Амінокислоти, білки та пептидиє прикладами сполук, описаних далі. Багато біологічно активних молекул включають кілька хімічно різних функціональних груп, які можуть взаємодіяти між собою і з функціональними групами один одного.
амінокислоти.
Амінокислоти- органічні біфункціональні сполуки, до складу яких входить карбоксильна група; СООН, а аміногрупа - NH 2 .
Поділяють α і β - амінокислоти:
У природі зустрічаються переважно α -кислоти. До складу білків входять 19 амінокислот та ода імінокислота ( З 5 Н 9NO 2 ):
Найпростіша амінокислота- Гліцин. Інші амінокислоти можна розділити на такі основні групи:
1) гомологи гліцину – аланін, валін, лейцин, ізолейцин.
Одержання амінокислот.
Хімічні властивості амінокислот.
Амінокислоти- це амфотерні сполуки, т.к. містять у своєму складі 2 протилежні функціональні групи - аміногрупу та гідроксильну групу. Тому реагують і з кислотами та з лугами:
Кислотно-основні перетворення можна у вигляді:
У першому розділі цього розділу вже охарактеризовано необхідність і основна стратегія розщеплення амінокислот. Вона пояснюється неможливістю запасання амінокислот про запас і неможливістю їх виведення з клітин цілком. Надлишкові амінокислоти використовуються організмами як метаболічне паливо: їх вуглецеві скелети при перебудовах певного роду можуть залучатися до біосинтезу жирних кислот, глюкози, кетонових тіл, ізопреноїдів та ін., а також окислюватися в ЦТК, забезпечуючи клітину енергією. Слід зазначити, що багато мікроорганізмів, зокрема аеробні бактерії, здатні використовувати окремі амінокислоти як єдине джерело енергії та вуглецю. У анаеробних мікроорганізмів, за відсутності в клітинах циклу трикарбонових кислот, виробився інший механізм: катаболізм амінокислот у парах, коли одна з них служить донором електронів, а друга акцептором. Важливо, що у процесі відбувається освіту АТР.
Крім вуглецевих скелетів, при деградації амінокислот утворюється амінний азот, який, на відміну від вуглецю, не придатний для отримання енергії за рахунок окислення, і більш того, є токсичним для клітин. Тому ті аміногрупи, які можуть повторно використовуватися в біосинтезі, перетворюються на сечовину (чи інші речовини) і виводяться з організму.
Нижче будуть розглянуті основні типи реакцій, які можуть вступати амінокислоти: реакції по a-аміногрупі, карбоксильної групи і бічного ланцюга.
Розщеплення амінокислот по аміногрупі . Ці процеси представлені в основному реакціями трансамінування та дезамінування по a-аміногрупі. Реакції трансамінування вже було розглянуто у розділі, що стосується біосинтезу амінокислот. Вони каталізуються трансаміназами (амінотрансферазами), відмінною особливістю яких є використання піридоксальфосфату (похідне вітаміну В 6) як простетична група. Найбільше значення у процесах деградації амінокислот мають глутамат-трансаміназу та аланін-трансаміназу. Ці ферменти виконують роль «воронок», що збирають аміногрупи від різних амінокислот і включають їх до складу глутамату та аланіну. У тварин ці дві амінокислоти служать переносниками амінного азоту, що накопичується, з тканин в печінку. У печінці аміногрупа аланіну переноситься аланінтрансаміназою на a-кетоглутарат з утворенням глутамату:
Таким чином, більшість аміногруп різних амінокислот виявляється у складі глутамату, який легко піддається дезамінуванню.
Реакції дезамінування амінокислот призводять до звільнення NH 2 -групи у вигляді аміаку та здійснюються трьома різними шляхами. Розрізняють окисне, гідролітичне та пряме дезамінування (рис. 16.12). Найбільш поширеним типом є окисне дезамінування, яке здійснюється за a-аміногрупою і каталізується в основному глутаматдегідрогеназою - типовим для печінки ферментом. Незвичайною властивістю цього ферменту є здатність використовувати як NAD, так і NADP як коферменти. Активність глутаматдегідрогенази регулюється алостеричними активаторами (ADP, GDP) та інгібіторами (ATP, GTP).
