Aminoacidet, proteinat dhe peptidet janë shembuj të përbërjeve të përshkruara më poshtë. Shumë molekula biologjikisht aktive përfshijnë disa grupe funksionale kimikisht të dallueshme që mund të ndërveprojnë me njëri-tjetrin dhe me grupet funksionale të njëri-tjetrit.
Aminoacidet.
Aminoacidet- komponimet organike bifunksionale, të cilat përfshijnë një grup karboksil - UNSD, dhe grupi amino - NH 2 .
ndajnë α Dhe β - aminoacidet:
Gjendet kryesisht në natyrë α - acide. Proteinat përbëhen nga 19 aminoacide dhe një imino acid ( C 5 H 9NR 2 ):
Më e thjeshta amino acid- glicinë. Aminoacidet e mbetura mund të ndahen në grupet kryesore të mëposhtme:
1) homologët e glicinës - alanina, valina, leucina, izoleucina.
Marrja e aminoacideve.
Vetitë kimike të aminoacideve.
Aminoacidet- këto janë komponime amfoterike, tk. përmbajnë në përbërjen e tyre 2 grupe funksionale të kundërta - një grup amino dhe një grup hidroksil. Prandaj, ata reagojnë me acide dhe alkale:
Konvertimi acid-bazë mund të përfaqësohet si:
Seksioni i parë i këtij kapitulli ka përshkruar tashmë nevojën dhe strategjinë bazë për tretjen e aminoacideve. Shpjegohet me pamundësinë e ruajtjes së aminoacideve për të ardhmen dhe pamundësinë e largimit të tyre nga qelizat në tërësi. Aminoacidet e tepërta përdoren nga organizmat si lëndë djegëse metabolike: skeletet e tyre të karbonit gjatë rirregullimeve të një lloji të caktuar mund të përfshihen në biosintezën e acideve yndyrore, glukozës, trupave ketonikë, izoprenoideve, etj., dhe gjithashtu të oksidohen në TCA, duke i siguruar qelizës energji. Duhet të theksohet se shumë mikroorganizma, në veçanti bakteret aerobe, janë në gjendje të përdorin aminoacide individuale si burimin e vetëm të energjisë dhe karbonit. Në mikroorganizmat anaerobe, në mungesë të ciklit të acidit trikarboksilik në qeliza, është zhvilluar një mekanizëm tjetër: katabolizmi i aminoacideve në çifte, kur njëri prej tyre shërben si dhurues i elektroneve dhe i dyti si pranues. Është e rëndësishme që ATP të formohet në këtë proces.
Përveç skeleteve të karbonit, nga degradimi i aminoacideve prodhohet azot amin, i cili, ndryshe nga karboni, nuk është i përshtatshëm për marrjen e energjisë përmes oksidimit dhe për më tepër është toksik për qelizat. Prandaj, ato amino grupe që nuk mund të ripërdoren në biosintezë shndërrohen në ure (ose substanca të tjera) dhe ekskretohen nga trupi.
Më poshtë do të shqyrtojmë llojet kryesore të reaksioneve në të cilat mund të hyjnë aminoacidet: reaksionet në grupin a-amino, grupin karboksil dhe zinxhirin anësor.
Ndarja e aminoacideve sipas grupit amino . Këto procese përfaqësohen kryesisht nga reaksionet e transaminimit dhe deaminimit në grupin a-amino. Reaksionet e transaminimit tashmë janë diskutuar në seksionin mbi biosintezën e aminoacideve. Ato katalizohen nga transaminazat (aminotransferazat), karakteristikë dalluese e të cilave është përdorimi i piridoksal fosfatit (një derivat i vitaminës B 6) si grup protetik. Glutamate transaminaza dhe alanine transaminaza janë të një rëndësie më të madhe në proceset e degradimit të aminoacideve. Këto enzima veprojnë si gypa që mbledhin amino grupe nga aminoacide të ndryshme dhe i përfshijnë ato në përbërjen e glutamatit dhe alaninës. Në kafshë, këto dy aminoacide shërbejnë si bartës të aminoazotit të akumuluar nga indet në mëlçi. Në mëlçi, grupi amino i alaninës transferohet nga alanine transaminaza në a-ketoglutarat me formimin e glutamatit:
Kështu, shumica e amino grupeve të aminoacideve të ndryshme janë në përbërjen e glutamatit, i cili i nënshtrohet lehtësisht deaminimit.
