Физико-химические и биологические свойства белков определяются их аминокислотным составом. Аминокислоты - это аминопроизводные класса карбоновых кислот. Аминокислоты входят не только в состав белков. Многие из них выполняют специальные функции. Поэтому в живых организмах различают аминокислоты протеиногенные (кодируются генетически) и непротеиногенные (не кодируются генетически). Протеиногенных аминокислот 20. 19 из них являются a-аминокислотами. Это означает, что аминогруппа у них присоединена к a-углеродному атому той карбоновой кислоты, производным которой они являются. Общая формула этих аминокислот выглядит следующим образом:

Только одна аминокислота - пролин не соответствует этой общей формуле. Ее относят к иминокислотам.

a-углеродный атом аминокислот является ассимметричным (исключение составляет аминопроизводное уксусной килоты - глицин). Это означает, что у каждой аминокислоты имеются, как минимум, 2 оптически активных антипода. Природа выбрала для создания белков L-форму. Поэтому природные белки построены из L-a- аминокислот.

Во всех случаях, когда в молекуле органического соединения атом углерода связан с 4 разными атомами или функциональными группами, этот атом ассиметричен, поскольку он может существовать в двух изомерных формах, называемых энантиомерами или оптическими (стерео-) изомерами. Соединения с ассимметричными атомами "С" встречаются в виде двух форм (хиральных соединений) - левой и правой, в зависимости от направления вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света. Все стандартные аминокислоты кроме одной (глицин) содержат в a-положении ассимметричный атом углерода, с которым связаны 4 замещающих группы. Поэтому они обладают оптической активностью, то есть способны вращать плоскость

поляризации света в том или ином направлении.

Однако в основе системы обозначения стереоизомеров лежит не вращение плоскости поляризации света, а абсолютная конфигурация молекулы стереоизомера. Для выяснения конфигурации оптически активных аминокислот их сравнивают с глицериновым альдегидом - простейшим трехуглеродным углеводом, который содержит ассимметричный атом углерода. Стереоизомеры всех хиральных соединений, независимо от направления вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света, соответствующие по конфигурации L-глицериновому альдегиду, обозначаются буквой L, а соответствующие D-глицериновому альдегиду - буквой D. Таким образом, буквы L и D относятся к абсолютной конфигурации 4 замещающих групп при хиральном атоме "С", а не к направлению вращения плоскости поляризации.

Классификация аминокислот проводится по строению их радикала. Существуют разные подходы к классификации. Большая часть аминокислот - это алифатические соединения. 2 аминокислоты являются представителями ароматического ряда и 2 - гетероциклического.

Аминокислоты можно разделить, по их свойствам, на основные, нейтральные и кислые. Они отличаются числом амино- и карбоксильных групп в молекуле. Нейтральные - содержат по одной амино- и одной карбоксильной группе (моноаминомонокарбоновые). Кислые имеют 2 карбоксильные и одну аминогруппу (моноаминодикарбоновые), основные -2 аминогруппы и одну карбоксильную (диаминомонокарбоновые).

1. Собственно алифатическими можно назвать 5 аминокислот . Глицин или гликокол (Гли),

при работе с компьютером - (G), - a-аминоуксусная кислота. Является единственной оптически неактивной аминокислотой. Глицин используется не только для синтеза белков. Его атомы входят в состав нуклеотидов, гема, он входит в состав важного трипептида - глутатиона.

Аланин (Ала), при работе с компьютером - (А) - a-аминопропионовая кислота. Аланин нередко используется в организме для синтеза глюкозы.

По структуре все аминокислоты, за исключением глицина, можно рассматривать как производные аланина, у которого один или несколько атомов водорода в составе радикала замещены различными функциональными группами.

Валин (Вал), при работе с компьютером (V) - аминоизовалериановая кислота. Лейцин (Лей, L) - аминоизокапроновая кислота. Изолейцин (Иле, I) - a-амино-b-этил-b-метилпропионовая кислота. Эти три аминокислоты, обладая выраженными гидрофобными свойствами, играют важную роль в формировании пространственной структуры белковой молекулы.

