Aminosyror, proteiner och peptiderär exempel på föreningarna som beskrivs nedan. Många biologiskt aktiva molekyler inkluderar flera kemiskt distinkta funktionella grupper som kan interagera med varandra och med varandras funktionella grupper.
Aminosyror.
Aminosyror- organiska bifunktionella föreningar, som inkluderar en karboxylgrupp - UNSD och aminogruppen - NH 2 .
dela med sig α Och β - aminosyror:
Finns mest i naturen α - syror. Proteiner består av 19 aminosyror och en iminosyra ( C5H 9NEJ 2 ):
Det enklaste aminosyra- glycin. De återstående aminosyrorna kan delas in i följande huvudgrupper:
1) glycinhomologer - alanin, valin, leucin, isoleucin.
Får aminosyror.
Aminosyrors kemiska egenskaper.
Aminosyror- dessa är amfotera föreningar, tk. innehåller i sin sammansättning 2 motsatta funktionella grupper - en aminogrupp och en hydroxylgrupp. Därför reagerar de med både syror och alkalier:
Syra-basomvandling kan representeras som:
Det första avsnittet i detta kapitel har redan beskrivit behovet av och grundläggande strategi för aminosyranedbrytning. Det förklaras av omöjligheten att lagra aminosyror för framtiden och omöjligheten att ta bort dem från celler som helhet. Överskott av aminosyror används av organismer som metaboliskt bränsle: deras kolskelett under omarrangemang av ett visst slag kan vara involverade i biosyntesen av fettsyror, glukos, ketonkroppar, isoprenoider, etc., och även oxideras i TCA, vilket ger cellen energi. Det bör noteras att många mikroorganismer, i synnerhet aeroba bakterier, kan använda individuella aminosyror som den enda källan till energi och kol. I anaeroba mikroorganismer, i avsaknad av en trikarboxylsyracykel i cellerna, har en annan mekanism utvecklats: katabolismen av aminosyror i par, när en av dem fungerar som en elektrondonator och den andra som en acceptor. Det är viktigt att ATP bildas i denna process.
Förutom kolskelett producerar nedbrytningen av aminosyror aminkväve, som till skillnad från kol inte är lämpligt för att få energi genom oxidation, och dessutom är det giftigt för celler. Därför omvandlas de aminogrupper som inte kan återanvändas i biosyntesen till urea (eller andra ämnen) och utsöndras från kroppen.
Nedan kommer vi att överväga huvudtyperna av reaktioner som aminosyror kan ingå i: reaktioner vid a-aminogruppen, karboxylgruppen och sidokedjan.
Klyvning av aminosyror efter aminogrupp . Dessa processer representeras huvudsakligen av reaktionerna av transaminering och deaminering vid a-aminogruppen. Transamineringsreaktioner har redan diskuterats i avsnittet om aminosyrabiosyntes. De katalyseras av transaminaser (aminotransferaser), vars särdrag är användningen av pyridoxalfosfat (ett derivat av vitamin B 6) som en protesgrupp. Glutamattransaminas och alanintransaminas är av största betydelse i processerna för aminosyranedbrytning. Dessa enzymer fungerar som trattar som samlar aminogrupper från olika aminosyror och inkluderar dem i sammansättningen av glutamat och alanin. Hos djur fungerar dessa två aminosyror som bärare av det ackumulerade aminokvävet från vävnaderna till levern. I levern överförs aminogruppen av alanin av alanintransaminas till a-ketoglutarat med bildning av glutamat:
Således finns de flesta av aminogrupperna i olika aminosyror i sammansättningen av glutamat, som lätt utsätts för deaminering.
Aminosyradeamineringsreaktioner leder till frisättning av NH 2 -gruppen som ammoniak och utförs på tre olika sätt. Det finns oxidativ, hydrolytisk och direkt deaminering (Fig. 16.12). Den vanligaste typen är oxidativ deaminering, som utförs vid a-aminogruppen och katalyseras huvudsakligen av glutamatdehydrogenas, ett enzym som är typiskt för levern. En ovanlig egenskap hos detta enzym är förmågan att använda både NAD och NADP som koenzymer. Glutamatdehydrogenasaktivitet regleras av allosteriska aktivatorer (ADP, GDP) och inhibitorer (ATP, GTP).