Reaksionet e deaminimit të aminoacideve çojnë në çlirimin e grupit NH 2 si amoniak dhe kryhen në tre mënyra të ndryshme. Ka deaminim oksidativ, hidrolitik dhe direkt (Fig. 16.12). Lloji më i zakonshëm është deaminimi oksidativ, i cili kryhet në grupin a-amino dhe katalizohet kryesisht nga glutamat dehidrogjenaza, një enzimë tipike për mëlçinë. Një veti e pazakontë e kësaj enzime është aftësia për të përdorur NAD dhe NADP si koenzima. Aktiviteti i glutamat dehidrogjenazës rregullohet nga aktivizuesit alosterikë (ADP, GDP) dhe frenuesit (ATP, GTP).
Deaminimi oksidativ ndodh në dy hapa, duke prodhuar një imino acid si një ndërmjetës, i cili hidrolizohet spontanisht në keto acid dhe amoniak (Fig. 16.12). Të dy reaksionet janë të kthyeshme dhe konstantet e tyre të ekuilibrit janë afër unitetit. Më herët (Fig. 16.3) u tregua se si, gjatë reaksionit të kundërt, amoniaku përfshihet në përbërjen e glutamatit. Mund të konsiderohet se reagimi i formimit dhe deaminimit të glutamatit është reagimi qendror në procesin e metabolizmit të amoniakut.
Në shumë organizma, deaminimi oksidativ kryhet nga dehidrogjenazat duke përdorur kofaktorët flavin (FMN, FAD). Këto enzima quhen aminoacide oksidaza. Ato karakterizohen nga specifika e gjerë e substratit: disa janë specifike për L-aminoacidet, të tjerët për analogët e tyre D. Besohet se këto enzima japin një kontribut të vogël në shkëmbimin e amino grupeve.
Deaminimi hidrolitik preken pak aminoacide, nga ato proteinogjene - asparagina dhe glutamina. Kur ato deaminohen, formohen përkatësisht aspartat dhe glutamat. Ky proces më saktë quhet deamidim, pasi kryhet në kurriz të grupit amid (Fig. 16.12). Në raste të rralla, amino grupi i aminoacidit gjithashtu shkëputet në këtë mënyrë, pastaj formohet amoniaku dhe acidi hidroksi.
Si rezultat deaminim direkt (intramolekular). ndodhin komponime të pangopura. Deaminimi i drejtpërdrejtë zakonisht i nënshtrohet histidinës, si dhe serinës. Megjithatë, sulmi primar enzimatik i serinës çon në eliminimin e një molekule uji (enzima serine hydratase), dhe grupi hidroksil anësor i serinës është i përfshirë në këtë transformim. Deaminimi spontan në këtë rast i nënshtrohet një përbërjeje të ndërmjetme të paqëndrueshme - aminoakrilat. Produkti i reaksionit neto është piruvat, dhe ky lloj deaminimi shkaktohet nga një rirregullim në zinxhirin anësor të aminoacideve.
Reaksionet e aminoacideve në grupin karboksil . Transformimet në grupin karboksil të aminoacideve mund të përdoren nga organizmat për të degraduar këto molekula, si dhe për t'i shndërruar ato në komponime të tjera të nevojshme për qelizën, kryesisht aminoaciladenilatet dhe aminat biogjene. Formimi i aminoaciladenilateve në hapin përgatitor të sintezës së proteinave është përshkruar tashmë në Kapitullin 3. Aminat biogjene ndodhin në reaksionet e katalizuara nga dekarboksilazat e aminoacideve. Këto enzima janë të shpërndara gjerësisht në kafshë, bimë dhe veçanërisht në mikroorganizma, dhe dihet se në mikroorganizmat patogjenë, dekarboksilazat mund të shërbejnë si faktorët e agresionit, me ndihmën e të cilit patogjeni depërton në indet përkatëse. L-aminoacid dekarboksilazat, si dhe transaminazat, përdoren si grup protetik i piridoksal fosfatit.
