Amino asitler, proteinler ve peptidler aşağıda açıklanan bileşiklerin örnekleridir. Biyolojik olarak aktif birçok molekül, birbirleriyle ve birbirlerinin fonksiyonel gruplarıyla etkileşime girebilen kimyasal olarak farklı fonksiyonel gruplar içerir.
Amino asitler.
Amino asitler- bir karboksil grubu içeren organik iki işlevli bileşikler - BM ve amino grubu N.H. 2 .
Ayırmak α Ve β - amino asitler:
Çoğunlukla doğada bulunur α -asitler. Proteinler 19 amino asit ve bir imino asit içerir ( Ç 5 H 9HAYIR 2 ):
En basit amino asit- glisin. Geri kalan amino asitler aşağıdaki ana gruplara ayrılabilir:
1) glisin homologları - alanin, valin, lösin, izolösin.
Amino asitlerin elde edilmesi.
Amino asitlerin kimyasal özellikleri.
Amino asitler- bunlar amfoterik bileşiklerdir çünkü 2 zıt fonksiyonel grup içerir: bir amino grubu ve bir hidroksil grubu. Bu nedenle hem asitlerle hem de alkalilerle reaksiyona girerler:
Asit-baz dönüşümü şu şekilde temsil edilebilir:
Bu bölümün ilk kısmında amino asitlerin parçalanmasının gerekliliği ve temel stratejisi zaten anlatılmıştı. Amino asitlerin ileride kullanılmak üzere saklanmasının imkansızlığı ve bunların hücrelerden tamamen uzaklaştırılmasının imkansızlığı ile açıklanmaktadır. Amino asitlerin fazlası organizmalar tarafından kullanılır. metabolik yakıt: Karbon iskeletleri, belirli bir tür yeniden düzenleme sırasında, yağ asitlerinin, glikozun, keton cisimlerinin, izoprenoidlerin vb. biyosentezinde yer alabilir ve ayrıca TCA döngüsünde oksitlenerek hücreye enerji sağlayabilir. Pek çok mikroorganizmanın, özellikle aerobik bakterilerin, tek enerji ve karbon kaynağı olarak tek tek amino asitleri kullanabildikleri unutulmamalıdır. Anaerobik mikroorganizmalarda, hücrelerde trikarboksilik asit döngüsünün yokluğunda, başka bir mekanizma gelişmiştir: biri elektron donörü, ikincisi alıcı olarak görev yaptığında amino asitlerin çiftler halinde katabolizması. Bu süreçte ATP'nin oluşması önemlidir.
Amino asitlerin bozunması, karbon iskeletlerine ek olarak, karbondan farklı olarak oksidasyon yoluyla enerji elde etmeye uygun olmayan ve ayrıca hücreler için toksik olan amin nitrojeni üretir. Bu nedenle biyosentezde tekrar kullanılamayan amino grupları üreye (veya başka maddelere) dönüştürülerek vücuttan atılır.
Aşağıda amino asitlerin maruz kalabileceği ana reaksiyon türlerini ele alacağız: a-amino grubu, karboksil grubu ve yan zincirdeki reaksiyonlar.
Amino asitlerin amino gruplarına göre dağılımı . Bu işlemler esas olarak a-amino grubundaki transaminasyon ve deaminasyon reaksiyonları ile temsil edilir. Transaminasyon reaksiyonları, amino asit biyosentezi bölümünde zaten tartışılmıştır. Ayırt edici özelliği piridoksal fosfatın (B6 vitamininin bir türevi) protez grubu olarak kullanılması olan transaminazlar (aminotransferazlar) tarafından katalize edilirler. Glutamat transaminaz ve alanin transaminaz, amino asit bozunma süreçlerinde büyük öneme sahiptir. Bu enzimler, farklı amino asitlerden amino gruplarını toplayan ve bunları glutamat ve alanine dahil eden "huniler" görevi görür. Hayvanlarda bu iki amino asit, dokulardan karaciğere birikmiş amin nitrojenin taşıyıcıları olarak görev yapar. Karaciğerde, alaninin amino grubu alanin transaminaz tarafından a-ketoglutarata aktarılarak glutamat oluşturulur:
Bu nedenle, çeşitli amino asitlerin amino gruplarının çoğu, kolayca deaminasyona uğrayan glutamat içinde bulunur.
