Аминокислоты, белки и пептиды являются примерами соединений, описанных далее. Многие биологически активные молекулы включают несколько химически различных функциональных групп, которые могут взаимодействовать между собой и с функциональными группа друг друга.
Аминокислоты.
Аминокислоты - органические бифункциональные соединения, в состав которых входит карбоксильная группа -СООН , а аминогруппа - NH 2 .
Разделяют α и β - аминокислоты:
В природе встречаются в основном α -кислоты. В состав белков входят 19 аминокислот и ода иминокислота (С 5 Н 9 NO 2 ):
Самая простая аминокислота - глицин. Остальные аминокислоты можно разделить на следующие основные группы:
1) гомологи глицина - аланин, валин, лейцин, изолейцин.
Получение аминокислот.
Химические свойства аминокислот.
Аминокислоты - это амфотерные соединения, т.к. содержат в своём составе 2 противоположные функциональные группы - аминогруппу и гидроксильную группу. Поэтому реагируют и с кислотами и с щелочами:
Кислотно-основные превращение можно представить в виде:
В первом разделе данной главы уже охарактеризована необходимость и основная стратегия расщепления аминокислот. Она объясняется невозможностью запасания аминокислот впрок и невозможностью их выведения из клеток целиком. Избыточные аминокислоты используются организмами как метаболическое топливо : их углеродные скелеты при перестройках определенного рода могут вовлекаться в биосинтез жирных кислот, глюкозы, кетоновых тел, изопреноидов и др., а также окисляться в ЦТК, обеспечивая клетку энергией. Следует отметить, что многие микроорганизмы, в частности аэробные бактерии, способны использовать отдельные аминокислоты в качестве единственного источника энергии и углерода. У анаэробных микроорганизмов, при отсутствии в клетках цикла трикарбоновых кислот, выработался другой механизм: катаболизм аминокислот в парах, когда одна из них служит донором электронов, а вторая-акцептором. Важно, что в таком процессе происходит образование АТР.
Кроме углеродных скелетов, при деградации аминокислот образуется аминный азот, который в отличие от углерода не пригоден для получения энергии за счет окисления, и более того, является токсичным для клеток. Поэтому те аминогруппы, которые не могут повторно использоваться в биосинтезе, превращаются в мочевину (или другие вещества) и выводятся из организма.
Ниже будут рассмотрены основные типы реакций, в которые могут вступать аминокислоты: реакции по a-аминогруппе, карбоксильной группе и боковой цепи.
Расщепление аминокислот по аминогруппе . Эти процессы представлены в основном реакциями трансаминирования и дезаминирования по a-аминогруппе. Реакции трансаминирования уже были рассмотрены в разделе, касающемся биосинтеза аминокислот. Они катализируются трансаминазами (аминотрансферазами), отличительной особенностью которых является использование пиридоксальфосфата (производное витамина В 6) в качестве простетической группы. Наибольшее значение в процессах деградации аминокислот имеют глутамат-трансаминаза и аланин-трансаминаза. Эти ферменты выполняют роль «воронок», собирающих аминогруппы от разных аминокислот и включающих их в состав глутамата и аланина. У животных эти две аминокислоты служат переносчиками накапливающегося аминного азота из тканей в печень. В печени аминогруппа аланина переносится аланинтрансаминазой на a-кетоглутарат с образованием глутамата:
Таким образом, большинство аминогрупп различных аминокислот оказывается в составе глутамата, который легко подвергается дезаминированию.
Реакции дезаминирования аминокислот приводят к освобождению NH 2 -группы в виде аммиака и осуществляются тремя разными путями. Различают окислительное, гидролитическое и прямое дезаминирование (рис. 16.12). Наиболее распространенным типом является окислительное дезаминирование , которое осуществляется по a-аминогруппе и катализируется в основном глутаматдегидрогеназой - типичным для печени ферментом. Необычным свойством этого фермента является способность использовать как NAD, так и NADP в качестве коферментов. Активность глутаматдегидрогеназы регулируется аллостерическими активаторами (ADP, GDP) и ингибиторами (ATP, GTP).
