Uchebnik

 H2N-CH2COOH - α-аминоуксусная кислота или 2-аминоэтановая кислота, глицин

H2N-CH2СН2COOH - β-аминопропионовая или 3-аминопропановая кислота

СН3CH(NH2)СООН – α-аминопропионовая или 2-аминопропановая кислота

Природные аминокислоты образуются в организме животных или растений в процессе их жизнедеятельности при гидролизе белковых веществ. Наибольшей биологической активностью обладают α-аминокислоты. Практически все они содержат асимметрический атом углерода и являются оптически активными, за исключением глицина, α-аминоуксусной кислоты.

α-аминокислоты L-конфигурации - важнейшие составные части пептидов и белков. Кроме взаимного расположения функциональных групп и строения углеродного скелета, многообразие аминокислот обусловлено возможным наличием в одной структуре нескольких функциональных групп. В частности, в растениях описаны одноосновные диамино-, двухосновные моноамино- и диаминокислоты, например:

При низком значении рН все аминокислоты проявляют свойства кислот, при высоком – оснований, а в изоэлектрической точке – как цвиттер-ион. В связи с этим, аминокислоты являются амфолитами, водные растворы одноосновных моноаминокислот имеют рН=6.5-7.5:

Все аминокислоты растворимы в кислых и щелочных растворах с образованием солей; в водно-органических растворителях и в спиртах растворимость может меняться, в зависимости от строения, около изоэлектрической точки растворимость ничтожно мала.

Аминокислоты с циклическими фрагментами (фенилаланин, гистидин, триптофан, пролин и др.) отличает высокое отрицательное значение удельного вращения.

Буквы L и D обозначают принадлежность аминокислот к L или D-ряду, а знаки (-) и (+) указывают направление вращения. За исходное соединение, со строением которого принято сравнивать строение аминокислот, условно приняты L- и D– молочные кислоты, конфигурации которых установлены по L- и D-глицериновым альдегидам.

D-формы аминокислот в растениях встречаются редко, они входят в состав некоторых антибиотиков, продуцируемых микроорганизмами, например, грамицидин С, и выделяемых из насекомых, морских беспозвоночных, грибов, белков животных.

281

L- и D- аминокислоты отличаются по вкусу (L- сладкие, D- горькие или безвкусные) и по физиологической активности. D-аминокислоты не усваиваются животными организмами. Описаны природные галогенпроизводные L-аминокислоты и пептиды, они редки в природе и продуцируются микроорганизмами, грибами, водорослями, губками и т.д. Например, 2-амино-4,4-дихлорбутановая кислота выделена из Streptomyces armentosus более 30 лет назад, обладает антибактериальным действием. Другой вид микроба Streptomyces griseosporeus продуцирует γ-хлорвалин - антибактериальное средство против Psеudomоnаs aeruginosa, 4-хлортреонин активен против видов Candida.

Из бледных поганок, мухоморов, ядовитых белых грибов выделены, в основном, хлорпроизводные (2-амино-5-хлор-4(Z)-гексеновая кислота). 6-хлор- α-аминогексановая кислота выделена из лишайника Xanthoria parietina, у различных видов насекомых обнаружен 2(или 4)-йодгистидин и т.д. С точно установленной структурой описано уже около 200 галогенаминокислот, еще больше их производных. Ниже представлены структуры наиболее распространенных галогенаминокислот:

Вморских губках обнаружена серия лактонов, производных тирозина, оксимов, амидов, нитрилов и др. производных более сложных аминокислот.

Всоответствии с химической природой, все аминокислоты делят на 4 условные группы:

Первая группа – нейтральные, неполярные, гидрофобные аминокислоты: L-глицин, гликокол (аминоуксусная кислота), заменимая кислота, [α]D= 0.

282

Глицин (аминоэтановая кислота), замедляет дегенерацию мышечной ткани, т.к. является источником креатинина - вещества, содержащегося в мышечной ткани и используемого при синтезе ДНК и РНК. Глицин необходим

ворганизме для синтеза нуклеиновых, желчных и заменимых аминокислот. Он входит в состав многих антацидных препаратов, применяемых при заболеваниях желудка: полезен для восстановления поврежденных тканей, т.к.

вбольших количествах содержится в коже и соединительной ткани. Необходим он, также, для центральной нервной системы и хорошего состояния предстательной железы. Как тормозной нейромедиатор он может предотвращать эпилептические судороги, применяется в лечении маниакальнодепрессивного психоза, эффективен при гиперактивности.

