислот. Однако аналитическая химия белков ие сво­ дилась к аналитической химии аминокислот: предполага­ лось, что необходимы методы для определения значительно

3* 67

более сложных соединений, в которые аминокислоты мо­ гут включаться как составные элементы. На этом пути былп достигнуты определенные успехи: были созданы ме­ тод В. Гаусмана, характеризовавшего белки по распреде­ лению азота по основным фракциям; метод Т. Осборна, определявшего азот гумпна. Это были методы группового определеипя, но уже для ппх было характерным влияние представлений о существенной роли аминокислот в по­ строении белка п о возможной роли близких к ним, во вся­ ком случае обладавших сходными активными группами соединений.

А. Косселом и Ф. Кутчером был создан метод разделе­ ния основных амнпокпслот и тем самым был сделан пер­ вый шаг к создапшо аналитической химии аминокислот. Однако это былп лишь новые ступени эмпирического по­ знания природы п белков, и амнпокпслот. Прочной теорети­ ческой основы для направленных поисков еще ие было создано.

Такой объединяющей основой стала пептпдная теория строенпя белка, созданная Эмплем Фпшером.

В свопх изысканиях Фпшер сразу же наметил ос.повпые направления. Для доказательства постулированного им положенпя о том, что белки построены пз аминокислот, надо было ответить на ряд вопросов. Как связаны амино­ кислоты в молекуле белка? Являются ли опп единствен­ ными по тппу соединениями в белковой молекуле?

Эмпль Фпшер сосредоточил усплия па доказательстве наиболее вероятного с его точки зреипя амидного типа со­ единения аминокислот в белке. Для этого имелись важные основания: прп кислотном, щелочном и фермептатпвпом гпдролпзе белков образовывались аминокислоты; белкп являлись амфоторпымп веществами, не содержащими ампно- п карбоксильных групп. Следовательно, именно кар­ боксильные п амппогруппы должны были замыкаться в мо­ лекуле белка.

Для того чтобы доказать это положение, надо было ие только доказать, что белкп состоят пз одних только амино­ кислот, хотя уже это была достаточно сложная задача. Не­ обходимо было также, по существу, заново создать анали­ тическую химию аминокислот. Кроме метода Косселя и Кутчера еще не было сколько-нибудь удовлетворительных методов анализа аминокислот. Тем более был затруднен анализ сложных смесей аминокислот, какими, как предпо-

68

только создать методы синтеза таких комплексов, но и ме­ тоды синтеза отдельных аминокислот. Эти методы необ­ ходимы были также и для получения аминокислот с целью идентификации продуктов распада белковых ве­ ществ.

Плап исследовании Фпптера сводился, таким образом, к следующим основным задачам: 1) качественное и количе­ ственное определение продуктов гидролиза белков, вероят­ нее всего, аминокислот; 2) установление строения этих конечных продуктов; 3) соединение аминокислот в воз­ можно большее число соединений со связями амидного типа; 4) сравнение полученных таким образом соединений как с природными белками, так и с продуктами их частич­ ного гидролиза.

Как это ни парадоксально, химия аминокислот наибо­ лее далеко, к моменту работ Фишера, продвинулась вперед именно в решении третьей задачи: в изучении реакций вза­ имодействия аминокислот, вернее их производных, с обра­ зованием комплексов со связями амидного типа. Эти успе­ хи были связаны с именем Т. Курциуса, добившегося ус­ пехов в получении достаточно сложных соединений ами­ нокислот, связанных амидной связью (см. [4]).

Таким образом, казалось бы Эмиль Фишер мог начать ■с решения достаточно элементарной задачи: изучения структуры аминокислот и создания методов их синтеза. Но эта задача была элементарна лишь в сравнении с други­ ми задачами химии белка. «Уточнение неясностей химии аминокислот», как иазвал эту задачу сам Фишер, требо­ вало создания по сути дела новой отрасли — синтетиче­ ской химии оптически активных аминокислот.

Излагая работы Фишера, нельзя упускать из виду, что они были подчинены одной основной цели — доказа­ тельству пептидного типа строения белковых веществ. Поэтому Э. Фишер не концентрировал усилий на доско­ нальном, наиболее полном изучении отдельных вопросов химии белка и химии аминокислот. Первые же успеш­ ные результаты изучения строения аминокислот и новые методы их синтеза он тут же использовал для создания методов извлечения отдельных аминокислот из гидро­ лизатов и методов синтеза пептидов. Работы Э. Фишера

69

логически развивались по четырем направлениям, кото­ рые фактически осуществлялись одиовремеппо.