Окисне дезамінування здійснюється у дві стадії з утворенням імінокислоти як проміжний продукт, який спонтанно гідролізується, перетворюючись на кетокислоту та аміак (рис. 16.12). Обидві реакції оборотні, та його константи рівноваги близькі до одиниці. Раніше (рис. 16.3) було показано, як під час зворотної реакції аміак включається до складу глутамату. Можна вважати, що реакція утворення та дезамінування глутамату є центральною реакцією у процесі метаболізму аміаку.
У багатьох організмів окисне дезамінування здійснюється за допомогою дегідрогеназу, що використовують флавінові кофактори (FMN, FAD). Ці ферменти називають оксидазами амінокислот. Вони характеризуються широкою субстратною специфічністю: одні специфічні до L-амінокислот, інші - до їх D-аналогів. Вважається, що ці ферменти роблять невеликий внесок в обмін аміногруп.
Гідролітичне дезамінуваннясхильні деякі амінокислоти, з протеїногенних - аспарагін і глутамін. При їх дезамінуванні утворюються відповідно аспартат та глутамат. Цей процес правильніше називати дезамідуванням, оскільки він здійснюється за рахунок амідної групи (рис. 16.12). У поодиноких випадках таким шляхом відщеплюється і ааміногрупа амінокислоти, тоді утворюються аміак та оксикислота.
В результаті прямого (внутрішньомолекулярного) дезамінуванняз'являються ненасичені сполуки. Прямого дезамінування зазвичай піддається гістидин, а також серин. Однак первинна ферментативна атака серину призводить до відщеплення молекули води (фермент-серингідратаза), і в цьому перетворенні бере участь бічна гідроксильна група серину. Спонтанному дезамінуванню в цьому випадку піддається нестабільне проміжне з'єднання - аміноакрилат. Продуктом сумарної реакції є піруват, і цей тип дезамінування викликається перебудовою в бічній ланцюзі амінокислоти.
Реакції амінокислот по карбоксильній групі . Перетворення по карбоксильній групі амінокислот можуть використовуватися організмами для деградації цих молекул, а також для перетворення на інші, необхідні клітині сполуки, в першу чергу аміноациладенілати та біогенні аміни. Утворення аміноациладенілатів на стадії підготовки синтезу білка вже було описано в розділі 3. Біогенні амінивиникають у реакціях, що каталізуються декарбоксилазами амінокислот. Ці ферменти широко поширені у тварин, рослин і особливо мікроорганізмів, причому відомо, що у патогенних мікроорганізмів декарбоксилази можуть служити факторами агресії, за допомогою яких збудник проникає у відповідні тканини. Декарбоксилази L-амінокислот, так само як трансамінази, використовують як простетичну групу піридоксальфосфат.
Моноаміни (біогенні аміни) виконують у організмах різноманітні функції. Наприклад, етаноламін, що утворюється при декарбоксилюванні серину, є складовою полярних ліпідів. При декарбоксилюванні цистеїну і аспартату утворюються відповідно цистеамін і b-аланін, які входять до складу такого важливого для клітин коферменту, як коензим А. Декарбоксилювання гістидину призводить до утворення гістаміну - медіатора, що бере участь у регуляції швидкості метаболічних процесів, діяльності залоз внутрішньої секре тиск у тварин. Багато інших біогенних амінів виконують функції сигнальних речовин, зокрема широко поширених у тварин та людини нейромедіаторів.
Реакції амінокислот з бокового ланцюга . Наскільки різноманітна структура радикалів амінокислот, настільки різноманітні й хімічні перетворення, яким можуть піддаватися. Серед цих різноманітних реакцій можна назвати ті, які дозволяють клітині отримувати з одних амінокислот інші. Наприклад, тирозин утворюється при окисненні ароматичного кільця фенілаланіну; гідроліз аргініну призводить до формування орнітину (див. цикл сечовини); розщеплення треоніну супроводжується утворенням гліцину тощо.
