В кислой среде α-аминокислоты выступают как основания (по аминогруппе), а в щелочной - как кислоты (по карбоксильной группе). У некоторых аминокислот может ионизироваться также радикал (R), в связи, с чем все аминокислоты можно разделить на заряженные и незаряженные (при физиологическом значении рН=6,0 - 8,0) (см. табл. 4). В качестве примера первых можно привести аспарагиновую кислоту и лизин:
Если радикалы аминокислот нейтральные, то они не оказывают влияния на диссоциацию α-карбоксильной или α-аминогруппы, и величинырК (отрицательный логарифм, показывающий значение рН, при котором эти группы наполовину диссоциированы) остаются относительно постоянными.
Величины рК для α-карбоксилыюй (pK 1) и α-аминогруппы (рК 2) сильно различаются. При рН < pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН > рК 2 практически все молекулы аминокислоты являются отрицательно заряженными, так как α-карбоксильная группа находится в диссоциированном состоянии.
Следовательно, в зависимости от рН среды аминокислоты имеют суммарный нулевой положительный или отрицательный заряд. Значение рН, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю, и она не перемещается в электрическом поле ни к катоду, ни к аноду, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI.
Для нейтральных α-аминокислот значение pI находят как среднее арифметическое между двумя значениями рК:
При рН раствора меньше pI аминокислоты протонируются и, заряжаясь положительно, перемещаются в электрическом поле к катоду. Обратная картина наблюдается при рН > pI.
Для аминокислот, содержащих заряженные (кислотные или основные) радикалы, изоэлектрическая точка зависит от кислотности или основности этих радикалов и их рК (рК 3). Значение pI для них находят по следующим формулам:
для кислых аминокислот:
для основных аминокислот:
В клетках и межклеточной жидкости организма человека и животных рН среды близко к нейтральному, поэтому основные аминокислоты (лизин, аргинин) имеют положительный заряд (катионы), кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая) имеют отрицательный заряд (анионы), а остальные существуют в виде биполярного цвиттер-иона.
Стереохимия аминокислот
Важной особенностью белковых α-аминокислот является их оптическая активность. За исключением глицина все они построены асимметрично, в связи с чем, будучи растворены в воде или в соляной кислоте, способны вращать плоскость поляризации света. Аминокислоты существуют в виде пространственных изомеров, относящихся к D- или L-ряду. L- или D-конфигурация определяется типом строения соединения относительно асимметрического атома углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами атомов). В формулах асимметрический атом углерода обозначают звездочкой. На рис.3 показаны проекционные модели L- и D- конфигураций аминокислот, которые являются как бы зеркальным отображением друг друга. Все 18 оптически активных белковых аминокислот относятся к L -ряду. Однако в клетках многих микроорганизмов и в антибиотиках, продуцируемых некоторыми из них, обнаружены D-аминокислоты.
Рис. 3. Конфигурация L- и D- аминокислот
Строение белков
Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков и выдвинутых А.Я. Данилевским идей о роли пептидных связей -CO-NH- в построении белковой молекулы, немецкий ученый Э.Фишер предложил в начале XX века пептидную теорию строения белков. Согласно этой теории, белки представляют собой линейные полимеры α-аминокислот, связанных пептиднойсвязью - полипептиды:
В каждом пептиде один концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (N-конец), а другой - свободную α-карбоксильную группу (С-конец). Структуру пептидов принято изображать, начиная с N-концевой аминокислоты. При этом аминокислотные остатки обозначаются символами. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Этой записью обозначен пептид, в котором N-концевой α-аминокислотой яв ляется аланин, а С-концевой - цистеин. При чтении такой записи окончания названий всех кислот, кроме последних меняются на - "ил": аланил-тирозил-лейцил-серил-тирозил- -цистеин. Длина пептидной цепи в пептидах и белках, встречающихся в организме, колеблется от двух до сотен и тысяч аминокислотных остатков.
Для определения аминокислотного состава белки (пептиды) подвергают гидролизу:
В нейтральной среде эта реакция протекает очень медленно, но ускоряется в присутствии кислот или щелочей. Обычно гидролиз белков проводят в запаянной ампуле в 6М растворе соляной кислоты при 105 °С; в таких условиях полный распад происходит примерно за сутки. В некоторых случаях белок гидролизуют в более мягких условиях (при температуре 37-40 °С) под действием биологических катализаторов-ферментов в течение нескольких часов.
Затем аминокислоты гидролизата разделяют методом хроматографии на ионообменных смолах (сульфополистирольный катионит), выделяя отдельно фракцию каждой аминокислоты. Для вымывания аминокислот с ионнообменной колонки используют буферы с возрастающим значением рН. Первым снимается аспартат, имеющий кислотную боковую цепь; аргинин с основной боковой цепью вымывается последним. Последовательность снятия аминокислот с колонки определяют по профилю вымывания стандартных аминокислот. Фракционированные аминокислоты определяют по окраске, образующейся при нагревании с нингидрином:
В этой реакции бесцветный нингидрин превращается; в синефиолетовый продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты (только пролин дает желтое окрашивание). Измерив, интенсивность окрашивания, можно рассчитать концентрацию каждой аминокислоты в гидролизате и число остатков каждой из них в исследуемом белке.
В настоящее время такой анализ проводят с помощью автоматических приборов - аминокислотных анализаторов (см. ниже рис. Схемы прибора). Результат анализа прибор выдаёт в виде графика концентраций отдельных аминокислот. Этот метод нашел широкое применение в исследовании состава пищевых веществ, клинической практике; с его помощью за 2-3 часа можно получить полную картину качественного состава аминокислот продуктов и биологических жидкостей.
Рис. Схема аминокислотного анализатора: 1 - вымывающий раствор (буфер с переменным рН); 2 - хроматогрифическая колонка (в верхнюю часть колонки вносят гидролизат белка, затем начинают вымывание); 3 - раствор нингидрина; 4 - водяная баня (подогревание необходимо для ускорения реакции нингидрина с аминокислотами); 5 - спектрофотометр и записывающее устройство; 6 - хроматограмма, каждый пик которой соответствует одной аминокислоте, а площадь пика пропорциональна концентрации аминокислоты в гидролизате.
1.Аминокислоты проявляют амфотерные свойства и кислот и аминов, а также специфические свойства, обусловленные совместным присутствием указанных групп. В водных растворах АМК существуют в виде внутренних солей (биполярных ионов). Водные растворы моноаминомонокарбоновых кислот на лакмус нейтральны, т.к. в их молекулах содержится равное число -NН 2 - и -СООН групп. Эти группы взаимодействуют между собой с образованием внутренних солей:
Такая молекула имеет в двух местах противоположные заряды: положительный NН 3 + и отрицательный на карбоксиле –СОО - . В связи с этим внутренняя соль АМК имеет название биполярного иона или Цвиттер–иона (Zwitter – гибрид).
Биполярный ион в кислой среде ведет себя как катион, так как подавляется диссоциация карбоксильной группы; в щелочной среде – как анион. Существуют значения рН специфические для каждой аминокислоты, в которой количество анионных форм в растворе равно количеству катионных форм. Значение рН при котором общий заряд молекулы АМК равен 0, называется изоэлектрической точкой АМК (pI АК).
Водные растворы моноаминодикарбоновых кислот обладают кислой реакцией среды:
HООС-СH 2 -СH-СOOH « - OOC-CH 2 -CH–COO - + H +
Изоэлектрическая точка моноаминодикарбоновых кислот находится в кислой среде и такие АМК называют кислыми.