2. Гидроксиаминокислоты. Серин (Сер, S) - a-амино-b-гидроксипропионовая кислота и треонин (Тре, T) - a-амино-b-гидроксимасляная кислота играют важную роль в процессах ковалентной модификации структуры белков. Их гидроксильная группа легко взаимодействует с фосфорной кислотой, что бывает необходимым для изменения функциональной активности белков.

3. Серусодержащие аминокислоты . Цистеин (Цис, C) - a-амино-b-тиопропионовая кислота. Специальным свойством цистеина является способность к окислению (в присутствии кислорода) и взаимодействию с другой молекулой цистеина с образованием дисульфидной связи и нового соединения - цистина. Эта аминокислота благодаря активной -SH группе легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, защищая клетку от действия окислителей, участвует в образовании дисульфидных мостиков, стабилизирующих структуру белков, входит в состав активного центра ферментов.

Метионин (Мет, M) -a-амино-b-тиометилмасляная кислота. Выполняет функцию донора подвижной метильной группы, необходимой для синтеза биологически активных соединений: холина, нуклеотидов и т.д. Это гидрофобная аминокислота.

4. Дикарбоновые аминокислоты. Глутаминовая (Глу, E) - a-аминоглутаровая кислота и аспарагиновая кислота (Асп, D) -a-аминоянтарная кислота. Это наиболее распространенные аминокислоты белков животных организмов. Обладая дополнительной карбоксильной группой в радикале, эти аминокислоты способствуют ионному взаимодействию, придают заряд белковой молекуле. Эти аминокислоты могут образовывать амиды.

5. Амиды дикарбоновых аминокислот . Глутамин (Глн, Q) и аспарагин (Асн, N). Эти аминокислоты выполняют важную функцию в обезвреживании и транспорте аммиака в организме. Амидная связь в их составе частично имеет характер двойной. За счет этого амидная группа обладает частичным положительным зарядом и не будет диссоциировать.

6. Циклические аминокислоты имеют в своем радикале ароматическое или гетероциклическое ядро. Фенилаланин (Фен, F) - a-амино-b-фенилпропионовая кислота. Тирозин (Тир, Y) - a-амино-b-параоксифе-нилпропионовая кислота. Эти 2 аминокислоты образуют взаимосвязанную пару, выполняющую важные функции в организме, среди которых следует отметить использование их клетками для синтеза ряда биологически активных веществ (адреналина, тироксина).

Триптофан (Три, W) a-амино-b-индолилпропионовая кислота. Используется для синтеза витамина PP, серотонина, гормонов эпифиза.

Гистидин (Гис, H) - a-амино-b-имидазолилпропионовая кислота. Может использоваться при образовании гистамина, регулирующего проницаемость тканей и проявляющего свое действие при аллергии.

7. Диаминомонокарбоновые аминокислоты . Лизин (Лиз, K) - диаминокапроновая кислота. Аргинин (Арг, R)- a-амино-b-гуанидин-валериановая кислота. Эти аминокислоты имеют дополнительную аминогруппу, которая придает основные свойства белкам, содержащим много таких аминокислот. Образование аргинина является частью метаболического пути обезвреживания аммиака (синтез мочевины).

8. Иминокислота - пролин (Про, P). Отличается от других аминокислот по строению. Её радикал образует с a-аминогруппой единую циклическую структуру. Благодаря этой особенности вокруг связи между a-аминогруппой и a-углеродным атомом невозможно никакое вращение. У всех других аминокислот возможность вращения вокруг этой связи имеется. Вдобавок в состав пролина входит вторичная аминогруппа (с азотом азота связан только один атом водорода), которая отличается, по своим химическим характеристикам от первичной аминогруппы (-NH 2) в составе других аминокислот. Особое место отводится этой аминокислоте в структуре коллагена, где пролин, в процессе синтеза коллагена, может превращаться в гидроксипролин.

В скобках указаны сокращенные обозначения аминокислот, которые образуются из первых трех букв их тривиального названия. В последнее время для записи первичной структуры используются и однобуквенные символы, что важно при использовании ЭВМ в работе с белками.

