Яцюк, Зубкова _Основы биоорганической химии

Характерной особенностью α-аминокислот является способность образовывать комплексные соли с ионами тяжелых металлов:

Медные соли аминокислот нерастворимы в воде, имеют интенсивное синее окрашивание. Эта реакция используется для обнаружения α-аминокислот.

Другой общей качественной реакцией α-аминокислот является их взаимодействие с нингидрином с образованием продукта сине-фиолетового цвета:

сложные эфиры при взаимодействии со спиртами и хлорангидри-

NH2

хлорангидрид

Сложные эфиры α-аминокислот летучи, они имеют сравнительно низкие температуры кипения. Это их свойство используется для разделения смеси аминокислот в белковых гидролизатах (эфирный метод Фишера). С этой целью аминокислоты сначала этерифицируют, а потом подвергают перегонке.

191

За счет аминогруппы α-аминокислоты подвергаются реакциям ацилирования и алкилирования, взаимодействуют с оксосоединениями. Так, при ацилировании аминокислоты уксусным ангидридом образуется N-ацетильное производное. При взаимодействии с формальдегидом образуется продукт нуклеофильного присоединения – N-метилольное производное, которое достаточно устойчиво (с другими оксосоединениями протекает реакция нуклеофильного присоединения-отщепления).

Реакцию ацилирования раньше использовали для защиты аминогруппы в синтезе пептидов. Реакция с формальдегидом лежит в основе метода количественного анализа аминокислот (метод формольного титрования, метод Зеренсена). Сущность метода формольного титрования заключается в следующем: до взаимодействия с формальдегидом растворы большинства аминокислот имеют реакцию, близкую к нейтральной; N-метилольное производное проявляет кислотные свойства и может быть оттитровано раствором щелочи с известной концентрацией.

Как первичные алифатические амины α-аминокислоты подвергаются действию азотистой кислоты с образованием соответствующих α-оксикислот и выделением азота:

Эту реакцию называют реакцией дезаминирования in vitro. Ее используют и как качественную реакцию для доказательства наличия первичной алифатической аминогруппы (наблюдают выделение пузырьков газа), и для количественного анализа (ме-

192

тод Ван-Слайка) – по объему выделившегося азота рассчитывают количество аминокислоты, вступившей в реакцию.

Специфическим свойством α-аминокислот является их способность к декарбоксилированию при нагревании в присутствии гидроксида бария:

Рассмотренные выше реакции характерны для всех α- аминокислот. Существуют также реакции на определенные группы аминокислот.

Для обнаружения ароматических аминокислот используют так называемую ксантопротеиновую реакцию. При нагревании этих аминокислот (или белков, в структуре которых присутствуют их остатки) с концентрированной азотной кислотой образуются продукты нитрования желтого цвета, которые в щелочной среде приобретают оранжевую окраску:

Серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин, метионин) обнаруживают по реакции с ацетатом свинца (реакция Фоля).

При нагревании с щелочью серосодержащие аминокислоты разлагаются, одним из продуктов разложения является сульфид натрия. При дальнейшем добавлении ацетата свинца образуется осадок сульфида свинца серо-черного цвета.

193

Реакции α-аминокислот in vivo

Аминокислоты не накапливаются в клетке: как правило, их избыток разрушается при помощи реакций, которые снабжают живую систему энергией. Аминокислоты принимают участие в метаболических процессах, в результате которых в клетке синтезируются необходимые ей соединения. Основные реакции, за счет которых осуществляется превращение аминокислот в клетке, – это декарбоксилирование, дезаминирование, переаминирование. Эти реакции катализируются соответствующими ферментами.

В результате реакций декарбоксилирования образуются био-

генные амины.

Реакции дезаминирования могут осуществляться как по окислительному, так и по неокислительному пути.

