Аминокислоты — соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют амино- и карбоксильные группы. Природные α-аминокислоты
являются биологически активными соединениями; их классификация приведена
в табл. 16.
Таблица 16
Классификация природных α-аминокислот
Радикал R
Название
Обозначение
Нейтральные гидрофобные кислоты
Аланин
Ala
Валин
Val
Лейцин
Leu
Изолейцин
Ilе
Фенилаланин
Phe
Метионин
Met
Триптофан
Нейтральные гидрофильные аминокислоты
Глицин
Gly
Серин
Ser
Треонин
Thr
Тирозин
Туr
Аспарагин
Asn
Глутамин
Gln
Цистеин
Сys
Кислые аминокислоты (ионогенные)
Аспарагиновая кислота
Asp
Глутаминовая кислота
Glu
Основные аминокислоты (ионогенные)
Лизин
Lys
Аргинин
Arg
Гистидин
His
Строение аминокислот. Все α-аминокислоты* можно рассматривать как результат замены атома водорода в простейшей а-аминокислоте — глицине — на тот или иной радикал R. Таким образом, в соответствии с природой радикала R, называемого боковой цепью, -аминокислоты подразделяют на 4 группы, отличающиеся гидрофильностью или гидрофобностью боковых цепей, а также способностью боковой цепи проявлять кислотные или основные свойства (см. табл. 16).
Стереохимия природных α-аминокислот характеризуется тем, что все они кроме глицина имеют асимметрический атом углерода (атом, связанный и с амино-, и с карбоксильной группой), конфигурация которого может быть отождествлена с конфигурацией L-глицеринового альдегида путем цепи химических превращений:
* За исключением нейтральной гидрофобной аминокислоты пролина (L-пирролидин-α-карбоновой кислоты).
При этом превращения либо не должны затрагивать хиральный центр, либо реакции должны протекать строго стереоспецифично. Следовательно, все природные
α-аминокислоты являются L-энантиомерами.
Конфигурация асимметрического центра аминокислот определяет биологические свойства как самих аминокислот, так и олиго- и полимерных соединений, мономерами которых служат остатки аминокислот (эти соединения называют пептидами).
Свойства аминокислот. Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с довольно высокими температурами плавления (более 230 °С). Большинство кислот хорошо растворимы в воде и практически не растворимы в спирте и диэтиловом эфире, что указывает на солеобразный характер этих веществ. Специфическая растворимость аминокислот обусловлена наличием в молекуле одновременно аминогруппы (имеющей основный характер) и карбоксильной группы (характеризующейся кислотными свойствами), благодаря чему аминокислоты принадлежат к амфотерным электролитам (амфолитам). В водных растворах и твердом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей — цвиттер-ионов.
Кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано следующим образом:
Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поле, то в зависимости от показателя рН раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при рН < 7 аммонийные ионы аминокислот перемещаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН > 7 карбоксилат-ионы — к положительному полюсу (аноду). Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна, называют изоэлектрической точкой и обозначают р I. При значении рН, равном показателю р I, молекула аминокислоты в электрическом поле не перемещается. Изоэлектрическую точку определяют по соотношению
p I =0.5(p Ka1+p Ka2)
Реакции с участием только аминогруппы. Наличие в молекуле одновременно амино- и карбоксильной группы отражается и на поведении аминокислот в тех реакциях, в которых участвует только одна из двух функциональных групп. Аминогруппа, которая в аминах проявляет себя как нуклеофил, в биполярном ионе полностью лишена нуклеофильности из-за протонирования, поэтому ни реакция алкилирования по Гофману, ни ацилирование, свойственные аминам, не имеют места в случае аминокислот. Эти реакции могут происходить только при условии предварительного депротонирования аминогруппы, что достигается использованием реакционной среды с высоким значением рН, при которых цвиттер-ион полностью превращен в карбоксилат-анион.
Рассмотрим основные реакции с участием только аминогруппы аминокислот.
1. Алкилирование осуществляют, действуя на полученные соли аминокислот алкилгалогенидами в присутствии оснований (как органических, так и неорганических).