Изомерия аминокислот в зависимости от положения аминогруппы

В зависимости от положения аминогруппы относительно 2-го атома углерода выделяют α-, β-, γ- и другие аминокислоты.

α- и β- формы аланина

Для организма млекопитающих наиболее характерны α-аминокислоты.

Изомерия по абсолютной конфигурации

По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и L-формы . Различия между изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в α-положении. Имеется только два возможных расположения химических групп вокруг него.

В белке любого организма содержится только один стереоизомер, для млекопитающих это L-аминокислоты.

L- и D-формы аланина

Однако оптические изомеры могут претерпевать самопроизвольную неферментативную рацемизацию , т.е. L-форма переходит в D-форму.

Как известно, тетраэдр – это довольно жесткая структура, в которой невозможно произвольным образом передвинуть вершины.

Точно так же для молекул, построенных на основе атома углерода, − за эталон конфигурации принята структура молекулы глицеральдегида, установленная с помощью рентгеноструктурного анализа. Принято, что в качестве маркера используют наиболее сильно окисленный атом углерода (на схемах его располагают сверху), связанный с асимметричным атомом углерода. Таким окисленным атомом в молекуле глицеральдегида служит альдегидная группа, для аланина – СООН группа. Атом водорода в ассиметричном углероде располагают так же, как в глицеральдегиде.

В дентине, белке зубной эмали, скорость рацемизации L-аспартата равна 0,10% в год. При формировании зуба у детей используется только L-аспартат. Такая особенность позволяет при желании определять возраст долгожителей. Для ископаемых останков наряду с радиоизотопным методом также используют определение рацемизации аминокислот в белке.

Деление изомеров по оптической активности

По оптической активности аминокислоты делятся на право - и левовращающие .

Наличие в аминокислоте ассиметричного α-атома углерода (хирального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления вращения плоскости поляризованного света , проходящего через раствор. Величину угла поворота определяют при помощи поляриметра. В соответствии с углом поворота выделяют правовращающие (+ ) и левовращающие (–) изомеры.

Почти все природные биологические соединения, содержащие хиральный центр, встречаются только в какой-нибудь одной стерео изомерной форме - D или L. За исключением глицина, у которого нет асимметрического атома углерода, все аминокислоты, входящие в состав молекул белков, являются L-стереоизомерами. Этот вывод был сделан на основе многочисленных тщательно проведенных химических исследований, в которых оптические свойства аминокислот сопоставлялись с их поведением в химических реакциях. Ниже мы увидим, что в живой природе встречаются также и некоторые D-аминокислоты, но они никогда не входят в состав белков.

Присутствие в белках только L-стереоизомеров аминокислот весьма примечательно, так как в обычных химических реакциях, используемых для синтеза соединений с асимметрическим атомом углерода, всегда получаются оптически неактивные продукты. Это происходит потому, что в обычных химических реакциях с одинаковой скоростью образуются как D-, так и L-стереоизомеры. В результате получается рацемическая смесь, или рацемат, - эквимолярная смесь D- и L-изомеров, которая не вращает плоскость поляризации ни в том, ни в другом направлении. Рацемическую смесь можно разделить на D- и L-изомеры только при помощи очень трудоемких методов, основанных на различиях в физических свойствах стереоизомеров Разделенные D- и L-изомеры со временем снова превращаются в рацемическую смесь (см. дополнение 5-2).

Дополнение 5-2. Как определить возраст человека, используя химию аминокислот

Оптические изомеры аминокислот претерпевают очень медленную и самопроизвольную неферментативную рацемизацию, так что за какой-то весьма длительный период времени чистый L- или D-изомер может превратиться в эквимолярную смесь D- и L-изомеров. Рацемизация каждой L-аминокислоты при данной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для определения возраста людей и животных или ископаемых остатков организмов. Например, в белке дентине, содержащемся в твердой эмали зубов, L-аспартат самопроизвольно рацемизуется при температуре человеческого тела со скоростью в год. У детей в период формирования зубов в дентине содержится только L-аспартат. Можно выделить дентин всего из одного зуба и определить в нем содержание D-аспартата. Такие анализы были проделаны на дентине обитателей горных селений Эквадора, многие из которых приписывали себе слишком большой возраст. Так как в ряде случаев это вызывало сомнения, для проверки был использован рацемизационный тест, который оказался довольно точным. Так, для 97-летней женшины, возраст которой был документально засвидетельствован, согласно тесту был установлен возраст 99 лет.