Диаминомонокарбоновые кислоты обладают в водных растворах основными свойствами (участие воды в процессе диссоциации показывать обязательно):
NH 2 -(CH 2) 4 -CH-COOH + H 2 O « NH 3 + -(CH 2) 4 -CН–COO - + OH -
Изоэлектрическая точка диаминомонокарбоновых кислот находится в при рН>7 и такие АМК называют основными.
Являясь биполярными ионами, аминокислоты проявляют амфотерные свойства: они способны образовывать соли как с кислотами, так и с основаниями:
Взаимодействие с соляной кислотой HCl приводит к образованию соли:
R-CH-COOH + HCl ® R-CH-COOH
NH 2 NH 3 + Сl -
Взаимодействие с основанием приводит к образованию соли:
R-CH(NH 2)-COOH + NaOH ® R-CH(NH 2)-COONa + H 2 O
2. Образование комплексов с металлами – хелатный комплекс. Строение медной соли гликокола (глицина) можно изобразить следующей формулой:
Почти вся имеющаяся в организме человека медь (100 мг) связана с белками (аминокислотами) в виде этих устойчивых клешневидных соединений.
3. Подобно другим кислотам аминокислоты образуют сложные эфиры, галоген ангидриды, амиды.
4. Реакции декарбоксилирования протекают в организме при участии специальных ферментов декарбоксилаз: получающиеся при этом амины (триптамин, гистамин, серотинин) называются биогенными аминами и являются регуляторами ряда физиологических функций человеческого организма.
5. Взаимодействие с формальдегидом (альдегидами)
R-CH-COOH + H 2 C=О ® R-CH-COOH
Формальдегид связывает NН 2 – группу, -СООН группа остается свободной и может быть оттитрована щелочью. Поэтому данная реакция используется для количественного определения аминокислот (метод Сёренсена).
6. Взаимодействие с азотистой кислотой приводит к образованию гидроксикислот и выделению азота. По объему выделившегося азота N 2 определяют его количественное содержание в исследуемом объекте. Эта реакция применяется для количественного определения аминокислот (метод Ван–Слайка):
R-CH-COOH + HNO 2 ® R-CH-COOH + N 2 + H 2 O
Это один из способов дезаминирования АМК вне организма
7. Ацилирование аминокислот. Аминогруппу АМК можно ацилировать хлорангидридами и ангидридами кислот уже при комнатной температуре.
Продуктом записанной реакции является ацетил-α-аминопропионовая кислота.
Ацильные производные АМК широко используются при изучении последовательности их в белках и в синтезе пептидов (защита аминогруппы).
8.Специфические свойства, реакции, связанные с наличием и взаимным влиянием амино- и карбоксильной групп - образование пептидов. Общим свойством a-АМК является процесс поликонденсации , приводящий к образованию пептидов. В результате этой реакции формируются амидные связи по месту взаимодействию карбоксильной группы одной АМК и аминогруппы другой АМК. Другими словами, пептиды – это амиды, образующиеся в результате взаимодействия аминогрупп и карбоксилов аминокислот. Амидная связь в таких соединениях называется пептидной связью (разобрать строение пептидной группы и пептидной связи: трехцентровая р,p-сопряженная система)
В зависимости от числа аминокислотных остатков в молекуле различают ди-, три-, тетрапептиды и т.д. вплоть до полипептидов (до 100 остатков АМК). Олигопептиды содержат от 2 до 10 остатков АМК, белки - более100 остатков АМК.В общем виде полипептидную цепь можно представить схемой:
H 2 N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-... -NH-CH-COOH
Где R 1 , R 2 , … R n – радикалы аминокислот.
Понятие о белках.
Наиболее важными биополимерами аминокислот являются белки – протеины. В организме человека насчитывается около 5млн. различных белков, которые входят в состав кожи, мышц, крови и других тканей. Белки (протеины) получили свое название от греческого слова «protos» - первый, важнейший. Белки выполняют ряд важнейших функций в организме: 1. Строительная функция; 2. Транспортная функция; 3. Защитная функция; 4. Каталитическая функция; 5. Гормональная функция; 6. Питательная функция.
Все природные белки образуются из мономеров аминокислот. При гидролизе белков образуется смесь АМК. Этих АМК – 20.
4. Иллюстративный материал: презентация
5. Литература:
Основная литература:
1. Биоорганическая химия: учебник. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. 2014г.
- Сейтембетов Т.С. Химия: учебник - Алматы: ТОО"ЭВЕРО", 2010. - 284 с
- Болысбекова С. М. Химия биогенных элементов: учебное пособие - Семей, 2012. - 219 с. : ил
- Веренцова Л.Г. Неорганическая,физическая и коллоидная химия: учебное пособие - Алматы: Эверо, 2009. - 214 с. : ил.
- Физическая и коллоидная химия /Под ред.А.П.Беляева.- М.: ГЭОТАР МЕДиа, 2008
- Веренцева Л.Г. Неорганическая, физическая и коллоидная химия,(проверочные тесты) 2009
Дополнительная литература:
- Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. М. 2003.
2. Слесарев В.И. Химия. Основы химии живого. С-Пб.: Химиздат, 2001
3. Ершов Ю.А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. М.: ВШ, 2003.
4. Асанбаева Р.Д., Илиясова М.И. Теоретические основы строения и реакционной способности биологически важных органических соединений. Алматы, 2003.
- Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии под ред. Н.А. Тюкавкиной. М., Дрофа,2003.
- Глинка Н.Л. Общая химия. М.,2003.
- Пономарев В.Д. Аналитическая химия ч.1,2 2003
6. Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Что преопределяет структуру полипептидной цепи в целом?
2. К чему приводит денатурация белка?
3. Что называют изоэлектрической точкой?
4. Какие аминокислоты называются незаменимыми?
5. Каким же образом белки образуются в нашем организме?
Органические вещества, в молекуле которых содержатся карбоксильные и аминные группы, называются аминокислотами или аминокарбоновыми кислотами. Это жизненно важные соединения, являющиеся основой построения живых организмов.
Строение
Аминокислота - мономер, состоящий из азота, водорода, углерода и кислорода. Также к аминокислоте могут присоединяться не углеводородные радикалы, например, сера или фосфор.
Условная общая формула аминокислот - NH 2 -R-COOH, где R - двухвалентный радикал. При этом аминогрупп в одной молекуле может быть несколько.
Рис. 1. Структурное строение аминокислот.
С химической точки зрения аминокислоты - производные карбоновых кислот, в молекуле которых атомы водорода заменены аминогруппами.
Виды
Аминокислоты классифицируются по нескольким признакам. Классификация по трём признакам представлена в таблице.
|
Признак |
Вид |
Описание |
Пример |
|
По расположению аминных и карбоксильных групп относительно друг друга |
α-аминокислоты |
||
|
β-, γ-, δ-, ε- и другие аминокислоты |
β-аминопропионовая кислота (два атома между группами), ε-аминокапроновая кислота (пять атомов) |
||
|
По изменяемой части (радикалу) |
Алифатические (жирные) |
Лизин, серин, треонин, аргинин |
|
|
Ароматические |
Фенилаланин, триптофан, тирозин |
||
|
Гетероциклические |
Триптофан, гистидин, пролин |
||
|
Иминокислоты |
Пролин, оксипролин |
||
|
По физико-химическим свойствам |
Неполярные (гидрофобные) |
Не взаимодействуют с водой |
Глицин, валин, лейцин, пролин |
|
Полярные (гидрофильные) |
Взаимодействуют с водой. Подразделяются на незаряженные, положительно и отрицательно заряженные |
Лизин, серин, аспартат, глутамат, глутамин |
Рис. 2. Схема классификации аминокислот.
