Аминокиселини, протеини и пептидиса примери за съединенията, описани по-долу. Много биологично активни молекули съдържат няколко химически различни функционални групи, които могат да взаимодействат една с друга и с функционалните групи една на друга.
Аминокиселини.
Аминокиселини- органични бифункционални съединения, които включват карбоксилна група - UNS, а аминогрупата е Н.Х. 2 .
Отделно α И β - аминокиселини:
Среща се предимно в природата α - киселини. Протеините съдържат 19 аминокиселини и една иминокиселина ( C 5 H 9НЕ 2 ):
Най-простият аминокиселина- глицин. Останалите аминокиселини могат да бъдат разделени на следните основни групи:
1) хомолози на глицин - аланин, валин, левцин, изолевцин.
Получаване на аминокиселини.
Химични свойства на аминокиселините.
Аминокиселини- това са амфотерни съединения, т.к съдържат 2 противоположни функционални групи - аминогрупа и хидроксилна група. Следователно те реагират както с киселини, така и с основи:
Киселинно-алкалната трансформация може да бъде представена като:
Първият раздел на тази глава вече описа необходимостта и основната стратегия за разграждането на аминокиселините. Това се обяснява с невъзможността за съхраняване на аминокиселини за бъдеща употреба и невъзможността за пълното им отстраняване от клетките. Излишните аминокиселини се използват от организмите като метаболитно гориво: техните въглеродни скелети, по време на пренареждания от определен вид, могат да участват в биосинтезата на мастни киселини, глюкоза, кетонови тела, изопреноиди и др., а също така могат да бъдат окислени в цикъла на ТСА, осигурявайки на клетката енергия. Трябва да се отбележи, че много микроорганизми, по-специално аеробни бактерии, могат да използват отделни аминокиселини като единствен източник на енергия и въглерод. В анаеробните микроорганизми, при липса на цикъл на трикарбоксилна киселина в клетките, се е развил друг механизъм: катаболизъм на аминокиселини по двойки, когато една от тях служи като донор на електрони, а втората като акцептор. Важно е, че в този процес се образува АТФ.
В допълнение към въглеродните скелети, разграждането на аминокиселините произвежда аминен азот, който, за разлика от въглерода, не е подходящ за получаване на енергия чрез окисляване и освен това е токсичен за клетките. Следователно онези аминогрупи, които не могат да бъдат използвани повторно в биосинтезата, се превръщат в урея (или други вещества) и се екскретират от тялото.
По-долу ще разгледаме основните типове реакции, на които могат да претърпят аминокиселините: реакции в а-аминогрупата, карбоксилната група и страничната верига.
Разграждане на аминокиселините по аминогрупи . Тези процеси са представени главно от реакции на трансаминиране и дезаминиране в а-аминогрупата. Реакциите на трансаминиране вече бяха обсъдени в раздела за биосинтеза на аминокиселини. Те се катализират от трансаминази (аминотрансферази), чиято отличителна черта е използването на пиридоксал фосфат (производно на витамин B 6) като простетична група. Глутамат трансаминазата и аланин трансаминазата са от голямо значение в процесите на разграждане на аминокиселините. Тези ензими действат като „фунии“, които събират амино групи от различни аминокиселини и ги включват в глутамат и аланин. При животните тези две аминокиселини служат като преносители на натрупания аминен азот от тъканите към черния дроб. В черния дроб аминогрупата на аланина се прехвърля от аланин трансаминазата до a-кетоглутарат, за да образува глутамат:
По този начин повечето от аминогрупите на различни аминокиселини се съдържат в глутамат, който лесно се дезаминира.
Реакциите на дезаминиране на аминокиселините водят до освобождаване на NH2 групата под формата на амоняк и се извършват по три различни начина. Има окислително, хидролитично и директно дезаминиране (фиг. 16.12). Най-често срещаният тип е окислително дезаминиране, който се среща в а-амино групата и се катализира главно от глутамат дехидрогеназа, типичен чернодробен ензим. Необичайно свойство на този ензим е способността му да използва както NAD, така и NADP като коензими. Активността на глутамат дехидрогеназата се регулира от алостерични активатори (ADP, GDP) и инхибитори (ATP, GTP).
