Aminohapped, valgud ja peptiidid on allpool kirjeldatud ühendite näited. Paljud bioloogiliselt aktiivsed molekulid sisaldavad mitmeid keemiliselt erinevaid funktsionaalseid rühmi, mis võivad üksteisega ja üksteise funktsionaalrühmadega suhelda.
Aminohapped.
Aminohapped- orgaanilised bifunktsionaalsed ühendid, mis sisaldavad karboksüülrühma; UNS, ja aminorühm on N.H. 2 .
Eraldi α Ja β - aminohapped:
Enamasti leidub looduses α -happed. Valgud sisaldavad 19 aminohapet ja ühte iminohapet ( C5H9EI 2 ):
Kõige lihtsam aminohappe- glütsiin. Ülejäänud aminohapped võib jagada järgmistesse põhirühmadesse:
1) glütsiini homoloogid - alaniin, valiin, leutsiin, isoleutsiin.
Aminohapete saamine.
Aminohapete keemilised omadused.
Aminohapped- need on amfoteersed ühendid, sest sisaldavad 2 vastandlikku funktsionaalrühma – aminorühma ja hüdroksüülrühma. Seetõttu reageerivad nad nii hapete kui ka leelistega:
Happe-aluse transformatsiooni võib esitada järgmiselt:
Selle peatüki esimeses osas on juba kirjeldatud aminohapete lagundamise vajadust ja põhistrateegiat. Seda seletatakse võimatusega säilitada aminohappeid edaspidiseks kasutamiseks ja võimatusega neid rakkudest täielikult eemaldada. Üleliigseid aminohappeid kasutavad organismid nagu metaboolne kütus: nende süsiniku skeletid võivad teatud tüüpi ümberkorralduste käigus osaleda rasvhapete, glükoosi, ketoonkehade, isoprenoidide jne biosünteesis ning samuti oksüdeerida TCA tsüklis, varustades rakku energiaga. Tuleb märkida, et paljud mikroorganismid, eriti aeroobsed bakterid, on võimelised kasutama üksikuid aminohappeid ainsa energia- ja süsinikuallikana. Anaeroobsetes mikroorganismides on trikarboksüülhappe tsükli puudumisel rakkudes välja kujunenud teine mehhanism: aminohapete paarikaupa katabolism, kui üks neist toimib elektronide doonorina ja teine aktseptorina. On oluline, et selles protsessis moodustuks ATP.
Lisaks süsinikskelettidele tekib aminohapete lagunemisel amiinlämmastik, mis erinevalt süsinikust ei sobi oksüdatsiooni teel energia saamiseks ning pealegi on rakkudele mürgine. Seetõttu muudetakse need aminorühmad, mida ei saa biosünteesis uuesti kasutada, karbamiidiks (või muudeks aineteks) ja väljutatakse organismist.
Allpool käsitleme peamisi reaktsioonitüüpe, mida aminohapped võivad läbida: reaktsioonid a-aminorühmas, karboksüülrühmas ja kõrvalahelas.
Aminohapete jaotus aminorühmade järgi . Neid protsesse esindavad peamiselt a-aminorühma transamiinimis- ja deamineerimisreaktsioonid. Transaminatsioonireaktsioone on juba käsitletud aminohapete biosünteesi osas. Neid katalüüsivad transaminaasid (aminotransferaasid), mille eripäraks on püridoksaalfosfaadi (vitamiini B6 derivaat) kasutamine proteesrühmana. Glutamaadi transaminaas ja alaniini transaminaas on aminohapete lagunemise protsessides kõige olulisemad. Need ensüümid toimivad "lehtritena", mis koguvad aminorühmi erinevatest aminohapetest ja liidavad need glutamaadi ja alaniini hulka. Loomadel toimivad need kaks aminohapet kudedest maksa kogunenud amiinlämmastiku kandjatena. Maksas kantakse alaniini aminorühm alaniini transaminaasiga üle a-ketoglutaraadiks, moodustades glutamaadi:
Seega on enamik erinevate aminohapete aminorühmi glutamaadis, mis on kergesti deamineeritav.