2. Ацилирование также требует предварительного превращения цвиттер-иона в карбоксилат-анион и успешно протекает при наличии в реакционной среде эквивалента основания (основание необходимо для связывания выделяющегося при ацилировании кислого продукта — галогеноводорода или карбоновой кислоты):
или
и далее
3. Образование оснований Шиффа (как типичная реакция аминов) свойственно и аминокислотам; наиболее часто используют реакции аминокислот с бензальдегидом:
На образовании оснований Шиффа основана реакция идентификации аминокислот, известная как «нингидриновая проба», широко применяемая для визуализации зон аминокислот (возникает интенсивное сине-фиолетовое окрашивание) при их хроматографическом и электрофоретическом разделении, а также для количественного определения содержания аминокислот в растворах:
4. Дезаминирование аминокислот, как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты:
Эта реакция лежит в основе метода определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка).
Биосинтез аминокислот. Все природные α-аминокислоты делят на незаменимые (валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин), которые поступают в организм только из внешней среды, и заменимые, синтез которых происходит в организме.
Биосинтез α-аминокислот может происходить на основе не аминокислот, например по реакции восстановления -кетокислот под действием НАДН:
Реакция стереоспецифична вследствие стереоспецифичности НАДН.
В качестве исходных веществ при биосинтезе аминокислот могут выступать другие аминокислоты. Например, реакция трансаминирования (переаминирования) является основной при синтезе α-аминокислот в организме:
Катализаторами и участниками этого процесса являются ферменты (аминотрансферазы) и кофермент пиридоксальфосфат, который служит переносчиком аминогруппы.
Пептиды. Амино- и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать друг с другом, даже если они находятся в одной молекуле. Еще более реальным является образование межмолекулярной амидной связи. Амиды, образовавшиеся в результате взаимодействия некоторого числа аминокислот, называют пептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-, тетра-, пентапептиды и т.д. При этом пептиды молекулярной массой не более 10 000 называют олигопептидами; молекулярной массой более 10 000 — полипептидами, или белками. Амидные связи в составе пептидов называют пептидными.
Пептидная группировка характеризуется рядом свойств.
1. Пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости.
2. Атомы кислорода и водорода пептидной группировки природных пептидов и белков находятся в транс -положении по отношению к связи С—N, так как при транс -конфигурации заместителей боковые цепи оказываются наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры белковой молекулы.
3. Пептидная группа представляет собой трехцентровую ρ, π-сопряженную систему, которая образуется вследствие делокализации электронной плотности между атомами кислорода, углерода и азота. Длины связей С—О и С—N оказываются практически одинаковыми.
4. Пептидная связь устойчива при температуре 310 К в средах, близких к нейтральной (физиологические условия). В кислой и щелочной средах связь подвергается гидролизу. В условиях организма гидролиз происходит ферментативно.
5. Дополнительные, как правило, нековалентные связи между пептидной группой и боковыми цепями обусловливают существование различных конформаций белковой молекулы. Например, внутримолекулярные водородные связи стабилизируют вторичную структуру белка.
6. Пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кетонной и енольной):
Эти свойства пептидной группировки определяют строение полипептидной цепи:
Полипептидная цепь состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков — боковых радикалов аминокислотных остатков. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец).
Как правило, при изображении формулы пептида N-конец располагают слева, а С-конец — справа:
Называют пептид, последовательно перечисляя, начиная с N-конца, названия аминокислот, входящих в пептид; при этом суффикс «ин» заменяют на суффикс «ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой.
Для описания строения пептидов применяют не традиционные структурные формулы, а сокращенные обозначения, позволяющие сделать запись более компактной.
Понятие «строение пептида» (равно как и «структура белка») включает в себя следующие характеристики:
1) общее число аминокислотных остатков;
2) перечень аминокислот, входящих в состав пептида, и указание количества аминокислотных остатков каждого вида (этот параметр называют аминокислотным составом пептида или белка );
3) последовательность связывания аминокислот друг с другом (этот параметр называют аминокислотной последовательностью; он отражает так называемую первичную структуру пептида или белка); последовательность записывают слева направо от N-конца к С-концу.