Своеобразие подхода Фпптера сыграло положительную роль в развитии химии аминокислот. Э. Фишер в короткий срок осуществил столь широкий поиск, создал методы син­ теза почти всех основных аминокислот, иазшнлся выделять пужньте ему природные изомеры из синтезированных раце­ мических смесей и из природных гидролизатов, разработал методы анализа для всех пзвестпых амппокислот, что фактически перевело химию амппокислот на новую, выс­ шую ступень, заложив основы современных синтетиче­ ских аналитических методов, господствовавших вплоть до создаппя хроматографии, и заложил основы стерео­ химии амппокислот, причем ие только эксперименталь­ ной, по и теоретической.

Синтезы н разделение стереопзомеров аминокислот

строении еще не были решены окончательно. Далеким от общего прпзиаппя было даже представление о взаимном положении ампно- и карбокспгрупп в молекулах ами­ нокислот. Неясными были представления о конфигурации их углеродного скелета, а также о положении других ак­ тивных групп: гидроксилов, сульфгпдрпльпой и дпсульфпдпой групп и т. и. Наконец, к началу XX в. запутанным представлялся вопрос о существовании оптически актив­ ных аминокислот в молекулах белков.

Вопрос об оптической актпвпостп амппокислот привлек вппмание Л. Пастера уже в 60-х годах XIX в. Но тогда этот вопрос имел скорее познавательное значение, и, самое главное, он еще ие был связан с гипотезами о строении белка. В 1885—1886 гг. Э. Шульце и Э. Босхард доказа­ ли, что при кислотном гидролизе белковых веществ обра­ зуются оптически активные аминокислоты [5, 6], которые при обработке баритовой водой переходят в неактивную форму, практически ие отличающуюся от оптически неак­ тивной формы аминокислот, образующихся при щелочном гидролизе белка.

Если такую оптически неактивную аминокислоту вве­ сти в питательную среду грибка пеницилла (Penicillium

70

giaucuui), то по окончании роста последнего из культу­ ральной жидкости можно было выделить снова оптически активную аминокислоту. При введении в среду рацематов лейцина и глутаминовой кислоты оптическое вращение препаратов этих аминокислот, выделенных в конце опыта, было равно но величине, но противоположно но знаку оптическому вращению препаратов, выделенных из кис­ лотного гидролизата. Так, было показано, что оптически неактивные аминокислоты в гидролизатах белков являют­ ся смесыо равных количеств право- п левовращающих форм. Это было также важным свидетельством в пользу представлений о том, что белки включают оптически актив­ ные формы аминокислот.

Однако к концу XIX в. вопрос о том, какова оптическая конфигурация аминокислот, входящих в состав белков, был еще далек от разрешения. Основной трудностью при этом было отсутствие надежных и простых методов получения определенных оптических пзомеров для последующей идентификации природных соединений. Оптические изоме­ ры аминокислот нз соответствующих рацематов могли быть получены двумя способами. Первым из них уже был упо­ мянутый метод Шульце и Босхарда, при помощи которого при выращнванпи плесневых грибков могли быть получе­ ны лишь не встречающиеся в белках Л-стереоизомеры аминокислот. Но все же этот метод использовался уже в те годы нередко: после получения Л-глутампповой кислоты и лейцина он был применен для выделения .D-форм аланина, изолейципа и гистидина [7], валина и тирозина [8], фенилаланина и серина [9]. Использование второго при­ ема — механического разделения кристаллов пзомеров — было весьма ограничено, так как оно требовало получения кристаллов, достаточно крупных для ручной обработки смеси, но исследования Л. Пастера, посвященные различ­ ной растворимости смесей диастереопзомеров, легли в ос­ нову использования алкалоидов для разделеипя рацеми­ ческих веществ на оптически активные формы.

Э. Фишер первый использовал принцип диастереоизо­ мерии для создания общего метода разделеипя стереопзомеров аминокислот. Самым важным методологическим мо­ ментом во введении этих приемов в практику химии аминокислот было сознательное включение их в циклы кон­ кретных с и н т е т и ч е с к и х методов получения аминокис­ лот. Таким образом, Фишер создал систему методов асим-

71