Aminokwasy, białka i peptydy są przykładami związków opisanych poniżej. Wiele cząsteczek biologicznie aktywnych zawiera kilka różnych chemicznie grup funkcyjnych, które mogą oddziaływać ze sobą oraz ze swoimi grupami funkcyjnymi.
Aminokwasy.
Aminokwasy- organiczne związki dwufunkcyjne, w skład których wchodzi grupa karboksylowa - UNS, a grupa aminowa to N.H. 2 .
Oddzielny α I β - aminokwasy:
Najczęściej spotykany w przyrodzie α -kwasy. Białka zawierają 19 aminokwasów i jeden iminokwas ( C 5 H 9NIE 2 ):
Najprostszy aminokwas- glicyna. Pozostałe aminokwasy można podzielić na następujące główne grupy:
1) homologi glicyny - alanina, walina, leucyna, izoleucyna.
Pozyskiwanie aminokwasów.
Właściwości chemiczne aminokwasów.
Aminokwasy- są to związki amfoteryczne, ponieważ zawierają 2 przeciwne grupy funkcyjne - grupę aminową i grupę hydroksylową. Dlatego reagują zarówno z kwasami, jak i zasadami:
Transformację kwasowo-zasadową można przedstawić jako:
W pierwszej części tego rozdziału opisano już potrzebę i podstawową strategię rozkładu aminokwasów. Tłumaczy się to brakiem możliwości przechowywania aminokwasów do przyszłego wykorzystania i niemożnością ich całkowitego usunięcia z komórek. Nadmiar aminokwasów jest wykorzystywany przez organizmy jako paliwo metaboliczne: ich szkielety węglowe podczas pewnego rodzaju rearanżacji mogą brać udział w biosyntezie kwasów tłuszczowych, glukozy, ciał ketonowych, izoprenoidów itp., a także mogą ulegać utlenieniu w cyklu TCA, dostarczając komórce energii. Należy zaznaczyć, że wiele mikroorganizmów, w szczególności bakterie tlenowe, potrafi wykorzystywać poszczególne aminokwasy jako jedyne źródło energii i węgla. U mikroorganizmów beztlenowych, przy braku cyklu kwasów trikarboksylowych w komórkach, rozwinął się inny mechanizm: katabolizm aminokwasów parami, gdy jeden z nich służy jako donor elektronów, a drugi jako akceptor. Ważne jest, aby w tym procesie powstał ATP.
Oprócz szkieletów węglowych, w wyniku degradacji aminokwasów powstaje azot aminowy, który w przeciwieństwie do węgla nie nadaje się do pozyskiwania energii w drodze utleniania, a ponadto jest toksyczny dla komórek. Dlatego te grupy aminowe, których nie można ponownie wykorzystać w biosyntezie, są przekształcane w mocznik (lub inne substancje) i wydalane z organizmu.
Poniżej rozważymy główne rodzaje reakcji, którym mogą ulegać aminokwasy: reakcje na grupie a-aminowej, grupie karboksylowej i łańcuchu bocznym.
Podział aminokwasów według grup aminowych . Procesy te reprezentowane są głównie przez reakcje transaminacji i deaminacji na grupie a-aminowej. Reakcje transaminacji zostały już omówione w części poświęconej biosyntezie aminokwasów. Są katalizowane przez transaminazy (aminotransferazy), których charakterystyczną cechą jest zastosowanie fosforanu pirydoksalu (pochodnej witaminy B 6) jako grupy prostetycznej. W procesach degradacji aminokwasów największe znaczenie mają transaminazy glutaminianowe i transaminazy alaninowe. Enzymy te działają jak „lejki”, które zbierają grupy aminowe z różnych aminokwasów i włączają je do glutaminianu i alaniny. U zwierząt te dwa aminokwasy służą jako nośniki nagromadzonego azotu aminowego z tkanek do wątroby. W wątrobie grupa aminowa alaniny jest przenoszona przez transaminazę alaninową do a-ketoglutaranu, tworząc glutaminian:
Zatem większość grup aminowych różnych aminokwasów zawarta jest w glutaminianie, który łatwo ulega deaminacji.