Aminohapete deaminatsioonireaktsioonid viivad NH2 rühma vabanemiseni ammoniaagi kujul ja need viiakse läbi kolmel erineval viisil. Eristatakse oksüdatiivset, hüdrolüütilist ja otsest deaminatsiooni (joon. 16.12). Kõige tavalisem tüüp on oksüdatiivne deamineerimine, mis esineb a-aminorühmas ja mida katalüüsib peamiselt glutamaatdehüdrogenaas, tüüpiline maksaensüüm. Selle ensüümi ebatavaline omadus on selle võime kasutada koensüümidena nii NAD-i kui ka NADP-d. Glutamaadi dehüdrogenaasi aktiivsust reguleerivad allosteerilised aktivaatorid (ADP, GDP) ja inhibiitorid (ATP, GTP).
Oksüdatiivne deamineerimine toimub kahes etapis, mille tulemusena tekib vaheühendina iminohape, mis hüdrolüüsib spontaanselt, moodustades ketohappe ja ammoniaagi (joonis 16.12). Mõlemad reaktsioonid on pöörduvad ja nende tasakaalukonstandid on ühtsusele lähedased. Varem (joonis 16.3) näidati, kuidas pöördreaktsiooni käigus sisaldub ammoniaak glutamaadi koostises. Võib arvata, et glutamaadi moodustumise ja deaminatsiooni reaktsioon on keskne reaktsioon ammoniaagi metabolismi protsessis.
Paljudes organismides viiakse oksüdatiivne deamineerimine läbi dehüdrogenaaside abil, mis kasutavad flaviini kofaktoreid (FMN, FAD). Neid ensüüme nimetatakse aminohappe oksüdaasideks. Neid iseloomustab lai substraadi spetsiifilisus: mõned on spetsiifilised L-aminohapetele, teised nende D-analoogidele. Arvatakse, et need ensüümid annavad väikese panuse aminorühmade metabolismi.
Hüdrolüütiline deamineerimine Vähesed aminohapped on vastuvõtlikud, proteogeensetest - asparagiin ja glutamiin. Nende deamineerimisel moodustuvad vastavalt aspartaat ja glutamaat. Seda protsessi nimetatakse õigemini deamidatsiooniks, kuna seda viib läbi amiidrühm (joonis 16.12). Harvadel juhtudel lõhustatakse sel viisil ka aminohappe aminorühm, seejärel tekib ammoniaak ja hüdroksühape.
Tulemusena otsene (intramolekulaarne) deamineerimine tekivad küllastumata ühendid. Histidiin, nagu ka seriin, läbivad tavaliselt otsese deaminatsiooni. Seriini esialgne ensümaatiline rünnak toob aga kaasa veemolekuli (ensüümi seriini hüdrataasi) eliminatsiooni ja selles muundamises osaleb seriini külgne hüdroksüülrühm. Sel juhul läbib ebastabiilne vaheühend aminoakrülaat spontaanselt deaminatsiooni. Netoreaktsiooniprodukt on püruvaat ja seda tüüpi deaminatsiooni põhjustab aminohapete külgahela ümberkorraldamine.
Aminohapete reaktsioonid karboksüülrühmal . Aminohapete karboksüülrühma transformatsioone saavad organismid kasutada nende molekulide lagundamiseks, samuti nende muundamiseks muudeks raku jaoks vajalikeks ühenditeks, eelkõige aminoatsüüladenülaatideks ja biogeenseteks amiinideks. Aminoatsüüladenülaatide moodustumist valgusünteesi ettevalmistavas etapis on kirjeldatud juba 3. peatükis. Biogeensed amiinid esinevad reaktsioonides, mida katalüüsivad aminohapete dekarboksülaasid. Need ensüümid on laialt levinud loomades, taimedes ja eriti mikroorganismides ning on teada, et patogeensetes mikroorganismides võivad dekarboksülaasid toimida. agressiooni tegurid, mille abil tungib haigustekitaja vastavatesse kudedesse. L-aminohapete dekarboksülaasid, nagu ka transaminaasid, kasutavad proteesrühmana püridoksaalfosfaati.