Amino asitlerin deaminasyon reaksiyonları, NH2 grubunun amonyak formunda salınmasına yol açar ve üç farklı şekilde gerçekleştirilir. Oksidatif, hidrolitik ve doğrudan deaminasyon vardır (Şekil 16.12). En yaygın tür oksidatif deaminasyon a-amino grubunda meydana gelir ve esas olarak tipik bir karaciğer enzimi olan glutamat dehidrojenaz tarafından katalize edilir. Bu enzimin olağandışı bir özelliği, hem NAD hem de NADP'yi koenzim olarak kullanabilme yeteneğidir. Glutamat dehidrojenazın aktivitesi allosterik aktivatörler (ADP, GDP) ve inhibitörler (ATP, GTP) tarafından düzenlenir.
Oksidatif deaminasyon iki adımda meydana gelir ve bir ara madde olarak bir imino asit üreterek kendiliğinden hidrolize olup bir keto asit ve amonyak oluşturur (Şekil 16.12). Her iki reaksiyon da tersinirdir ve denge sabitleri bire yakındır. Daha önce (Şekil 16.3), ters reaksiyon sırasında amonyağın glutamatın bileşimine nasıl dahil edildiği gösterilmişti. Glutamatın oluşumu ve deaminasyonu reaksiyonunun, amonyak metabolizması sürecinde merkezi bir reaksiyon olduğu düşünülebilir.
Birçok organizmada oksidatif deaminasyon, flavin kofaktörlerini (FMN, FAD) kullanan dehidrojenazlar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu enzimlere amino asit oksidazlar denir. Bunlar geniş substrat spesifikliği ile karakterize edilir: bazıları L-amino asitlere, diğerleri ise D-analoglarına spesifiktir. Bu enzimlerin amino gruplarının metabolizmasına küçük bir katkı sağladığına inanılmaktadır.
Hidrolitik deaminasyon Asparagin ve glutamin gibi proteinojenik olanlara çok az amino asit duyarlıdır. Deamine olduklarında sırasıyla aspartat ve glutamat oluşur. Bu işlem, amid grubu tarafından gerçekleştirildiği için daha doğru bir şekilde deamidasyon olarak adlandırılır (Şekil 16.12). Nadir durumlarda, bir amino asidin amino grubu da bu şekilde bölünür, ardından amonyak ve hidroksi asit oluşur.
Sonuç olarak doğrudan (molekül içi) deaminasyon doymamış bileşikler ortaya çıkar. Histidin ve serin genellikle doğrudan deaminasyona uğrar. Bununla birlikte, serinin başlangıçtaki enzimatik saldırısı, bir su molekülünün (serin hidrataz enzimi) ortadan kaldırılmasıyla sonuçlanır ve serinin yan hidroksil grubu bu dönüşüme dahil olur. Bu durumda kararsız ara bileşik aminoakrilat kendiliğinden deaminasyona uğrar. Net reaksiyon ürünü piruvattır ve bu tip deaminasyona amino asit yan zincirindeki yeniden düzenleme neden olur.
Amino asitlerin karboksil grubundaki reaksiyonları . Amino asitlerin karboksil grubundaki dönüşümler, organizmalar tarafından bu molekülleri parçalamak ve ayrıca bunları hücre için gerekli olan diğer bileşiklere, özellikle aminoasil adenilatlara ve biyojenik aminlere dönüştürmek için kullanılabilir. Protein sentezinin hazırlık aşamasında aminoasil adenilatların oluşumu Bölüm 3'te zaten anlatılmıştır. Biyojenik aminler Amino asit dekarboksilazların katalize ettiği reaksiyonlarda meydana gelir. Bu enzimler hayvanlarda, bitkilerde ve özellikle mikroorganizmalarda yaygın olarak dağılmaktadır ve patojenik mikroorganizmalarda dekarboksilazların görev yapabildiği bilinmektedir. saldırganlık faktörleri patojenin ilgili dokulara nüfuz etmesinin yardımıyla. L-amino asit dekarboksilazlar, transaminazlar gibi, prostetik grup olarak piridoksal fosfatı kullanır.
