Химия белка - Часть 1 - Общая химия белка - Ашмарин И. П 1968

Химический состав белков
Общая характеристика аминокислот

Аминокислотами называют органические карбоновые кислоты, в радикале которых один или более атомов водорода замещены аминогруппой. В большинстве случаев общая формула аминокислоты характеризуется наличием аминогруппы в a-положении по отношению к карбоксильной группе:

Исключение составляют только те аминокислоты, которые содержат более одной карбоксильной или аминогруппы, а также аминокислоты, у которых аминогруппы не связаны с а-углеродным атомом. Поскольку большинство аминокислот обладает асимметрическим атомом углерода, то они могут существовать в двух оптически активных формах. В качестве эталона сравнения для определения конфигурации аминокислот была принята молекула левовращающего серина. Пространственная конфигурация последнего идентична таковой L-глицеринового альдегида, который служит эталоном для всех L-сахаров:

Все аминокислоты, обнаруживаемые в белках, имеют L-кoнфигурацию, хотя направление вращения этих аминокислот может быть различным. Напомним, что направление вращения обозначается знаком (+) для правовращающих соединений и знаком (—) —для левовращающих. Из природных аминокислот, за исключением серина, треонина, цистина, цистеина, метионина и лейцина, все правовращающие.

D-аминокислоты встречаются в живых объектах сравнительно редко. Они обнаружены, например, в клетках некоторых микроорганизмов в свободном виде и в виде пептидов. Интересно, что D-аминокислоты содержатся либо в соединениях, ядовитых для некоторых организмов (такие антибиотики, как полимиксин, тироцидин, грамицидин), либо в образованиях, выполняющих защитные функции и призванных противостоять гидролитическому действию некоторых энзимов (стенки ряда бактерий).

В настоящее время известно свыше 80 аминокислот, обнаруживаемых в составе различных соединений и встречающихся также в свободном виде. Из них в гидролизатах белков регулярно обнаруживают только 20 аминокислот и 2 амида. Эти аминокислоты различаются природой бокового радикала; на основании этого признака их можно классифицировать следующим образом:

I. Алифатические аминокислоты

Моноамнномонокарбоновые:

Глицин (Гли)

Аланин (Ала)

Лейцин (Лей)

Изолейцин (Иле)

Валин (Вал)

Оксимоноаминомонокарбоновые:

Серин (Сер)

Треонин (Тре)

Моноаминодикарбоновые:

Аспарагиновая кислота (Асп)

Глютаминовая кислота (Глю)

Амиды моноаминодикарбоновых кислот:

Аспарагин (Асн, Асп ∙ NH₂ или Ac-NH₂)

Глютамин (Глн, Глю∙NН₂ или Глю-NН₂)

Диаминомоyокарбоновые;

Аргинин (Apr)

Лизин (Лиз)

Серусодержащие:

Цистеин (Цис) 

Цистин, половина (Цис или Цис)

Метионин (Мет)

ІІ. Ароматические аминокислоты

Фенилаланин (Фен)

Тирозин (Тир)

III. Гетероциклические аминокислоты

Триптофан (Трп или Три)

Гистидин (Гис)

Пронин (Про)

Оксипролип (Опро)

Поскольку в биохимии помимо химической номенклатуры чаще применяют тривиальные названия аминокислот, то последние и приводятся в настоящей классификации. В скобках даются общепринятые в настоящее время сокращения этих названий. Формулы перечисленных аминокислот приводятся в табл. 2.

Из перечисленных 22 аминокислот 11 необходимы для роста и развития животных и человека, не синтезируются в организме и должны вводиться с пищей (так называемые незаменимые аминокислоты). К ним относятся валин, лейцин; изолейцин, треонин, метионин, лизин, финилаланин, триптофан, аргинин, тирозин и гистидин. Правда, последние три аминокислоты не являются незаменимыми для некоторых животных на определенных этапах развития и роста. Однако первые восемь аминокислот абсолютно незаменимы.