L-аланин (2-аминопропановая кислота), заменимая кислота, [α]D= +33.00(НАс(лед.)) широко распространена в природе, детоксикант печени, связывает неполярные молекулы.

L-валин (2-амино-3-метилбутановая кислота), [α]D= +62.00 (НАс(лед.)) незаменимая кислота, при ее недостатке нарушаются функции нервной системы, оказывает стимулирующее действие на весь организм, необходим для

метаболизма в мышцах, восстановления поврежденных тканей и для поддержания нормального обмена азота в организме; он служит одним из исходных веществ при биосинтезе пантотеновой кислоты (витамин В3) и пенициллина, его используют для коррекции результатов привыкания к лекарствам. Содержится в зерновых, мясе, грибах, молочных продуктах, арахисе, соевом белке.

L-лейцин (2-амино-4-метилпентановая кислота), важнейшая незаменимая аминокислота, [α]D= +22.50 (НАс(лед.)). Лейцин применяется для лечения болезней печени, анемий и других заболеваний. Синтетический аналог лейцина - лизин применяют для обогащения кормов и пищевых продуктов. Лейцин защищает мышечные ткани, является источником энергии, способствует восстановлению костей, кожи, мышц, поэтому рекомендуется в восстановительный период после травм и операций. Лейцин несколько понижает уровень сахара в крови и стимулирует выделение гормона роста. Источниками лейцина являются рис, бобы, мясо, орехи, пшеничная мука.

L-изолейцин (2-амино-3-метилпентановая кислота), незаменимая кислота, [α]D= +49.00, необходимая для синтеза гемоглобина; стабилизирует и регулирует уровень сахара в крови и процессы энергообеспечения, способствует увеличению выносливости и восстановлению мышечной ткани, необходима при многих психических заболеваниях. К источникам изолейцина относятся миндаль, куриное мясо, яйца, рыба, бобы, печень, мясо, рожь, большинство семян, соевые белки, свекла.

L-метионин (2-амино-4-метилтиобутановая кислота), важнейшая кислота, [α]D= +20.00 (НАс(лед.)), служит в организме донором метильных групп при биосинтезе холина, адреналина, а также источником серы при биосинтезе цистеина; применяется для лечения заболеваний печени, малокровия, ожогов, для переработки жиров, предотвращая их отложение в печени и на стенках артерий, обеспечивает дезинтоксикационные процессы (прежде всего

283

обезвреживание токсичных металлов), уменьшает мышечную слабость, защищает от воздействия радиации, оказывает выраженное антиоксидантное действие, так как является источником серы, инактивирующей свободные радикалы; необходим также для синтеза нуклеиновых кислот, коллагена и многих других белков. Метионин понижает уровень гистамина в организме, что может быть полезно при шизофрении, когда количество гистамина повышено. В организме он переходит в цистеин, который является предшественником глютатиона. Источниками метионина являются бобовые, яйца, чеснок, чечевица, мясо, лук, соевые бобы, семена, йогурт.

L-фенилаланин (2-амино-3-фенилпропановая кислота), важнейшая незаменимая кислота с ароматическим кольцом, [α]D= -7.50 (НАс(лед.)), в организме может превращаться в другую аминокислоту – тирозин, которая, в свою очередь, используется в синтезе двух основных нейромедиаторов: допамина и норепинефрина. Поэтому эта аминокислота влияет на настроение, уменьшает боль, улучшает память, способность к обучению.

L-пролин (пирролидин-2-карбоновая кислота), содержит пятичленный цикл с имино-группой, заменимая кислота, [α]D= -80.00 (НАс(лед.)), улучшает состояние кожи, за счет увеличения продукции коллагена и уменьшения его потери с возрастом, помогает в восстановлении хрящевых поверхностей суставов, укрепляет связки и сердечную мышцу. Для укрепления соединительной ткани пролин применяют в комбинации с витамином С.

Вторая группа – нейтральные, полярные, гидрофильные, способствуют растворимости белков в воде:

L-серин (2-амино-3-оксипропановая кислота), заменимая кислота, [α]D= -15.10 (5н НСl), необходимая для нормального обмена жиров и жирных кислот, роста мышечной ткани и поддержания нормального состояния иммунной системы; в организме синтезируется из глицина. В качестве увлажняющего вещества входит в состав многих косметических и дерматологических препаратов.