Окислителното деаминиране протича в два етапа, като се получава иминокиселина като междинен продукт, който спонтанно се хидролизира, за да образува кето киселина и амоняк (Фигура 16.12). И двете реакции са обратими и техните равновесни константи са близки до единица. По-рано (фиг. 16.3) беше показано как по време на обратната реакция амонякът се включва в състава на глутамата. Може да се счита, че реакцията на образуване и дезаминиране на глутамат е централна реакция в процеса на метаболизма на амоняка.
В много организми окислителното дезаминиране се извършва с помощта на дехидрогенази, които използват флавинови кофактори (FMN, FAD). Тези ензими се наричат аминокиселинни оксидази. Те се характеризират с широка субстратна специфичност: някои са специфични за L-аминокиселини, други за техните D-аналози. Смята се, че тези ензими имат малък принос за метаболизма на аминогрупите.
Хидролитично дезаминиранеЧувствителни са малко аминокиселини, от протеиногенните - аспарагин и глутамин. При дезаминирането им се образуват съответно аспартат и глутамат. Този процес е по-правилно да се нарича дезаминиране, тъй като се извършва от амидната група (фиг. 16.12). В редки случаи аминогрупата на аминокиселина също се отцепва по този начин, след което се образуват амоняк и хидрокси киселина.
Като резултат директно (вътремолекулно) дезаминираневъзникват ненаситени съединения. Хистидинът, както и серинът, обикновено се подлагат на директно дезаминиране. Първоначалната ензимна атака на серина обаче води до елиминиране на водна молекула (ензим серин хидратаза) и страничната хидроксилна група на серина участва в това превръщане. В този случай нестабилното междинно съединение, аминоакрилатът, претърпява спонтанно дезаминиране. Нетният реакционен продукт е пируват и този тип дезаминиране се причинява от пренареждане в страничната верига на аминокиселината.
Реакции на аминокиселини в карбоксилната група . Трансформациите в карбоксилната група на аминокиселините могат да бъдат използвани от организмите за разграждане на тези молекули, както и за превръщането им в други съединения, необходими за клетката, предимно аминоацил аденилати и биогенни амини. Образуването на аминоацил аденилати в подготвителния етап на протеиновия синтез вече е описано в глава 3. Биогенни аминивъзникват при реакции, катализирани от аминокиселинни декарбоксилази. Тези ензими са широко разпространени в животните, растенията и особено в микроорганизмите и е известно, че в патогенните микроорганизми декарбоксилазите могат да служат фактори на агресията, с помощта на които патогенът прониква в съответните тъкани. L-аминокиселинните декарбоксилази, подобно на трансаминазите, използват пиридоксал фосфат като простетична група.
Моноамините (биогенни амини) изпълняват различни функции в организмите. Например, етаноламинът, образуван от декарбоксилирането на серин, е неразделна част от полярните липиди. Когато цистеин и аспартат се декарбоксилират, се образуват съответно цистеамин и b-аланин, които са част от такъв важен коензим за клетките като коензим А. Декарбоксилирането на хистидин води до образуването на хистамин, медиатор, участващ в регулирането на скоростта на метаболитните процеси, дейността на ендокринните жлези и регулирането на кръвното налягане при животните. Много други биогенни амини функционират като сигнални вещества, особено тези, които са широко разпространени при животни и хора. невротрансмитери.
Реакции на аминокиселини по страничната верига . Колкото и разнообразна да е структурата на аминокиселинните радикали, химичните трансформации, на които те могат да претърпят, също са разнообразни. Сред тези разнообразни реакции можем да различим тези, които позволяват на клетката да получи други от една аминокиселина. Например, тирозинът се образува чрез окисление на ароматния пръстен на фенилаланин; хидролизата на аргинин води до образуването на орнитин (виж цикъл на урея); разграждането на треонина се придружава от образуването на глицин и др.