Monoaminat (aminat biogjene) kryejnë funksione të ndryshme në organizma. Për shembull, etanolamina, e cila formohet gjatë dekarboksilimit të serinës, është një pjesë integrale e lipideve polare. Gjatë dekarboksilimit të cisteinës dhe aspartatit, formohen përkatësisht cisteamina dhe b-alanina, të cilat janë pjesë e një koenzime kaq të rëndësishme për qelizat si koenzima A. Dekarboksilimi i histidinës çon në formimin e histaminës, një ndërmjetës i përfshirë në rregullim. të shpejtësisë së proceseve metabolike, aktivitetit të gjëndrave endokrine, presionit te kafshët. Shumë amina të tjera biogjene funksionojnë si substanca sinjalizuese, në veçanti, të shpërndara gjerësisht te kafshët dhe njerëzit. neurotransmetuesit.
Reaksionet e zinxhirit anësor të aminoacideve . Sado e larmishme të jetë struktura e radikaleve të aminoacideve, aq të ndryshme janë edhe transformimet kimike që ato mund të pësojnë. Ndër këto reagime të ndryshme, mund të veçohen ato që lejojnë qelizën të marrë të tjera nga një aminoacid. Për shembull, tirozina formohet nga oksidimi i unazës aromatike të fenilalaninës; hidroliza e argininës çon në formimin e ornitinës (shih ciklin e uresë); zbërthimi i treoninës shoqërohet me formimin e glicinës etj.
Krahas këtyre reaksioneve, rëndësi të madhe kanë edhe transformimet e grupeve anësore që lidhen me shfaqjen e substancave fiziologjikisht aktive. Pra, hormoni adrenalinë formohet nga tirozina, acidi nikotinik (vitamina PP, e cila është pjesë e koenzimave nikotinamide) dhe acidi indoleacetik (substanca e rritjes) formohen nga triptofani, dhe acidet merkapturike nga cisteina (marrin pjesë në neutralizimin e përbërjeve aromatike. ). Është vënë re tashmë mundësia e shndërrimit të serinës në piruvat gjatë dehidrimit të zinxhirit anësor dhe deaminimit.
Kështu, transformimet e ndryshme kimike të aminoacideve mund të çojnë në formimin e substancave biologjikisht aktive me një spektër të gjerë veprimi dhe, përveç kësaj, në eliminimin e grupeve amino në formën e amoniakut me formimin e skeleteve të karbonit. Në seksionin tjetër, do të shqyrtohet fati i amoniakut dhe atomeve të karbonit të aminoacideve të copëtuara.
Aminoacidet janë komponime heterofunksionale që përmbajnë domosdoshmërisht dy grupe funksionale: një grup amino - NH 2 dhe një grup karboksil -COOH të lidhur me një radikal hidrokarbure.Formula e përgjithshme e aminoacideve më të thjeshta mund të shkruhet si më poshtë:
Meqenëse aminoacidet përmbajnë dy grupe të ndryshme funksionale që ndikojnë njëri-tjetrin, reaksionet karakteristike ndryshojnë nga ato të acideve karboksilike dhe aminave.
Vetitë e aminoacideve
Grupi amino - NH 2 përcakton vetitë themelore të aminoacideve, pasi është në gjendje të bashkojë një kation hidrogjeni në vetvete sipas mekanizmit dhurues-pranues për shkak të pranisë së një çifti elektronik të lirë në atomin e azotit.
Grupi -COOH (grupi karboksil) përcakton vetitë acidike të këtyre përbërjeve. Prandaj, aminoacidet janë komponime organike amfoterike. Ata reagojnë me alkalet si acide:
Me acide të forta - si baza - aminet:
Përveç kësaj, grupi amino në një aminoacid ndërvepron me grupin e tij karboksil, duke formuar një kripë të brendshme:
Jonizimi i molekulave të aminoacideve varet nga natyra acidike ose alkaline e mediumit:
Meqenëse aminoacidet në tretësirat ujore sillen si komponime tipike amfoterike, në organizmat e gjallë ato luajnë rolin e substancave tampon që mbajnë një përqendrim të caktuar të joneve të hidrogjenit.