Крім цих реакцій, важливе значення мають перетворення бічних груп, пов'язані із виникненням фізіологічно активних речовин. Так, з тирозину утворюється гормон адреналін, з триптофану утворюються нікотинова кислота (вітамін РР, що входить до складу нікотинамідних коферментів) та індолілоцтова кислота (ростова речовина), з цистеїну-меркаптурові кислоти (беруть участь у знешкодженні ароматичних сполук). Вже відзначалася можливість перетворення серину на піруват при дегідратації його бічного ланцюга та дезамінування.
Таким чином, різноманітні хімічні перетворення амінокислот можуть призводити до утворення біологічно активних речовин з широким спектром дії і, крім того, відщеплення аміногруп у вигляді аміаку з формуванням вуглецевих скелетів. У наступному розділі буде розглянуто долю аміаку та вуглецевих атомів розщеплених амінокислот.
Амінокислоти - гетерофункціональні сполуки, які обов'язково містять дві функціональні групи: аміногрупу - NH 2 і карбоксильну групу -СООН, пов'язані з вуглеводневим радикалом. Загальну формулу найпростіших амінокислот можна записати так:
Так як амінокислоти містять дві різні функціональні групи, які впливають одна на одну, характерні реакції відрізняються від характерних реакцій карбонових кислот та амінів.
Властивості амінокислот
Аміногрупа - NH 2 визначає основні властивості амінокислот, тому що здатна приєднувати до себе катіон водню за донорно-акцепторним механізмом за рахунок наявності вільної електронної пари у атома азоту.
Група -СООН (карбоксильна група) визначає кислотні властивості цих сполук. Отже, амінокислоти – це амфотерні органічні сполуки. З лугами вони реагують як кислоти:
З сильними кислотами-як основи-аміни:
Крім того, аміногрупа в амінокислоті вступає у взаємодію з карбоксильною групою, що входить до її складу, утворюючи внутрішню сіль:
Іонізація молекул амінокислот залежить від кислотного або лужного характеру середовища:
Оскільки амінокислоти у водних розчинах поводяться як типові амфотерні сполуки, то живих організмах вони грають роль буферних речовин, підтримують певну концентрацію іонів водню.
Амінокислоти є безбарвними кристалічними речовинами, що плавляться з розкладанням при температурі вище 200 °С. Вони розчиняються у воді і нерозчинні в ефірі. Залежно від радикала R- вони можуть бути солодкими, гіркими або несмачними.
Амінокислоти поділяють на природні (виявлені в живих організмах) та синтетичні. Серед природних амінокислот (близько 150) виділяють протеїногенні амінокислоти (близько 20), що входять до складу білків. Вони є L-форми. Приблизно половина з цих амінокислот відносяться до незамінним, Бо вони не синтезуються в організмі людини. Незамінними є такі кислоти як валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін, лізин, треонін, цистеїн, метіонін, гістидин, триптофан. В організм людини ці речовини надходять з їжею. Якщо їх кількість у їжі буде недостатньою, нормальний розвиток та функціонування організму людини порушуються. При окремих захворюваннях організм не в змозі синтезувати деякі інші амінокислоти. Так, при фенілкетонурії не синтезується тирозин. Найважливішою властивістю амінокислот є здатність вступати в молекулярну конденсацію з виділенням води та утворенням амідного угруповання -NH-СО-, наприклад:
Високомолекулярні сполуки, що виходять в результаті такої реакції, містять велику кількість амідних фрагментів і тому отримали назву полімамідів.
До них, крім названого вище синтетичного волокна капрону, відносять, наприклад, енант, що утворюється при поліконденсації аміноенантової кислоти. Для отримання синтетичних волокон придатні амінокислоти з розташуванням аміно- та карбоксильної груп на кінцях молекул.
Поліаміди альфа-амінокислот називаються пептидами. Залежно від кількості залишків амінокислот розрізняють дипептиди, трипептиди, поліпептиди. У таких сполуках групи -NH-ЗІ- називають пептидними.
23.6.1. Декарбоксилювання амінокислот - відщеплення карбоксильної групи від амінокислоти з утворенням СО2. Продуктами реакцій декарбоксилювання амінокислот є біогенні аміни , що беруть участь у регуляції обміну речовин та фізіологічних процесів в організмі (див. таблицю 23.1).