Oxidativ deaminering sker i två steg, vilket ger en iminosyra som en intermediär, som hydrolyserar spontant till ketosyra och ammoniak (Fig. 16.12). Båda reaktionerna är reversibla och deras jämviktskonstanter är nära enhet. Tidigare (fig. 16.3) visades hur, under den omvända reaktionen, ammoniak ingår i glutamatsammansättningen. Det kan anses att reaktionen av bildning och deaminering av glutamat är den centrala reaktionen i processen för ammoniakmetabolism.
I många organismer utförs oxidativ deaminering av dehydrogenaser med användning av flavinkofaktorer (FMN, FAD). Dessa enzymer kallas aminosyraoxidaser. De kännetecknas av bred substratspecificitet: vissa är specifika för L-aminosyror, andra för deras D-analoger. Man tror att dessa enzymer ger ett litet bidrag till utbytet av aminogrupper.
Hydrolytisk deaminering få aminosyror påverkas, av proteinogena sådana - asparagin och glutamin. När de deamineras bildas aspartat respektive glutamat. Denna process kallas mer korrekt deamidering, eftersom den utförs på bekostnad av amidgruppen (Fig. 16.12). I sällsynta fall klyvs även aminosyrans aminogrupp av på detta sätt, då bildas ammoniak och hydroxisyra.
Som ett resultat direkt (intramolekylär) deaminering omättade föreningar förekommer. Direkt deaminering utsätts vanligtvis för histidin, såväl som serin. Den primära enzymatiska attacken av serin leder emellertid till eliminering av en vattenmolekyl (enzymet serinhydratas), och sidohydroxylgruppen av serin är involverad i denna transformation. Spontan deaminering i detta fall genomgår en instabil mellanliggande förening - aminoakrylat. Produkten av nettoreaktionen är pyruvat, och denna typ av deaminering orsakas av en omarrangering i aminosyrasidokedjan.
Reaktioner av aminosyror vid karboxylgruppen . Transformationer vid aminosyrornas karboxylgrupp kan användas av organismer för att bryta ned dessa molekyler, såväl som för att omvandla dem till andra föreningar som är nödvändiga för cellen, främst aminoacyladenylater och biogena aminer. Bildandet av aminoacyladenylater i det förberedande steget av proteinsyntes har redan beskrivits i kapitel 3. Biogena aminer förekommer i reaktioner katalyserade av aminosyradekarboxylaser. Dessa enzymer är utbredda i djur, växter och speciellt i mikroorganismer, och det är känt att i patogena mikroorganismer kan dekarboxylaser fungera som faktorer för aggression, med vars hjälp patogenen tränger in i motsvarande vävnader. L-aminosyradekarboxylaser, såväl som transaminaser, används som protesgruppen av pyridoxalfosfat.
Monoaminer (biogena aminer) utför olika funktioner i organismer. Till exempel är etanolamin, som bildas under dekarboxyleringen av serin, en integrerad del av polära lipider. Under dekarboxyleringen av cystein och aspartat bildas cysteamin respektive b-alanin, som är en del av ett så viktigt koenzym för celler som koenzym A. Dekarboxylering av histidin leder till bildandet av histamin, en mediator som är involverad i regleringen av hastigheten på metaboliska processer, aktiviteten hos de endokrina körtlarna, tryck hos djur. Många andra biogena aminer fungerar som signalsubstanser, i synnerhet spridda i djur och människor. neurotransmittorer.
Sidokedjereaktioner av aminosyror . Lika olika som strukturen hos aminosyraradikaler är, så olika är de kemiska omvandlingar som de kan genomgå. Bland dessa olika reaktioner kan man peka ut de som gör att cellen kan få andra från en aminosyra. Till exempel bildas tyrosin genom oxidation av den aromatiska ringen av fenylalanin; hydrolys av arginin leder till bildandet av ornitin (se ureacykeln); nedbrytningen av treonin åtföljs av bildandet av glycin etc.