Окислительное дезаминирование осуществляется в две стадии с образованием иминокислоты в качестве промежуточного продукта, который спонтанно гидролизуется, превращаясь в кетокислоту и аммиак (рис. 16.12). Обе реакции обратимы, и их константы равновесия близки к единице. Ранее (рис. 16.3) было показано, как в ходе обратной реакции аммиак включается в состав глутамата. Можно считать, что реакция образования и дезаминирования глутамата является центральной реакцией в процессе метаболизма аммиака.
У многих организмов окислительное дезаминирование осуществляется с помощью дегидрогеназ, использующих флавиновые кофакторы (FMN, FAD). Эти ферменты называют оксидазами аминокислот. Они характеризуются широкой субстратной специфичностью: одни специфичны к L-аминокислотам, другие - к их D-аналогам. Считается, что эти ферменты вносят небольшой вклад в обмен аминогрупп.
Гидролитическому дезаминированию подвержены немногие аминокислоты, из протеиногенных - аспарагин и глутамин. При их дезаминировании образуются соответственно аспартат и глутамат. Этот процесс правильнее называть дезамидированием, поскольку он осуществляется за счет амидной группы (рис. 16.12). В редких случаях таким путем отщепляется и aаминогруппа аминокислоты, тогда образуются аммиак и оксикислота.
В результате прямого (внутримолекулярного) дезаминирования возникают ненасыщенные соединения. Прямому дезаминированию обычно подвергается гистидин, а также серин. Однако первичная ферментативная атака серина приводит к отщеплению молекулы воды (фермент-серингидратаза), и в этом превращении участвует боковая гидроксильная группа серина. Спонтанному дезаминированию в данном случае подвергается нестабильное промежуточное соединение - аминоакрилат. Продуктом суммарной реакции является пируват, и этот тип дезаминирования вызывается перестройкой в боковой цепи аминокислоты.
Реакции аминокислот по карбоксильной группе . Превращения по карбоксильной группе аминокислот могут использоваться организмами для деградации этих молекул, а также для превращения в другие, необходимые клетке соединения, в первую очередь аминоациладенилаты и биогенные амины. Образование аминоациладенилатов на подготовительной стадии синтеза белка уже было описано в главе 3. Биогенные амины возникают в реакциях, катализируемых декарбоксилазами аминокислот. Эти ферменты широко распространены у животных, растений и особенно у микроорганизмов, причем известно, что у патогенных микроорганизмов декарбоксилазы могут служить факторами агрессии , с помощью которых возбудитель проникает в соответствующие ткани. Декарбоксилазы L-аминокислот, так же как трансаминазы, используют в качестве простетической группы пиридоксальфосфат.
Моноамины (биогенные амины) выполняют в организмах разнообразные функции. Например, этаноламин, образующийся при декарбоксилировании серина, является составной частью полярных липидов. При декарбоксилировании цистеина и аспартата образуются соответственно цистеамин и b-аланин, которые входят в состав такого важного для клеток кофермента, как коэнзим А. Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина - медиатора, участвующего в регуляции скорости метаболических процессов, деятельности желез внутренней секреции, регуляции кровяного давления у животных. Многие другие биогенные амины выполняют функции сигнальных веществ, в частности широко распространенных у животных и человека нейромедиаторов.
Реакции аминокислот по боковой цепи . Насколько разнообразна структура радикалов аминокислот, настолько разнообразны и химические превращения, которым они могут подвергаться. Среди этих многообразных реакций можно выделить те, которые позволяют клетке получать из одних аминокислот другие. Например, тирозин образуется при окислении ароматического кольца фенилаланина; гидролиз аргинина приводит к формированию орнитина (см. цикл мочевины); расщепление треонина сопровождается образованием глицина и т. п.
Кроме этих реакций, важное значение имеют превращения боковых групп, связанные с возникновением физиологически активных веществ. Так, из тирозина образуется гормон адреналин, из триптофана образуются никотиновая кислота (витамин РР, входящий в состав никотинамидных коферментов) и индолилуксусная кислота (ростовое вещество), из цистеина-меркаптуровые кислоты (участвуют в обезвреживании ароматических соединений). Уже отмечалась возможность превращения серина в пируват при дегидратации его боковой цепи и дезаминировании.