Названия формируются из структурных или тривиальных наименований карбоновых кислот с приставкой «амино-». Цифры показывают, где располагается аминогруппа. Также используются тривиальные названия, заканчивающиеся на «-ин». Например, 2-аминобутановая или α-аминомасляная кислота.
Свойства
Аминокислоты отличаются физическими свойствами от других органических кислот. Все соединения класса - кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, но плохо растворимые в органических растворителях. Они плавятся при высоких температурах, имеют сладковатый вкус и легко образуют соли.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями. Благодаря наличию карбоксильной группы -СООН проявляют свойства кислот. Аминогруппа -NH 2 обуславливает основные свойства.
Химические свойства соединений:
- горение:
4NH 2 CH 2 COOH + 13O 2 → 8CO 2 + 10H 2 O + 2N 2 ;
- гидролиз:
NH 2 CH 2 COOH + H 2 O ↔ NH 3 CH 2 COOH + OH;
- реакция с раствором щёлочи:
NH 2 CH 2 COOH + NaOH → NH 2 CH 2 COO-Na + H 2 O;
- реакция с раствором кислоты:
2NH 2 CH 2 COOH + H 2 SO 4 → (NH 3 CH 2 COOH) 2 SO 4 ;
- этерификация:
NH 2 CH 2 COOH + C 2 H 5 OH → NH 2 CH 2 COOC 2 H 5 + H 2 O.
Из аминокислотных мономеров образуются длинные полимеры - белки. Один белок может включать несколько разных аминокислот. Например, содержащийся в молоке белок казеин состоит из тирозина, лизина, валина, пролина и ряда других аминокислот. В зависимости от строения белки выполняют различные функции в организме.
Рис. 3. Белки.
Что мы узнали?
Из урока химии 10 класса узнали, что такое аминокислоты, какие вещества содержат, как классифицируются. Аминокислоты включают две функциональные группы - аминогруппу -NH 2 и карбоксильную группу -COOH. Наличие двух групп обуславливает амфотерность аминокислот: соединения обладают свойствами оснований и кислот. Аминокислоты делятся по нескольким признакам и отличаются количеством аминогрупп, наличием или отсутствием бензольного кольца, присутствием гетероатома, взаимодействием с водой.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4 . Всего получено оценок: 150.
Аминокислоты (синоним аминокарбоновые кислоты ) - органические (карбоновые) кислоты, содержащие одну или более аминогрупп; основная структурная часть молекулы белков.
В зависимости от положения аминогруппы в углеродной цепи по отношению к карбоксильной группе (то есть у второго, третьего и так далее углеродных атомов) различают α-, β-, γ-аминокислоты и так далее. Многие Аминокислоты обнаружены в живых организмах в свободном виде или в составе более сложных соединений. Описано ок. 200 различных природных Аминокислоты, среди которых особенно важны около 20, входящих в состав белков (см.). Все найденные в белках Аминокислоты представляют собой α-аминокислоты и отвечают общей формуле: RCH(NH 2)COOH, где R - неодинаковый в разных аминокислот радикал, присоединенный ко второму углеродному атому цепи. К этому же углеродному атому присоединена и аминогруппа. Таким образом, у этого атома углерода 4 неодинаковых заместителя, и он является асимметрическим.
Еще до открытия Аминокислот как особого класса химических веществ французские химики Воклен и Робике (L. W. Vauquelin, P. J. Robiquet, 1806) изолировали из сока спаржи кристаллический аспарагин, представляющий собой амид аспарагиновой кислоты (см.) и входящий в качестве одной из аминокислот в состав белков.
Первая природная аминокислота (цистин) была открыта в 1810 году в мочевых камнях Волластоном (W. Н. Wollaston); в 1819 году Пруст (J. L. Proust), производя опыты по ферментации сыра, выделил кристаллы лейцина. В 1820 году Браконно (Н. Braconnot) получил из гидролизата желатины глицин, который имел сладкий вкус и был назван клеевым сахаром; лишь впоследствии глицин был отнесен к аминокислотам. Открытие Браконно сыграло особенно важную роль, поскольку оно явилось первым случаем получения Аминокислот из гидролизата белка; в дальнейшем из гидролизатов белков были выделены и идентифицированы и остальные аминокислоты, содержащиеся в составе белковых молекул.
Аминокислоты обладают рядом общих свойств: это бесцветные, кристаллические вещества, плавящиеся обычно с разложением при сравнительно высоких температурах, сладкие, горьковатые или пресные на вкус. Аминокислоты являются амфотерными электролитами, то есть образуют соли как с кислотами, так и с основаниями и обладают некоторыми свойствами, характерными и для органических кислот и для аминов. Природные α-аминокислоты могут вращать плоскость поляризации в разной степени вправо или влево в зависимости от природы аминокислот и условий среды, но все они принадлежат к L-ряду, то есть имеют одинаковую конфигурацию α-углеродного атома и могут рассматриваться как производные L-аланина или, соответственно, L-глицерпнового альдегида. Разнообразие свойств и характера радикалов различных Аминокислот определяет многообразие и специфические свойства как отдельных аминокислот, так и белковых молекул, в состав которых они входят. Химическое строение и важнейшие свойства природных аминокилот, встречающихся в гпдролизатах белков, приведены в табл. 1.