Monoamiinid (biogeensed amiinid) täidavad organismides erinevaid funktsioone. Näiteks etanoolamiin, mis moodustub seriini dekarboksüülimisel, on polaarsete lipiidide lahutamatu osa. Tsüsteiini ja aspartaadi dekarboksüülimisel moodustuvad vastavalt tsüsteamiin ja b-alaniin, mis on osa rakkude jaoks sellisest olulisest koensüümist nagu koensüüm A. Histidiini dekarboksüülimine viib histamiini moodustumiseni, vahendaja, mis osaleb rakkude reguleerimises. ainevahetusprotsesside kiirus, endokriinsete näärmete aktiivsus ja loomade vererõhu reguleerimine. Paljud teised biogeensed amiinid toimivad signaalainetena, eriti need, mis on laialt levinud loomadel ja inimestel. neurotransmitterid.
Aminohapete reaktsioonid mööda külgahelat . Nii mitmekesine kui aminohapete radikaalide struktuur on, on ka nende keemilised muundumised erinevad. Nende erinevate reaktsioonide hulgast saame eristada neid, mis võimaldavad rakul saada ühest aminohappest teisi. Näiteks türosiin tekib fenüülalaniini aromaatse ringi oksüdeerumisel; arginiini hüdrolüüs viib ornitiini moodustumiseni (vt uurea tsükkel); treoniini lagunemisega kaasneb glütsiini teke jne.
Lisaks nendele reaktsioonidele on olulised kõrvalrühmade transformatsioonid, mis on seotud füsioloogiliselt aktiivsete ainete tekkega. Seega moodustub türosiinist hormoon adrenaliin, nikotiinhape (vitamiin PP, osa nikotiinamiidi koensüümidest) ja trüptofaanist indolüüläädikhape (kasvuaine) ning tsüsteiinist merkapturhapped (osalevad aromaatsete ainete neutraliseerimises). ühendid). Võimalust muuta seriin püruvaadiks selle külgahela dehüdratsiooni ja deamineerimise kaudu on juba märgitud.
Seega võivad aminohapete mitmesugused keemilised transformatsioonid viia laia toimespektriga bioloogiliselt aktiivsete ainete moodustumiseni ja lisaks aminorühmade elimineerimiseni ammoniaagi kujul koos süsiniku skelettide moodustumisega. Järgmises osas uuritakse ammoniaagi saatust ja lagunenud aminohapete süsinikuaatomeid.
Aminohapped on heterofunktsionaalsed ühendid, mis sisaldavad tingimata kahte funktsionaalset rühma: aminorühma - NH 2 ja karboksüülrühma - COOH, mis on seotud süsivesinikradikaaliga. Lihtsamate aminohapete üldvalemi võib kirjutada järgmiselt:
Kuna aminohapped sisaldavad kahte erinevat funktsionaalrühma, mis üksteist mõjutavad, erinevad iseloomulikud reaktsioonid karboksüülhapete ja amiinide omadest.
Aminohapete omadused
Aminorühm - NH2 määrab aminohapete põhiomadused, kuna see on võimeline siduma enda külge vesinikkatiooni doonor-aktseptormehhanismi kaudu, kuna lämmastikuaatomi juures on vaba elektronpaar.
Rühm -COOH (karboksüülrühm) määrab nende ühendite happelised omadused. Seetõttu on aminohapped amfoteersed orgaanilised ühendid. Nad reageerivad leelistega hapetena:
Tugevate hapetega - nagu alused - amiinid:
Lisaks interakteerub aminohappe aminorühm selle karboksüülrühmaga, moodustades sisemise soola:
Aminohappemolekulide ionisatsioon sõltub keskkonna happelisest või aluselisest olemusest:
Kuna vesilahustes olevad aminohapped käituvad nagu tüüpilised amfoteersed ühendid, mängivad nad elusorganismides puhverainete rolli, mis säilitavad teatud vesinikioonide kontsentratsiooni.