Тесты, выполненные на ископаемых остатках доисторических животных - слонов, дельфинов и медведей - показали, что данные, полученные этим методом, хорошо согласуются с результатами датирования, основанного на скорости распада радиоактивных изотопов.

Живые клетки обладают уникальной способностью синтезировать L-аминокислоты с помощью стереоспецифических ферментов. Стереоспецифичность этих ферментов обусловлена асимметрическим характером их активных центров. Ниже мы увидим, что характерная трехмерная структура белков, благодаря которой они проявляют самые разные виды биологической активности, возникает только в том случае, если все входящие в их состав аминокислоты принадлежат к одному стереохимическому ряду.

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе белков, кроме глицина, обладают оптической активностью. Это обусловлено наличием ассиметрического атома углерода.

Оптическая активность органических соединений - это способность вращать плоскость поляризованного света вправо или влево. Для обозначения направления вращения используют знаки “+” и “-”. Если раствор аминокислоты вращает плоскость поляризованного света вправо, то перед его названием ставят знак “+”, а если влево, то знак “-”. При определении оптического вращения всегда надо указывать условия, в которых проводились измерения (растворитель, температуру).

Если аминокислоты получают при гидролизе белков, то они сохраняют свою оптическую активность. В случае получения аминокислот химическим синтезом, ее обычно получают в неактивной форме. Такая форма обычно состоит из эквимолярной смеси L- и D-изомеров, обозначается как DL и называется рацематом.

Рацемизация. Согласно классической теории стериохимии в том случае, когда два заместителя при ассиметрическом атоме углерода обмениваются местами, соответствующие соединения превращаются в его оптический антипод. Следовательно, его оптическое вращение изменяет знак.

Кислотно-основные свойства аминокислот

Кислотно-основные свойства аминокислот имеют важное значение для понимания свойств белков. Кроме того, на этих свойствах аминокислот основаны методы разделения, идентификации и количественного анализа аминокислот и белков.

В молекуле аминокислоты содержатся две функциональные группы - карбоксильная и аминогруппа. Соответственно аминокислоты обладают как кислотными, так и основными свойствами. Обычная форма аминокислоты (а) не изображает точное строение этих соединений. Аминокислотам приписывают структуру амфотерных биполярных ионов (б).

R-CH-CООН R-CH-CОО -

Одним из доказательств того, что в нейтральных водных растворах аминокислота присутствует в виде биполярных ионов является их лучшая растворимость в воде, высокая температура плавления, обычно выше 200 0 .

Вследствии амфотерного характера аминокислоты образуют соли и с кислотами и с основаниями.

При добавлении кислоты в раствор аминокислоты водородные ионы (Н +) исчезают согласно уравнению (1), при добавлении едкой щелочи гидроксильные ионы (ОН -) нейтрализуются согласно уравнению (2). В обоих случаях рН раствора не изменяется или меняется незначительно. На этом свойстве основано применение аминокислот в буферных растворах.

H 3 N + -CH-CОО - + Н + H 3 N + -CH-CООН (1)

H 3 N + -CH-CОО - + ОН - H 2 N-CH-CОО - + Н 2 О (2)

В водных растворах -аминокислоты могут существовать в виде биполярного иона, катиона или аниона

H 2 N-CH-CОО - H 3 N + -CH-CООН H 3 N + -CH-CОО -

Анион катион биполярный ион

Кислотно-основные свойства аминокислот проще всего могут быть интерпретированы исходя из теории кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Согласно этой теории кислота рассматривается как донор протонов, а основание - акцептор протонов. Согласно этой теории катион аминокислоты является двухосновной кислотой, в молекуле катиона имеются две группы, способные отдать протон - СООН и + NH 3 . При полном титровании основанием полностью протонированной кислоты, она может отдать 2 протона.