L-треонин (2-амино-3-оксибутановая кислота), [α]D= -30.00 (НАс(лед.)), важнейшая незаменимая кислота, участвует в синтезе жирных кислот, липидов, углеводов; способствует поддержанию белкового обмена в организме, важна для синтеза коллагена и эластина, помогает работе печени в комбинации с аспартовой кислотой и метионином, стимулирует иммунитет, т.к. способствует выработке антител. Треонин, в основном, содержится в животных продуктах и в очень незначительном количестве в зерновых.

L-цистеин (2-амино-3-тиопропановая кислота), заменимая кислота, важна для процессов окисления в клетке, превращаясь в цистин:

Обе аминокислоты относятся к серосодержащим и играют важную роль в процессах формирования тканей кожи, ногтей, волос. Цистеин входит в состав и других белков организма, в том числе некоторых пищеварительных ферментов, помогает обезвреживать некоторые токсические вещества и

284

защищает организм от повреждающего действия радиации; один из самых мощных антиоксидантов и его антиоксидантное действие усиливается при одновременном приеме витамина С и селена. Цистеин является предшественником глютатиона – вещества, оказывающего защитное действие на клетки печени и головного мозга, связывает тяжелые металлы и растворимое железо, ускоряет сжигание жиров и образование мышечной ткани. L-цистеин разрушает слизь в дыхательных путях, поэтому его применяют при бронхитах и эмфиземе легких; играет важную роль в активизации лейкоцитов и лимфоцитов.

L-тирозин (2-амино-3-(4’-оксифенил)пропановая кислота), заменимая кислота, [α]D= -10.00 (5н НСl), является предшественником нейромедиаторов норэпинефрина и допамина, в организме синтезируется из фенилаланина. Источники тирозина: миндаль, молочные продукты, семечки тыквы, кунжут.

L-триптофан (2-амино-3-(3’-индолил)пропановая кислота), [α]D= -34.00 (НАс(лед.)), используется клетками млекопитающих для биосинтеза никотиновой кислоты (витамин РР) и серотонина; клетками насекомых для биосинтеза пигмента глаз: клетками растений для биосинтеза гетероауксина, индиго, ряда алкалоидов. Важнейшая незаменимая кислота, при ее недостатке замедляются функции половых желез, необходима для образования ниацина, который используется для синтеза в головном мозге, одного из важнейших нейромедиаторов серотонина, применяется при бессоннице, депрессии, нейтрализует вредное воздействие никотина. Дефицит триптофана и магния может усиливать спазмы коронарных артерий. К источникам триптофана относятся бурый рис, деревенский сыр, арахис и соевый белок.

L-аспарагин (2,4-диамино-4-оксобутановая кислота), заменимая кислота, [α]D= 34.30 (3.4н НСl); в растениях содержится в свободном виде и необходим для поддержания баланса в центральной нервной системе, участвует в процессах синтеза аминокислот в печени.

L-глутамин (2,5-диамино-5-оксопентановая кислота), заменимая кислота, [α]D= +6.10 (Н2О), наиболее часто используемая организмом для синтеза белков и клеток скелетной мускулатуры, увеличивает количество -аминомасляной кислоты, которая необходима для поддержания нормальной работы головного мозга, для синтеза ДНК и РНК. В комплексе с другими препаратами может использоваться при лечении артритов, аутоиммунных заболеваний, фиброзах, заболеваниях желудочно-кишечного тракта, пептических язвах, заболеваниях соединительной ткани. Источники глутамина - петрушка и шпинат.

Третья группа – кислые, полярные, гидрофильные:

L-аспарагиновая кислота (2-аминобутандиовая кислота), заменимая кислота, [α]D= +25.40 (5н НСl) - повышает иммунитет, участвует в процессах метаболизма, помогает при усталости, заболеваниях нервной системы и нарушениях функций печени. В больших количествах содержится в белках растительного происхождения, полученных из пророщенных семян.

L-глутаминовая кислота (2-аминопентандиовая кислота), заменимая кислота, [α]D= +31.80 (5н НСl), является нейромедиатором, передающим импульсы центральной нервной системе, играет важную роль в углеводном

285

обмене и способствует проникновению кальция через гематоэнцефалический барьер, обезвреживает аммиак, отнимая атомы азота в процессе образования другой аминокислоты – глутамина.

Четвертая группа – основные, полярные, гидрофильные:

L-лизин (2,6-диаминогексановая кислота) [α]D= +25.90 (5н НАс), незаменимая кислота, входящая в состав практически любых белков; необходима для нормального формирования костей и роста у детей, способствует усвоению кальция и поддержанию нормального обмена азота у взрослых, участвует в синтезе антител, гормонов, ферментов, формировании коллагена и восстановлении тканей, оказывает противовирусное действие, особенно в отношении вирусов, вызывающих герпес и острые респираторные инфекции. Источниками лизина являются сыр, яйца, рыба, молоко, картофель, мясо, соевые и дрожжевые продукты.