Особенности растворения полимеров. Размеры макромолекул высокомолекулярных соединений (ВМС) соизмеримы с размерами коллоидных частиц, что обусловливает общность ряда свойств, характерных для коллоидных растворов и растворов ВМС.
К таким свойствам относят малую скорость диффузии растворенных частиц, неспособность их проникать через мембраны, эффект Фарадея—Тиндаля и др. Однако растворы ВМС являются истинными, поскольку удовлетворяют основным критериям истинных растворов: самопроизвольность образования, гомогенность, термодинамическая устойчивость, равновесность.
Равновесие в растворах ВМС устанавливается медленнее, чем в истинных растворах, и растворению, как правило, предшествует набухание. Набуханием называют самопроизвольный процесс односторонней диффузии низкомолекулярного растворителя в полимер, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМС.
Различают неограниченное и ограниченное набухание. В первом случае полимер поглощает жидкость, а потом при той же температуре постепенно переходит в раствор. Пример неограниченного набухания — растворение желатина или крахмала в горячей воде. При ограниченном набухании процесс практически останавливается на стадии образования гетерогенной системы, состоящей из двух фаз: набухший полимер и низкомолекулярный растворитель. В этом случае равновесной системой является гель. Пример ограниченного набухания — набухание желатина или крахмала в холодной воде, набухание резины в бензоле. Тип набухания зависит от гибкости полимерной цепи: чем более гибкой является полимерная цепь, тем больше степень набухания и тем выше вероятность образования раствора.
Количественно способность полимера набухать в тех или иных растворителях характеризуют степенью набухания:
где V, V0 — объем образца полимера до и после набухания соответственно.
На практике для оценки способности растворителя растворять или вызывать набухание того или иного полимера обычно руководствуются эмпирическим правилом: подобное растворяется в подобном (неполярные полимеры растворяются в неполярных растворителях, а полярные — в полярных).
Для амфотерных полиэлектролитов степень набухания зависит от показателя рН среды. Так, белки в изоэлектрическом состоянии имеют минимальные значения степени гидратации, набухания, растворимости. Зависимость степени набухания белка от значения рН среды выражается кривой с двумя максимумами и одним минимумом, который соответствует изоэлектрической точке.
Качественные реакции. Для идентификации некоторых пептидов и белков используют так называемые «цветные реакции».
Наиболее универсальная реакция на пептидную группу — появление красно-фиолетовой окраски при добавлении к раствору белка ионов меди(П) в щелочной среде (биуретовая реакция):
Реакция на остатки ароматических аминокислот — тирозина и фенилаланина — появление желтой окраски при обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция):
Серасодержащие белки дают черное окрашивание при нагревании с раствором ацетата свинца(II) в щелочной среде (реакция Фоля):
Цветные реакции на белки. Для белковых веществ характерен ряд цветных реакций, которыми обычно пользуются для обнаружения белков в биологических объектах. Важнейшие них следующие.
Биуретовая реакция — сине-фиолетовое или красно-фиолетовое окрашивание при прибавлении к водному раствору белка щелочи и медного купороса. Эта реакция зависит от наличия в белках пептидных связей СО—NH.
Ксантопротеиновая реакция — появление желтого окрашивания под действием концентрированной азотной кислоты. Эта реакция характеризует наличие в белках цикличес-
Реакция Миллона — розовое или красное окрашивание при нагревании белков с реактивом, состоящим из смеси азотнокислых и азотистокислых солей ртути в азотной кислоте. Реакция связана с наличием в белке фенильной группы тирозина.
Реакция Адамкевича — сине-фиолетовое окрашивание при прибавлении к белку раствора глиоксиловой кислоты в серной кислоте. Этот цвет обусловлен конденсацией альдегидной группы глиоксиловой кислоты с индольным кольцом триптофана.
Реакция Сакагуши — малиново-красное окрашивание при обработке белка сначала гипохлоритом натрия, а затем раствором β-нафтола. Эта реакция указывает на присутствие белке гуанидиновой группы аргинина.