Неокислительное дезаминирование встречается в основном у растений и грибов. Так, например, с участием фермента аспартазы протекает дезаминирование аспарагиновой кислоты с образованием транс-бутендиовой (фумаровой) кислоты:

аспартаза

HOOC-CH2-CH-COOH HOOC-CH=CH-COOH + NH 3

фумаровая кислота

NH2

аспарагиновая кислота

Окислительное дезаминирование осуществляется через образование промежуточной иминокислоты, которая затем подвергается гидролизу:

194

Переаминирование α-аминокислот сводится к взаимопревращению их аминогрупп и карбонильных групп α-кетокислот под действием ферментов трансаминаз (аминотрансфераз). Это основной путь биосинтеза α-аминокислот из α-кетокислот. Донором аминогруппы служит аминокислота, имеющаяся в клетке в достаточном количестве, а ее акцептором – кетокислота. Например, таким образом, из аспарагиновой кислоты в клетке может быть синтезирован аланин или глютаминовая кислота:

Реакция переаминирования является связующим звеном между процессами метаболизма белков (аминокислоты) и углеводов (кетокислоты).

ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ Пептиды и белки – соединения, построенные из остатков α-

аминокислот. Деление между ними условное: принято считать, что пептиды построены из остатков менее 100 аминокислот, белки – более 100 аминокислот.

Можно рассматривать полипептидную цепь как продукт поликонденсации α-аминокислот, а пептидную связь – как амид-

195

ную, т.е. пептиды и белки являются полиамидами. Схематично образование трипептида можно показать следующим образом:

пептидные связи

трипептид

Пептидная цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся пептидных (амидных) групп и CH-групп с соответствующими радикалами. Принято записывать структуру пептида, начиная со свободной аминогруппы (N-конца молекулы) и заканчивая свободной карбоксильной группой (C-конец).

Названия пептидов строятся путем последовательного перечисления аминокислотных остатков, начиная с N-конца. Названия аминокислот, вступивших в образование пептидной связи своей карбоксильной группой, заканчиваются суффиксом «-ил»,

аланилглицилфенилаланин (Ала-Гли-Фен)

Амидная связь между двумя α-аминокислотными остатками называется пептидной связью. Атомы углерода, азота и кислорода пептидной связи находятся в sp2-гибридизации, все 4 атома CONH-группы расположены в одной плоскости под углом 120о.

196

Hет жесткую плоскостную структуру пептидной связи:

Качественной реакцией на пептидную связь является биу- ретовая реакция: при взаимодействии пептида с Cu(OH)2 наблюдается красновато-фиолетовое окрашивание. Обратите внимание, что эта реакция не характерна для дипептидов.

При единообразно построенной цепи пептиды и белки отличаются аминокислотным составом и аминокислотной последовательностью. Аминокислотный состав показывает, какие аминокислоты и в каких соотношениях входят в структуру пептидов и белков. Для определения аминокислотного состава пептид или белок подвергают гидролизу и гидролизат анализируют (чаще всего хроматографическими методами).

Пептидные связи гидролизуются и в кислой, и в щелочной среде. При кислотном гидролизе пептидов образуются соли аминокислот по аминогруппе, при щелочном гидролизе – соли по карбоксильной группе:

197

ция AN). При обработке меченого пептида слабой кислотой при комнатной температуре происходит внутримолекулярная циклизация в фенилтиогидантоиновое производное (ФТГ-производное) с одновременным гидролизом пептидной связи:

ФТГ-производное идентифицируется методом тонкослойной хроматографии. Преимущество метода Эдмана в том, что остальная часть пептидной молекулы не нарушается, и можно повторять операции по отщеплению следующей N-концевой аминокислоты. Сейчас этот метод воспроизводится в автоматическом приборе, который осуществляет до 50 стадий отщепления и автоматически анализирует ФТГ-производные.

Для белков, наряду с первичной структурой, характерны более высокие уровни организации – вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Под вторичной структурой белка понимают пространст-

венное расположение атомов полипептидной цепи. Существует два типа вторичной структуры – α-спираль и β-складчатая структура.

На основании теоретических расчетов в 1950 г. Полинг и Кори доказали, что для полипептидной цепи наиболее выгодной конформацией является α-спираль – структура, сходная с правозакрученной винтовой лестницей (рис. 5). Поскольку α-спираль построена из повторяющихся единиц –NH-CHR-CO-, то размеры ее относительно постоянны. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали 0,54 нм, диаметр – 0,5 нм. Плоскости двух соседних пептидных групп находятся под углом ~108о, боковые радикалы находятся на наружной стороне спирали (направлены как бы от цилиндра).

Фиксируют такую спиральную конформацию водородные связи, которые возникают между атомом кислорода карбониль-

199