L-аргинин (2-амино-5-гуанидинопентановая кислота), частично заменимая кислота, содержит гуанидиновый фрагмент [α]D= +29.40 (НАс(лед.)). В организме при действии фермента аргиназы или при кислотном гидролизе аргинин превращается в орнитин. Аргинин - замедляет рост опухолей, в том числе раковых: полезен, страдающим ВИЧ-инфекцией, болезнями печени (цирроз и жировая дистрофия), при ушибах и травмах; это важный компонент обмена веществ в мышечной ткани, входит в состав многих энзимов и гормонов роста. Источниками аргинина являются шоколад, молочные продукты, желатин, мясо, овес, арахис, соевые бобы, грецкие орехи, белая мука, пшеница и пшеничные зародыши.

L-гистидин (2-амино-3-(4’-имидазолил)пропановая кислота), частично заменимая кислота, содержит имидазольное кольцо [α]D= -7.50 (НАс(лед.)), способствует росту и восстановлению тканей, входит в состав миелиновых оболочек, защищающих нервные клетки, необходима для образования красных и белых клеток крови, защищает организм от повреждающего действия радиации, способствует выведению тяжелых металлов из организма, помогает при СПИД, нарушениях пищеварения, связанных с понижением кислотности желудочного сока. В достаточных количествах гистидин содержится в рисе, пшенице и ржи.

Кроме указанных 20 аминокислот в небольшом количестве в составе коллагена и соединительной ткани содержатся 5-оксилизин и 4-оксипролин.

β- аланин, ключевой фрагмент в обмене липидов, фрагмент пантотеновой кислоты, составной части кофермента А:

H

OH

N

HOOC OH

O

γ-аминокислоты входят в состав карнитина (бетанин - 3-окси-4-триметил- аминомасляной кислоты):

286

Диметилглицин является составным элементом, метионина и холина, некоторых гормонов, нейромедиаторов и ДНК. В небольших количествах диметилглицин содержится в семенах и зернах многих растений.

Таурин в высокой концентрации содержится в сердечной мышце, белых клетках крови, скелетной мускулатуре, центральной нервной системе. Он участвует в синтезе многих аминокислот, оказывает защитное действие на головной мозг, применяется при лечении беспокойства и возбуждения, эпилепсии, гиперактивности, судорог.

Орнитин (2,5-диаминопентановая кислота), участвует в обезвреживании аммиака в печени, помогает высвобождению гормона роста, способствует сжиганию жиров в организме, необходим для иммунной системы, восстановления поврежденных тканей и клеток печени, в организме синтезируется из аргинина и, в свою очередь, служит предшественником для цитруллина, пролина, глутаминовой кислоты.

Цитруллин (2-амино-5-уреидопентановая кислота), в свободном виде содержится в мякоти арбузов.

α,ε-диаминопимелиновая кислота (2,6-диаминогептандиовая кислота), при декарбоксилировании превращается в незаменимую кислоту – лизин.

α-аминоадипиновая кислота (2-аминогександиовая кислота), в свободном виде содержится в зернах кукурузы.

γ-аминомасляная кислота содержится в мозге, образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты, участвует в передаче нервных импульсов (нейромедиатор), уменьшает активность нейронов и предотвращает перевозбуждение нервных клеток, оказывая успокаивающие действие.

Глютатион по химической структуре является трипептидом, получаемым в организме из цистеина, глутаминовой кислоты и глицина и является антиоксидантом для печени, легких и желудочно-кишечного тракта, необходим для углеводного обмена, замедления старения за счет влияния на липидный обмен и для предотвращения возникновения атеросклероза.

Редкие аминокислоты

В чесноке содержится аллиин, превращающийся под действием фермента аллииназы в обладающий острым вкусом аллицин.

В состав антибиотика субтилина (из Bac. subtitis) и

др. входит латионин, образующийся при обработке шерсти щелочью.

L-Дьенколовая кислота впервые обнаружена в

дьенколовых орехах. Сравнительно широко распространена, в сыворотке крови крупного рогатого скота.

В молекулу пенициллина входит D- пеницилламин:

287

Широко распространены α- и γ- аминомасляные кислоты, образующиеся путем декарбоксилирования глутаминовой кислоты. α,γ- Диаминомасляная кислота входит в состав пептидных антибиотиков, например, полимиксинов.