Способность кислоты к диссоциации характеризуется ее константой диссоциации. Для полностью протонированной аминокислоты процесс диссоциации протекает в две стадии.

H 3 N + -CH-CООН + Н 2 О? H 3 N + -CH-CОО - + Н + + Н 2 О (1)

H 3 N + -CH-CОО - + Н 2 О? H 2 N-CH-CОО - + Н + + Н 2 О (2)

Графически ход титрования изображен на графике 1.

Рис. 1 Титрование полностью протонированного аланина NaOH

рК 1 - константа диссоциации карбоксильной группы,

рК 2 - константа диссоциации амино группы,

рI - изоэлектрическая точка аминокислоты.

аминокислота белок гидролиз титрование

Кривая состоит из 2-х четко разделяющихся ветвей. В каждой ветви есть средняя точка, в которой изменение рН при добавлении ОН - оказыватся минимальным. Величины константы диссоциации карбоксильной (рК 1) и амино группы (рК 2) можно определить по средней точке, соответствующей каждой стадии. При этом для аланина, например получаются значения рК 1 = 2,34, рК 2 = 9,69.

В начальный момент титрования аминокислота в растворе присутствует в виде катиона. При рН = 2,34, соответствующей средней точке первой стадии присуствуют в эквимолярной концентрации два иона - катиони биполярный ион:

H 3 N + -CH(R) -CООН и H 3 N + -CH(R) -CОО -

При рН = 9,69, т.е. в средней точке второй стадии в эквимолярных концентрациях присутствуют анион и биполярный ион:

H 2 N-CH(R) -CОО - и H 3 N + -CH(R) -CООН

Точка перехода между двумя ветвями кривой титрования аланина лежит при рН 6,02. При этом значении рН молекула аминокислоты находится полностью в виде биполярного иона

H 3 N + -CH(R) -CОО -

Она не несет суммарного электрического заряда и не перемещается в электрическом поле. Значение рН, при котором аминокислота находится в виде биполярного иона называется изоэлектрической точкой аминокислоты и обозначается как рI.

Изоэлектрическая точка аминокислоты определяется значением двух констант диссоциации. Она представляет собой среднее арифметическое значение между рК 1 и рК 2 , т.е.

рI = --------------

Итак, моноаминокарбоновая кислота при низком значении рН находится в полностью протонированной форме (катион) и является двухосновной кислотой, а биполярный ион - одноосновной кислотой. Из двух кислотных групп - (СООН и H 3 N +) СООН-группа является сильной кислотой. Кислоты со слабо выраженным сродством к протону являются сильными кислотами, они легко отдают протоны. Кислоты с сильно выраженным сродством к протону являются слабыми кислотами, они диссоциируют незначительно. Все б-аминокислоты при любых значениях рН ведут себя как сильные электролиты.

Растворы аминокислот обладают буферными свойствами, причем их буферная емкость максимальна при рН, равном значению рК кислотных групп. Только одна аминокислота гистидин обладает значительной буферной емкостью в интервале рН 6-8 (в интервале физиологического значения рН).

рI моноаминокарбоновых кислот равны примерно 6, рI дикарбоновых кислот лежат в кислой области, а диаминокислот - в основной. Так, рI аланина = 6,02, рI аспарагиновой кислоты = 3,0, рI лизина = 9,7.

Аминокислоты мигрируют в щелочных растворах к аноду, в кислых растворах - к катоду. В изоэлектрической точке миграции нет. В изоэлектрической точке растворимость аминокислот минимальна. На этом свойстве основан метод изоэлектрической фокусировки.

Аминокислоты (АК) - органические молекулы, которые состоят из основной аминогруппы (-NH 2), кислотной карбоксильной группы (-СООН), и органической R радикала (или боковой цепи), которая является уникальной для каждой АК

Структура аминокислот

Функции аминокислот в организме

Примеры биологических свойств АК. Хотя в природе встречается более 200 различных АК только около одной десятой из них включаются в белки, другие выполняют иные биологические функции:

• Они строительные блоки белков и пептидов
• Предшественники многих биологически важных молекул, производных АК. Например, тирозин является предшественником гормона тироксина и пигмента кожи меланина, тирозин также предшественник соединения ДОФА (диокси-фенилаланина). Это нейромедиатор передачи импульсов в нервной системе. Триптофан является предшественником витамина В3 - никотиновой кислоты
• Источники серы - серосодержащие АК.
• АК участвуют во многих метаболических путях, таких как глюконеогенез - синтез глюкозы в организме, синтез жирных кислот и др.