Monoaminler (biyojen aminler) organizmalarda çeşitli işlevleri yerine getirir. Örneğin serinin dekarboksilasyonuyla oluşan etanolamin, polar lipitlerin ayrılmaz bir parçasıdır. Sistein ve aspartat dekarboksillendiğinde, koenzim A gibi hücreler için önemli bir koenzimin parçası olan sırasıyla sisteamin ve b-alanin oluşur. Histidinin dekarboksilasyonu, düzenlenmesinde rol oynayan bir aracı olan histamin oluşumuna yol açar. hayvanlarda metabolik süreçlerin hızı, endokrin bezlerinin aktivitesi ve kan basıncının düzenlenmesi. Diğer birçok biyojenik amin, özellikle hayvanlarda ve insanlarda yaygın olarak bulunanlar, sinyal maddeleri olarak işlev görür. nörotransmiterler.
Amino asitlerin yan zincirdeki reaksiyonları . Amino asit radikallerinin yapısı ne kadar çeşitliyse, geçirebilecekleri kimyasal dönüşümler de o kadar çeşitlidir. Bu çeşitli reaksiyonlar arasında, hücrenin bir amino asitten diğerlerini elde etmesini sağlayanları ayırt edebiliriz. Örneğin tirozin, fenilalanin aromatik halkasının oksidasyonu ile oluşur; argininin hidrolizi ornitin oluşumuna yol açar (bkz. üre döngüsü); treoninin parçalanmasına glisin vb. oluşumu eşlik eder.
Bu reaksiyonlara ek olarak fizyolojik olarak aktif maddelerin ortaya çıkmasıyla ilişkili yan grupların dönüşümleri de önemlidir. Böylece, adrenalin hormonu tirozinden, nikotinik asitten (PP vitamini, nikotinamid koenzimlerinin bir parçası) ve indolilasetik asit (bir büyüme maddesi) triptofandan oluşur ve merkaptürik asitler sisteinden oluşur (aromatik nötralizasyona katılır). Bileşikler). Serinin, yan zincirinin dehidrasyonu ve deaminasyonu yoluyla piruvata dönüştürülme olasılığı zaten belirtilmiştir.
Böylece, amino asitlerin çeşitli kimyasal dönüşümleri, geniş bir etki spektrumuna sahip biyolojik olarak aktif maddelerin oluşumuna ve ayrıca karbon iskeletlerinin oluşumu ile amonyak formundaki amino gruplarının ortadan kaldırılmasına yol açabilir. Bir sonraki bölümde amonyağın kaderini ve parçalanan amino asitlerin karbon atomlarını inceleyeceğiz.
Amino asitler, mutlaka iki fonksiyonel grup içeren heterofonksiyonel bileşiklerdir: bir hidrokarbon radikaliyle ilişkili bir amino grubu - NH2 ve bir karboksil grubu - COOH.En basit amino asitlerin genel formülü aşağıdaki gibi yazılabilir:
Amino asitler birbirini etkileyen iki farklı fonksiyonel grup içerdiğinden karakteristik reaksiyonlar karboksilik asitler ve aminlerinkinden farklıdır.
Amino asitlerin özellikleri
Amino grubu - NH2, nitrojen atomunda serbest bir elektron çiftinin varlığı nedeniyle bir donör-alıcı mekanizması yoluyla bir hidrojen katyonunu kendisine bağlayabildiğinden amino asitlerin temel özelliklerini belirler.
-COOH grubu (karboksil grubu) bu bileşiklerin asidik özelliklerini belirler. Bu nedenle amino asitler amfoterik organik bileşiklerdir. Alkalilerle asit olarak reaksiyona girerler:
Güçlü asitlerle (bazlar gibi) aminler:
Ek olarak, bir amino asitteki amino grubu, karboksil grubuyla etkileşime girerek bir iç tuz oluşturur:
Amino asit moleküllerinin iyonlaşması ortamın asidik veya alkali yapısına bağlıdır:
Sulu çözeltilerdeki amino asitler tipik amfoterik bileşikler gibi davrandıklarından, canlı organizmalarda belirli bir hidrojen iyonu konsantrasyonunu koruyan tampon maddelerin rolünü oynarlar.