Aminoacidet janë substanca kristalore pa ngjyrë që shkrihen me dekompozim në temperatura mbi 200 °C. Ato janë të tretshme në ujë dhe të pazgjidhshëm në eter. Në varësi të radikalit R, ato mund të jenë të ëmbla, të hidhura ose pa shije.
Aminoacidet ndahen në natyrore (që gjenden në organizmat e gjallë) dhe sintetike. Ndër aminoacidet natyrore (rreth 150), dallohen aminoacidet proteinogjene (rreth 20), të cilat janë pjesë e proteinave. Janë në formë L. Përafërsisht gjysma e këtyre aminoacideve janë e domosdoshme, sepse nuk sintetizohen në trupin e njeriut. Acidet esenciale janë valina, leucina, izoleucina, fenilalanina, lizina, treonina, cisteina, metionina, histidina, triptofani. Këto substanca hyjnë në trupin e njeriut me ushqim. Nëse sasia e tyre në ushqim është e pamjaftueshme, zhvillimi dhe funksionimi normal i trupit të njeriut prishet. Në disa sëmundje, trupi nuk është në gjendje të sintetizojë disa aminoacide të tjera. Pra, me fenilketonuri, tirozina nuk sintetizohet. Vetia më e rëndësishme e aminoacideve është aftësia për të hyrë në kondensim molekular me lëshimin e ujit dhe formimin e një grupi amide -NH-CO-, për shembull:
Përbërjet makromolekulare të marra si rezultat i një reaksioni të tillë përmbajnë një numër të madh të fragmenteve amide dhe, për rrjedhojë, quhen poliamidet.
Këto, përveç fibrës sintetike të kapronit të përmendur më sipër, përfshijnë, për shembull, enanthin, i cili formohet gjatë polikondensimit të acidit aminoenantik. Fijet sintetike janë të përshtatshme për aminoacide me grupe amino dhe karboksil në skajet e molekulave.
Poliamidet e alfa-aminoacideve quhen peptidet. Në bazë të numrit të mbetjeve të aminoacideve dipeptide, tripeptide, polipeptide. Në komponime të tilla, grupet -NH-CO- quhen grupe peptide.
23.6.1. Dekarboksilimi i aminoacideve - ndarja e grupit karboksil nga aminoacidi me formimin e CO2. Produktet e reaksioneve të dekarboksilimit të aminoacideve janë aminet biogjene përfshirë në rregullimin e metabolizmit dhe proceseve fiziologjike në trup (shih tabelën 23.1).
Tabela 23.1
Aminat biogjene dhe prekursorët e tyre.
Katalizohen reaksionet e dekarboksilimit të aminoacideve dhe derivateve të tyre dekarboksilaza aminoacidet. Koenzima - piridoksal fosfat (derivat i vitaminës B6). Reagimet janë të pakthyeshme.
23.6.2. Shembuj të reaksioneve të dekarboksilimit. Disa aminoacide dekarboksilohen drejtpërdrejt. Reaksioni i dekarboksilimit histidine :
Histamine ka një efekt të fuqishëm vazodilues, veçanërisht kapilarët në fokusin e inflamacionit; stimulon sekretimin gastrik të pepsinës dhe acidit klorhidrik dhe përdoret për të studiuar funksionin sekretues të stomakut.
Reaksioni i dekarboksilimit glutamat :
GABA- një neurotransmetues frenues në sistemin nervor qendror.
Një numër i aminoacideve i nënshtrohen dekarboksilimit pas oksidimit paraprak. Produkt hidroksilimi triptofanit konvertohet në serotonin:
Serotonin Formohet kryesisht në qelizat e sistemit nervor qendror, ka një efekt vazokonstriktiv. Merr pjesë në rregullimin e presionit të gjakut, temperaturës së trupit, frymëmarrjes, filtrimit të veshkave.
Produkt hidroksilimi tirozina shkon në dopaminë
Dopamine shërben si pararendës i katekolaminave; është një ndërmjetës frenues në sistemin nervor qendror.
Tiogrupi cisteinë I oksiduar në një grup sulfo, produkti i këtij reaksioni dekarboksilohet për të formuar taurinën:
Taurina formuar kryesisht në mëlçi; merr pjesë në sintezën e acideve biliare të çiftëzuara (acidi taurokolik).
