Биологическая химия - часть 8

Перечисленные аминокислоты присутствуют в разных количественных

соотношениях и последовательностях в тысячах белков, хотя отдельные

индивидуальные белки не содержат полного набора всех этих аминокислот.

Помимо наличия в большинстве природных белков 20 аминокислот, в неко-

торых белках обнаружены производные аминокислот *: оксипролин, окси-

лизин, дийодтирозин, фосфосерин и фосфотреонин (последние две амино-

кислоты представлены в главе 2):

Первые две аминокислоты содержатся в белке соединительной ткани –

коллагене, а дийодтирозин является основой структуры гормонов щитовид-

ной железы. В мышечном белке миозине обнаружен также ε-N-метиллизин;

в состав протромбина (белок свертывания крови) входит γ-карбоксиглута-

миновая кислота, а в глутатионпероксидазе открыт селеноцистеин, в кото-

ром ОН-группа серина заменена на селен (Se):

Помимо указанных, ряд α-аминокислот выполняет важные функции

в обмене веществ, хотя и не входит в состав белков, в частности орнитин,

цитруллин, гомосерин, гомоцистеин, цистеинсульфиновая кислота, диокси-

фенилаланин и др.

Общие свойства аминокислот

Кислотно-основные свойства. Эти свойства аминокислот определяют многие

физико-химические и биологические свойства белков. На этих свойствах

основаны, кроме того, почти все методы выделения и идентификации

аминокислот. Аминокислоты легко растворимы в воде. Они кристалли-

зуются из нейтральных водных растворов в форме биполярных (амфотер-

ных) ионов (цвиттерионов), а не в виде недиссоциированных молекул

(последнюю структуру приводят для удобства представления, однако все

аминокислоты при физиологических значениях рН имеют структуру цвитте-

риона).

Цвиттерион

* Эти аминокислоты образуются после завершения синтеза белка в рибосоме клеток

в результате постсинтетической химической модификации.

37

Оксилизин

Оксипролин

3,5-Дийодтирозин

ε-N-метиллизин

γ-Карбоксиглутаминовая

кислота

Селеноцистеин

При растворении в воде кристаллическая аминокислота, например

аланин, может реагировать или как кислота (донатор протона):

+

NH

3

CH(CH

3

)COO

–

 <=> H

+

 + NH

2

CH(CH

3

)COO

–

,

или как основание (акцептор протона):

+

NH

3

CH(CH

3

)COO

–

 + H

+

 <=>

  +

NH

3

CH(CH

3

)COOH.

Если радикалы аминокислот нейтральные, то они почти не оказывают

влияния на диссоциацию α-карбоксильной группы или α-аминогруппы,

и величины рК (отрицательный логарифм константы диссоциации) остают-

ся относительно постоянными. Вследствие этого кривые диссоциации почти

всех нейтральных аминокислот накладываются друг на друга и могут быть

рассмотрены на примере аланина. Если к раствору аланина (например,

0,1 М) в воде постепенно прибавлять сильную кислоту (0,1 М раствор НСl)

или сильную щелочь (0,1 М раствор NaOH), то получим кривую титрова-

ния аланина, типичную для всех нейтральных аминокислот (рис. 1.6).

Кажущиеся величины рК' для α-карбоксильной группы и α-аминогрупп

(т.е. значения рН, при которых эти группы в среднем наполовину диссоции-

рованы) довольно сильно различаются, составляя pK

1

 = 2,34 и рК

2

 = 9,69.

При низком значении рН (ниже pK

1

') почти все молекулы аланина являются

полностью протонированными и несут положительный заряд. Другими

словами, при высокой концентрации водородных ионов в растворе тенден-

ция к диссоциации водорода из структуры аланина оказывается незначи-

тельной. Из кривой титрования видно, что точка перехода между ветвями

кривой располагается при рН 6,02. Это означает, что при данном значении

рН суммарный (или средний) электрический заряд молекулы аланина равен

нулю и она не перемещается в электрическом поле ни к аноду, ни к катоду

(изоэлектрическое состояние). Такое значение рН получило название изо-

электрической точки и обозначается pI. Изоэлектрическая точка аминокис-

лот, не содержащих дополнительных NH

2

- или СООН-групп, представляет

собой среднее арифметическое между двумя значениями рК':

соответственно для аланина

Изоэлектрическая точка ряда других аминокислот, содержащих допол-

нительные кислотные или основные группы (аспарагиновая и глутаминовая

кислоты, лизин, аргинин, тирозин и др.), зависит, кроме того, от кислот-

ности или основности радикалов этих аминокислот. Для лизина, например,

рI должна вычисляться из полусуммы значений рК' для α- и ε-NН

2

-групп.

Таким образом, в интервале рН от 4,0 до 9,0 почти все аминокислоты

существуют преимущественно в форме цвиттерионов с протонированной

аминогруппой и диссоциированной карбоксильной группой. Следует отме-

38

pl

 =

2

pl

 =

2,34

 + 9,69

2

= 6,02.

Рис. 1.6. Кривые, полученные при

титровании 0,1 М раствора алани-

на 0,1 М раствором НСl (а) и

0,1 М раствором NaOH (б).