Reakcje deaminacji aminokwasów prowadzą do uwolnienia grupy NH2 w postaci amoniaku i przebiegają na trzy różne sposoby. Wyróżnia się deaminację oksydacyjną, hydrolityczną i bezpośrednią (ryc. 16.12). Najpopularniejszym typem jest deaminacja oksydacyjna, który występuje w grupie a-aminowej i jest katalizowany głównie przez dehydrogenazę glutaminianową, typowy enzym wątrobowy. Niezwykłą właściwością tego enzymu jest jego zdolność do wykorzystywania zarówno NAD, jak i NADP jako koenzymów. Aktywność dehydrogenazy glutaminianowej jest regulowana przez aktywatory allosteryczne (ADP, PKB) i inhibitory (ATP, GTP).
Deaminacja oksydacyjna zachodzi w dwóch etapach, w wyniku czego powstaje iminokwas jako półprodukt, który samorzutnie hydrolizuje, tworząc ketokwas i amoniak (rysunek 16.12). Obie reakcje są odwracalne, a ich stałe równowagi są bliskie jedności. Wcześniej (ryc. 16.3) wykazano, w jaki sposób podczas reakcji odwrotnej amoniak wchodzi w skład glutaminianu. Można uznać, że reakcja powstawania i deaminacji glutaminianu jest reakcją centralną w procesie metabolizmu amoniaku.
U wielu organizmów deaminację oksydacyjną przeprowadza się za pomocą dehydrogenaz wykorzystujących kofaktory flawiny (FMN, FAD). Enzymy te nazywane są oksydazami aminokwasowymi. Charakteryzują się szeroką specyficznością substratową: niektóre są specyficzne dla L-aminokwasów, inne dla ich D-analogów. Uważa się, że enzymy te w niewielkim stopniu przyczyniają się do metabolizmu grup aminowych.
Deaminacja hydrolityczna Wrażliwych jest niewiele aminokwasów, z proteinogennych – asparagina i glutamina. Po ich deaminacji powstają odpowiednio asparaginian i glutaminian. Proces ten jest bardziej poprawnie nazywany deamidacją, ponieważ jest przeprowadzany przez grupę amidową (ryc. 16.12). W rzadkich przypadkach w ten sposób oddzielana jest również grupa aminowa aminokwasu, w wyniku czego powstaje amoniak i hydroksykwas.
W rezultacie bezpośrednia (wewnątrzcząsteczkowa) deaminacja powstają związki nienasycone. Histydyna, podobnie jak seryna, zwykle ulega bezpośredniej deaminacji. Jednakże początkowy atak enzymatyczny seryny powoduje eliminację cząsteczki wody (enzymu hydratazy serynowej), a w tej konwersji bierze udział boczna grupa hydroksylowa seryny. W tym przypadku niestabilny związek pośredni, aminoakrylan, ulega samoistnej deaminacji. Wyjściowym produktem reakcji jest pirogronian, a ten typ deaminacji jest spowodowany przegrupowaniem w łańcuchu bocznym aminokwasu.
Reakcje aminokwasów na grupie karboksylowej . Transformacje przy grupie karboksylowej aminokwasów mogą być wykorzystywane przez organizmy do degradacji tych cząsteczek, a także do przekształcenia ich w inne niezbędne dla komórki związki, przede wszystkim adenylany aminoacylu i aminy biogenne. Tworzenie aminoacyloadenylanów na etapie przygotowawczym syntezy białek opisano już w rozdziale 3. Aminy biogeniczne zachodzą w reakcjach katalizowanych przez dekarboksylazy aminokwasów. Enzymy te są szeroko rozpowszechnione u zwierząt, roślin, a zwłaszcza w mikroorganizmach i wiadomo, że w mikroorganizmach chorobotwórczych dekarboksylazy mogą służyć czynniki agresji, za pomocą którego patogen przenika do odpowiednich tkanek. Dekarboksylazy L-aminokwasów, podobnie jak transaminazy, wykorzystują fosforan pirydoksalu jako grupę prostetyczną.
