α-Аминокислоты. Биологически важные реакции α-аминокислот. Строение пептидов и белков (Лекция 26)

АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ
Аминокислоты – это гетерофункциональные соединения, имеющие в своих молекулах одновременно две функциональые группы٫ а именно карбоксильную ﴾ –COOH﴿ и амино(-NH2) группы. Ни один из известных нам живых организмов не обходится без α -аминокислот. α –Аминокислоты, как правило, входят в состав полимеров-белков. Белки служат питательными веществами, регулирующими обмен веществ, способствуют поглощению кислорода, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения . Они участвуют в передаче генетической нформации. α –Аминокислоты занимают ключевое положение в азотистом обмене. Многие из них используются в качестве лекарственных веществ, влияющих на тканевой обмен٫ например٫ глутаминовая кислота применяется для лечения заболеваний центральной нервной системы, метионин и гистидин- глазных болезней и т.д.
Классификация аминокислот
Аминокислоты классифицируются несколькими способами:
В зависимости от расположения амино- и карбоксильной группы различаются α-, β-, γ- и другие аминокислоты.
α – аминомасляная β-аминомасляная γ-аминомасляная
(2- аминобутановая) (3- аминобутановая) (4-аминобутановая)
кислота кислота кислота

2. По биохимической природе радикала
а) α- аминокислоты с алифатическими боковыми цепями (радикалами):
аланин лейцин изолейцин
б) Аминокислоты с ароматическими боковыми цепями:
фенилаланин тирозин
в) Аминокислоты с гетероциклическими боковыми цепями:
гистидин триптофан

3. По числу карбоксильных и аминогрупп
В зависимости от общего числа карбоксильных и аминогрупп в молекуле, аминокислоты разделяют на нейтральные, основные и кислотные.
Многие α-аминокислоты синтезируются в организме, а некоторые, необходимые для синтеза белков не синтезируются в организме и должны поступать из вне. Такие аминокислоты называют незаменимыми: валин, лизин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан. При некоторых, чаще всего врожденных заболеваниях нарушается обмен веществ. Перечень незаменимых аминокислот расширяется. Например при фенилкетонурии (нарушение обмена веществ, каким-то образом связанное с некоторыми умственными расстройствами) человеческий организм не синтезирует еще одну α-аминокислоту- тирозин, который в организме здоровых людей получается при гидроксилировании фенилаланина.

Способы получения
Из галогензамещенных кислот (Синтез Перкина 1851 г.). Реакция проводится в избытке аммиака.
Из альдегидов (Синтез Штреккера-Зелинского 1850 г.)ֽ По этому
методу в реакции используют аммиак, альдегид и синильную кислоту, полу-
чаются аминонитрилы, гидролиз которых дает α- аминокислоты.
5) Реакция непредельной кислоты с аммиаком дает β-аминокислоту.

Химические свойства
Образование солей. α-Аминокислоты образуют соли как со щелочами, и так и с кислотами.
Со многими ионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют хелатные комплексы (внутрикомплексные соединения, например, с гидроксидом меди (II) в мягких условиях получаются малорастворимые хелаты меди II синего цвета, они устойчивы в щелочной среде и используются для обнаружения α-аминокислот).
Образование дикетопиперазинов
В результате межмолекулярной дегидратации из двух молекул α-аминокислот образуются циклические соединения, называемые 2‚5-дикетопиперазинами

В результате внутримолекулярной дегидратации γ-аминокислот образуются циклические соединения, называемые лактамами.
Взаимодействие с азотистой кислотой. В лабораторных условиях реакции α-аминокислот с азотистой кислотой идут с выделением азота и образованием оксикислот. На этой реакции основан метод количественного определения аминокислот по Ван-Слайку (по объему азота определяют количество вступающей в реакцию α-аминокислоты).

Взаимодействие с формальдегидом. При взаимодействии α-аминокислот с альдегидами образуются замещенные имины ( основания Шиффа), карбоксильная группа при этом оказывается свободной и может
быть оттитрована щелочью. Эту реакцию используют для количественного
определения α-аминокислот.
карбиноламин замещенный
имин (основа-
ние Шиффа)
Реакция с формальдегидом лежит в основе количественного определения аминокислот методом формольного титрования (метод Серенсена). Качественные реакции
а) Общая качественная реакция α-аминокислот- реакция с нингидрином.
Продукты реакции α-аминокислот с нингидрином имеют сине-фиолетовый
цвет, что используются для визуального обнаружения аминокислот на хро-
матограммах (на бумаге, в тонком слое).