γ-Окси- (1), γ-метил- (2), γ-метиленглутаминовые кислоты (3) и γ-окси-γ- метилглутаминовая кислота (4) содержатся во флоксах и льне:

Nε-оксилизин выделен из микобактерий, является

производным гидроксиламина.

Канаванин и каналин содержатся в соевых бобах. Канаванин является биологическим антагонистом аргинина. Каналин образуется при энзиматическом гидролизе канаванина:

Азетидин-2-карбоновая кислота найдена в ландышах и «соломоновой печати». Антибиотики циклосерин и азасерин из Streptomyces orchidatius,

являются производным D-серина. Антибиотик 6-диазо-5-кето-L-норлейцин выделен из стрептомицетов:

В буферных растворах с постоянным рН разные аминокислоты могут иметь неодинаковые по величине (иногда и по знаку) заряды, что сказывается на скорости и направлении их движения в электрическом поле. Это явление может быть использовано для электрофоретического разделения аминокислот на бумаге или в тонком слое сорбента. В сочетании с эффектом различной адсорбции, это позволяет разделять все природные аминокислоты методом хроматографии на ионообменных смолах.

Для разделения и идентификации аминокислот используют методы газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографии. Для газохроматографического анализа необходима предварительная модификация аминокислот с целью получения их летучих производных, что возможно далеко не всегда и не во всех случаях. Комплексы аминокислот с ионами меди позволяют разделять аминокислоты и пептиды.

Для разделения аминокислот ВЭЖХ методом применяют колонки, заполненные Лихросорбом-NН2 (5 мкм), используя градиентное элюирование смесью ацетонитрил - фосфатный буферный раствор, при этом за 30 мин разделяется около 20 аминокислот. Обнаружение свободных аминокислот проводится по их поглощению при 200 нм, а их идентификация - по времени

288

удерживания на колонке Лихросорб. Возможно разделение аминокислот в виде их фенилтиогидантоиновых производных.

Разделение энантиомеров аминокислот возможно с использованием хиральной неподвижной фазы аминокислот, привитых в неподвижную фазу, а в подвижную вводятся ионы цинка или меди. Взаимодействие этих ионов с ковалентно-связанными аминокислотами приводит к образованию комплексов, обладающих стереоселективностью к D- или L-аминокислотам.

Процесс разделения зависит, также, от наличия водородных связей и гидрофобных взаимодействий.

Характеристика наиболее унифицированных условий и систем для ВЭЖХ анализа приведена ниже:

Типичная хроматограмма анализируемой суммы аминокислот приведена на рисунке:

Методом ВЭЖХ в присутствии СО или методом фотометрии при длине волны 540 нм (светофильтр №9) одновременно с качественным анализом проводят определение количественного содержания аминокислот. В качестве контрольного раствора используют воду очищенную с нингидрином.

289

При наличии СО аминокислот возможно проведение качественного хроматографического анализа аминокислот и бетаинов методом одномерной хроматографии на бумаге или в тонком слое в системах: н-бутанол-уксусная кислота-вода (40:12.5:29) или (4:1:5), используя в качестве проявителя нингидриновый реактив.

Эти же методы применимы и при установлении аминокислотной последовательности в пептидах и белках.

Химические свойства аминокислот описаны в учебниках по органической химии различных авторов, мы остановимся на специфических реакциях, в том числе природных аминокислот.

Все аминокислоты построены, по одному типу:

В зависимости от «R» и числа функциональных групп, все аминокислоты, как указано выше, делят на нейтральные, кислые и основные. Пролин и оксипролин отличаются расположением окси- и карбоксигрупп (транс), что имеет решающие значение при определении конформации полипептидов на их основе.

Ароматические аминокислоты - фенилаланин, тирозин и триптофан можно рассматривать как производные аланина; серин и цистеин - как окси- и меркаптопроизводные аланина. Слабым основанием является гистидин (имидазолил-аланин).

Ниже показаны некоторые (био)химические реакции на примере глицина:

Не только при нагревании, но и под действием ферментов (декарбоксилаз) или некоторых микроорганизмов проходит реакция декарбоксилирования с образованием аминов:

Лизин и орнитин, декарбоксилируясь при гниении белков, образуют диамины Н2N(СН2)4NН2 – путресцин и Н2N(СН2)5NН2 – кадаверин, ошибочно считавшиеся трупными ядами.

 При окислении аминокислот возможна реакция дезаминирования:

290