В допълнение към тези реакции са важни трансформациите на страничните групи, свързани с появата на физиологично активни вещества. По този начин хормонът адреналин се образува от тирозин, никотинова киселина (витамин РР, част от никотинамидните коензими) и индолилоцетна киселина (вещество за растеж) се образуват от триптофан, а меркаптуровите киселини се образуват от цистеин (участват в неутрализирането на ароматните съединения). Вече е отбелязана възможността за превръщане на серин в пируват чрез дехидратация на неговата странична верига и дезаминиране.
По този начин различни химични трансформации на аминокиселини могат да доведат до образуването на биологично активни вещества с широк спектър на действие и в допълнение до елиминирането на аминогрупите под формата на амоняк с образуването на въглеродни скелети. Следващият раздел ще разгледа съдбата на амоняка и въглеродните атоми на разградените аминокиселини.
Аминокиселините са хетерофункционални съединения, които задължително съдържат две функционални групи: аминогрупа - NH 2 и карбоксилна група - COOH, свързани с въглеводороден радикал.Общата формула на най-простите аминокиселини може да бъде написана, както следва:
Тъй като аминокиселините съдържат две различни функционални групи, които си влияят една на друга, характерните реакции се различават от тези на карбоксилните киселини и амините.
Свойства на аминокиселините
Аминогрупата - NH 2 определя основните свойства на аминокиселините, тъй като е способна да прикрепи към себе си водороден катион чрез донорно-акцепторен механизъм поради наличието на свободна електронна двойка при азотния атом.
Групата -COOH (карбоксилна група) определя киселинните свойства на тези съединения. Следователно аминокиселините са амфотерни органични съединения. Те реагират с алкали като киселини:
Със силни киселини - като основи - амини:
В допълнение, аминогрупата в аминокиселината взаимодейства с нейната карбоксилна група, образувайки вътрешна сол:
Йонизацията на аминокиселинните молекули зависи от киселинния или алкалния характер на средата:
Тъй като аминокиселините във водни разтвори се държат като типични амфотерни съединения, в живите организми те играят ролята на буферни вещества, които поддържат определена концентрация на водородни йони.
Аминокиселините са безцветни кристални вещества, които се топят и разлагат при температури над 200 °C. Те са разтворими във вода и неразтворими в етер. В зависимост от R- радикала те могат да бъдат сладки, горчиви или безвкусни.
Аминокиселините се делят на естествени (съдържащи се в живите организми) и синтетични. Сред естествените аминокиселини (около 150) се разграничават протеиногенни аминокиселини (около 20), които са част от протеините. Те са L-образни. Около половината от тези аминокиселини са незаменим, защото не се синтезират в човешкия организъм. Есенциалните киселини са валин, левцин, изолевцин, фенилаланин, лизин, треонин, цистеин, метионин, хистидин, триптофан. Тези вещества влизат в човешкото тяло с храна. Ако количеството им в храната е недостатъчно, нормалното развитие и функциониране на човешкия организъм се нарушава. При определени заболявания тялото не е в състояние да синтезира някои други аминокиселини. Така при фенилкетонурия тирозинът не се синтезира. Най-важното свойство на аминокиселините е способността да влизат в молекулярна кондензация с освобождаване на вода и образуване на амидна група -NH-CO-, например:
Получените в резултат на тази реакция високомолекулни съединения съдържат голям брой амидни фрагменти и затова се наричат полиамиди.
Те, в допълнение към синтетичните найлонови влакна, споменати по-горе, включват например енант, образуван по време на поликондензацията на аминоенантова киселина. Аминокиселините с амино и карбоксилни групи в краищата на молекулите са подходящи за производство на синтетични влакна.
Полиамидите на алфа аминокиселините се наричат пептиди. В зависимост от броя на аминокиселинните остатъци се разграничават дипептиди, трипептиди, полипептиди. В такива съединения -NH-CO- групите се наричат пептидни групи.
23.6.1. Декарбоксилиране на аминокиселини - отцепване на карбоксилна група от аминокиселина до образуване на СО2. Продуктите от реакциите на декарбоксилиране на аминокиселини са биогенни амини , участващи в регулирането на метаболизма и физиологичните процеси в организма (виж таблица 23.1).
Таблица 23.1
Биогенни амини и техните прекурсори.
Реакциите на декарбоксилиране на аминокиселините и техните производни се катализират от декарбоксилаза аминокиселини. Коензим - пиридоксал фосфат (производно на витамин В6). Реакциите са необратими.
23.6.2. Примери за реакции на декарбоксилиране.Някои аминокиселини претърпяват директно декарбоксилиране. Реакция на декарбоксилиране хистидин :
Хистаминима мощен съдоразширяващ ефект, особено на капилярите в мястото на възпалението; стимулира стомашната секреция както на пепсин, така и на солна киселина и се използва за изследване на секреторната функция на стомаха.
Реакция на декарбоксилиране глутамат :
GABA- инхибиторен предавател в централната нервна система.
Редица аминокиселини претърпяват декарбоксилиране след предварително окисление. Продукт на хидроксилиране триптофан се превръща в серотонин:
СеротонинОбразува се главно в клетките на централната нервна система и има съдосвиващо действие. Участва в регулирането на кръвното налягане, телесната температура, дишането и бъбречната филтрация.
Продукт на хидроксилиране тирозин се превръща в допамин:
Допаминслужи като прекурсор на катехоламини; е медиатор от инхибиторен тип в централната нервна система.
Тиогрупа цистеин окислява до сулфо група, продуктът от тази реакция се декарбоксилира до образуване на таурин:
Тауринобразува се главно в черния дроб; участва в синтеза на сдвоени жлъчни киселини (таурохолева киселина).
21.5.3. Катаболизъм на биогенни амини.В органите и тъканите има специални механизми, които предотвратяват натрупването на биогенни амини. Основният път на инактивиране на биогенни амини - окислително дезаминиране с образуване на амоняк - се катализира от моно- и диаминоксидази.
Моноаминооксидаза (МАО)- FAD-съдържащ ензим - осъществява реакцията:
Клиниката използва МАО инхибитори (ниаламид, пиразидол) за лечение на депресивни състояния.
Тялото получава по-голямата част от енергията си от окисляването на въглехидрати и неутрални мазнини (до 90%). Останалите ~ 10% се дължат на окислението на аминокиселините. Аминокиселините се използват предимно за синтеза на протеини. Тяхното окисление се случва:
1) ако аминокиселините, образувани по време на обновяването на протеина, не се използват за синтеза на нови протеини;
2) ако в тялото попадне излишен протеин;
3) по време на периоди на гладуване или диабет, когато няма въглехидрати или тяхното усвояване е нарушено, аминокиселините се използват като източник на енергия.
Във всички тези ситуации аминокиселините губят своите аминогрупи и се превръщат в съответните α-кето киселини, които след това се окисляват до CO 2 и H 2 O. Част от това окисление се осъществява чрез цикъла на трикарбоксилната киселина. В резултат на дезаминиране и окисление се образуват пирогроздена киселина, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутарова киселина, сукцинил-КоА и фумарова киселина. Някои аминокиселини могат да се превърнат в глюкоза, докато други могат да се превърнат в кетонови тела.
Начини за неутрализиране на амоняка в животинските тъкани
Амонякът е токсичен и натрупването му в тялото може да причини смърт. Има следните начини за неутрализиране на амоняка:
1. Синтез на амониеви соли.
2. Синтез на амиди на дикарбоксилни аминокиселини.
3. Синтез на урея.
Синтезът на амониеви соли се извършва в ограничена степен в бъбреците, като допълнително защитно средство за тялото по време на ацидоза. Амонякът и кетокиселините се използват частично за ресинтеза на аминокиселини и за синтеза на други азотни вещества. В допълнение, в бъбречната тъкан амонякът участва в процеса на неутрализиране на органични и неорганични киселини, образувайки с тях неутрални и киселинни 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
По този начин тялото се предпазва от загубата на значително количество катиони (Na, K, отчасти Ca, Mg) в урината при отделянето на киселини, което може да доведе до рязко намаляване на алкалния резерв на кръвта. . Количеството амониеви соли, екскретирани в урината, се увеличава значително с ацидоза, тъй като амонякът се използва за неутрализиране на киселината. Един от начините за свързване и неутрализиране на амоняка е използването му за образуване на амидна връзка на глутамин и аспарагин. В този случай глутаминът се синтезира от глутаминова киселина под действието на ензима глутамин синтетаза, а аспарагинът се синтезира от аспарагинова киселина с участието на аспарагин синтетаза:
По този начин амонякът се елиминира в много органи (мозък, ретина, бъбреци, черен дроб, мускули). Амидите на глутаминовата и аспарагиновата киселина също могат да се образуват, когато тези аминокиселини са в протеиновата структура, т.е. не само свободната аминокиселина, но и протеините, в които те са част, могат да бъдат акцептор на амоняк. Аспарагинът и глутаминът се доставят в черния дроб и се използват в синтеза на урея. Амонякът се транспортира до черния дроб чрез аланин (глюкоза-аланинов цикъл). Този цикъл осигурява прехвърлянето на аминогрупи от скелетните мускули към черния дроб, където те се превръщат в урея, а работещите мускули получават глюкоза. В черния дроб глюкозата се синтезира от въглеродния скелет на аланина. В работещия мускул глутаминовата киселина се образува от α-кетоглутарова киселина, която след това прехвърля аминогрупата - NH2 към пирогроздена киселина, което води до синтеза на аланин - неутрална аминокиселина. Схематично посоченият цикъл изглежда така:
Глутаминова киселина + пирогроздена киселина ↔
↔ α-кетоглутарова киселина + аланин
Ориз. 10.1. Глюкозо-аланинов цикъл.
Този цикъл изпълнява две функции: 1) пренася аминогрупи от скелетните мускули в черния дроб, където се превръщат в урея;
2) осигурява работещите мускули с глюкоза, доставяна с кръвта от черния дроб, където въглеродният скелет на аланина се използва за неговото образуване.
Образуване на урея– основният път за неутрализация на амоняка. Този процес е изследван в лабораторията на И. П. Павлов. Доказано е, че уреята се синтезира в черния дроб от амоняк, CO 2 и вода.
Уреята се екскретира с урината като основен краен продукт от метаболизма на протеините и аминокиселините. Уреята представлява до 80-85% от общия азот в урината. Основното място за синтез на урея в организма е черният дроб. Вече е доказано, че синтезът на урея протича на няколко етапа.
Етап 1 - образуването на карбамоил фосфат се извършва в митохондриите под действието на ензима карбамоил фосфат синтетаза:
На следващия етап цитрулинът се синтезира с участието на орнитин:
Цитрулинът преминава от митохондриите в цитозола на чернодробните клетки. След това в цикъла се въвежда втора аминогрупа под формата на аспарагинова киселина. Настъпва кондензация на цитрулин и молекули на аспарагинова киселина, за да се образува аргинин-янтарна киселина.
Цитрулин аспарагин аргинин-янтарна
киселина киселина
Аргинин-янтарната киселина се разгражда на аргинин и фумарова киселина.
Под действието на аргиназата аргининът се хидролизира до урея и орнитин. Впоследствие орнитинът навлиза в митохондриите и може да се включи в нов цикъл на неутрализация на амоняка, а уреята се екскретира с урината.
Така при синтеза на една молекула урея се неутрализират две молекули NH 3 и CO 2 (HCO 3), което също играе роля в поддържането на рН. За синтеза на една молекула урея се изразходват 3 молекули АТФ, включително две за синтеза на карбамоил фосфат, една за образуването на аргинин-янтарна киселина; фумаровата киселина може да се превърне в ябълчена и оксалооцетна киселина (цикъл на Кребс), а последната, в резултат на трансаминиране или редуктивно аминиране, може да се превърне в аспарагинова киселина. Част от аминокиселинния азот се екскретира от тялото като креатинин, който се образува от креатин и креатин фосфат.
От общия азот в урината, уреята представлява до 80-90%, амониеви соли - 6%. При излишно протеиново хранене делът на карбамидния азот се увеличава, а при недостатъчно протеиново хранене намалява до 60%.
При птиците и влечугите амонякът се неутрализира чрез образуване на пикочна киселина. Птичият тор в птицефермите е източник на азотсъдържащ тор (пикочна киселина).
