Слесарев. Основы Химии живого

t

—► Н3Й— CRH— С—NH— CR'H— COO-

Таким способом получают также три-, тетра- и полипептиды, в которых аминокислоты связаны между собой пептидной свя­ зью —СО—NH—, характерной и для белков. В организме пепти­ ды синтезируются прямо из аминокислот, но при участии соот­ ветствующих ферментов.

При отсутствии защитных групп молекулы а-аминокислот при нагревании вступают в реакцию взаимного ацилирования, отщепляя межмолекулярно две молекулы воды и образуя цик­ лическое соединение дикетопиперазин:

дикетопиперазин

Реакции алкилирования. Аминокислоты, защищенные по кар­ боксильной группе, легко вступают в реакции электрофильного за­ мещения, характерные для аминов, например ацилирования, кото­ рая рассмотрена выше, или алкилирования. Протеканию реакции алкилирования атома азота аминокислот способствует щелочная среда, так как в ней происходит связывание продуктов реакции:

бетаин аминокислоты

Образующееся в итоге соединение имеет фиксированную би- полярно-ионную структуру и называется бетаином аминокисло­ ты, а в случае глицина (R = Н) - просто бетаином. В бетаине

541

атом азота несет положительный заряд и является электрофильным центром. Поэтому бетаин может быть источником метильной группы для нуклеофильного центра другого соединения, т. е. метилирующим реагентом. В организме с помощью бетаи­ на протекает реакция трансметилирования, например алкилирование гомоцистеина с образованием метионина:

Высокая нуклеофильность атома азота а-аминокислот по­ зволяет проалкилировать его 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ, реактив Сэнджера). В этом соединении электрофильность бензоль­ ного ядра вследствие влияния двух сильных электроноакцептор­ ных нитрогрупп значительно повышена, что сильно увеличивает способность атома фтора вступать в реакцию замещения:

N02

o 2nN— I + h 2n—CRH—co o -

ДНФБ

NO2

° 2N - @ — HN— CRH— COO"

ДНФ-производное аминокислоты

Образующееся динитрофенильное производное аминокисло­ ты легко выделяется и идентифицируется хроматографически. Метод служит для определения аминокислотной последователь­ ности белка, т. е. его первичной структуры.

Реакция с формальдегидом. В слабощелочной среде (pH * 7), ко­ гда а-аминокислоты частично переходят в моноанион, содержащий свободную аминогруппу, они легко вступают в реакцию нуклео­ фильного присоединения к формальдегиду. При избытке формаль­ дегида образуется N, N'-диметилольное производное аминокислоты:

542

В таких производных аминокислот основность атома азота изза электроноакцепторных заместителей сильно понижена. Это позволяет использовать реакцию с формальдегидом для количе­ ственного определения а-аминокислот методом формольного титрования (метод Сёренсена), где в качестве титранта исполь­ зуется щелочь (индикатор фенолфталеин). Большая склонность аминогрупп в аминокислотах или белках реагировать с фор­ мальдегидом приводит к необратимой денатурации белков в его присутствии. Этим объясняются высокая токсичность формаль­ дегида и его стерилизирующая способность.

21.2.4.ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

а-Аминокислоты вступают в разнообразные окислительновосстановительные реакции, сопровождаемые изменением степе­ ней окисления углеродных атомов и углеродного скелета моле­ кулы. Эти реакции происходят как внутримолекулярно, так и межмолекулярно. Однако среди всех природных а-аминокис­ лот особенно чувствителен к действию окислителей цистеин, легко окисляемый за счет атома серы тиольной группы (—SH)

вцистин, 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, обра­ зуя цистин, являющийся дисульфидом цистеина и сопряжен­ ным ему окислителем.

Цистеин и цистин составляют сопряженную восстанови- тельно-окислительную пару (вопреки правилам, исторически на первое место поставлена восстановленная форма), для которой характерно тиол-дисульфидное равновесие. Значение нормаль­ ного восстановительного потенциала этой пары (фо = -0,22 В) свидетельствует, что восстановительные свойства у нее преобла­ дают над окислительными. Поэтому цистеин является эффектив­ ным антиоксидантом, выполняя защитные функции при воздей­ ствии на организм сильных окислителей благодаря восстанови­ тельным 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 радиацион­ ном воздействии в водных средах организма возникают сильные окислители ЮН, *Н02, Н2 О2 , Ю2 , называемые активными или

543

токсичными формами кислорода (разд. 9.3.9, 12.2.5). Наряду с окислителями при этом воздействии в организме возникают другие токсиканты - короткоживущие сильные восстановите­ ли: гидратированный электрон (e^p) и атомарный водород Н*. Компоненты сопряженной восстановительно-окислительной па­ ры цистеин - цистин активно взаимодействуют и с теми и дру­ гими агрессивно-токсичными частицами, нейтрализуя их. Имен­ но этим объясняется эффективность цистеина при остром луче­ вом поражении. Легкое и быстрое за счет цистеинредуктазы взаимодействие тиольных групп двух молекул цистеина с обра­ зованием дисульфидной связи цистина и обратимость этой ре­ акции играют важную роль в регуляции процессов обмена в организме. Превращение цистеина в цистин приводит к образо­ ванию 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 цистпеиновую 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 таурохолевую кислоту, принимающую активное участие в эмуль­ гировании 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, участ­ вующих в них.