Förutom dessa reaktioner är omvandlingarna av sidogrupperna associerade med uppkomsten av fysiologiskt aktiva substanser av stor betydelse. Så hormonet adrenalin bildas från tyrosin, nikotinsyra (vitamin PP, som är en del av nikotinamidkoenzymer) och indolättiksyra (tillväxtämne) bildas från tryptofan, och merkaptursyror från cystein (delar i neutraliseringen av aromatiska föreningar) ). Möjligheten att omvandla serin till pyruvat under dehydrering av dess sidokedja och deaminering har redan noterats.
Sålunda kan olika kemiska omvandlingar av aminosyror leda till bildning av biologiskt aktiva substanser med ett brett spektrum av verkan och dessutom till eliminering av aminogrupper i form av ammoniak med bildning av kolskelett. I nästa avsnitt kommer ödet för ammoniak och kolatomer i spjälkade aminosyror att behandlas.
Aminosyror är heterofunktionella föreningar som nödvändigtvis innehåller två funktionella grupper: en aminogrupp - NH 2 och en karboxylgrupp -COOH associerad med en kolväteradikal. Den allmänna formeln för de enklaste aminosyrorna kan skrivas på följande sätt:
Eftersom aminosyror innehåller två olika funktionella grupper som påverkar varandra skiljer sig de karakteristiska reaktionerna från karboxylsyror och aminer.
Aminosyrors egenskaper
Aminogruppen - NH 2 bestämmer de grundläggande egenskaperna hos aminosyror, eftersom den kan fästa en vätekatjon till sig själv enligt donator-acceptormekanismen på grund av närvaron av ett fritt elektronpar vid kväveatomen.
-COOH-gruppen (karboxylgruppen) bestämmer de sura egenskaperna hos dessa föreningar. Därför är aminosyror amfotära organiska föreningar. De reagerar med alkalier som syror:
Med starka syror - som baser - aminer:
Dessutom interagerar aminogruppen i en aminosyra med dess karboxylgrupp och bildar ett inre salt:
Joniseringen av aminosyramolekyler beror på mediets sura eller alkaliska natur:
Eftersom aminosyror i vattenlösningar beter sig som typiska amfotera föreningar, spelar de i levande organismer rollen som buffertämnen som upprätthåller en viss koncentration av vätejoner.
Aminosyror är färglösa kristallina ämnen som smälter vid nedbrytning vid temperaturer över 200 °C. De är lösliga i vatten och olösliga i eter. Beroende på R-radikal kan de vara söta, bittra eller smaklösa.
Aminosyror delas in i naturliga (finns i levande organismer) och syntetiska. Bland naturliga aminosyror (ca 150) urskiljs proteinogena aminosyror (ca 20), som ingår i proteiner. De är L-formade. Ungefär hälften av dessa aminosyror är oumbärlig, eftersom de inte syntetiseras i människokroppen. Essentiella syror är valin, leucin, isoleucin, fenylalanin, lysin, treonin, cystein, metionin, histidin, tryptofan. Dessa ämnen kommer in i människokroppen med mat. Om deras mängd i maten är otillräcklig, störs den normala utvecklingen och funktionen hos människokroppen. Vid vissa sjukdomar kan kroppen inte syntetisera vissa andra aminosyror. Så med fenylketonuri syntetiseras inte tyrosin. Den viktigaste egenskapen hos aminosyror är förmågan att gå in i molekylär kondensation med frisättning av vatten och bildandet av en amidgrupp -NH-CO-, till exempel:
De makromolekylära föreningar som erhålls som ett resultat av en sådan reaktion innehåller ett stort antal amidfragment och kallas därför polyamider.
Förutom de ovan nämnda syntetiska nylonfibrerna inkluderar dessa till exempel enant, som bildas vid polykondensation av aminoenantsyra. Syntetiska fibrer är lämpliga för aminosyror med amino- och karboxylgrupper i ändarna av molekylerna.
Polyamider av alfa-aminosyror kallas peptider. Baserat på antalet aminosyrarester dipeptider, tripeptider, polypeptider. I sådana föreningar kallas -NH-CO-grupperna peptidgrupper.
23.6.1. Dekarboxylering av aminosyror - klyvning av karboxylgruppen från aminosyran med bildning av CO2. Produkterna av amiär biogena aminer involverad i regleringen av metabolism och fysiologiska processer i kroppen (se tabell 23.1).
Tabell 23.1
Biogena aminer och deras prekursorer.