Monoaminy (aminy biogenne) pełnią w organizmach różne funkcje. Na przykład etanoloamina powstająca w wyniku dekarboksylacji seryny jest integralną częścią polarnych lipidów. Podczas dekarboksylacji cysteiny i asparaginianu powstają odpowiednio cysteamina i b-alanina, które są częścią tak ważnego dla komórek koenzymu jak koenzym A. Dekarboksylacja histydyny prowadzi do powstania histaminy, mediatora biorącego udział w regulacji tempo procesów metabolicznych, aktywność gruczołów dokrewnych i regulacja ciśnienia krwi u zwierząt. Wiele innych amin biogennych pełni funkcję substancji sygnalizacyjnych, szczególnie te szeroko rozpowszechnione u zwierząt i ludzi. neuroprzekaźniki.
Reakcje aminokwasów wzdłuż łańcucha bocznego . Tak różnorodna jest struktura rodników aminokwasowych, jak różnorodne są przemiany chemiczne, jakim mogą one ulegać. Wśród tych różnorodnych reakcji możemy wyróżnić takie, które pozwalają komórce uzyskać inne z jednego aminokwasu. Na przykład tyrozyna powstaje w wyniku utlenienia pierścienia aromatycznego fenyloalaniny; hydroliza argininy prowadzi do powstania ornityny (patrz cykl mocznikowy); rozkładowi treoniny towarzyszy tworzenie glicyny itp.
Oprócz tych reakcji istotne są przekształcenia grup bocznych związane z pojawieniem się substancji fizjologicznie czynnych. W ten sposób z tyrozyny powstaje hormon adrenalina, z tryptofanu powstaje kwas nikotynowy (witamina PP, część koenzymów nikotynamidu) i kwas indolilooctowy (substancja wzrostowa), a z cysteiny powstają kwasy merkapturowe (biorą udział w neutralizacji związków aromatycznych związki). Odnotowano już możliwość przekształcenia seryny w pirogronian poprzez odwodnienie jej łańcucha bocznego i deaminację.
Zatem różne przemiany chemiczne aminokwasów mogą prowadzić do powstania substancji biologicznie czynnych o szerokim spektrum działania, a ponadto do eliminacji grup aminowych w postaci amoniaku z utworzeniem szkieletów węglowych. W następnej części zbadamy los amoniaku i atomów węgla w rozłożonych aminokwasach.
Aminokwasy to związki heterofunkcyjne, które koniecznie zawierają dwie grupy funkcyjne: grupę aminową - NH2 i grupę karboksylową - COOH, związaną z rodnikiem węglowodorowym.Ogólny wzór najprostszych aminokwasów można zapisać w następujący sposób:
Ponieważ aminokwasy zawierają dwie różne grupy funkcyjne, które na siebie wpływają, charakterystyczne reakcje różnią się od reakcji kwasów karboksylowych i amin.
Właściwości aminokwasów
Grupa aminowa – NH2 określa podstawowe właściwości aminokwasów, gdyż jest w stanie przyłączyć do siebie kation wodoru poprzez mechanizm donor-akceptor, dzięki obecności wolnej pary elektronów przy atomie azotu.
Grupa -COOH (grupa karboksylowa) określa właściwości kwasowe tych związków. Dlatego aminokwasy są amfoterycznymi związkami organicznymi. Z zasadami reagują w postaci kwasów:
Z mocnymi kwasami - takimi jak zasady - aminy:
Ponadto grupa aminowa w aminokwasie oddziałuje z jego grupą karboksylową, tworząc sól wewnętrzną:
Jonizacja cząsteczek aminokwasów zależy od kwaśnego lub zasadowego charakteru środowiska:
Ponieważ aminokwasy w roztworach wodnych zachowują się jak typowe związki amfoteryczne, w organizmach żywych pełnią rolę substancji buforowych, utrzymujących określone stężenie jonów wodorowych.