Таким образом, разнообразные химические превращения аминокислот могут приводить к образованию биологически активных веществ с широким спектром действия и, кроме того, к отщеплению аминогрупп в виде аммиака с формированием углеродных скелетов. В следующем разделе будет рассмотрена судьба аммиака и углеродных атомов расщепленных аминокислот.
Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, которые обязательно содержат две функциональные группы: аминогруппу - NH 2 и карбоксильную группу -СООН, связанные с углеводородным радикалом.Общую формулу простейших аминокислот можно записать так:
Так как аминокислоты содержат две различные функциональные группы, которые оказывают влияние друг на друга, характерные реакции отличаются от характерных реакций карбоновых кислот и аминов.
Свойства аминокислот
Аминогруппа - NH 2 определяет основные свойства аминокислот, т. к. способна присоединять к себе катион водорода по донорно-акцепторному механизму за счет наличия свободной электронной пары у атома азота.
Группа -СООН (карбоксильная группа) определяет кислотные свойства этих соединений. Следовательно, аминокислоты - это амфотерные органические соединения. Со щелочами они реагируют как кислоты:
С сильными кислотами- как основания-амины:
Кроме того, аминогруппа в аминокислоте вступает во взаимодействие с входящей в ее состав карбоксильной группой, образуя внутреннюю соль:
Ионизация молекул аминокислот зависит от кислотного или щелочного характера среды:
Так как аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения, то в живых организмах они играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концентрацию ионов водорода.
Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при температуре выше 200 °С. Они растворимы в воде и нерастворимы в эфире. В зависимости от радикала R- они могут быть сладкими, горькими или безвкусными.
Аминокислоты подразделяют на природные (обнаруженные в живых организмах) и синтетические. Среди природных аминокислот (около 150) выделяют протеиногенные аминокислоты (около 20), которые входят в состав белков. Они представляют собой L-формы. Примерно половина из этих аминокислот относятся к незаменимым , т. к. они не синтезируются в организме человека. Незаменимыми являются такие кислоты, как валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, лизин, треонин, цистеин, метионин, гистидин, триптофан. В организм человека данные вещества поступают с пищей. Если их количество в пище будет недостаточным, нормальное развитие и функционирование организма человека нарушаются. При отдельных заболеваниях организм не в состоянии синтезировать и некоторые другие аминокислоты. Так, при фенилкетонурии не синтезируется тирозин. Важнейшим свойством аминокислот является способность вступать в молекулярную конденсацию с выделением воды и образованием амидной группировки -NH-СО-, например:
Получаемые в результате такой реакции высокомолекулярные соединения содержат большое число амидных фрагментов и поэтому получили название полимамидов.
К ним, кроме названного выше синтетического волокна капрона, относят, например, и энант, образующийся при поликонденсации аминоэнантовой кислоты. Для получения синтетических волокон пригодны аминокислоты с расположением амино- и карбоксильной групп на концах молекул.
Полиамиды альфа-аминокислот называются пептидами . В зависимости от числа остатков аминокислот различают дипептиды, трипептиды, полипептиды . В таких соединениях группы -NH-СО- называют пептидными.
23.6.1. Декарбоксилирование аминокислот - отщепление карбоксильной группы от аминокислоты с образованием СО2 . Продуктами реакций декарбоксилирования аминокислот являютсябиогенные амины , участвующие в регуляции обмена веществ и физиологических процессов в организме (см. таблицу 23.1).
Таблица 23.1
Биогенные амины и их предшественники.
Реакции декарбоксилирования аминокислот и их производных катализируют декарбоксилазы аминокислот. Кофермент - пиридоксальфосфат (производное витамина В6 ). Реакции являются необратимыми.
23.6.2. Примеры реакций декарбоксилирования. Некоторые аминокислоты непосредственно подвергаются декарбоксилированию. Реакция декарбоксилирования гистидина :
Гистамин обладает мощным сосудорасширяющим действием, особенно капилляров в очаге воспаления; стимулирует желудочную секрецию как пепсина, так и соляной кислоты, и используется для исследования секреторной функции желудка.
Реакция декарбоксилирования глутамата :
ГАМК - тормозный медиатор в центральной нервной системе.
Ряд аминокислот подвергается декарбоксилированию после предварительного окисления. Продукт гидроксилирования триптофана превращается в серотонин:
Серотонин образуется главным образом в клетках центральной нервной системы, обладает сосудосуживающим действием. Участвует в регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания, почечной фильтрации.