Декарбоксилирование. В а-аминокислотах электроноакцептор-

+

ная группа —NH3 расположена в a-положении к группе —СОО", также проявляющей электроноакцепторные свойства. Это сильно поляризует связь Са-Сх, повышая электрофильность и нуклеофильность ее углеродных атомов и способствуя внутримолеку­ лярной окислительно-восстановительной дисмутации между ними вплоть до расщепления указанной связи с образованием СО2 , т. е. декарбоксилированием. В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании а-аминокислот в присутст­ вии Ва(ОН)2 в.

H3N— CRH— СОСГ + Ва(ОН)2 -*-► H2N— CH2R + BaC03 + Н20

1ок-ль]^ \еш

544

В организме процесс происходит в комплексе:

декарбоксилаза (фермент) а-аминокислота |

^пиридоксальфосфат (кофермент)

Вначале а-аминокислота в этом комплексе реагирует с аль­ дегидной группой пиридоксальфосфата, образуя так называе­ мый альдимин, в котором под действием декарбоксилазы про­ исходят поляризация и разрыв связи Ca-Cj. При этом отщепля­ ется С02, а в результате гидролиза альдимина образуется амин и регенерируется пиридоксальфосфат:

декарбо­

ксилаза

— ► Н2№-*ЙН211 + СО2 + пиридоксальфосфат

При декарбоксилировании а-аминокислот в организме син­ тезируются биогенные амины, выполняющие важные биологи­ ческие функции:

Декарбоксилирование аминокислот происходит сравнитель­ но легко в тканях животных и растений, но особенно оно ха­ рактерно для микроорганизмов.

Альдольное расщепление межуглеродной связи Ср—Са. а-Аминокислоты, содержащие в p-положении электроноак­ цепторную гидроксильную группу (серин, треонин), образуют с коферментом пиридоксальфосфатом альдимин, в котором под действием альдолазы связь Ср-Са сильно поляризуется, что приводит к ее разрыву, сопровождающемуся внутримолекуляр­ ной дисмутацией между атомами углерода. При этом образуется

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

глицин

Прямое дезаминирование. Этот процесс характерен для а- аминокислот, у которых в P-положении содержатся легко ухо­ дящие электроноакцепторные группы: гидроксильная или тиольная. В альдимине, образуемом пиридоксальфосфатом с серином, треонином или цистеином, под действием соответствующе­ го фермента сильно поляризуется связь Са—Н, что приводит к внутримолекулярному отщеплению Н2 О или H2 S 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

Е— С— СООН + R — СН— СОО”

III

о+n h 8

Кофермент пиридоксальфосфат выполняет функцию пе­ реносчика аминогруппы:

а-аминокислота

+Н20

-Н 20

“СН2 ОН

+ R— -СООН

СН3

пиридоксаминфосфат а-оксокислота

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

взаимодействии с таким сильным окислителем, как азотистая кислота, а-аминокислоты в лабораторных условиях превраща­ ются в а-гидроксикислоты с выделением азота и воды:

Н3У—CRH— COO- + H N 0 2 — ► но—CRH— СООН + N 2 + Н 20

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 де з а ми ни р о в а н и е арг инина 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

S

О

нянгидрин

сине-фиолетовый краситель

В этом случае окисляются углеродные атомы Ci 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:

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

+

Н2№=С— COO" + Н20 :*=£: "ООССН2СН2— с — COO" + й н 4

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 силь­ ной электроноакцепторной группы (СООН) легко вступает под действием аспартат-аммиак-лиазы в реакцию внутримолекуляр­ ного дезаминирования, образуя фумарат аммония:

H 3N j СН СОО аспартат-аммиак-лиаэа , ООС— С— Н

Реакция сопровождается отщеплением иона аммония и внутримолекулярной дисмутацией углеродных атомов Са и Ср и носит обратимый характер. В микробиологической промышлен­ ности из фумарата аммония с помощью клеток кишечной па­ лочки, содержащих аспартат-аммиак-лиазу, синтезируют L-ac- парагиновую 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 ла­ бильной оказывается любая связь а-углеродного атома с сосед­ ними атомами, а сам Са, имея нулевую степень окисления, мо­ жет быть и окислителем, и восстановителем. Установлено, что разрывается та связь, которая расположена перпендикулярно плоскости сопряженной системы субстрат - кофермент.

2 1 .3 . СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПЕПТИДОВ

Пептиды представляют собой биосубстраты, построенные из а-аминокислотных остатков. Принято различать низкомолекуляр­ ные пептиды (олигопептиды), содержащие не более 10 амино­ кислотных остатков, и полипептиды, в состав которых входит до 100 аминокислотных остатков. Пептиды являются продуктом поликонденсации а-аминокислот, в котором они соединены меж­ ду собой пептидными (амидными) группами —СО—NH—. Реак­ цию получения полипептида схематично можно представить так:

nH2N— CRH—СООН + пH2N—CR'H—СООН ~(n~1)H8°».

—► H 2N 4 - C R H - t g ) — H N t-C R 'H -V C O O H

^пептидная группа полипептид

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

550