Aminokwasy to bezbarwne, krystaliczne substancje, które topią się i rozkładają w temperaturach powyżej 200°C. Są rozpuszczalne w wodzie i nierozpuszczalne w eterze. W zależności od rodnika R mogą być słodkie, gorzkie lub pozbawione smaku.
Aminokwasy dzielą się na naturalne (występujące w organizmach żywych) i syntetyczne. Wśród aminokwasów naturalnych (około 150) wyróżnia się aminokwasy proteinogenne (około 20), które wchodzą w skład białek. Są w kształcie litery L. Około połowa z tych aminokwasów to niezastąpiony, ponieważ nie są syntetyzowane w organizmie człowieka. Niezbędnymi kwasami są walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, lizyna, treonina, cysteina, metionina, histydyna, tryptofan. Substancje te dostają się do organizmu człowieka wraz z pożywieniem. Jeśli ich ilość w pożywieniu jest niewystarczająca, normalny rozwój i funkcjonowanie organizmu człowieka zostaje zakłócony. W przypadku niektórych chorób organizm nie jest w stanie syntetyzować niektórych innych aminokwasów. Zatem w fenyloketonurii tyrozyna nie jest syntetyzowana. Najważniejszą właściwością aminokwasów jest zdolność do wchodzenia w kondensację molekularną z uwolnieniem wody i utworzeniem grupy amidowej -NH-CO-, na przykład:
Związki wielkocząsteczkowe otrzymane w wyniku tej reakcji zawierają dużą liczbę fragmentów amidowych i dlatego nazywane są poliamidy.
Do nich, oprócz wspomnianego powyżej syntetycznego włókna nylonowego, zalicza się na przykład enant powstający podczas polikondensacji kwasu aminoenantowego. Aminokwasy z grupami aminowymi i karboksylowymi na końcach cząsteczek nadają się do produkcji włókien syntetycznych.
Nazywa się poliamidy alfa-aminokwasowe peptydy. W zależności od liczby reszt aminokwasowych rozróżnia się je dipeptydy, tripeptydy, polipeptydy. W takich związkach grupy -NH-CO- nazywane są grupami peptydowymi.
23.6.1. Dekarboksylacja aminokwasów - odszczepienie grupy karboksylowej od aminokwasu z wytworzeniem CO2. Produkty reakcji dekarboksylacji aminokwasów to: aminy biogeniczne , biorące udział w regulacji metabolizmu i procesów fizjologicznych w organizmie (patrz tabela 23.1).
Tabela 23.1
Aminy biogenne i ich prekursory.
Reakcje dekarboksylacji aminokwasów i ich pochodnych są katalizowane przez dekarboksylaza aminokwasy. Koenzym - fosforan pirydoksalu (pochodna witaminy B6). Reakcje są nieodwracalne.
23.6.2. Przykłady reakcji dekarboksylacji. Niektóre aminokwasy ulegają bezpośredniej dekarboksylacji. Reakcja dekarboksylacji histydyna :
Histamina ma silne działanie rozszerzające naczynia, zwłaszcza naczyń włosowatych w miejscu zapalenia; stymuluje wydzielanie żołądkowe zarówno pepsyny, jak i kwasu solnego i służy do badania funkcji wydzielniczej żołądka.
Reakcja dekarboksylacji glutaminian :
GABA- przekaźnik hamujący w ośrodkowym układzie nerwowym.
Szereg aminokwasów ulega dekarboksylacji po wstępnym utlenieniu. Produkt hydroksylacji tryptofan przekształcony w serotoninę:
Serotonina Powstaje głównie w komórkach ośrodkowego układu nerwowego i ma działanie zwężające naczynia krwionośne. Uczestniczy w regulacji ciśnienia krwi, temperatury ciała, oddychania i filtracji nerkowej.
Produkt hydroksylacji tyrozyna zamienia się w dopaminę:
Dopamina służy jako prekursor katecholamin; jest mediatorem typu hamującego w ośrodkowym układzie nerwowym.