Таблиця 23.1
Біогенні аміни та їх попередники.
Реакції декарбоксилювання амінокислот та їх похідних каталізують декарбоксилази амінокислот. Кофермент - піридоксальфосфат (Похідне вітаміну В6). Реакції є незворотними.
23.6.2. Приклади реакцій декарбоксилювання.Деякі амінокислоти безпосередньо піддаються декарбоксилювання. Реакція декарбоксилювання гістидин :
Гістамінмає потужну судинорозширювальну дію, особливо капілярів в осередку запалення; стимулює шлункову секрецію як пепсину, так і соляної кислоти, та використовується для дослідження секреторної функції шлунка.
Реакція декарбоксилювання глутамату :
ГАМК- гальмівний медіатор у центральній нервовій системі.
Ряд амінокислот піддається декарбоксилювання після попереднього окислення. Продукт гідроксилювання триптофану перетворюється на серотонін:
Серотонінутворюється головним чином у клітинах центральної нервової системи, має судинозвужувальну дію. Бере участь у регуляції артеріального тиску, температури тіла, дихання, ниркової фільтрації.
Продукт гідроксилювання тирозину переходить у дофамін:
Дофамінслужить попередником катехоламінів; є медіатором інгібуючого типу у центральній нервовій системі.
Тіогрупа цистеїну окислюється до сульфогрупи, продукт цієї реакції декарбоксилюється з утворенням таурину:
Таурінутворюється головним чином печінці; бере участь у синтезі парних жовчних кислот (таурохолевої кислоти).
21.5.3. Катаболізм біогенних амінів.В органах та тканинах існують спеціальні механізми, що запобігають накопиченню біогенних амінів. Основний шлях інактивації біогенних амінів - окисне дезамінування з утворенням аміаку - каталізується моно-і діамінооксидаз.
Моноамінооксидаза (МАО)- ФАД-містить фермент - здійснює реакцію:
У клініці використовують інгібітори МАО (ніаламід, піразидол) для лікування депресивних станів.
Більшу частину енергії організм отримує внаслідок окислення вуглеводів та нейтральних жирів (до 90 %). Решту ~ 10% за рахунок окислення амінокислот. Амінокислоти насамперед використовуються для синтезу білка. Окислення їх відбувається:
1) якщо амінокислоти, що утворюються при оновленні білків, не використовуються для синтезу нових білків;
2) якщо в організм надходить надлишок білка;
3) у період голодування або при цукровому діабеті, коли немає вуглеводів або їх засвоєння порушено, як джерело енергії використовуються амінокислоти.
У всіх цих ситуаціях амінокислоти втрачають свої аміногрупи і перетворюються на відповідні -кетокислоти, які потім окислюються до СО 2 і H 2 O. Частково це окислення йде через цикл трикарбонових кислот. В результаті дезамінування та окислення утворюються піровиноградна кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутарова кислота, сукциніл-КоА, фумарова кислота. Деякі амінокислоти можуть перетворюватися на глюкозу, а інші – на кетонові тіла.
Шляхи знешкодження аміаку у тканинах тварин
Аміак токсичний і накопичення його в організмі може призвести до смерті. Існують такі шляхи знешкодження аміаку:
1. Синтез амонійних солей.
2. Синтез амідів дикарбонових амінокислот.
3. Синтез сечовини.