Amino asitler, 200 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda eriyen ve ayrışan renksiz kristal maddelerdir. Suda çözünürler ve eterde çözünmezler. R-radikaline bağlı olarak tatlı, acı veya tatsız olabilirler.
Amino asitler doğal (canlı organizmalarda bulunur) ve sentetik olarak ikiye ayrılır. Doğal amino asitler arasında (yaklaşık 150), proteinlerin bir parçası olan proteinojenik amino asitler (yaklaşık 20) ayırt edilir. L şeklindedirler. Bu amino asitlerin yaklaşık yarısı yeri doldurulamazÇünkü insan vücudunda sentezlenmiyorlar. Esansiyel asitler valin, lösin, izolösin, fenilalanin, lizin, treonin, sistein, metiyonin, histidin, triptofandır. Bu maddeler insan vücuduna besinlerle girer. Besinlerdeki miktarları yetersizse insan vücudunun normal gelişimi ve işleyişi bozulur. Bazı hastalıklarda vücut diğer bazı amino asitleri sentezleyemez. Dolayısıyla fenilketonüride tirozin sentezlenmez. Amino asitlerin en önemli özelliği, suyun açığa çıkmasıyla moleküler yoğunlaşmaya girebilmeleri ve -NH-CO- amid grubunun oluşmasıdır, örneğin:
Bu reaksiyon sonucunda elde edilen yüksek moleküllü bileşikler çok sayıda amid fragmanı içerir ve bu nedenle denir. poliamidler.
Bunlar, yukarıda bahsedilen sentetik naylon elyafa ek olarak, örneğin aminoenantik asidin polikondansasyonu sırasında oluşan enant'ı içerir. Moleküllerinin uçlarında amino ve karboksil grupları bulunan amino asitler sentetik elyaf üretimine uygundur.
Alfa amino asit poliamidlerine denir peptitler. Amino asit kalıntılarının sayısına bağlı olarak ayırt edilirler. dipeptitler, tripeptitler, polipeptitler. Bu tür bileşiklerdeki -NH-CO- gruplarına peptit grupları denir.
23.6.1. Amino asitlerin dekarboksilasyonu - CO2 oluşturmak için bir karboksil grubunun bir amino asitten bölünmesi. Amino asit dekarboksilasyon reaksiyonlarının ürünleri Biyojenik aminler vücuttaki metabolizmanın ve fizyolojik süreçlerin düzenlenmesinde rol oynar (bkz. Tablo 23.1).
Tablo 23.1
Biyojen aminler ve öncülleri.
Amino asitlerin ve türevlerinin dekarboksilasyon reaksiyonları aşağıdakiler tarafından katalize edilir: dekarboksilaz amino asitler. Koenzim - piridoksal fosfat (B6 vitamini türevi). Reaksiyonlar geri döndürülemez.
23.6.2. Dekarboksilasyon reaksiyonlarına örnekler. Bazı amino asitler doğrudan dekarboksilasyona uğrar. Dekarboksilasyon reaksiyonu histidin :
Histaminözellikle iltihap bölgesindeki kılcal damarlarda güçlü bir damar genişletici etkiye sahiptir; hem pepsin hem de hidroklorik asidin mide salgısını uyarır ve midenin salgı fonksiyonunu incelemek için kullanılır.
Dekarboksilasyon reaksiyonu glutamat :
GABA- merkezi sinir sistemindeki inhibitör verici.
Bir dizi amino asit, ön oksidasyondan sonra dekarboksilasyona uğrar. Hidroksilasyon ürünü triptofan serotonine dönüştürülür:
Serotonin Esas olarak merkezi sinir sistemi hücrelerinde oluşur ve vazokonstriktör etkiye sahiptir. Kan basıncının, vücut ısısının, solunumun ve böbrek filtrasyonunun düzenlenmesine katılır.
Hidroksilasyon ürünü tirozin dopamine dönüşür:
Dopamin katekolaminlerin öncüsü olarak görev yapar; Merkezi sinir sisteminde inhibitör tipte bir aracıdır.
tiogrup sistein bir sülfo grubuna oksitlenir, bu reaksiyonun ürünü taurin oluşturmak üzere dekarboksile edilir:
Taurin esas olarak karaciğerde oluşur; eşleştirilmiş safra asitlerinin (taurokolik asit) sentezine katılır.