Tiogrupa cysteina utlenia się do grupy sulfo, produkt tej reakcji ulega dekarboksylacji, tworząc taurynę:
Byczy powstaje głównie w wątrobie; uczestniczy w syntezie sparowanych kwasów żółciowych (kwasu taurocholowego).
21.5.3. Katabolizm amin biogennych. W narządach i tkankach istnieją specjalne mechanizmy, które zapobiegają gromadzeniu się amin biogennych. Główna droga inaktywacji amin biogennych – deaminacja oksydacyjna z utworzeniem amoniaku – jest katalizowana przez oksydazy mono- i diaminowe.
Monoaminooksydaza (MAO)- Enzym zawierający FAD - przeprowadza reakcję:
W leczeniu stanów depresyjnych klinika wykorzystuje inhibitory MAO (nialamid, pirazidol).
Organizm otrzymuje większość energii z utleniania węglowodanów i tłuszczów obojętnych (do 90%). Reszta ~10% wynika z utleniania aminokwasów. Aminokwasy są wykorzystywane głównie do syntezy białek. Ich utlenianie następuje:
1) jeżeli aminokwasy powstałe podczas odnowy białek nie zostaną wykorzystane do syntezy nowych białek;
2) jeśli nadmiar białka dostanie się do organizmu;
3) w okresach postu lub cukrzycy, gdy nie ma węglowodanów lub ich wchłanianie jest upośledzone, jako źródło energii wykorzystuje się aminokwasy.
We wszystkich tych sytuacjach aminokwasy tracą swoje grupy aminowe i przekształcają się w odpowiednie α-ketokwasy, które następnie utleniają się do CO2 i H2O. Część tego utleniania zachodzi poprzez cykl kwasów trikarboksylowych. W wyniku deaminacji i utleniania powstają kwas pirogronowy, acetylo-CoA, acetoacetylo-CoA, kwas α-ketoglutarowy, sukcynylo-CoA i kwas fumarowy. Niektóre aminokwasy można przekształcić w glukozę, inne w ciała ketonowe.
Sposoby neutralizacji amoniaku w tkankach zwierzęcych
Amoniak jest toksyczny i jego nagromadzenie w organizmie może spowodować śmierć. Istnieją następujące sposoby neutralizacji amoniaku:
1. Synteza soli amonowych.
2. Synteza amidów aminokwasów dikarboksylowych.
3. Synteza mocznika.
Synteza soli amonowych zachodzi w ograniczonym stopniu w nerkach, jako dodatkowe urządzenie ochronne organizmu w czasie kwasicy. Amoniak i ketokwasy są częściowo wykorzystywane do resyntezy aminokwasów i syntezy innych substancji azotowych. Ponadto w tkance nerek amoniak bierze udział w procesie neutralizacji kwasów organicznych i nieorganicznych, tworząc z nimi obojętne i kwaśne sole:
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
W ten sposób organizm zabezpiecza się przed utratą znacznej ilości kationów (Na, K, częściowo Ca, Mg) z moczem podczas wydalania kwasów, co mogłoby doprowadzić do gwałtownego zmniejszenia rezerwy zasadowej krwi . Ilość soli amonowych wydalanych z moczem znacznie wzrasta w przypadku kwasicy, ponieważ amoniak służy do neutralizacji kwasu. Jednym ze sposobów wiązania i neutralizacji amoniaku jest wykorzystanie go do utworzenia wiązania amidowego glutaminy i asparaginy. W tym przypadku glutamina syntetyzowana jest z kwasu glutaminowego pod działaniem enzymu syntetazy glutaminy, a asparagina syntetyzowana jest z kwasu asparaginowego przy udziale syntetazy asparaginowej:
W ten sposób amoniak jest eliminowany w wielu narządach (mózg, siatkówka, nerki, wątroba, mięśnie). Amidy kwasu glutaminowego i asparaginowego mogą powstawać również wtedy, gdy aminokwasy te znajdują się w strukturze białka, to znaczy, że akceptorem amoniaku może być nie tylko wolny aminokwas, ale także białka, których są częścią. Asparagina i glutamina dostarczane są do wątroby i wykorzystywane w syntezie mocznika. Amoniak transportowany jest do wątroby poprzez alaninę (cykl glukozowo-alaninowy). Cykl ten zapewnia przeniesienie grup aminowych z mięśni szkieletowych do wątroby, gdzie zostają one przekształcone w mocznik, a pracujące mięśnie otrzymują glukozę. W wątrobie glukoza syntetyzowana jest ze szkieletu węglowego alaniny. W pracującym mięśniu z kwasu α-ketoglutarowego powstaje kwas glutaminowy, który następnie przenosi grupę aminową – NH2 do kwasu pirogronowego, w wyniku czego powstaje alanina – aminokwas obojętny. Schematycznie wskazany cykl wygląda następująco:
Kwas glutaminowy + kwas pirogronowy ↔
↔ kwas α-ketoglutarowy + alanina
Ryż. 10.1. Cykl glukozowo-alaninowy.