В зависимости от положения аминогруппы относительно карбоксильной группы АК могут быть альфа, α-, бета, β- и гамма,γ.

В состав белков в ходят только альфа-АК

Общие свойства альфа-АК белков

1 - Оптическая активность - свойство аминокислот

Все АК, за исключекнием глицина, проявляют оптическую активность, т.к. содержат по крайней мере один асимметричный атом углерода (хиральный атом).

Что представляет собой асимметричный атом углерода? Это атом углерода, к которому присоединены четыре различных химических заместителя. Почему глицина не проявляет оптическую активность? В его радикале только три разных заместителя, т.е. альфа-углерод не асимметричный.

Что означает оптическая активности? Это означает, что АК в растворе может присутствовать в двух изомерах. Правовращающий изомер (+), который обладает способностью вращать плоскость поляризацованного света вправо. Левовращающий изомер (-), который обладает способностью вращать плоскость поляризации света влево. Оба изомера могут вращать плоскость поляризации света на одну ту же величину, но в противоположном направлении.

2 - Кислотно-основные свойства

В результате их способности к ионизации можно записать следующее равновесие этой реакции:

R-СООН<-------> R-C00 - + H +

R- NH 2 <--------->R-NH 3 +

Поскольку эти реакции обратимы это означает, что они могут действовать как кислоты (прямая реакция) или как основания (обратная реакция), что объясняет амфотерные свойства аминокислот.

Цвиттер ион - свойство АК

Все нейтральные аминокислоты при физиологическом значении рН (около 7,4) присутствуют как цвиттерионы - карбоксильная группа непротонированная и аминогруппа протонированная (рис.2). В растворах более основных, чем изоэлектрическая точка аминокислоты (ИЭТ), аминогруппа -NH3 + в АК жертвует протон. В растворе более кислом, чем ИЭТ АК, карбоксильная группа -СОО - в АК принимает протон. Таким образом, АК иногда ведет себя как кислота, в другие время как основание в зависимости от рН раствора.

Полярность как общее свойство аминокислот

При физиологическом рН АК присутствуют как цвиттер ионы.Положительный заряд несет альфа -аминогруппа, а отрицательный карбоновая. Таким образом, создаётся два противоволожных заряда с обеих концов молекулы АК, молекула имеет полярные свойства.

Наличие изоэлектрической точки (ИЭТ) - свойство амингокислот

Значение рН, при котором чистый электрический заряд аминокислоты равен нулю, и, следовательно, она не может перемещаться в электрическом поле называется ИЭТ.

Способность поглощать в ультрафиолете - свойство ароматических аминокислот

Фенилаланин, гистидин, тирозин и триптофан поглощают при 280 нм. На рис. оторажены значения молярного коэффициента экстинкции (ε) этих АК. В видимой части спектра аминокислоты не поглощают, следовательно, они бесцветны.

АК могут присутствовать в двух вариантах изомеров: L-изомера и D-изомера, которые являются зеркальными отражениями, и отличаются расположением химических групп вокруг атома α-углерода.

Все аминокислоты в белках в L-конфигурации, L-аминокиcлоты.

Физические свойства аминокислоты

Аминокислоты в основном водорастворимые, что объясняется их полярностью и наличием заряженных групп. Они растворимы в полярных и не растворяется в неполярных растворителях.

АК имеют высокую температуру плавления, что отражает наличие сильных связей, поддерживающих их кристаллическую решетку.

Общие свойства АК является общим для всех АК и во многих случаях определяются альфа-аминогруппой и альфа- карбоксильной группой. АК обладают и специфическими свойствами, которые диктуются уникальной боковой цепью.