| Название | Рациональное название | Формула | Молекулярный вес | Температура плавления | Растворимость в граммах на 100 г воды при t° 25° |
|---|---|---|---|---|---|
| α-Аминопропионовая кислота | 89,09 | 297° (с разложением) | 16,51 | ||
| α-Амино-δ-гуанидинвалериановая кислота |
| 174,20 | 238° (с разложением) | Легко растворим | |
| γ-Амид α-аминоянтарной кислоты | 132,12 | 236° (с разложением) | 3,11 (28°) | ||
| α-Аминоянтарная кислота |
| 133,10 | 270° | 0,50 | |
| α-Аминоизовалериановая (α-амино-β-метилмасляная) кислота |
| 117,15 | 315° (с разложением) | 8,85 | |
| α-Амино-β-имидазолилпропионовая кислота |
| 155,16 | 277° (с разложением) | 4,29 | |
| Глицин (гликокол) | Аминоуксусная кислота |
| 75,07 | 290° (с разложением) | 24,99 |
| δ-Амид-α-аминоглутаровой кислоты |
| 146,15 | 185° | 3,6 (18°) | |
| α-Аминоглутаровая кислота |
| 147,13 | 249° | 0,843 | |
| α-Амино-β-метилвалериановая кислота | 131,17 | 284° (с разложением) | 4,117 | ||
| α-Аминоизокапроновая кислота |
| 131,17 | 295° (с разложением) | 2,19 | |
| α-, ε-Диаминокапроновая кислота |
| 146,19 | 224° (с разложением) | Легко растворим | |
| α-Амино-γ-метилтиомасляная кислота |
| 149,21 | 283° (с разложением) | 3,35 | |
| γ-Оксипирролидин- α-карбоновая кислота |
| 131,13 | 270° | 36,11 | |
| Пирролидин-α-карбоновая кислота |
| 115,13 | 222° | 162,3 | |
| α-Амино-β-оксипропионовая кислота |
| 105,09 | 228° (с разложением) | 5,023 | |
| α-Амино-β-параоксифенилпропионовая кислота |
| 181,19 | 344° (с разложением) | 0,045 | |
| α-Амино-β-оксимасляная кислота | 119,12 | 253° (с разложением) | 20,5 | ||
| α-Амино-β-индолилпр опионовая кислота | 204,22 | 282° (с разложением) | 1,14 | ||
| α-Амино-β-фенилпропионовая кислота |
| 165,19 | 284° | 2,985 | |
| α-Амино-β-тиопропионовая кислота |
| 121,15 | 178° | - | |
| Ди-α-амино-β-тиопропионовая кислота |
| 240,29 | 261° (с разложением) | 0,011 |
Электрохимические свойства
Обладая амфотерными свойствами (см. Амфолиты), аминокислоты в растворах диссоциируют как по типу кислотной диссоциации (отдавая ион водорода и заряжаясь при этом отрицательно), так и по типу щелочной диссоциации (присоединяя Н-ион и освобождая ион гидроксила), приобретая при этом положительный заряд. В кислой среде усиливается щелочная диссоциация аминокилот и происходит образование солей с анионами кислот. В щелочной среде, наоборот, аминокислоты ведут себя как анионы, образуя соли с основаниями. Установлено, что Аминокислоты в растворах практически полностью диссоциируют и находятся в виде амфотерных (биполярных) ионов, называемых также цвиттерионами или амфиионами:
В кислой среде амфотерный ион присоединяет ион водорода, подавляющий кислотную диссоциацию, и превращается в катион; в щелочной среде с присоединением иона гидроксила подавляется щелочная диссоциация, и биполярный ион становится анионом. При определенном значении рН среды, неодинаковом для разных аминокислот, степень кислотной и щелочной диссоциации для данной аминокилоты уравнивается, и в электрическом поле аминокислот не движется ни к катоду, ни к аноду. Это значение рН называют изоэлектрической точкой (pI), которая тем ниже, чем больше у данной аминокилоты выражены кислотные свойства, и тем выше, чем у аминокислоты больше выражены основные свойства (см. Изоэлектрическая точка). При рI растворимость аминокислоты становится минимальной, в соответствии с чем ее легче осадить из раствора.
Оптические свойства
Все α-аминокислоты, за исключением глицина (см.), имеют асимметрический атом углерода. Таким атомом всегда является 2-й, или α-углеродный, атом, все четыре валентности которого заняты различными группами. В этом случае возможны две стереоизомерные формы, являющиеся зеркальным отражением друг друга и несовместимые между собой подобно правой и левой руке. На схеме изображены два стереоизомера аминокислоты аланина в виде объемного изображения и соответствующей ему проекции на плоскости. Изображение слева условно принято считать левой конфигурацией (L), справа - правой конфигурацией (D). Такие конфигурации соответствуют лево- и правовращающему глицериновому альдегиду, который принят за исходное соединение при определении конфигурации молекул. Показано, что все природные аминокислоты, получаемые из гидролизатов белков, по конфигурации α-углеродного атома соответствуют L-ряду, то есть могут рассматриваться как производные L-аланина, в котором один водородный атом в метальной группе заменен на более сложный радикал. Удельное вращение плоскости поляризации света отдельных Аминокислот зависит как от свойств всей молекулы в целом, так и рН-раствора, температуры и других факторов.
Удельное вращение важнейших аминокислот, их изоэлектрические точки и показатели констант кислотной диссоциации (рК а) представлены в табл. 2.
| Аминокислота | Удельное вращение | Константы кислотной диссоциации | Изоэлектрическая точка рI | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| водного раствора | в 5 н. растворе соляной кислоты | pK 1 | pK 2 | pK 3 | ||
| Алании | +1,6 | +13,0 | 2,34 | 9,69 | 6,0 | |
| Аргинин | +21,8 | +48,1 | 2,18 | 9,09 | 13,2 | 10,9 |
| Аспарагин | -7,4 | +37,8 | 2,02 | 8,80 | 5,4 | |
| Аспарагиновая кислота | +6,7 | +33,8 | 1,88 | 3,65 | 9,60 | 2,8 |
| Валии | +6,6 | 33,1 | 2,32 | 9,62 | 6,0 | |
| Гистидин | +59,8 | +18,3 | 1,78 | 5,97 | 8,97 | 7,6 |
| 2,34 | 9,60 | 6,0 | ||||
| Глутамин | +9,2 | +46,5 | 2,17 | 9,13 | 5,7 | |
| Глутаминовая кислота | +17,7 | +46,8 | 2,19 | 4,25 | 9,67 | 3,2 |
| Изолейцин | +16,3 | +51,8 | 2,26 | 9,62 | 5,9 | |
| Лейцин | -14,4 | +21,0 | 2,36 | 9,60 | 6,0 | |
| Лизин | +19,7 | +37,9 | 2,20 | 8,90 | 10,28 | 9,7 |
| Метионин | -14,9 | +34,6 | 2,28 | 9,21 | 5,7 | |
| Оксипролин | -99,6 | -66,2 | 1,82 | 9,65 | 5,8 | |
| Пролин | -99,2 | -69,5 | 1,99 | 10,60 | 6,3 | |
| Серии | -7,9 | +15,9 | 2,21 | 9,15 | 5,7 | |
| Тирозин | -6,6 | -18,1 | 2,20 | 9,11 | 10,07 | 5,7 |
| Треонин | -33,9 | -17,9 | 2,15 | 9,12 | 5,6 | |
| Триптофан | -68,8 | +5,7 | 2,38 | 9,39 | 5,9 | |
| Фенилаланин | -57,0 | -7,4 | 1,83 | 9,13 | 5,5 | |
| Цистеин | -20,0 | +7,9 | 1,71 | 8,33 | 10,78 | 5,0 |
| Цистин | 2,01 | 8,02 pK 4 = 8,71 | 5,0 | |||
Раньше оптические антиподы L-аминокислот, то есть аминокислоты D-ряда, называли «неприродными», однако в наст, время аминокислоты D-ряда обнаружены в составе некоторых бактериальных продуктов и антибиотиков. Так, капсулы спороносных бактерий (Вас. subtilis, В. anthracis и другое) в значительной мере состоят из полипептида, построенного из остатков D-глутаминовой кислоты. D-аланин и D-глутамидовая кислота входят в состав мукопептидов, образующих клеточные стенки ряда бактерий; валин, фенилаланин, орнитин и лейцин D-ряда содержатся в составе грамицидинов и многих других пептидов - антибиотиков и тому подобное Стереоизомерные аминокислоты существенно различаются по своим биологическим свойствам, они атакуются ферментами, специфическими только к определенной оптической конфигурации, не заменяют или лишь частично заменяют друг друга в обмене веществ и тому подобное D-изомеры (см.), лейцина (см.), серина (см.), триптофана (см.) и валина (см.) очень сладкие, тогда как L-стереоизомеры аланина и серина умеренно сладкие, триптофана - безвкусны, а лейцина и валина - горьковаты. Характерный «мясной» вкус L-глутаминовой к-ты отсутствует у D-формы. Синтетические аминокислоты обычно представляют собой рацематы, то есть смесь равных количеств D- и L-форм. Их обозначают как DL-аминокислоты. При помощи некоторых специальных реактивов или обработки некоторыми ферментами синтетические аминокислоты можно разделить на D- и L-формы или получить только один желаемый стереоизомер.