Синтез амонійних солей відбувається обмежено у нирках, це як додатковий захисний пристрій організму при ацидозах. Аміак та кетокислоти частково використовуються для ресинтезу амінокислот та для синтезу інших азотистих речовин. Крім того, у тканинах нирок аміак бере участь у процесі знешкодження оргінічних та неорганічних кислот, утворюючи з ними нейтральні та кислі солі:
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
Цим шляхом організм захищається від втрати з сечею при виведенні кислот значної кількості катіонів (Na, K, частково Са, Mg), що могло б призвести до різкого зниження лужного резерву крові. Кількість амонійних солей, що виводяться із сечею, помітно підвищується при ацидозі, оскільки аміак використовується для нейтралізації кислоти. Одним із шляхів зв'язування та знешкодження аміаку є використання його для утворення амідного зв'язку глутаміну та аспарагіну. При цьому з глутамінової кислоти під дією ферменту глутамінсинтетази синтезується глутамін, з аспарагінової кислоти за участю аспарагінсинтетази – аспарагін:
Цим шляхом відбувається усунення аміаку у багатьох органах (мозок, сітківка, нирки, печінка, м'язи). Аміди глутамінової та аспарагінової кислот можуть утворитися і тоді, коли ці амінокислоти знаходяться в структурі білка, тобто акцептором аміаку може бути не тільки вільна амінокислота, а й білки, до складу яких вони входять. Аспарагін і глутамін доставляються до печінки та використовуються у синтезі сечовини. Аміак переноситься в печінку та за допомогою аланіну (глюкозо-аланіновий цикл). Цей цикл забезпечує перенесення аміногруп з скелетних м'язів у печінку, де вони перетворюються на сечовину, а м'язи, що працюють, отримують глюкозу. У печінці глюкоза синтезується із вуглецевого скелета аланіну. У працюючому м'язі з α-кетоглутарової кислоти утворюється глутамінова кислота, яка потім передає амінну групу - NH 2 піровиноградної кислоти, в результаті синтезується аланін - нейтральна амінокислота. Схематично зазначений цикл виглядає так:
Глутамінова кислота + піровиноградна кислота ↔
↔ α-кетоглутарова кислота + аланін
Мал. 10.1. Глюкозо-аланіновий цикл.
Цей цикл виконує дві функції: 1) переносить аміногрупи зі скелетних м'язів у печінку, де вони перетворюються на сечовину;
2) забезпечує працюючі м'язи глюкозою, що надходить із кров'ю з печінки, де для її утворення використовується вуглецевий скелет аланіну.
Освіта сечовини- Основний шлях знешкодження аміаку. Цей процес вивчали у лабораторії І.П.Павлова. Показано, що сечовина синтезується у печінці з аміаку, CO 2 та води.
Сечовина виводиться із сечею як головний кінцевий продукт білкового, відповідно амінокислотного обміну. Перед сечовини припадає до 80-85% всього азоту сечі. Головним місцем синтезу сечовини в організмі є печінка. Наразі доведено, що синтез сечовини відбувається у кілька етапів.
1 стадія - утворення карбамоілфосфату відбувається в мітохондріях під дією ферменту карбомоїлфосфат-синтетази:
На наступній стадії за участю орнітину синтезується цитрулін:
Цитрулін переходить із мітохондрій у цитозоль клітин печінки. Після цього цикл вводиться друга аміногрупа у формі аспарагінової кислоти. Відбувається конденсація молекул цитруліну та аспарагінової кислоти з утворенням аргінін-бурштинової кислоти.
Цитрулін аспарагінова аргінін-бурштинова
кислота кислота
Аргінін-бурштинова кислота розщеплюється на аргінін та фумарову кислоти.
Під дією аргінази аргінін гідролізується, утворюється сечовина та орнітин. Надалі орнітин надходить у мітохондрії і може включитися в новий цикл знешкодження аміаку, а сечовина виділяється із сечею.
Таким чином, у синтезі однієї молекули сечовини нейтралізується дві молекули NH 3 та CO 2 (HCO 3), що також має значення у підтримці рН. Для синтезу однієї молекули сечовини витрачається 3 молекули АТФ, у тому числі дві при синтезі карбомоїлфосфату, одна для утворення аргінін-бурштинової кислоти; фумарова кислота може перетворюватися на яблучну та щавлевооцтову кислоти (цикл Кребса), а остання в результаті трансамінування або відновного амінування може перетворитися на аспарагінову кислоту. Деяка частина азоту амінокислот виділяється з організму у вигляді креатиніну, який утворюється з креатину та креатинфосфату.
З усього азоту сечі частку сечовини доводиться до 80-90%, амонійних солей – 6 %. При надмірному годуванні білком частка азоту сечовини зростає, а за недостатнього білкового годування знижується до 60 %.
У птахів та рептилій – нейтралізація аміаку відбувається шляхом утворення сечової кислоти. Пташиний послід на птахофабриках - це джерело азотовмісного добрива (сечова кислота).