Aminohapped on värvitud kristalsed ained, mis sulavad ja lagunevad temperatuuril üle 200 °C. Need lahustuvad vees ja ei lahustu eetris. Sõltuvalt R-radikaalist võivad need olla magusad, kibedad või maitsetud.
Aminohapped jagunevad looduslikeks (elusorganismides leiduvateks) ja sünteetilisteks. Looduslike aminohapete hulgas (umbes 150) eristatakse proteinogeenseid aminohappeid (umbes 20), mis on osa valkudest. Need on L-kujulised. Umbes pooled neist aminohapetest on asendamatu, sest neid ei sünteesita inimkehas. Asendamatud happed on valiin, leutsiin, isoleutsiin, fenüülalaniin, lüsiin, treoniin, tsüsteiin, metioniin, histidiin, trüptofaan. Need ained sisenevad inimkehasse koos toiduga. Kui nende kogus toidus on ebapiisav, on inimorganismi normaalne areng ja talitlus häiritud. Teatud haiguste korral ei suuda organism mõnda teist aminohapet sünteesida. Seega fenüülketonuuria korral türosiini ei sünteesita. Aminohapete kõige olulisem omadus on võime siseneda molekulaarsesse kondensatsiooni koos vee vabanemisega ja amiidrühma -NH-CO- moodustumisega, näiteks:
Selle reaktsiooni tulemusena saadud suure molekulmassiga ühendid sisaldavad suurel hulgal amiidide fragmente ja seetõttu nimetatakse neid polüamiidid.
Nende hulka kuuluvad lisaks ülalmainitud sünteetilisele nailonkiule näiteks enant, mis tekib aminoenanthappe polükondensatsiooni käigus. Sünteetiliste kiudude tootmiseks sobivad aminohapped, mille molekulide otstes on amino- ja karboksüülrühmad.
Alfa-aminohapete polüamiide nimetatakse peptiidid. Sõltuvalt aminohappejääkide arvust eristatakse neid dipeptiidid, tripeptiidid, polüpeptiidid. Sellistes ühendites nimetatakse -NH-CO- rühmi peptiidrühmadeks.
23.6.1. Aminohapete dekarboksüülimine - karboksüülrühma lõhustamine aminohappest CO2 moodustamiseks. Aminohapete dekarboksüleerimisreaktsioonide produktid on biogeensed amiinid , osaleb ainevahetuse ja füsioloogiliste protsesside reguleerimises organismis (vt tabel 23.1).
Tabel 23.1
Biogeensed amiinid ja nende lähteained.
Aminohapete ja nende derivaatide dekarboksüülimisreaktsioone katalüüsivad dekarboksülaas aminohapped. Koensüüm - püridoksaalfosfaat (vitamiini B6 derivaat). Reaktsioonid on pöördumatud.
23.6.2. Näited dekarboksüülimisreaktsioonidest. Mõned aminohapped läbivad otsese dekarboksüülimise. Dekarboksüülimisreaktsioon histidiin :
Histamiin omab tugevat vasodilateerivat toimet, eriti põletikukoha kapillaare; stimuleerib nii pepsiini kui ka vesinikkloriidhappe sekretsiooni maos ning seda kasutatakse mao sekretoorse funktsiooni uurimiseks.
Dekarboksüülimisreaktsioon glutamaat :
GABA- kesknärvisüsteemi inhibeeriv saatja.
Paljud aminohapped läbivad pärast esialgset oksüdatsiooni dekarboksüülimist. Hüdroksüülimise saadus trüptofaan muudetakse serotoniiniks:
Serotoniin See moodustub peamiselt kesknärvisüsteemi rakkudes ja sellel on vasokonstriktor. Osaleb vererõhu, kehatemperatuuri, hingamise ja neerufiltratsiooni reguleerimises.
Hüdroksüülimise saadus türosiin muutub dopamiiniks:
Dopamiin toimib katehhoolamiinide eelkäijana; on kesknärvisüsteemi inhibeerivat tüüpi vahendaja.