Классификация аминокислот
Характерные свойства отдельных Аминокислот определяются боковой цепью, то есть радикалом, стоящим у α-углеродного атома. В зависимости от строения этого радикала аминокислоты подразделяют на алифатические (к ним относится большинство аминокислот), ароматические (фенилаланин и тирозин), гетероциклические (гистидин и триптофан) и иминокислоты (см.), у которых атом азота, стоящий при α-углеродном атоме, соединен с боковой цепью в пирролидиновое кольцо; к ним относятся пролин и оксипролин (см. Пролин).
По числу карбоксильных и аминных групп аминокислоты делят следующим образом.
Моноаминомонокарбоновые аминокислоты содержат одну карбоксильную и одну аминную группы; к ним относится большая часть аминокислот (их рI лежит ок. рН 6).
Моноаминодикарбоновые аминокислоты содержат две карбоксильные и одну аминную группы. Аспарагиновая и глутаминовая кислота (см.) обладают слабокислыми свойствами.
Диаминомонокарбоновые кислоты - аргинин (см.), лизин (см.), гистидин (см.) и орнитин - в водном растворе диссоциируют преимущественно как основания.
По химическому составу замещающих групп различают: оксиаминокислоты (содержат спиртовую группу) - серин и треонин (см.), серосодержащие аминокислоты (содержат в своем составе атомы серы) - цистеин, цистин (см.) и метионин (см.); амиды (см.) дикарбоновых аминокислот - аспарагин (см.) и глутамин (см.) и тому подобное Аминокислоты с углеводородным радикалом, например аланин, лейцин, валин и другие, придают белкам гидрофобные свойства; если радикал содержит гидрофильные группы, как, например, у дикарбоновых аминокислот, они сообщают белку гидрофильность.
Помимо уже упомянутых аминокислот (см. таблицу и соответствующие статьи), в тканях человека, животных, растений и у микроорганизмов найдено еще более 100 аминокислот, многие из которых играют важную роль в живых организмах. Так, орнитин и цитруллин (относятся к диаминокарбоновым аминокислотам) играют важную роль в обмене веществ, в частности в синтезе мочевины у животных (см. Аргинин, Мочевина). В организмах найдены высшие аналоги глутаминовой кислоты: α-аминоадипиновая кислота с б атомами углерода и α-аминопимелиновая кислота с 7 атомами углерода. В составе коллагена и желатина найден оксилизин:
имеющий два асимметрических атома углерода. Из алифатических моноаминомонокарбоновых аминокислот встречаются α-аминомасляная кислота, норвалин (α-аминовалериановая кислота) и норлейцин (α-ампнокапроновая кислота). Последние две получены синтетически, но не встречаются в составе белков. Гомосерин (α-амино-γ-оксимасляная кислота) является высшим аналогом серина. Соответственно α-амино-γ-тиомасляная кислота, или гомоцистеин, является подобным аналогом цистеина. Две последние аминокислоты наряду с лантионином:
[НООС-CH(NH 2)-СН 2 -S-CH 2 -CH(NH 2)-COOH]
и цистатионином:
[НООС-CH(NH 2)-CH 2 -S-СН 2 -СН 2 -CH(NH 2)-COOH]
принимают участие в обмене серосодержащих аминокислот 2,4-Диоксифенилаланин (ДОФА) является промежуточным продуктом обмена фенилаланина (см.) и тирозина (см.). Из тирозина образуется такая аминокислота, как 3,5-дийодтирозин - промежуточный продукт образования тироксина (см.). В свободном состоянии и в составе некоторых природных веществ встречаются аминокислоты, метилированные (см. Метилирование) по азоту: метилглицин, или саркозин , а также метилгистидин, метилтриптофан, метиллизин. Последний недавно обнаружен в составе ядерных белков - гистонов (см.). Описаны также ацетилированные производные аминокислот, в том числе ацетиллизин составе гистонов.
Помимо α-аминокислот в природе, главным образом в свободном виде и в составе некоторых биологически важных пептидов, встречаются Аминокислот, содержащие аминогруппу у других атомов углерода. К ним относятся β-аланин (см. Аланин), γ-аминомасляная кислота (см. Аминомасляные кислоты), играющая важную роль в функционировании нервной системы, δ-аминолевулиновая кислота, являющаяся промежуточным продуктом синтеза порфиринов. К аминокислотам относят также таурин (H 2 N-CH 2 -CH 2 -SO 3 H), образующийся в организме в процессе обмена цистеина.
Получение аминокислот
Аминокислоты получают различными методами, некоторые из них предназначены специально для получения тех или иных аминокислот. Наиболее распространенными общими методами химического синтеза аминокислоты являются следующие.
1. Аминирование галоидопроизводных органических кислот. На галоидопроизводное (обычно бромзамещенную кислоту) действуют аммиаком, в результате чего галоид замещается на аминогруппу.
2. Получение аминокислоты из альдегидов путем обработки их аммиаком и цианистым водородом или цианидами. В результате такой обработки получается циангидрин, который далее аминируется, образуя аминонитрил; омыление последнего дает аминокислоту.
3. Конденсация альдегидов с производными глицина с последующим восстановлением и гидролизом.
Отдельные аминокислоты могут быть получены из гидролизатов белков в виде труднорастворимых солей или других производных. Например, цистин и тирозин легко осаждаются в изо электрической точке; диаминокислоты осаждают в виде солей фосфорно-вольфрамовой, пикриновой (лизин), флавиановой (аргинин) и других кислот; дикарбоновые аминокислоты осаждают в виде кальциевых или бариевых солей, глутаминовая кислота выделяется в виде аминокислот гидрохлорида в кислой среде, аспарагиновая кислота - в виде медной соли и так далее. Для препаративного выделения ряда аминокислот из гидролизатов белка применяют также методы хроматографии и электрофореза. Для промышленных целей многие аминокислоты получают методами микробиологического синтеза, выделяя их из культуральной среды определенных штаммов бактерий.
Определение аминокислот
В качестве общей реакции на аминокислоты чаще всего применяют цветную реакцию с нингидрином (см.), который при нагревании дает с разными аминокислотами фиолетовое окрашивание различных оттенков. Применяют также реактив Фолина (1,2-нафтохинон-4-сульфоиово-кислый натрий), дезаминирование азотистой кислотой с газометрическим определением выделяющегося азота по Ван-Слайку (см. Ван-Слайка методы).
Определение отдельных аминокислот, а также аминокислотного состава белков и свободных аминокислот крови и других жидкостей и тканей организма обычно производят методами хроматографии на бумаге или на ионообменных смолах (см. Хроматография) или электрофореза (см.). Эти методы позволяют качественно и количественно определять малые количества (доли миллиграмма) любых аминокислот с применением эталонных образцов этих соединений в качестве «свидетелей» или стандартов. Обычно пользуются автоматическими анализаторами аминокислот (см. Автоанализаторы), проводящими за несколько часов полный аминокислотный анализ образцов, содержащих всего несколько миллиграммов аминокислоты. Еще более быстрым и чувствительным методом определения аминокислоты является газовая хроматография их летучих производных.
Аминокислоты, поступающие в организм человека и животных с пищей, главным образом в виде пищевого белка, занимают центральное место в азотистом обмене (см.) и обеспечивают синтез в организме его собственных белков и нуклеиновых кислот, ферментов, многих коферментов, гормонов и других биологически важных веществ; в растениях из аминокислот образуются алкалоиды (см.).