Природные аминокислоты представляют собой белые кристаллические вещества, устойчивые в твердом состоянии при температуре 20—25°. Их растворимость в воде сильно варьирует. Лучше всего растворяются пролин, оксипролин и глицин (162, 36 и 25 г в 100 мл воды соответственно), хуже всего — тирозин и цистеин (0,045 и 0,011 г в 100 мл). При этом хлоргидраты и натриевые соли аминокислот более растворимы в воде, чем свободные аминокислоты. Эти производные сравнительно хорошо растворяются и в абсолютном спирте, тогда как растворимость свободных аминокислот в нем очень незначительна (предельная концентрация 0,0003—0,002 М). Единственным исключением из этого правила является пролин — при 20° в 100 мл спирта растворяется 1,6 г этой аминокислоты. На растворимость аминокислот в воде влияет и присутствие солей — многие из них лучше растворяются при добавлении небольших количеств соли и выпадают в осадок при значительном увеличении ионной силы раствора.

Большинство аминокислот устойчиво в водных растворах и выдерживает кратковременное автоклавирование (до 2 часов) при температуре 100—200° без заметного разложения. Исключение составляют глютаминовая кислота и глютамин, которые при этих условиях претерпевают циклизацию. Устойчивость различных аминокислот к концентрированным растворам кислот и щелочей весьма различна и подробно уже обсуждалась при рассмотрении гидролиза белка (см. § 1).

Наиболее характерные свойства природных аминокислот представлены в табл. 3. Так как электрохимия аминокислот рассматривается ниже, то значения констант диссоциации карбоксильных и аминогрупп в таблице не приводятся (см. гл. VII).

Кроме названных 22 аминокислот, являющихся характерными компонентами белка, известны и некоторые другие, которые входят в состав небелковых веществ, являются продуктами обмена веществ и встречаются в свободном виде в различных биологических системах.

Таблица 2 Формулы природных аминокислот

Таблица 3 Некоторые свойства аминокислот, входящих в состав белка

Известны также аминокислоты, встречающиеся лишь в отдельных белках. Так, в составе коллагена и желатины был обнаружен оксилизин, оксигруппа которого находится в δ-положении по отношению к карбоксильной группе (а, ε-диамино-δ-оксикапроновая кислота):

Эта аминокислота входит в состав фосфатидов некоторых бактерий и содержится в фосфорилированной форме в эмбриональных тканях теленка.

В белке щитовидной железы была обнаружена галоидсодержащая аминокислота 3,5-дийодтирозин и тироксин — гормон щитовидной железы:

Сравнительно недавно в ткани этой же железы найдены еще две аминокислоты, близкие по строению к дийодтирозину и тироксину, — монойодтирозин и трийодтиронин. Являются ли они предшественниками или продуктами распада тироксина и дийодтирозика — пока неизвестно. Наконец, в фосфопротеинах обнаружены производные оксиаминокислот, получившие названия фосфосерина и фосфотреонина. Остаток фосфорной кислоты в них присоединяется эфирной связью к оксигруппе аминокислоты:

Из аминокислот, являющихся продуктами обмена, следует отметить у-аминомасляную кислоту, цитруллин и орнитин. у-аминомасляная кислота встречается в свободном виде в мозге животных, некоторых растениях и микроорганизмах и является продуктом декарбоксилирования глютаминовой кислоты:

По данным ряда исследователей, содержание у-аминомасляной кислоты и уровень активности ферментов ее обмена тесно связаны с функциональным состоянием центральной нервной системы. Две другие аминокислоты (диаминомонокарбоновые) — орнитин и цитруллин — обнаружены в тканях растений и животных. Обе они принимают участие в цикле образования мочевины и в своих превращениях тесно связаны с аргинином (орнитин + СО₂ + NH_{3 →} цитруллин + NН₃ → аргинин → мочевивина + орнитин):

Примерами аминокислот, входящих в состав низкомолекулярных веществ небелковой природы, являются ß-аланин и ß-лейцин. Их отличие от аланина и лейцина состоит лишь в том, что аминогруппа находится не в а-, а в ß-положении. Первый входит в состав карнозина, ансерина, пантотеновой кислоты и коэнзима А. Второй является составной частью таких антибиотиков, как виомицин, стрептолин и стрептотрицин.

Естественно, что приведенные примеры дают лишь относительное представление о многообразии и функциях аминокислот, не входящих в состав белков. Однако детальное описание этих соединений не входит в задачи настоящей книги; весьма полно эти вопросы освещены в монографии А. Майстера «Биохимия аминокислот».