21.5.3. Katabolizmi i amineve biogjene. Ekzistojnë mekanizma të veçantë në organe dhe inde që parandalojnë grumbullimin e amineve biogjene. Mënyra kryesore e inaktivizimit të amineve biogjenike - deaminimi oksidativ me formimin e amoniakut - katalizohet nga mono- dhe diamine oksidazat.
Monoamine oksidaza (MAO)- Enzima që përmban FAD - kryen reaksionin:
Klinika përdor frenuesit MAO (nialamid, pirazidol) për trajtimin e depresionit.
Pjesa më e madhe e energjisë që trupi merr si rezultat i oksidimit të karbohidrateve dhe yndyrave neutrale (deri në 90%). Pjesa tjetër ~ 10% për shkak të oksidimit të aminoacideve. Aminoacidet përdoren kryesisht për sintezën e proteinave. Oksidimi ndodh:
1) nëse aminoacidet e formuara gjatë rinovimit të proteinave nuk përdoren për sintezën e proteinave të reja;
2) nëse një tepricë e proteinave hyn në trup;
3) gjatë agjërimit ose diabetit, kur nuk ka karbohidrate ose përthithja e tyre është e dëmtuar, aminoacidet përdoren si burim energjie.
Në të gjitha këto situata, aminoacidet humbasin grupet e tyre amino dhe shndërrohen në acidet α-keto përkatëse, të cilat më pas oksidohen në CO 2 dhe H 2 O. Një pjesë e këtij oksidimi ndodh përmes ciklit të acidit trikarboksilik. Si rezultat i deaminimit dhe oksidimit, formohen acidi piruvik, acetil-CoA, acetoacetil-CoA, acidi α-ketoglutarik, succinil-CoA, acidi fumarik. Disa aminoacide mund të shndërrohen në glukozë dhe të tjerët në trupa ketonikë.
Mënyrat për të neutralizuar amoniakun në indet e kafshëve
Amoniaku është toksik dhe akumulimi në trup mund të çojë në vdekje. Ka mënyrat e mëposhtme për të neutralizuar amoniakun:
1. Sinteza e kripërave të amonit.
2. Sinteza e amideve të aminoacideve dikarboksilike.
3. Sinteza e uresë.
Sinteza e kripërave të amonit ndodh në një masë të kufizuar në veshka, kjo është si një pajisje shtesë mbrojtëse e trupit në rast të acidozës. Amoniaku dhe keto acidet përdoren pjesërisht për risintezën e aminoacideve dhe për sintezën e substancave të tjera azotike. Përveç kësaj, në indet e veshkave, amoniaku është i përfshirë në procesin e neutralizimit të acideve organike dhe inorganike, duke formuar kripëra neutrale dhe acidike me to:
R - COOH + NH 3 → R - COONH 4;
H2SO4 + 2 NH3 → (NH4) 2SO4;
H 3 PO 4 + NH 3 → NH 4 H 2 PO 4
Në këtë mënyrë, trupi mbrohet nga humbja e një sasie të konsiderueshme të kationeve (Na, K, pjesërisht Ca, Mg) në urinë gjatë sekretimit të acideve, gjë që mund të çojë në një ulje të mprehtë të rezervës alkaline të gjakut. . Sasia e kripërave të amonit të ekskretuar në urinë rritet ndjeshëm në acidozë, pasi amoniaku përdoret për të neutralizuar acidin. Një nga mënyrat për të lidhur dhe detoksifikuar amoniakun është përdorimi i tij për të formuar një lidhje amide midis glutaminës dhe asparaginës. Në të njëjtën kohë, glutamina sintetizohet nga acidi glutamik nën veprimin e enzimës glutamine sintetazë, dhe asparagina sintetizohet nga acidi aspartik me pjesëmarrjen e sintetazës së asparaginës:
Në këtë mënyrë amoniaku eliminohet në shumë organe (truri, retina, veshkat, mëlçia, muskujt). Amidet e acideve glutamike dhe aspartike gjithashtu mund të formohen kur këto aminoacide janë në strukturën e proteinave, domethënë jo vetëm një aminoacid i lirë mund të jetë një pranues i amoniakut, por edhe proteinat në të cilat ato përfshihen. Asparagina dhe glutamina shpërndahen në mëlçi dhe përdoren në sintezën e uresë. Amoniaku transportohet në mëlçi dhe me ndihmën e alaninës (cikli glukozë-alaninë). Ky cikël siguron transferimin e amino grupeve nga muskujt skeletorë në mëlçi, ku ato shndërrohen në ure dhe muskujt që punojnë marrin glukozë. Në mëlçi, glukoza sintetizohet nga skeleti i karbonit i alaninës. Në një muskul pune, acidi glutamik formohet nga acidi α-ketoglutarik, i cili më pas transferon grupin amin - NH 2 në acidin piruvik, si rezultat, sintetizohet alanina, një aminoacid neutral. Skematikisht, cikli i treguar duket kështu:
Acid glutamik + acid piruvik ↔
↔ acid α-ketoglutarik + alaninë
Oriz. 10.1. Cikli i glukozës-alaninës.