В крови человека и животных в норме поддерживается постоянный уровень содержания аминокислот в свободном виде и в составе небольших пептидов. В плазме крови человека в среднем содержится 5-6 мг азота аминокислот (обычно называемого аминоазотом) на 100 мл плазмы (см. Азот остаточный). В эритроцитах содержание аминоазота в 11/2-2 раза выше, в клетках органов и тканей оно еще выше. В сутки с мочой выделяется около 1 г аминокислот(табл. 3). При обильном и несбалансированном белковом питании, при нарушении функции почек, печени и других органов, а также при некоторых отравлениях и наследственных нарушениях обмена аминокислот содержание их в крови повышается (гипераминоацидемия) и с мочой выделяются заметные количества аминокислот. (см. Аминоацидурия).
| Аминокислота | Плазма крови (мг %) | Моча за 24 часа (мг ) |
|---|---|---|
| Азот аминокислот | 5,8 | 50-75 |
| Алании | 3,4 | 21-71 |
| Аргинин | 1,62 | - |
| Аспарагиновая кислота | 0,03 | |
| Валин | 2,88 | 4-6 |
| Гистидин | 1,38 | 113-320 |
| 1,5 | 68-199 | |
| Глутаминовая кислота | 0,70 | 8-40 |
| Изолейцин | 1,34 | 14-28 |
| Лейцин | 1,86 | 9-26 |
| Лизин | 2,72 | 7-48 |
| Метионин | 0,52 | |
| Орнитин | 0,72 | - |
| Пролив | 2,36 | |
| Серии | 1,12 | 27-73 |
| Тирозин | 1,04 | 15-49 |
| Треонин | 1,67 | 15-53 |
| Триптофан | 1,27 | - |
| Цистин (+цистеин) | 1,47 | 10-21 |
Активный транспорт аминокислот
Существенную роль в обмене аминокислоты играет активный транспорт аминокислоты против градиента концентрации. Этот механизм поддерживает концентрацию аминокислоты в клетках на более высоком уровне, чем их концентрация в крови, а также регулирует всасывание аминокислоты из кишечника (в процессе переваривания белковой пищи) и обратное всасывание их из почечных канальцев после фильтрации мочи в мальпигиевых клубочках. Активный транспорт аминокислоты связан с действием специфических белковых факторов (пермеаз и транслоказ), избирательно связывающих аминокислоты и осуществляющих их активный перенос за счет распада богатых энергией соединений. Взаимная конкуренция одних аминокислот между собой за активный перенос и отсутствие ее у других аминокислот показывает, что существует несколько систем активного транспорта аминокислоты - для отдельных групп аминокислот. Так, цистин, аргинин, лизин и орнитин обладают общей системой транспорта и конкурируют между собой в этом процессе. Другая система транспорта обеспечивает перенос через мембраны глицина, пролина и оксипролина и, наконец, третья система, по-видимому, является общей для большой группы остальных аминокислот.
Роль аминокислот в питании
Человек и животные используют в обмене веществ азот, поступающий с пищей в виде аминокислоты, главным образом в составе белков, некоторых других органических соединений азота, а также аммонийные соли. Из этого азота путем процессов аминирования и трансаминирования (см. Переаминирование) в организме образуются различные аминокислоты. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в животном организме, и для поддержания жизни эти аминокислоты должны обязательно поступать в организм с пищей. Такие аминокислоты называют незаменимыми. Незаменимые аминокислоты для человека: триптофан (см.), фенилаланин (см.), лизин (см.), треонин (см.), валин (см.), лейцин (см.), метионин (см.) и изолейцин (см.). Остальные аминокислоты относят к заменимым, но некоторые из них заменимы лишь условно. Так, тирозин образуется в организме только из фенилаланина и при поступлении последнего в недостаточном количестве может оказаться незаменимым. Подобно этому цистеин и цистин могут образоваться из метионина, но необходимы при недостатке этой аминокислоты. Аргинин синтезируется в организме, но скорость его синтеза может оказаться недостаточной при повышенной потребности (особенно при активном росте молодого организма). Потребность в незаменимых аминокислот изучалась в исследованиях по азотистому равновесию, белковому голоданию, учету потребляемой пищи и другое. Тем не менее потребность в них не поддается точному учету и может быть оценена лишь приблизительно. В табл. 4 приведены данные о рекомендуемых и безусловно достаточных для человека количествах незаменимых аминокислот. Потребность в незаменимых аминокислот возрастает в периоды интенсивного роста организма, при повышенном распаде белков при некоторых заболеваниях.
Принадлежность аминокислоты к заменимым или незаменимым для различных организмов не совсем одинакова. Так, например, аргинин и гистидин, относящиеся к заменимым аминокислотам для человека, незаменимы для кур, а гистидин также для крыс и мышей. Аутотрофные организмы (см.), к которым относятся растения и многие бактерии, способны синтезировать все необходимые аминокислоты. Однако ряд бактерий нуждается в наличии тех или иных аминокислот в культуральной среде. Известны виды или штаммы бактерий, избирательно нуждающиеся в наличии определенных аминокислот. Такие мутантные штаммы, рост которых обеспечивается только при добавлении в среду определенной кислоты, называют ауксотрофными (см. Ауксотрофные микроорганизмы). Ауксотрофные штаммы растут на среде, полноценной в остальных отношениях, со скоростью, пропорциональной количеству добавленной незаменимой аминокислоты, поэтому их иногда применяют для микробиологического определения содержания данной аминокислоты в тех или иных биологических материалах, например Гатри метод (см.).
Недостаток в питании одной из незаменимых аминокислот приводит к нарушению роста и общей дистрофии, но отсутствие некоторых аминокислот может давать также специфические симптомы. Так, недостаток триптофана нередко дает пеллагроподобные явления, поскольку из триптофана в организме образуется никотиновая кислота (у экспериментальных крыс при недостатке триптофана наблюдается помутнение роговицы, катаракта, выпадение шерсти, анемия); недостаток метионина приводит к поражению печени и почек; недостаток валина вызывает неврологические симптомы и так далее.
Полноценное питание обеспечивается при сбалансированном содержании отдельных аминокислот в пище. Избыток некоторых аминокислот также неблагоприятен. Избыток триптофана приводит к накоплению продукта его обмена - 3-оксиантраниловой кислоты, которая может вызывать опухоли мочевого пузыря. При несбалансированном питании избыток некоторых аминокислот может нарушать обмен или использование других аминокислот и вызывать недостаточность последних.
Патология обмена аминокислот
Наиболее частой причиной амнноацидурий и гипераминоацидемий являются заболевания почек, связанные с нарушением выделения и обратного всасывания аминокислоты. Ряд специфических нарушений обмена аминокислоты связан с наследственной недостаточностью определенных ферментов, участвующих в их метаболизме.