Cykl ten spełnia dwie funkcje: 1) przenosi grupy aminowe z mięśni szkieletowych do wątroby, gdzie przekształcane są w mocznik;
2) zaopatruje pracujące mięśnie w glukozę dostarczaną wraz z krwią z wątroby, gdzie do jej powstania wykorzystywany jest szkielet węglowy alaniny.
Tworzenie mocznika– główna droga neutralizacji amoniaku. Proces ten badano w laboratorium I.P. Pavlova. Wykazano, że mocznik jest syntetyzowany w wątrobie z amoniaku, CO 2 i wody.
Mocznik jest wydalany z moczem jako główny produkt końcowy metabolizmu białek i aminokwasów. Mocznik stanowi do 80–85% całkowitego azotu w moczu. Głównym miejscem syntezy mocznika w organizmie jest wątroba. Obecnie udowodniono, że synteza mocznika zachodzi w kilku etapach.
Etap 1 – powstawanie karbamoilofosforanu zachodzi w mitochondriach pod wpływem enzymu syntetazy karbamoilofosforanu:
W kolejnym etapie syntezowana jest cytrulina z udziałem ornityny:
Cytrulina przemieszcza się z mitochondriów do cytozolu komórek wątroby. Następnie do cyklu wprowadzana jest druga grupa aminowa w postaci kwasu asparaginowego. Następuje kondensacja cząsteczek cytruliny i kwasu asparaginowego, w wyniku czego powstaje kwas arginino-bursztynowy.
Cytrulina asparaginowo-arginino-bursztynowa
kwaśny kwas
Kwas arginino-bursztynowy dzieli się na argininę i kwas fumarowy.
Pod wpływem arginazy arginina ulega hydrolizie do mocznika i ornityny. Następnie ornityna trafia do mitochondriów i może zostać włączona w nowy cykl neutralizacji amoniaku, a mocznik jest wydalany z moczem.
Zatem w syntezie jednej cząsteczki mocznika neutralizowane są dwie cząsteczki NH3 i CO2 (HCO3), co również odgrywa rolę w utrzymaniu pH. Do syntezy jednej cząsteczki mocznika zużywane są 3 cząsteczki ATP, w tym dwie do syntezy fosforanu karbamoilu, jedna do tworzenia kwasu arginino-bursztynowego; kwas fumarowy można przekształcić w kwas jabłkowy i szczawiooctowy (cykl Krebsa), a ten ostatni w wyniku transaminacji lub aminowania redukcyjnego może zostać przekształcony w kwas asparaginowy. Część azotu aminokwasowego jest wydalana z organizmu w postaci kreatyniny, która powstaje z kreatyny i fosforanu kreatyny.
Z całkowitego azotu w moczu mocznik stanowi do 80-90%, sole amonowe - 6%. Przy nadmiernym karmieniu białkiem wzrasta udział azotu mocznikowego, a przy niedostatecznym karmieniu białkiem zmniejsza się do 60%.
U ptaków i gadów amoniak jest neutralizowany przez tworzenie się kwasu moczowego. Obornik drobiowy w fermach drobiu jest źródłem nawozu zawierającego azot (kwas moczowy).