сине-фиолетовая окраска
2
б) Наличие меркаптогруппы, например в цистеине, обнаруживается ацетатом свинца (CH3COO) 2Pb. При нагревании раствора белка с ацетатом
свинца в щелочной среде образуется черный осадок сульфида свинца PbS,
что указывает на присутствие в белках цистеина.

в) Для обнаружения ароматических и гетероциклических α-аминокислот
используется ксантопротеиновая реакция. При действии концентрированной азотной кислоты на тирозин образуется нитросоединение, окрашенное в желтый цвет. При добавлении к нему щелочи окраска становится оранжевой.

Биологически важные химические реакции
Наиболее важными реакциями α-аминокислот протекающими в организме под действием различных ферментов являются: декарбоксилирование, дезаминирование, переаминирование ( или трансаминирование).Οни имеют общий механизм, протекающий с участием одного и того же кофермента пиридоксальфосфата. Пиридоксальфосфат и α-аминокислота обрауют альдимин путем взаимодействия альдегидной группы кофермента и аминогруппы α-амино-кислоты.
Дальнейшая реакция альдимина определяется природой фермента, реагирующего с ним. В конечном итоге могут осуществляться процессы декарб
окси-лирования, дезаминирования, трансаминирования и др.

Реакция декарбоксилирования.В результате декарбоксилирования α-аминокислот в организме образуются биогенные амины (первичные амины):
Биогенный амин
α-Аминокислоты в виде цвиттер-иона легко декарбоксилируются. В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании α-аминокислот в присутствии Ba(OH)2
Биогенные амины в организме выполняют важные биологические функции. Например, при декарбоксилировании гистидина образуется биогенный амин гистамин, который обладает широким спектром биологического действия и, в частности, его избытка в организме приводит к аллергию.

Реакция дезаминирования
Реакция дезаминирования α-аминокислот разделяется на окислительное и неокислительное
а) Окислительное дезаминирование α-аминокислот в организме протекает под действием ферментов (оксидаза) с участием кофермента НАД и приводит к образованию соответствующей кетокислоты и выделению аммиака. Например, в результате дезаминирования аланина образуется пировиноградная кислота. Реакция идет через стадию образования имина

б) Неокислительное дезаминирование. Потеря аминогруппы без участия кислорода происходит с образованием непредельных кислот. Например, дезаминирование в аланине
Неокислительное дезаминирование встречается, в основном, у бактерий и грибов.

Реакция переаминирования (трансаминирования)
Переаминирование- основной путь биосинтеза α-аминокислот из α-кетокислот в организме. Реакция катализируется ферментами- трансаминазами и коферментом пиридоксальфосфатом. Как правило, в реакциях трансаминирования из оксокислот участвует обычно α-кетоглутаровая и щавелевоуксусная. Пример такой реакции- получение глутаминовой кислоты из α-оксоглутаровой кислоты.
Аспарагиновая кислота α-оксоглутаровая кислота
щавелевоуксусная кислота глутаминовая кислота

Пептиды и белки. Первичная структура пептидов и белков
Аминокислоты способны к поликонденсации, в результате которой образуется полипептид. Амидная группа (-CO-NH-) в таких соединениях называется пептидной группой. В зависимости от числа аминокислотных остатков в молекуле пептиды классифицируются как дипептиды, трипептиды и т.д. вплоть до полипепти-
дов. Условно считают, что пептиды имеют молекулярную массу менее 10000,
а белки более 10000.
Природные гетерополимеры - белки это полипептиды с очень сложной
аминокислотной последовательностью, самое незначительное изменение ко-
торой приводит к нарушению или даже полному исчезновению биологиче-
ской активности полипептида.
Аминокислота со свободной аминогруппой на конце полипептида назы-
вается «N-концевой аминокислотой», аминокислота со свободной карбок-
сильной группой на другом конце этого полипептида -«С- концевой амино-
кислотой».

Полипептиды рассматриваются как производные С - концевой аминоислоты, причем первой пишут название N- концевой аминокислоты, а последней -С- концевую аминокислоту. В таком порядке пишут как полные названия составляющих аминокислот, так и их сокращенные обозначения. Так, глицилаланин- это дипептид состоящий из глицина (N-концевая аминокислота) и аланина (С- концевая аминокислота). В сокращенном виде его название пишут так : gly-ala. Аланилглицин (ala-gly) – это изомерный дипептид, в котором N- концевой аминокислотой является аланин, а С- концевой- глицин.
Глицилаланин (gly-ala) аланилглицин (ala-gly)
gly(1)-ala(2) ala (1)-gly(2)