Так, редкое, но давно известное заболевание - алкаптонурия обусловлено недостаточностью в организме фермента - оксидазы гомогентизиновой кислоты (одного из продуктов промежуточного обмена тирозина). При алкаптонурии гомогентизиновая кислота выделяется с мочой и, окисляясь на воздухе, окрашивает ее в черный цвет. Хотя алкаптонурия обнаруживается с младенчества, клинические нарушения при этом незначительны и сводятся лишь к большей подверженности особому виду артропатии (охронозу). Другим наследственным нарушением обмена аминокислоты является фенилкетонурия. При этом заболевании имеет место недостаточность или отсутствие фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, вследствие чего нарушается превращение фенилаланина в тирозин; тирозин, в норме не являющийся незаменимой аминокислоты, у больных фенилкетонурией становится незаменимым, поскольку он не может образовываться из фенилаланина. Фенилкетонурия связана с тяжелыми клиническими нарушениями, из которых наиболее важным является нарушение развития головного мозга и вследствие этого тяжелая умственная отсталость, проявляющаяся с раннего детства. Причиной этих нарушений является избыточное накопление фенилаланина в крови (гиперфенилаланинемия) и в моче, в особенности накопление продуктов его обмена, в частности фенилпировиноградной кислоты (фенилкетонурия), от которой и происходит название этой болезни. В наст, время развитие неврологических нарушений, вызванных фенилкетонурией, успешно смягчают, назначая младенцам специальную диету с очень низким содержанием фенилаланина. Некоторые важнейшие наследственные нарушения обмена аминокислот представлены в табл. 5.
| Название | Фермент, недостаточность которого вызывает нарушение обмена | Причина нарушения обмена | Некоторые патологические проявления |
|---|---|---|---|
| Тирозинемия | Оксидаза n-оксифенилпировиноградной кислоты | Неспособность превращать п-оксифенилпировиноградную кислоту в гомогентизиновую кислоту | Тяжелое поражение печени и почечных канальцев, нередко смертельное в младенчестве |
| Гистидинемия | Гистидаза (гистидин-α-дезаминаза) | Неспособность образовывать урокининовую кислоту из гистидина. Повышенное содержание в крови и выделение с мочой гистидина и имидазолпировиноградной кислоты | Дефекты речи. Нередко некоторая степень умственной отсталости |
| Гомоцистинурия | Цистатионин-синтетаза (сериндегидратаза) | Неспособность образовывать цистатионин из гомоцистеина и серина. Повышенное содержание гомоцистина и метионина в сыворотке и аномальное выделение гомоцистина с мочой | Умственная отсталость, аномалии развития скелета, эктопия хрусталика, артериальная и венозная тромбоэмболия |
| Цистатионинурия | Цистатионаза (гомосериндегидратаза) | Неспособность расщеплять цистатионин с образованием цистина, α-кетобутирата и аммиака. Значительное выделение цистатионина с мочой и повышенное содержание его в тканях и сыворотке | Иногда умственная отсталость и психические нарушения |
| Лейциноз (болезнь «кленового сиропа») | Декарбоксилаза (декарбоксилазы) кетокислот с разветвленной углеродной цепью | Нарушение декарбоксилирования кетокислот (α-кето-изовалериановой, α-кето-β-метилвалериановой и α-кетоизокапроновой), являющихся продуктами дезаминирования аминокислоты валина, изолейцина и лейцина, и выделение этих кетокислот и соответствующих аминокислот с мочой | Характерный запах мочи, напоминающий кленовый сироп. Прогрессирующее неврологическое заболевание с выраженной дегенерацией мозга, обычно начинающееся вскоре после рождения и кончающееся летально в течение нескольких недель или месяцев. В более легки» случаях перемежающиеся приступы токсической энцефалопатии и выделения названных кетокислот и аминокислоты с мочой |
| Один из типов кретинизма с зобом | Йодотирозиндейодиназа | Нарушение дейодирования моно- и дийодтирозина при синтезе тиреоидного гормона | Резкое увеличение щитовидной железы, сопровождающееся тяжелым гипотиреоидизмом |
| Гипервалинемия | Валинтрансаминаза | Нарушение переаминирования валина; повышенное содержание его в крови и выделение с мочой | Нарушение развития и умственная отсталость |
| Изовалериановая ацидемия | Изовалерил-кофермент А-дегидрогеназа | Повышенные количества изовалериановой кислоты (продукта дезаминирования валина) в крови и моче | Периодические приступы ацидоза и комы |
| Гиперпролинемия | Пролиноксидаза | Повышенное содержание в сыворотке и выделение с мочой пролина вследствие нарушения превращения его в Δ 1 -пирролидин-5-карбоксилат | В некоторых случаях нарушение функции почек и умственная отсталость |
| Оксипролинемия | Оксипролиноксидаза | Нарушение превращения оксипролина в Δ 1 -пирролидин-3-окси-5-карбоксилат и повышенное содержание оксипролина в сыворотке и моче | Тяжелая умственная отсталость |
Особое место занимают резко выраженные аминоацидурии (см.), возникающие в результате нарушения транспорта аминокислоты и, соответственно, всасывания их из почечных канальцев и из кишечника. К таким нарушениям относится цистинурия, диагностированная по выделению с мочой цистина и отложению его в виде камней и осадков в мочевых путях. В действительности цистинурия связана с нарушением общей системы активного транспорта четырех аминокислот - лизина, аргинина, орнитина и цистина. При цистинурии выделяется в среднем более 4 г этих аминокислоты в сутки, из которых только около 0,75 г приходится на долю цистина, однако именно цистин вследствие своей низкой растворимости выпадает при этом в осадок и вызывает отложение камней. Нарушение другой системы активного транспорта, общей для глицина, пролина и оксипролина, приводит к повышенному выделению с мочой этих трех аминокислот (без появления признаков клинических нарушений). Наконец, нарушение еще одной общей системы транспорта аминокислоты, к которым относится, по-видимому, большая группа всех остальных аминокислот, называемое болезнью Хартнупа, связано с многообразными клиническими проявлениями, неодинаковыми в разных случаях заболевания.
Применение аминокислот
Аминокислоты находят широкое применение в медицине и других областях. Различные наборы аминокислоты и гидролизаты белков, обогащенные отдельными аминокислотами, применяются для парентерального питания при операциях, заболеваниях кишечника и нарушениях всасывания. Некоторые аминокислоты оказывают специфический терапевтический эффект при различных расстройствах. Так, метионин применяют при ожирении печени, циррозах и тому подобное; глутаминовая и γ-амино-масляная кислоты дают хороший эффект при некоторых заболеваниях центральной нервной системы (эпилепсии, реактивных состояниях и так далее); гистидин иногда применяют для лечения больных гепатитами, язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки.
Аминокислоты применяют также в качестве добавок к пищевым продуктам. Практически наиболее важны добавки лизина, триптофана и метионина к пищевым продуктам, неполноценным по содержанию этих аминокислот. Добавка глутаминовой к-ты и ее солей к ряду продуктов придает им приятный мясной вкус, что часто используют в кулинарии. Помимо питания человека и применения аминокислоты в пищевой промышленности, их используют для кормления животных, для приготовления культуральных сред в микробиологической промышленности и как реактивы.
Гистохимические методы выявления аминокислот в тканях
Реакции выявления аминокислоты в тканях основаны главным образом на выявлении аминогрупп (NH 2 -), карбоксильных (СООН-), сульфгидрильных (SH-) и дисульфидных (SS-) групп. Разработаны методы выявления отдельных аминокислот (тирозина, триптофана, гистидина, аргинина). Идентификация аминокислоты проводится также при помощи блокирования тех или иных групп. Следует иметь в виду, что гистохимик имеет дело, как правило, с денатурированным белком, поэтому результаты гистохимических методов не всегда сопоставимы с биохимическими.