Tiorühm tsüsteiin oksüdeerub sulforühmaks, selle reaktsiooni saadus dekarboksüleeritakse, moodustades tauriini:
Tauriin moodustub peamiselt maksas; osaleb paaritud sapphapete (taurokoolhape) sünteesis.
21.5.3. Biogeensete amiinide katabolism. Elundites ja kudedes on spetsiaalsed mehhanismid, mis takistavad biogeensete amiinide kogunemist. Biogeensete amiinide inaktiveerimise peamist teed – oksüdatiivset deaminatsiooni koos ammoniaagi moodustumisega – katalüüsivad mono- ja diamiinoksüdaasid.
Monoamiini oksüdaas (MAO)- FAD-d sisaldav ensüüm - viib läbi reaktsiooni:
Kliinikus kasutatakse depressiivsete seisundite raviks MAO inhibiitoreid (nialamiid, pürasidool).
Organism saab suurema osa energiast süsivesikute ja neutraalsete rasvade oksüdatsioonist (kuni 90%). Ülejäänud ~ 10% on tingitud aminohapete oksüdatsioonist. Aminohappeid kasutatakse peamiselt valkude sünteesiks. Nende oksüdatsioon toimub:
1) kui valkude uuenemisel tekkivaid aminohappeid ei kasutata uute valkude sünteesiks;
2) kui kehasse satub liigne valk;
3) paastumise või diabeedi perioodil, kui süsivesikuid ei ole või nende omastamine on häiritud, kasutatakse energiaallikana aminohappeid.
Kõigis neis olukordades kaotavad aminohapped oma aminorühmad ja muundatakse vastavateks α-ketohapeteks, mis seejärel oksüdeeritakse CO 2 ja H 2 O-ks. Osa sellest oksüdatsioonist toimub trikarboksüülhappe tsükli kaudu. Deamineerimise ja oksüdatsiooni tulemusena moodustuvad püroviinamarihape, atsetüül-CoA, atsetoatsetüül-CoA, α-ketoglutaarhape, suktsinüül-CoA ja fumaarhape. Mõningaid aminohappeid saab muuta glükoosiks, teised aga ketoonkehadeks.
Loomade kudedes ammoniaagi neutraliseerimise viisid
Ammoniaak on mürgine ja selle kogunemine organismi võib põhjustada surma. Ammoniaagi neutraliseerimiseks on järgmised viisid:
1. Ammooniumisoolade süntees.
2. Dikarboksüülaminohapete amiidide süntees.
3. Karbamiidi süntees.
Ammooniumisoolade süntees toimub piiratud määral neerudes, kui organismile täiendava kaitsevahendina atsidoosi ajal. Ammoniaaki ja ketohappeid kasutatakse osaliselt aminohapete resünteesiks ja teiste lämmastikku sisaldavate ainete sünteesiks. Lisaks osaleb ammoniaak neerukoes orgaaniliste ja anorgaaniliste hapete neutraliseerimise protsessis, moodustades nendega neutraalseid ja happelisi sooli:
R – COOH + NH 3 → R – COONH 4 ;
H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4;
H 3 PO 4 + NH 3 → NH 4 H 2 PO 4
Nii kaitseb organism end hapete eritumisel märkimisväärse koguse katioonide (Na, K, osaliselt Ca, Mg) kadumise eest uriinis, mis võib viia vere leelisereservi järsu vähenemiseni. . Uriiniga erituvate ammooniumisoolade hulk suureneb märkimisväärselt atsidoosi korral, kuna happe neutraliseerimiseks kasutatakse ammoniaaki. Üks viise ammoniaagi sidumiseks ja neutraliseerimiseks on selle kasutamine glutamiini ja asparagiini amiidsideme moodustamiseks. Sel juhul sünteesitakse glutamiin glutamiinhappest ensüümi glutamiini süntetaasi toimel ja asparagiin asparagiinhappest asparagiinisüntetaasi osalusel:
Nii eritub ammoniaak paljudest elunditest (aju, võrkkest, neerud, maks, lihased). Glutamiin- ja asparagiinhapete amiide võivad tekkida ka siis, kui need aminohapped on valgu struktuuris, st mitte ainult vaba aminohape, vaid ka neid sisaldavad valgud võivad toimida ammoniaagi aktseptorina. Asparagiin ja glutamiin viiakse maksa ja kasutatakse uurea sünteesiks. Ammoniaak transporditakse maksa alaniini kaudu (glükoosi-alaniini tsükkel). See tsükkel tagab aminorühmade ülekande skeletilihastest maksa, kus need muundatakse karbamiidiks ning töötavad lihased saavad glükoosi. Maksas sünteesitakse glükoos alaniini süsinikskeletist. Töötavas lihases moodustub glutamiinhape α-ketoglutaarhappest, mis seejärel kannab amiinirühma - NH 2 püroviinamarihappeks, mille tulemusena sünteesitakse alaniin - neutraalne aminohape. Skemaatiliselt näeb näidatud tsükkel välja selline:
Glutamiinhape + püroviinamarihape ↔
↔ α-ketoglutaarhape + alaniin
Riis. 10.1. Glükoosi-alaniini tsükkel.