Продукт гидроксилирования тирозина переходит в дофамин:
Дофамин служит предшественником катехоламинов; является медиатором ингибирующего типа в центральной нервной системе.
Тиогруппа цистеина окисляется до сульфогруппы, продукть этой реакции декарбоксилируется с образованием таурина:
Таурин образуется главным образом в печени; участвует в синтезе парных желчных кислот (таурохолевой кислоты).
21.5.3. Катаболизм биогенных аминов. В органах и тканях существуют специальные механизмы, предупреждающие накопление биогенных аминов. Основной путь инактивации биогенных аминов - окислительное дезаминирование с образованием аммиака - катализируется моно- и диаминооксидазами.
Моноаминооксидаза (МАО) - ФАД-содержащий фермент - осуществляет реакцию:
В клинике используются ингибиторы МАО (ниаламид, пиразидол) для лечения депрессивных состояний.
Большую часть энергии организм получает в результате окисления углеводов и нейтральных жиров (до 90 %). Остальную часть ~ 10% за счет окисления аминокислот. Аминокислоты, прежде всего, используются для синтеза белка. Окисление их происходит:
1) если аминокислоты, образующиеся при обновлении белков не используются для синтеза новых белков;
2) если в организм поступает избыток белка;
3) в период голодания или при сахарном диабете, когда нет углеводов или их усвоение нарушено, в качестве источника энергии используются аминокислоты.
Во всех этих ситуациях аминокислоты теряют свои аминогруппы и превращаются в соответствующие α-кетокислоты, которые затем окисляются до СО 2 и H 2 O. Частично это окисление идет через цикл трикарбоновых кислот. В результате дезаминирования и окисления образуются пировиноградная кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-КоА, фумаровая кислота. Некоторые аминокислоты могут превращаться в глюкозу, а другие – в кетоновые тела.
Пути обезвреживания аммиака в тканях животных
Аммиак токсичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака:
1. Синтез аммонийных солей.
2. Синтез амидов дикарбоновых аминокислот.
3. Синтез мочевины.
Синтез аммонийных солей происходит ограниченно в почках, это как дополнительное защитное приспособление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты частично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания оргинических и неорганических кислот, образуя с ними нейтральные и кислые соли:
R – COOH + NH 3 → R – COONH 4 ;
H 2 SO 4 + 2 NH 3 → (NH 4) 2 SO 4 ;
H 3 PO 4 + NH 3 → NH 4 H 2 PO 4
Этим путем организм защищается от потери с мочой при выведениикислот знпачительного количества катионов (Na, K, отчасти Са, Mg), что могло бы привести к резкому снижению щелочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводимых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака является использование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фермента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагиновой кислоты при участии аспарагинсинтетазы – аспарагин:
Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти аминокислоты находятся в структуре белка, то есть акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в состав которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и с помощью аланина (глюкозо-аланиновый цикл). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а работающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезируется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из α-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, которая затем передает аминную группу - NH 2 пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин – нейтральная аминокислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим образом:
Глутаминовая кислота + пировиноградная кислота ↔
↔ α-кетоглутаровая кислота + аланин
Рис.
10.1. Глюкозо-аланиновый цикл.
Этот цикл выполняет две функции: 1) переносит аминогруппы из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину;
2) обеспечивает работающие мышцы глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углеродный скелет аланина.
Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO 2 и воды.
Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько этапов.
1 стадия – образование карбамоилфосфата происходит в митохондриях под действием фермента карбомоилфосфат-синтетазы:
На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:
Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты.
Цитруллин аспарагиновая аргинин-янтарная
кислота кислота
Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоты.
Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуется мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в митохондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания аммиака, а мочевина выделяется с мочой.
Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтрализуется две молекулы NH 3 и CO 2 (HCO 3), что также имеет значение в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется 3 молекулы АТФ, в том числе две при синтезе карбомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кислоты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавелевоуксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования может превратиться в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выделяется из организма в виде креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата.
Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80-90%, аммонийных солей – 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.
У птиц и рептилий – нейтрализация аммиака происходит путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках - это источник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).