Для выявления SH- и SS-групп лучшей считается реакция с 2,2′-диокси - 6,6′ - динафтилдисульфидом (ДДД), основанная на образовании нафтил дисульфид а, связанного с белком, содержащим SH-группы. Для развития окраски препарат обрабатывают солью диазония (прочный синий Б или прочный черный К), которая соединяется с нафтилдисульфидом, образуя азокраситель, окрашивающий участки локализации SH-и SS-групп в тканях в оттенки от розового до сине-фиолетового. Метод позволяет проводить количественные сопоставления. Ткань фиксируется в жидкости Карнуа, Буэна, в формалине. Лучшие результаты дает 24-часовая фиксация в 1% растворе трихлоруксусной кислоты на 80% спирте с последующей промывкой в серии спиртов возрастающей концентрации (80, 90, 96%), затем производится обезвоживание и заливка в парафин. Для реакции необходимы реактивы: ДДД, соль диазония, 0,1 М веронал-ацетатный буферный раствор (рН 8,5), 0,1 М фосфатный буферный раствор (рН 7,4), этиловый спирт, серный эфир.
α-Аминокислоты выявляются с помощью нингидрин-реактива Шиффа. Метод основан на взаимодействии нингидрина с аминогруппами (NH 2 -); образующийся при этом альдегид выявляется реактивом Шиффа. Материал фиксируется в формалине, безводном спирте, жидкости Ценкера, заключается в парафин. Необходимы реактивы: нингидрин, реактив Шиффа, этиловый спирт. Ткани, содержащие α-аминогруппы, окрашиваются в розовато-малиновые оттенки. Специфичность реакции, однако, является спорной, так к окислению нингидрином могут подвергаться не только α-аминокислоты, но и другие алифатические амины.
Тирозин, триптофан, гистидин выявляются тетразониевым методом. Соли диазония в щелочной среде находятся в виде гидроксидов диазония, присоединяющихся к названным аминокислотам. Для усиления цветной окраски срезы обрабатывают β-нафтолом или Н-кислотой. Фиксация формалином, жидкостью Карнуа. Необходимые реактивы: тетразотированный бензидин или лучше прочный синий Б, 0,1 М вероналацетатный буферный раствор (рН 9,2); 0,1 н. HCl, Н-кислота или β-нафтол. В зависимости от реактива срезы окрашиваются в фиолетово-синий или коричневый цвет. При оценке результатов нужно иметь в виду возможность присоединения к гидроксиду диазония фенола и ароматических аминов. Для дифференцировки аминокислот применяют контрольные реакции.
Из Дополнительных материалов
При написании последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи Международный союз теоретической и прикладной химии и Международный биохимический союз предложили пользоваться сокращенными названиями аминокислоты, состоящими обычно из первых трех букв полного названия соответствующей аминокислоты (см. таблицу). Использование интернациональной латинизированной стандартной системы символов и сокращений представляет большие преимущества с точки зрения сбора, обработки и отыскания научной информации, устранения ошибок при переводе текстов с иностранных языков и тому подобное. Унифицированные сокращенные названия химических соединений, в том числе и аминокислот, особенно важны не только в международном отношении, но и для применения внутри СССР, где научная литература издается на десятках языков, различных по алфавиту, лексике и начертанию специальных терминов и их сокращенных обозначений.
Сокращенные обозначения свободных аминокислот не следует употреблять в тексте работ, это допустимо только в таблицах, списках, схемах.
Там, где последовательность аминокислотных остатков в пептидной цепи известна, символы остатков пишут по порядку, соединяя их дефисами; та цепь или часть цепи, где последовательность соединения аминокислотных остатков неизвестна, заключается в круглые скобки, причем символы остатков аминокислоты разделяются запятыми. При написании линейных пептидов или белков на левом конце установленной последовательности (то есть на ее N-конце) ставится символ аминокислоты, несущей свободную аминогруппу, а на правом конце (на C-конце) - символ остатка аминокислоты, несущего свободную карбоксильную группу. Полипептидную цепь предпочтительнее изображать горизонтально, а не вертикально расположенной последовательностью. Символы аминокислоты обозначают природные (L-) формы, их антиподы - символом D-, который ставят непосредственно перед символом аминокислоты, не отделяя от него дефисом (например, Лей-DФен-Гли).
Символы менее распространенных в живой природе аминокислоты особо оговариваются в каждой публикации. Рекомендуется соблюдать лишь следующие принципы, например, гидроксиаминокислоты (оксиаминокислоты): гидроксилизин (оксилизин) - Hyl (Оли) и так далее; алло-аминокислоты: алло-изо лейцин - aile (аИле), алло-оксилизин - aHyl (аОли); нораминокислоты: норвалин -Nva (Нва), норлейцин - Nle (Нле) и т. д.
Таблица. Сокращенное написание символов аминокислот, наиболее распространенных в живой природе
|
Полное название аминокислоты |
Международные символы |
Символы, принятые в русских научных изданиях |
|
Аспарагин |
||
|
Аспарагиновая кислота |
||
|
Аспарагиновая кислота и л pi аспарагин (если различие не установлено) |
||
|
Гидроксипролин |
||
|
Гистидин |
||
|
Глутамин |
||
|
Глутаминовая кислота |
||
|
Глутаминовая кислота или глутамин (если различие не установлено) |
||
|
Изолейцин |
||
|
Метионин |
||
|
Триптофан |
||
|
Фенилаланин |
||
Библиография
Браунштейн А. Е. Биохимия аминокислотного обмена, М., 1949, библиогр.; Майстер А. Биохимия аминокислот, пер. с англ., М., 1961; Greenstein J. P. a. Winitz M. Chemistry of the amino acids, v. 1-3, N. Y.-L., 1961; Meister A. Biochemistry of the amino acids, v. 1-2, N. Y., 1965; Nivard R. J. Е. а. Тesser G. I. Amino acids and related compounds, Comprehens. Biochem., v. 6, p. 143, 1965, bibliogr.; Номенклатура биологической химии, пер. с англ., под ред. А. Е. Браунштейна, в. 1, с. 13 и др., М., 1968.
Гистохимические методы выявления Аминокислот в тканях
Лилли Р. Патогистологическая техника и практическая гистохимия, пер. с англ., М., 1969, библиогр.; Пирс Э. Гистохимия, пер. с англ., с. 73, М., 1962; Принципы и методы гистоцитохимического анализа и патологии, под ред. А. П. Авцына и др., Л., 1971, библиогр.
И. Б. Збарский; Р. А. Симакова (гист.), Н. Г. Будковская.
Аминокислоты, белки и пептиды являются примерами соединений, описанных далее. Многие биологически активные молекулы включают несколько химически различных функциональных групп, которые могут взаимодействовать между собой и с функциональными группа друг друга.
Аминокислоты.
Аминокислоты - органические бифункциональные соединения, в состав которых входит карбоксильная группа -СООН , а аминогруппа - NH 2 .
Разделяют α и β - аминокислоты:
В природе встречаются в основном α -кислоты. В состав белков входят 19 аминокислот и ода иминокислота (С 5 Н 9 NO 2 ):
Самая простая аминокислота - глицин. Остальные аминокислоты можно разделить на следующие основные группы:
1) гомологи глицина - аланин, валин, лейцин, изолейцин.
Получение аминокислот.
Химические свойства аминокислот.
Аминокислоты - это амфотерные соединения, т.к. содержат в своём составе 2 противоположные функциональные группы - аминогруппу и гидроксильную группу. Поэтому реагируют и с кислотами и с щелочами:
Кислотно-основные превращение можно представить в виде: