Aminokiseline, proteini i peptidi su primjeri spojeva opisanih u nastavku. Mnogi biološki aktivni molekuli uključuju nekoliko kemijski različitih funkcionalnih grupa koje mogu međusobno djelovati i međusobno djelovati.
Amino kiseline.
Amino kiseline- organska bifunkcionalna jedinjenja koja uključuju karboksilnu grupu - UNSD i amino grupa - NH 2 .
dijeliti α I β - amino kiseline:
Uglavnom se nalazi u prirodi α - kiseline. Proteini se sastoje od 19 aminokiselina i jedne iminokiseline ( C 5 H 9NO 2 ):
Najjednostavniji amino kiseline- glicin. Preostale aminokiseline se mogu podijeliti u sljedeće glavne grupe:
1) homolozi glicina - alanin, valin, leucin, izoleucin.
Dobijanje aminokiselina.
Hemijska svojstva aminokiselina.
Amino kiseline- ovo su amfoterna jedinjenja, tk. sadrže u svom sastavu 2 suprotne funkcionalne grupe - amino grupu i hidroksilnu grupu. Stoga reaguju i sa kiselinama i sa alkalijama:
Acid-bazna konverzija se može predstaviti kao:
Prvi dio ovog poglavlja već je iznio potrebu i osnovnu strategiju za varenje aminokiselina. Objašnjava se nemogućnošću skladištenja aminokiselina za budućnost i nemogućnošću njihovog uklanjanja iz stanica u cjelini. Višak aminokiselina koriste organizmi kao metaboličko gorivo: njihovi ugljični skeleti prilikom prestrojavanja određene vrste mogu biti uključeni u biosintezu masnih kiselina, glukoze, ketonskih tijela, izoprenoida itd., a također se oksidiraju u TCA, osiguravajući ćeliju energijom. Treba napomenuti da su mnogi mikroorganizmi, posebno aerobne bakterije, u stanju koristiti pojedinačne aminokiseline kao jedini izvor energije i ugljika. Kod anaerobnih mikroorganizama, u odsustvu ciklusa trikarboksilne kiseline u ćelijama, razvio se drugi mehanizam: katabolizam aminokiselina u paru, kada jedna od njih služi kao donor elektrona, a druga kao akceptor. Važno je da se u tom procesu formira ATP.
Osim ugljičnih skeleta, razgradnjom aminokiselina nastaje aminski dušik, koji, za razliku od ugljika, nije pogodan za dobivanje energije oksidacijom, a štoviše, toksičan je za stanice. Stoga se one amino grupe koje se ne mogu ponovo upotrijebiti u biosintezi pretvaraju u ureu (ili druge tvari) i izlučuju iz tijela.
U nastavku ćemo razmotriti glavne vrste reakcija u koje aminokiseline mogu ući: reakcije na a-amino grupi, karboksilnoj grupi i bočnom lancu.
Cepanje aminokiselina po amino grupi . Ovi procesi su uglavnom predstavljeni reakcijama transaminacije i deaminacije na a-amino grupi. Reakcije transaminacije su već razmatrane u odjeljku o biosintezi aminokiselina. Katalizuju ih transaminaze (aminotransferaze), čija je karakteristična karakteristika upotreba piridoksal fosfata (derivat vitamina B 6) kao prostetske grupe. Glutamat transaminaza i alanin transaminaza su od najveće važnosti u procesima razgradnje aminokiselina. Ovi enzimi djeluju kao lijevci koji sakupljaju amino grupe iz različitih aminokiselina i uključuju ih u sastav glutamata i alanina. Kod životinja ove dvije aminokiseline služe kao prenosioci akumuliranog amino dušika iz tkiva u jetru. U jetri, amino grupa alanina se prenosi alanin transaminazom u a-ketoglutarat uz stvaranje glutamata:
Dakle, većina amino grupa različitih aminokiselina nalazi se u sastavu glutamata, koji je lako podvrgnut deaminaciji.
Reakcije deaminacije aminokiselina dovode do oslobađanja NH 2 grupe u obliku amonijaka i izvode se na tri različita načina. Postoje oksidativna, hidrolitička i direktna deaminacija (slika 16.12). Najčešći tip je oksidativno deaminiranje, koji se odvija na a-amino grupi i katalizira ga uglavnom glutamat dehidrogenaza, enzim tipičan za jetru. Neobično svojstvo ovog enzima je sposobnost da koristi i NAD i NADP kao koenzime. Aktivnost glutamat dehidrogenaze regulišu alosterični aktivatori (ADP, GDP) i inhibitori (ATP, GTP).
Oksidativna deaminacija se odvija u dva koraka, pri čemu se kao intermedijer proizvodi iminokiselina, koja se spontano hidrolizira u keto kiselinu i amonijak (slika 16.12). Obje reakcije su reverzibilne i njihove konstante ravnoteže su bliske jedinici. Ranije (sl. 16.3) je pokazano kako je, tokom reverzne reakcije, amonijak uključen u sastav glutamata. Može se smatrati da je reakcija stvaranja i deaminacije glutamata centralna reakcija u procesu metabolizma amonijaka.
U mnogim organizmima, oksidativna deaminacija se provodi dehidrogenazama koristeći flavin kofaktore (FMN, FAD). Ovi enzimi se nazivaju aminokiselinske oksidaze. Odlikuje ih široka specifičnost supstrata: neke su specifične za L-amino kiseline, druge za njihove D-analoge. Vjeruje se da ovi enzimi daju mali doprinos razmjeni amino grupa.
Hidrolitička deaminacija nekoliko aminokiselina je pogođeno, od proteinogenih - asparagin i glutamin. Kada se deaminiraju, nastaju aspartat i glutamat. Ovaj proces se pravilnije naziva deamidacijom, jer se odvija na račun amidne grupe (slika 16.12). U rijetkim slučajevima se na taj način odcjepljuje i amino grupa aminokiseline, tada nastaju amonijak i hidroksi kiselina.
Kao rezultat direktna (intramolekularna) deaminacija javljaju se nezasićena jedinjenja. Direktnoj deaminaciji obično se podvrgava histidin, kao i serin. Međutim, primarni enzimski napad serina dovodi do eliminacije molekule vode (enzim serin hidrataze), a bočna hidroksilna grupa serina je uključena u ovu transformaciju. Spontana deaminacija u ovom slučaju prolazi kroz nestabilno intermedijerno jedinjenje - aminoakrilat. Produkt neto reakcije je piruvat, a ova vrsta deaminacije je uzrokovana preuređivanjem u bočnom lancu aminokiselina.
Reakcije aminokiselina na karboksilnoj grupi . Transformacije na karboksilnoj grupi aminokiselina organizmi mogu koristiti za razgradnju ovih molekula, kao i za njihovo pretvaranje u druga jedinjenja neophodna za ćeliju, prvenstveno u aminoacil adenilate i biogene amine. Formiranje aminoaciladenilata u pripremnom koraku sinteze proteina je već opisano u Poglavlju 3. Biogeni amini nastaju u reakcijama koje kataliziraju aminokiselinske dekarboksilaze. Ovi enzimi su široko rasprostranjeni u životinjama, biljkama, a posebno u mikroorganizmima, a poznato je da kod patogenih mikroorganizama dekarboksilaze mogu služiti kao faktori agresije, uz pomoć kojih patogen prodire u odgovarajuća tkiva. L-aminokiselinske dekarboksilaze, kao i transaminaze, koriste se kao prostetička grupa piridoksal fosfata.
Monoamini (biogeni amini) obavljaju različite funkcije u organizmima. Na primjer, etanolamin, koji nastaje tokom dekarboksilacije serina, sastavni je dio polarnih lipida. Tokom dekarboksilacije cisteina i aspartata nastaju cisteamin i b-alanin, koji su dio tako važnog koenzima za stanice kao što je koenzim A. Dekarboksilacija histidina dovodi do stvaranja histamina, posrednika uključenog u regulaciju od brzine metaboličkih procesa, aktivnosti endokrinih žlijezda, pritiska kod životinja. Mnogi drugi biogeni amini funkcionišu kao signalne supstance, posebno široko rasprostranjene kod životinja i ljudi. neurotransmiteri.
Bočne lančane reakcije aminokiselina . Koliko god da je struktura aminokiselinskih radikala raznolika, toliko su raznolike i hemijske transformacije kojima se oni mogu podvrgnuti. Među ovim različitim reakcijama mogu se izdvojiti one koje omogućavaju ćeliji da dobije druge iz jedne aminokiseline. Na primjer, tirozin nastaje oksidacijom aromatičnog prstena fenilalanina; hidroliza arginina dovodi do stvaranja ornitina (vidi ciklus uree); razgradnju treonina prati nastanak glicina itd.
Pored ovih reakcija, od velike su važnosti transformacije sporednih grupa koje su povezane s pojavom fiziološki aktivnih supstanci. Dakle, hormon adrenalin nastaje iz tirozina, nikotinska kiselina (vitamin PP, koji je dio nikotinamid koenzima) i indoloctena kiselina (supstanca rasta) nastaju iz triptofana, a merkapturne kiseline iz cisteina (sudjeluju u neutralizaciji aromatičnih spojeva ). Već je uočena mogućnost pretvaranja serina u piruvat tokom dehidracije njegovog bočnog lanca i deaminacije.
Dakle, različite kemijske transformacije aminokiselina mogu dovesti do stvaranja biološki aktivnih supstanci širokog spektra djelovanja i, osim toga, do eliminacije amino grupa u obliku amonijaka uz formiranje ugljikovih skeleta. U sljedećem dijelu razmatrat će se sudbina amonijaka i atoma ugljika razdvojenih aminokiselina.
Aminokiseline su heterofunkcionalna jedinjenja koja nužno sadrže dvije funkcionalne grupe: amino grupu - NH 2 i karboksilnu grupu -COOH povezanu sa ugljikovodičnim radikalom.Opća formula najjednostavnijih aminokiselina može se napisati na sljedeći način:
Budući da aminokiseline sadrže dvije različite funkcionalne grupe koje utječu jedna na drugu, karakteristične reakcije se razlikuju od reakcija karboksilnih kiselina i amina.
Osobine aminokiselina
Amino grupa - NH 2 određuje osnovna svojstva aminokiselina, budući da je sposobna da veže kation vodonika na sebe prema mehanizmu donor-akceptor zbog prisustva slobodnog elektronskog para na atomu dušika.
-COOH grupa (karboksilna grupa) određuje kisela svojstva ovih jedinjenja. Stoga su aminokiseline amfoterna organska jedinjenja. Reaguju sa alkalijama poput kiselina:
Sa jakim kiselinama - poput baza - aminima:
Osim toga, amino grupa u aminokiselini stupa u interakciju sa svojom karboksilnom grupom, formirajući unutrašnju sol:
Jonizacija molekula aminokiselina ovisi o kiseloj ili alkalnoj prirodi medija:
Budući da se aminokiseline u vodenim otopinama ponašaju kao tipična amfoterna jedinjenja, u živim organizmima igraju ulogu puferskih tvari koje održavaju određenu koncentraciju vodikovih iona.
Aminokiseline su bezbojne kristalne supstance koje se tope razgradnjom na temperaturama iznad 200 °C. Rastvorljivi su u vodi i nerastvorljivi u eteru. U zavisnosti od R-radikala, mogu biti slatke, gorke ili bezukusne.
Aminokiseline se dijele na prirodne (koje se nalaze u živim organizmima) i sintetičke. Među prirodnim aminokiselinama (oko 150) izdvajaju se proteinogene aminokiseline (oko 20), koje su dio proteina. U obliku su slova L. Otprilike polovina ovih aminokiselina je neizostavan, jer se ne sintetiziraju u ljudskom tijelu. Esencijalne kiseline su valin, leucin, izoleucin, fenilalanin, lizin, treonin, cistein, metionin, histidin, triptofan. Ove supstance ulaze u ljudski organizam sa hranom. Ako je njihova količina u hrani nedovoljna, narušava se normalan razvoj i funkcioniranje ljudskog tijela. Kod određenih bolesti tijelo nije u stanju sintetizirati neke druge aminokiseline. Dakle, s fenilketonurijom, tirozin se ne sintetizira. Najvažnije svojstvo aminokiselina je sposobnost ulaska u molekularnu kondenzaciju sa oslobađanjem vode i stvaranjem amidne grupe -NH-CO-, na primjer:
Makromolekularna jedinjenja dobijena kao rezultat takve reakcije sadrže veliki broj amidnih fragmenata i stoga se nazivaju poliamidi.
Osim gore navedenih sintetičkih najlonskih vlakana, tu spadaju, na primjer, enant, koji nastaje polikondenzacijom aminoenantne kiseline. Sintetička vlakna su pogodna za aminokiseline sa amino i karboksilnim grupama na krajevima molekula.
Poliamidi alfa-amino kiselina nazivaju se peptidi. Na osnovu broja aminokiselinskih ostataka dipeptidi, tripeptidi, polipeptidi. U takvim jedinjenjima, -NH-CO- grupe se nazivaju peptidne grupe.
23.6.1. Dekarboksilacija aminokiselina - odvajanje karboksilne grupe od aminokiseline sa stvaranjem CO2. Produkti reakcija dekarboksilacije aminokiselina su biogeni amini uključeni u regulaciju metabolizma i fizioloških procesa u tijelu (vidi tabelu 23.1).
Tabela 23.1
Biogeni amini i njihovi prekursori.
Reakcije dekarboksilacije aminokiselina i njihovih derivata kataliziraju dekarboksilaze amino kiseline. koenzim - piridoksal fosfat (derivat vitamina B6). Reakcije su nepovratne.
23.6.2. Primjeri reakcija dekarboksilacije. Neke aminokiseline su direktno dekarboksilirane. Reakcija dekarboksilacije histidin :
Histamin ima snažan vazodilatacijski učinak, posebno kapilare u žarištu upale; stimulira želučanu sekreciju i pepsina i hlorovodonične kiseline, a koristi se za proučavanje sekretorne funkcije želuca.
Reakcija dekarboksilacije glutamat :
GABA- inhibitorni neurotransmiter u centralnom nervnom sistemu.
Brojne aminokiseline podliježu dekarboksilaciji nakon preliminarne oksidacije. Proizvod hidroksilacije triptofan pretvara u serotonin:
Serotonin Formira se uglavnom u ćelijama centralnog nervnog sistema, ima vazokonstriktivni efekat. Učestvuje u regulaciji krvnog pritiska, telesne temperature, disanja, bubrežne filtracije.
Proizvod hidroksilacije tirozin prelazi u dopamin
Dopamin služi kao prekursor kateholamina; je inhibitorni medijator u centralnom nervnom sistemu.
Thiogroup cistein oksidira se u sulfo grupu, proizvod ove reakcije se dekarboksilira u taurin:
Taurin formira se uglavnom u jetri; učestvuje u sintezi uparenih žučnih kiselina (tauroholna kiselina).
21.5.3. Katabolizam biogenih amina. U organima i tkivima postoje posebni mehanizmi koji sprečavaju nakupljanje biogenih amina. Glavni način inaktivacije biogenih amina - oksidativna deaminacija sa stvaranjem amonijaka - kataliziraju mono- i diamin oksidaze.
Monoamin oksidaza (MAO)- enzim koji sadrži FAD - provodi reakciju:
Klinika koristi MAO inhibitore (nialamid, pirazidol) za liječenje depresije.
Najveći dio energije tijela potiče od oksidacije ugljikohidrata i neutralnih masti (do 90%). Ostatak ~ 10% zbog oksidacije aminokiselina. Aminokiseline se prvenstveno koriste za sintezu proteina. Oksidacija se javlja:
1) ako se aminokiseline nastale prilikom obnavljanja proteina ne koriste za sintezu novih proteina;
2) ako u organizam uđe višak proteina;
3) tokom posta ili dijabetesa, kada nema ugljenih hidrata ili je njihova apsorpcija poremećena, aminokiseline se koriste kao izvor energije.
U svim ovim situacijama, aminokiseline gube svoje amino grupe i pretvaraju se u odgovarajuće α-keto kiseline, koje se zatim oksidiraju u CO 2 i H 2 O. Dio ove oksidacije odvija se kroz ciklus trikarboksilne kiseline. Kao rezultat deaminacije i oksidacije nastaju pirogrožđana kiselina, acetil-CoA, acetoacetil-CoA, α-ketoglutarna kiselina, sukcinil-CoA, fumarna kiselina. Neke aminokiseline se mogu pretvoriti u glukozu, a druge u ketonska tijela.
Načini neutralizacije amonijaka u životinjskim tkivima
Amonijak je toksičan i nakupljanje u tijelu može dovesti do smrti. Postoje sljedeći načini za neutralizaciju amonijaka:
1. Sinteza amonijumovih soli.
2. Sinteza amida dikarboksilnih aminokiselina.
3. Sinteza uree.
Sinteza amonijum soli se u ograničenoj meri odvija u bubrezima, to je kao dodatni zaštitni uređaj organizma u slučaju acidoze. Amonijak i keto kiseline se dijelom koriste za resintezu aminokiselina i za sintezu drugih dušičnih tvari. Osim toga, u tkivima bubrega amonijak je uključen u proces neutralizacije organskih i anorganskih kiselina, stvarajući s njima neutralne i kisele soli:
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
Na taj način organizam se štiti od gubitka značajne količine katjona (Na, K, dijelom Ca, Mg) u urinu prilikom izlučivanja kiselina, što može dovesti do naglog smanjenja alkalne rezerve krvi. . Količina amonijevih soli izlučenih u urinu značajno se povećava u acidozi, jer se amonijak koristi za neutralizaciju kiseline. Jedan od načina za vezivanje i detoksikaciju amonijaka je da se koristi za formiranje amidne veze između glutamina i asparagina. Istovremeno, glutamin se sintetizira iz glutaminske kiseline pod djelovanjem enzima glutamin sintetaze, a asparagin se sintetizira iz asparaginske kiseline uz sudjelovanje asparagin sintetaze:
Na taj način se amonijak eliminira u mnogim organima (mozak, mrežnica, bubrezi, jetra, mišići). Amidi glutaminske i asparaginske kiseline mogu nastati i kada su ove aminokiseline u strukturi proteina, odnosno ne samo slobodna aminokiselina može biti akceptor amonijaka, već i proteini u koje su uključene. Asparagin i glutamin se isporučuju u jetru i koriste u sintezi uree. Amonijak se transportuje do jetre i to uz pomoć alanina (glukoza-alaninski ciklus). Ovaj ciklus osigurava prijenos amino grupa iz skeletnih mišića u jetru, gdje se pretvaraju u ureu, a radni mišići primaju glukozu. U jetri se glukoza sintetizira iz ugljičnog skeleta alanina. U mišiću koji radi, glutaminska kiselina se formira iz α-ketoglutarne kiseline, koja zatim prenosi aminsku grupu - NH 2 u pirogrožđanu kiselinu, kao rezultat toga, sintetizira se alanin, neutralna aminokiselina. Šematski, naznačeni ciklus izgleda ovako:
Glutaminska kiselina + pirogrožđana kiselina ↔
↔ α-ketoglutarna kiselina + alanin
Rice. 10.1. Glukoza-alaninski ciklus.
Ovaj ciklus obavlja dvije funkcije: 1) prenosi amino grupe iz skeletnih mišića u jetru, gdje se pretvaraju u ureu;
2) obezbjeđuje rad mišića glukozom koja dolazi iz krvi iz jetre, gdje se ugljični kostur alanina koristi za njegovo stvaranje.
Formiranje uree- glavni način za neutralizaciju amonijaka. Ovaj proces je proučavan u laboratoriji IP Pavlova. Pokazalo se da se urea sintetizira u jetri iz amonijaka, CO 2 i vode.
Urea se izlučuje urinom kao glavni krajnji produkt metabolizma proteina, odnosno aminokiselina. Urea čini 80-85% ukupnog azota u urinu. Glavno mjesto sinteze uree u tijelu je jetra. Sada je dokazano da se sinteza uree odvija u nekoliko faza.
Faza 1 - do stvaranja karbamoil fosfata dolazi u mitohondrijima pod djelovanjem enzima karbamoil fosfat sintetaze:
U sljedećoj fazi, citrulin se sintetizira uz sudjelovanje ornitina:
Citrulin prelazi iz mitohondrija u citosol ćelija jetre. Nakon toga, druga amino grupa se uvodi u ciklus u obliku asparaginske kiseline. Dolazi do kondenzacije molekula citrulina i asparaginske kiseline sa stvaranjem arginin-jantarne kiseline.
Citrulin asparaginska arginin-jantarna
kisela kiselina
Arginin-jantarna kiselina se razlaže na arginin i fumarnu kiselinu.
Pod djelovanjem arginaze arginin se hidrolizira, nastaju urea i ornitin. Nakon toga, ornitin ulazi u mitohondrije i može se uključiti u novi ciklus detoksikacije amonijaka, a urea se izlučuje urinom.
Tako se u sintezi jednog molekula uree neutraliziraju dva molekula NH 3 i CO 2 (HCO 3), što je također važno za održavanje pH. Za sintezu jedne molekule uree troše se 3 molekula ATP-a, uključujući dva u sintezi karbomoil fosfata, jedan za stvaranje arginin-jantarne kiseline; fumarna kiselina se može pretvoriti u jabučnu i oksalosirćetnu kiselinu (Krebsov ciklus), a potonja se može pretvoriti u asparaginsku kiselinu transaminacijom ili reduktivnom aminacijom. Dio aminokiselina dušika izlučuje se iz tijela u obliku kreatinina, koji nastaje iz kreatina i kreatin fosfata.
Od ukupnog dušika u urinu, urea čini 80-90%, amonijeve soli - 6%. Uz višak proteinske ishrane, udio azota uree se povećava, a kod nedovoljnog hranjenja proteinima smanjuje se na 60%.
Kod ptica i gmizavaca amonijak se neutralizira stvaranjem mokraćne kiseline. Gnojivo peradi na farmama peradi je izvor gnojiva koje sadrži dušik (mokraćne kiseline).