Ky cikël kryen dy funksione: 1) transferon amino grupet nga muskujt skeletorë në mëlçi, ku shndërrohen në ure;
2) siguron muskujt e punës me glukozë që vjen nga gjaku nga mëlçia, ku përdoret skeleti i karbonit i alaninës për formimin e tij.
Formimi i uresë- mënyra kryesore për të neutralizuar amoniakun. Ky proces u studiua në laboratorin e IP Pavlov. Është treguar se ureja sintetizohet në mëlçi nga amoniaku, CO 2 dhe uji.
Ureja ekskretohet në urinë si produkti përfundimtar kryesor i proteinave, përkatësisht i metabolizmit të aminoacideve. Ureja përbën deri në 80-85% të të gjithë azotit të urinës. Vendi kryesor i sintezës së uresë në trup është mëlçia. Tani është vërtetuar se sinteza e uresë ndodh në disa faza.
Faza 1 - formimi i karbamoil fosfatit ndodh në mitokondri nën veprimin e enzimës karbamoil fosfat sintetazë:
Në fazën tjetër, citrulina sintetizohet me pjesëmarrjen e ornitinës:
Citrullina kalon nga mitokondria në citosolin e qelizave të mëlçisë. Pas kësaj, një grup i dytë amino futet në cikël në formën e acidit aspartik. Ekziston një kondensim i molekulave të citrulinës dhe acidit aspartik me formimin e acidit arginine-succinic.
Citrulline aspartik arginine-succinic
acid acid
Acidi argininë-sukcinik ndahet në argininë dhe acid fumarik.
Nën veprimin e arginazës, arginina hidrolizohet, formohet ure dhe ornitina. Më pas, ornitina hyn në mitokondri dhe mund të përfshihet në një cikël të ri të detoksifikimit të amoniakut, dhe ureja ekskretohet në urinë.
Kështu, në sintezën e një molekule ure neutralizohen dy molekula NH 3 dhe CO 2 (HCO 3), e cila është gjithashtu e rëndësishme në ruajtjen e pH. Për sintezën e një molekule ure, konsumohen 3 molekula ATP, duke përfshirë dy në sintezën e karbomoil fosfatit, një për formimin e acidit arginine-sukcinik; acidi fumarik mund të shndërrohet në acid malik dhe oksaloacetik (cikli Krebs), dhe ky i fundit mund të shndërrohet në acid aspartik me anë të transaminimit ose aminimit reduktiv. Një pjesë e azotit të aminoacideve ekskretohet nga trupi në formën e kreatininës, e cila formohet nga kreatina dhe fosfati i kreatinës.
Nga azoti total i urinës, ure përbën deri në 80-90%, kripërat e amonit - 6%. Me ushqim të tepërt me proteina, përqindja e azotit të ure rritet, dhe me ushqim të pamjaftueshëm me proteina, zvogëlohet në 60%.
Tek zogjtë dhe zvarranikët, amoniaku neutralizohet nga formimi i acidit urik. Plehu i shpendëve në fermat e shpendëve është një burim i plehrave që përmbajnë azot (acidi urik).