21.5.3. Biyojen aminlerin katabolizması. Organ ve dokularda biyojenik aminlerin birikmesini engelleyen özel mekanizmalar bulunmaktadır. Biyojenik aminlerin inaktivasyonunun ana yolu - amonyak oluşumu ile oksidatif deaminasyon - mono ve diamin oksidazlar tarafından katalize edilir.
Monoamin oksidaz (MAO)- FAD içeren enzim - reaksiyonu gerçekleştirir:
Klinik, depresif koşulları tedavi etmek için MAO inhibitörleri (nialamid, pirazidol) kullanıyor.
Vücut enerjisinin çoğunu karbonhidratların ve nötr yağların oksidasyonundan (% 90'a kadar) alır. Geriye kalan ~%10'luk kısım amino asitlerin oksidasyonundan kaynaklanmaktadır. Amino asitler öncelikle protein sentezi için kullanılır. Oksidasyonları meydana gelir:
1) protein yenilenmesi sırasında oluşan amino asitler yeni proteinlerin sentezi için kullanılmıyorsa;
2) vücuda aşırı protein girerse;
3) Oruç veya diyabet dönemlerinde, karbonhidratların bulunmadığı veya emiliminin bozulduğu durumlarda amino asitler enerji kaynağı olarak kullanılır.
Tüm bu durumlarda, amino asitler amino gruplarını kaybederler ve karşılık gelen a-keto asitlere dönüştürülürler, bunlar daha sonra CO2 ve H20'ya oksitlenir. Bu oksidasyonun bir kısmı trikarboksilik asit döngüsü yoluyla gerçekleşir. Deaminasyon ve oksidasyon sonucunda piruvik asit, asetil-CoA, asetoasetil-CoA, α-ketoglutarik asit, süksinil-CoA ve fumarik asit oluşur. Bazı amino asitler glikoza, bazıları ise keton cisimlerine dönüştürülebilir.
Hayvan dokularındaki amonyağı nötralize etmenin yolları
Amonyak zehirlidir ve vücutta birikmesi ölüme neden olabilir. Amonyağı nötralize etmenin aşağıdaki yolları vardır:
1. Amonyum tuzlarının sentezi.
2. Dikarboksilik amino asitlerin amidlerinin sentezi.
3. Üre sentezi.
Amonyum tuzlarının sentezi, asidoz sırasında vücut için ek bir koruyucu cihaz olarak böbreklerde sınırlı ölçüde meydana gelir. Amonyak ve keto asitler kısmen amino asitlerin yeniden sentezinde ve diğer azotlu maddelerin sentezinde kullanılır. Ek olarak, böbrek dokusunda amonyak, organik ve inorganik asitlerin nötralizasyon sürecine katılarak onlarla nötr ve asidik tuzlar oluşturur:
R – COOH + NH3 → R – COONH4;
H2S04 + 2 NH3 → (NH4)2S04;
H3PO4 + NH3 → NH4H2PO4
Bu sayede vücut, asitlerin atılımı sırasında idrarda önemli miktarda katyon (Na, K, kısmen Ca, Mg) kaybından kendini korur ve bu da kanın alkalin rezervinde keskin bir azalmaya neden olabilir. . Asidozla birlikte idrarla atılan amonyum tuzlarının miktarı belirgin şekilde artar, çünkü asidi nötralize etmek için amonyak kullanılır. Amonyağı bağlamanın ve nötralize etmenin yollarından biri, onu glutamin ve asparajinin amid bağını oluşturmak için kullanmaktır. Bu durumda, glutamin, glutamin sentetaz enziminin etkisi altında glutamik asitten sentezlenir ve asparajin, asparajin sentetazın katılımıyla aspartik asitten sentezlenir:
Bu sayede birçok organdaki (beyin, retina, böbrekler, karaciğer, kaslar) amonyak elimine edilir. Glutamik ve aspartik asitlerin amidleri de bu amino asitler protein yapısında olduğunda oluşabilmektedir, yani sadece serbest amino asit değil aynı zamanda parçası oldukları proteinler de amonyak alıcısı olabilmektedir. Asparajin ve glutamin karaciğere taşınarak üre sentezinde kullanılır. Amonyak karaciğere alanin (glikoz-alanin döngüsü) yoluyla taşınır. Bu döngü, amino gruplarının iskelet kaslarından karaciğere taşınmasını, burada üreye dönüştürülmesini ve çalışan kasların glikoz almasını sağlar. Karaciğerde glikoz, alaninin karbon iskeletinden sentezlenir. Çalışan kasta, a-ketoglutarik asitten glutamik asit oluşur ve bu asit daha sonra amin grubu - NH2'yi piruvik asit'e aktarır ve nötr bir amino asit olan alanin senteziyle sonuçlanır. Belirtilen döngü şematik olarak şöyle görünür:
Glutamik asit + pirüvik asit ↔
↔ α-ketoglutarik asit + alanin
Pirinç. 10.1. Glikoz-alanin döngüsü.