Dekarboxyleringsreaktioner av aminosyror och deras derivat katalyserar dekarboxylaser aminosyror. Koenzym - pyridoxal fosfat (derivat av vitamin B6). Reaktionerna är oåterkalleliga.
23.6.2. Exempel på dekarboxyleringsreaktioner. Vissa aminosyror är direkt dekarboxylerade. Dekarboxyleringsreaktion histidin :
Histamin har en kraftfull vasodilaterande effekt, särskilt kapillärer i fokus för inflammation; stimulerar magsekretionen av både pepsin och saltsyra, och används för att studera magsäckens sekretoriska funktion.
Dekarboxyleringsreaktion glutamat :
GABA- en hämmande signalsubstans i det centrala nervsystemet.
Ett antal aminosyror genomgår dekarboxylering efter preliminär oxidation. Hydroxyleringsprodukt tryptofan omvandlas till serotonin:
Serotonin Det bildas huvudsakligen i cellerna i det centrala nervsystemet, har en vasokonstriktiv effekt. Deltar i reglering av blodtryck, kroppstemperatur, andning, njurfiltrering.
Hydroxyleringsprodukt tyrosin går i dopamin
Dopamin fungerar som en prekursor för katekolaminer; är en hämmande mediator i det centrala nervsystemet.
Tiogrupp cystein oxiderad till en sulfogrupp, dekarboxyleras produkten av denna reaktion för att bilda taurin:
Taurin bildas huvudsakligen i levern; deltar i syntesen av parade gallsyror (taurocholsyra).
21.5.3. Katabolism av biogena aminer. Det finns speciella mekanismer i organ och vävnader som förhindrar ackumulering av biogena aminer. Det huvudsakliga sättet för inaktivering av biogena aminer - oxidativ deaminering med bildning av ammoniak - katalyseras av mono- och diaminoxidaser.
Monoaminoxidas (MAO)- FAD-innehållande enzym - utför reaktionen:
Kliniken använder MAO-hämmare (nialamid, pyrazidol) för behandling av depression.
Det mesta av kroppens energi kommer från oxidation av kolhydrater och neutrala fetter (upp till 90%). Resten ~ 10% på grund av oxidation av aminosyror. Aminosyror används främst för proteinsyntes. Oxidation sker:
1) om aminosyrorna som bildas under förnyelsen av proteiner inte används för syntes av nya proteiner;
2) om ett överskott av protein kommer in i kroppen;
3) under fasta eller diabetes, när det inte finns några kolhydrater eller deras absorption är försämrad, används aminosyror som energikälla.
I alla dessa situationer förlorar aminosyror sina aminogrupper och omvandlas till motsvarande α-ketosyror, som sedan oxideras till CO 2 och H 2 O. En del av denna oxidation sker genom trikarboxylsyracykeln. Som ett resultat av deaminering och oxidation bildas pyrodruvsyra, acetyl-CoA, acetoacetyl-CoA, α-ketoglutarsyra, succinyl-CoA, fumarsyra. Vissa aminosyror kan omvandlas till glukos och andra till ketonkroppar.
Sätt att neutralisera ammoniak i djurvävnader
Ammoniak är giftigt och ansamling i kroppen kan leda till döden. Det finns följande sätt att neutralisera ammoniak:
1. Syntes av ammoniumsalter.
2. Syntes av amider av dikarboxylaminosyror.
3. Syntes av urea.
Syntesen av ammoniumsalter sker i begränsad omfattning i njurarna, detta är som en extra skyddsanordning för kroppen vid acidos. Ammoniak och ketosyror används delvis för återsyntes av aminosyror och för syntes av andra kvävehaltiga ämnen. Dessutom, i njurarnas vävnader, är ammoniak involverad i processen att neutralisera organiska och oorganiska syror och bildar neutrala och sura salter med dem:
R - COOH + NH3 → R - COONH 4;
H2SO4 + 2 NH3 → (NH4)2SO4;
H3PO4 + NH3 → NH4H2PO4
På detta sätt skyddar kroppen sig från förlusten av en betydande mängd katjoner (Na, K, delvis Ca, Mg) i urinen under utsöndringen av syror, vilket kan leda till en kraftig minskning av den alkaliska reserv i blodet . Mängden ammoniumsalter som utsöndras i urinen ökar markant vid acidos, eftersom ammoniak används för att neutralisera syran. Ett av sätten att binda och avgifta ammoniak är att använda den för att bilda en amidbindning mellan glutamin och asparagin. Samtidigt syntetiseras glutamin från glutaminsyra under verkan av enzymet glutaminsyntetas, och asparagin syntetiseras från asparaginsyra med deltagande av asparaginsyntetas:
På så sätt elimineras ammoniak i många organ (hjärna, näthinna, njurar, lever, muskler). Amider av glutamin- och asparaginsyror kan också bildas när dessa aminosyror finns i proteinstrukturen, det vill säga att inte bara en fri aminosyra kan vara en ammoniakacceptor, utan även de proteiner som de ingår i. Asparagin och glutamin levereras till levern och används i syntesen av urea. Ammoniak transporteras till levern och med hjälp av alanin (glukos-alanin-cykeln). Denna cykel säkerställer överföringen av aminogrupper från skelettmuskulaturen till levern, där de omvandlas till urea, och de arbetande musklerna får glukos. I levern syntetiseras glukos från kolskelettet av alanin. I en arbetande muskel bildas glutaminsyra från α-ketoglutarsyra, som sedan överför amingruppen - NH 2 till pyrodruvsyra, som ett resultat syntetiseras alanin, en neutral aminosyra. Schematiskt ser den indikerade cykeln ut så här:
Glutaminsyra + pyrodruvsyra ↔
↔ α-ketoglutarsyra + alanin
Ris. 10.1. Glukos-alanin-cykeln.
Denna cykel har två funktioner: 1) överför aminogrupper från skelettmuskler till levern, där de omvandlas till urea;
2) förser arbetande muskler med glukos som kommer från blodet från levern, där kolskelettet av alanin används för dess bildning.
Ureabildning- det huvudsakliga sättet att neutralisera ammoniak. Denna process studerades i laboratoriet av IP Pavlov. Det har visat sig att urea syntetiseras i levern från ammoniak, CO 2 och vatten.
Urea utsöndras i urinen som den huvudsakliga slutprodukten av protein, respektive aminosyrametabolism. Urea står för upp till 80-85 % av allt kväve i urinen. Den huvudsakliga platsen för ureasyntes i kroppen är levern. Det har nu bevisats att syntesen av urea sker i flera steg.
Steg 1 - bildandet av karbamoylfosfat sker i mitokondrier under verkan av enzymet karbamoylfosfatsyntetas:
I nästa steg syntetiseras citrullin med deltagande av ornitin:
Citrullin passerar från mitokondrier till levercellers cytosol. Därefter införs en andra aminogrupp i cykeln i form av asparaginsyra. Det sker en kondensering av molekyler av citrullin och asparaginsyra med bildning av arginin-bärnstenssyra.
Citrullin asparaginsyra arginin-bärnstenssyra
sur syra
Arginin-bärnstenssyra bryts ner till arginin och fumarsyra.
Under verkan av arginas hydrolyseras arginin, urea och ornitin bildas. Därefter kommer ornitin in i mitokondrierna och kan inkluderas i en ny cykel av ammoniakavgiftning, och urea utsöndras i urinen.
Vid syntesen av en molekyl urea neutraliseras alltså två molekyler NH 3 och CO 2 (HCO 3), vilket också är viktigt för att bibehålla pH. För syntesen av en molekyl urea förbrukas 3 ATP-molekyler, inklusive två i syntesen av karbomoylfosfat, en för bildning av arginin-bärnstenssyra; fumarsyra kan omvandlas till äppel- och oxaloättiksyror (Krebs-cykeln), och den senare kan omvandlas till asparaginsyra genom transaminering eller reduktiv aminering. En del av aminosyran kvävet utsöndras från kroppen i form av kreatinin, som bildas av kreatin och kreatinfosfat.
Av det totala kvävet i urinen står urea för upp till 80-90%, ammoniumsalter - 6%. Med överskott av proteinmatning ökar andelen ureakväve, och med otillräcklig proteinmatning minskar den till 60%.
Hos fåglar och reptiler neutraliseras ammoniak genom bildning av urinsyra. Fjäderfägödsel i fjäderfägårdar är en källa till kvävehaltigt gödselmedel (urinsyra).