See tsükkel täidab kahte funktsiooni: 1) kannab aminorühmad skeletilihastest maksa, kus need muundatakse uureaks;
2) varustab töötavaid lihaseid maksast verega varustatava glükoosiga, kus selle moodustamiseks kasutatakse alaniini süsinikskeletti.
Karbamiidi moodustumine– ammoniaagi neutraliseerimise põhitee. Seda protsessi uuriti I. P. Pavlovi laboris. On näidatud, et uureat sünteesitakse maksas ammoniaagist, CO 2 -st ja veest.
Karbamiid eritub uriiniga valkude ja aminohapete metabolismi peamise lõppsaadusena. Karbamiid moodustab kuni 80–85% kogu uriini lämmastikust. Peamine uurea sünteesi koht kehas on maks. Nüüdseks on tõestatud, et uurea süntees toimub mitmes etapis.
1. etapp - karbamoüülfosfaadi moodustumine toimub mitokondrites ensüümi karbamoüülfosfaadi süntetaasi toimel:
Järgmises etapis sünteesitakse tsitrulliin ornitiini osalusel:
Tsitrulliin liigub mitokondritest maksarakkude tsütosooli. Pärast seda viiakse tsüklisse asparagiinhappe kujul teine aminorühm. Tsitrulliini ja asparagiinhappe molekulide kondenseerumine toimub arginiini-merevaikhappe moodustumisel.
Tsitrulliin-asparagiin-arginiin-suktsiinhape
happeline hape
Arginiin-merevaikhape laguneb arginiiniks ja fumaarhappeks.
Arginaasi toimel arginiin hüdrolüüsitakse, moodustades uurea ja ornitiini. Seejärel siseneb ornitiin mitokondritesse ja seda saab kaasata uude ammoniaagi neutraliseerimise tsüklisse ning uurea eritub uriiniga.
Seega ühe uurea molekuli sünteesil neutraliseeritakse kaks NH 3 ja CO 2 (HCO 3) molekuli, mis mängivad samuti rolli pH hoidmisel. Ühe uurea molekuli sünteesiks kulub 3 ATP molekuli, sealhulgas kaks karbamoüülfosfaadi sünteesiks, üks arginiini-merevaikhappe moodustamiseks; fumaarhapet saab muuta õun- ja oksaloäädikhappeks (Krebsi tsükkel) ning viimased transamiinimise või redutseeriva amiinimise tulemusena asparagiinhappeks. Osa aminohappelisest lämmastikust eritub kehast kreatiniinina, mis moodustub kreatiinist ja kreatiinfosfaadist.
Uriini kogulämmastikust moodustab uurea kuni 80-90%, ammooniumisoolad - 6%. Liigse valgusisaldusega söötmise korral suureneb uurea lämmastiku osakaal ja ebapiisava valgusisaldusega söötmise korral väheneb see 60% -ni.
Lindudel ja roomajatel neutraliseeritakse ammoniaak kusihappe moodustumisega. Linnufarmides olev linnusõnnik on lämmastikku sisaldava väetise (kusihappe) allikas.