Bu döngü iki işlevi yerine getirir: 1) amino gruplarını iskelet kaslarından üreye dönüştürülecekleri karaciğere aktarır;
2) Çalışan kaslara, alaninin karbon iskeletinin oluşumu için kullanıldığı, karaciğerden gelen kanla sağlanan glikozu sağlar.
Üre oluşumu– amonyak nötralizasyonunun ana yolu. Bu süreç I.P. Pavlov'un laboratuvarında incelenmiştir. Ürenin karaciğerde amonyak, CO2 ve sudan sentezlendiği gösterilmiştir.
Üre, protein ve amino asit metabolizmasının ana son ürünü olarak idrarla atılır. Üre, toplam idrar nitrojeninin %80-85'ini oluşturur. Vücutta üre sentezinin ana yeri karaciğerdir. Artık üre sentezinin birkaç aşamada gerçekleştiği kanıtlanmıştır.
Aşama 1 - karbamoil fosfat oluşumu, karbamoil fosfat sentetaz enziminin etkisi altında mitokondride meydana gelir:
Bir sonraki aşamada sitrülin, ornitinin katılımıyla sentezlenir:
Sitrülin mitokondriden karaciğer hücrelerinin sitozolüne geçer. Bundan sonra döngüye aspartik asit formunda ikinci bir amino grubu eklenir. Sitrulin ve aspartik asit moleküllerinin yoğunlaşması arginin-süksinik asit oluşturmak üzere meydana gelir.
Sitrülin aspartik arginin-süksinik
asit asit
Arginin-süksinik asit, arginin ve fumarik asit olarak parçalanır.
Arginazın etkisi altında arginin, üre ve ornitin oluşturmak üzere hidrolize edilir. Daha sonra ornitin mitokondriye girer ve yeni bir amonyak nötralizasyon döngüsüne dahil edilebilir ve üre idrarla atılır.
Böylece bir üre molekülünün sentezinde iki molekül NH3 ve CO2 (HCO3) nötralize edilir ve bu da pH'ın korunmasında rol oynar. Bir üre molekülünün sentezi için, ikisi karbamoil fosfat sentezinde, biri arginin-süksinik asit oluşumunda olmak üzere 3 ATP molekülü tüketilir; fumarik asit, malik ve oksaloasetik asitlere (Krebs döngüsü) dönüştürülebilir ve ikincisi, transaminasyon veya indirgeyici aminasyonun bir sonucu olarak aspartik asite dönüştürülebilir. Amino asit nitrojeninin bir kısmı vücuttan kreatin ve kreatin fosfattan oluşan kreatinin olarak atılır.
Toplam idrar nitrojeninin% 80-90'ını üre,% 6'sını amonyum tuzları oluşturur. Aşırı protein beslemesi ile üre nitrojen oranı artar, yetersiz protein beslemesi ile% 60'a düşer.
Kuşlarda ve sürüngenlerde amonyak, ürik asit oluşumuyla nötralize edilir. Kanatlı hayvan çiftliklerindeki kümes hayvanı gübresi, nitrojen içeren gübrenin (ürik asit) kaynağıdır.