тить, что при физиологических значениях рН тканей и крови (7,1 и 7,4

соответственно) аминокислоты (за ислючением гистидина) не обладают

измеримой буферной емкостью. Эту способность они приобретают только

при значениях рН, близких к величинам их рК (т.е. при рН 1,7–3,2

и 8,6–10,8).

Стереохимия аминокислот. Важнейшим свойством аминокислот, осво-

бождающихся в процессе гидролиза природных белков в условиях, исклю-

чающих рацемизацию, является их оптическая активность. Будучи раство-

ренными в воде (или в НСl), они способны вращать плоскость поляризо-

ванного луча (исключение составляет глицин). Это свойство связано с нали-

чием в молекуле всех природных аминокислот (за ислючением глицина)

в α-положении асимметрического атома углерода (т. е. атома углерода, все

четыре валентные связи которого заняты различными заместителями).

Величины удельного вращения вправо или влево являются количественной

характеристикой оптической активности, и для большинства аминокислот

составляет от 10 до 30°. Примерно половина аминокислот белков

оказалась правовращающей, их обозначают знаком «+» (Ала, Иле, Глу,

Лиз и др.), а чуть меньше половины – левовращающей (Фен, Трп, Лей и др.),

их обозначают знаком «–». Все эти аминокислоты принадлежат к L-ряду,

а величина и знак оптического вращения зависят от природы радикалов

аминокислот и значения рН раствора, в котором измеряют оптическое

вращение.

Стереохимию аминокислот принято оценивать не по оптическому вра-

щению, а исходя из абсолютной конфигурации всех четырех замещающих

групп, расположенных вокруг асимметрического атома углерода в верши-

нах модели тетраэдра. Абсолютную конфигурацию аминокислот принято

соотносить стереохимически с соединением, произвольно взятым для срав-

нения, а именно с глицериновым альдегидом, также содержащим асиммет-

рический атом углерода. Ниже представлены L- и D-стереоизомеры глице-

ринового альдегида. Рядом показаны пространственные конфигурации L-

и D-аланина:

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе природных белков

в условиях, исключающих рацемизацию, принадлежит к L-ряду. Таким

39

рН

а

б

L-глицеральдегид

D-глицеральдегид

L-аланин

D-аланин

pI

 = 6,02

pK

2

 = 9,69

pK

1

= 2,34

образом, природные аминокислоты имеют пространственное расположе-

ние, аналогичное конфигурации L-глицеринового альдегида. Следует еще

раз подчеркнуть, что символы L и D означают принадлежность данной

аминокислоты по своей стереохимической конфигурации к L- или D-ряду,

в то время как знак «+» или «–» указывает на направление изменения

плоскости поляризации светового луча. Среди белковых аминокислот

имеются две аминокислоты (треонин и изолейцин), которые содержат по

два асимметрических атома углерода. Следовательно, если не в природе,

то, во всяком случае, в лаборатории возможно получить четыре стереоизо-

мерные формы этих аминокислот *. Для треонина известны все четыре

изомера. Если условно обозначить символом L выделенный из природных

белков треонин, то его зеркальное отображение называют D-треонином.

Два других изомера, получивших наименование диастереоизомеров, или

аллоформ, также могут иметь L- и D-формы. Структурные конфигурации

всех четырех стереоизомеров треонина можно представить следующими

формулами:

Как отмечалось, в белковой молекуле D-аминокислоты не обнаруже-

ны **, однако в живой природе они широко распространены.

Так, D-изомеры глутаминовой кислоты, аланина, валина, фенилаланина,

лейцина и ряда других открыты в клеточной стенке бактерий; в составе

некоторых антибиотиков, в частности актиномицинов, бацитрацина, грами-

цидинов А и S, содержатся аминокислоты D-конфигурации.

Аминокислотный состав (качественный и количественный) многих тысяч

белков, полученных из разных источников, выяснен (табл. 1.4).

При анализе данных табл. 1.4 виден ряд закономерностей. На долю

дикарбоновых аминокислот и их амидов в большинстве белков приходится

до 25–27% всех аминокислот. Эти же аминокислоты вместе с лейцином

и лизином составляют около  5 0 % всех аминокислот. В то же время на

долю таких аминокислот, как цистеин, метионин, триптофан, гистидин,

приходится не более 1,5–3,5%. В протаминах и гистонах отмечено высокое

содержание основных аминокислот аргинина и лизина, соответственно 26,4

и 85,2% (см. «Химия простых белков»).

Химические реакции для открытия и определения аминокислот в гидроли-

затах белков. В курсе органической химии подробно рассмотрено множест-

во химических реакций, характерных для α-амино- и α-карбоксильных групп

аминокислот (ацилирование, алкилирование, нитрование, этерификация

* При чисто химическом (но не ферментативном) синтезе аминокислот в лаборатории

обычно образуется оптически неактивная смесь L- и D-изомеров, обозначаемых как DL-

аминокислоты, или рацематы.

** D-Аминокислоты, очевидно, не играют важной физиологической роли в организме

животных и человека, хотя в органах и тканях содержатся весьма активные ферменты,

катализирующие их распад (см. главу 12 «Промежуточный обмен аминокислот в тканях»). L-

и D-аминокислоты различаются, кроме того, по вкусу: первые – горькие, вторые – сладкие.

40

L-треонин

D-треонин

L-аллотреонин

D-аллотреонин