Реакции аминокислот в живых организмах

Аминокислоты, которые поступают в организм в количествах, превышающих потребности биосинтеза клеточных белков, не могут запасаться и подвергаются метаболическим превращениям. Основные реакции аминокислот в клетке – дезаминирование, переаминирование и декарбоксилирование.

Примером реакции дезаминирования (то есть реакции, сопровождающейся отщеплением аммиака) может служить превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую:

Такие реакции происходят в клетках печени и почек, что обеспечивает удаление из организма избытка аминокислот.

Аммиак токсичен для центральной нервной системы, поэтому в организме существуют процессы, в которых происходят связывание (дезактивация) аммиака. Основным путем связывания аммиака в мозге является образование глутамина:

Глутамин может использоваться не только для синтеза белка, но и для других метаболических процессов, значит его можно рассматривать как хранилище аммиака. Так же происходят образование аспарагина.

Реакция переаминирования представляет собой как бы перенос аминогруппы аминокислоты на молекулу другой кислоты, то есть фактически является примером биосинтеза аминокислоты в организме:

Декарбоксилирование аминокислот (удаление карбоксильной группы) – важный метаболический процесс, в результате которого из аминокислот образуются биологически активные амины.

Так, из 3,4–диоксифенилаланина при декарбоксилировании образуются дофамин – предшественник адреналина:

ГАМК (или γ-аминомасляная кислота) относится к нейромедиаторам – химическим соединениям, влияющим на передачу нервных импульсов, и образуется при декарбоксилировании глутаминовой кислоты.

Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина, который вызывает усиление деятельности желез внутренней секреции.

Подводя итог, можно сказать, что конечными продуктами катаболизма аминокислот являются α-кетокислоты, амины, оксид углерода (IV), аммиак. При этом органические соединения вовлекаются в определенные метаболические процессы, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма, а аммиак связывается с образованием глутамина, аспарагина, аспартата и мочевины (орнитиновый цикл).

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие вещества, состоящие из α-аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Иначе белки называют протеинами – этот термин введен в 1838 году и образован от греческого слова proteos – первостепенный.

Белки составляют значительную часть тканей живого организма: до 25% сырой и до 40-45% сухой массы. Они содержат 50-59% углерода, 6,5-7,3% водорода, 15-18% азота, 21-24% кислорода, до 2,5% серы.

Для большинства белков характерна довольно постоянная доля азота (в среднем 16% от сухой массы) по сравнению с другими элементами. Этот показатель используют для расчета количественного содержания белка.

В составе некоторых белков обнаруживают фосфор, цинк, медь и другие элементы.

При нагревании с кислотами или щелочами, а также при обычных температурах под действием специальных ферментов (протеолитических) белки расщепляются, подвергаясь гидролизу.

Главными продуктами полного гидролиза белков являются смеси α-аминокислот, но процесс идет ступенчато. Вначале образуются более простые, но близкие по свойствам к белкам – пептоны, при дальнейшем гидролизе которых образуются еще более простые полипептиды, затем дипептиды и, наконец, α-аминокислоты:

Белок пептоны смесь полипептидов дипептиды

смесь α-аминокислот

Для понимания природы белков и их роли в процессе жизнедеятельности необходимо знание строения и уровней организации белковых молекул.

Образование молекулы белка происходит за счет взаимодействия карбоксильной группы одной аминокислоты с α-аминогруппой другой аминокислоты, что можно выразить схемой:

О О О О

// // // //

Н₂N – СН – С + Н₂N – CН – С - Н₂О Н₂N – СН – С – N – СН – С

| \ | \ | | | |

R ОН R ОН R H R ОН

пептидная связь

Каждую аминокислоту, входящую в состав белка, называют аминокислотным остатком.

Аминокислотные остатки в молекуле белка соединены пептидными связями.

Длина пептидной связи составляет 0,1325нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С = N связи (0,127нм), то есть пептидная связь частично имеет характер двойной связи, что сказывается на свойствах пептидной группировки.

Свойства пептидной группировки

§ пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, то есть все атомы, входящие в нее, расположены в одной плоскости.

§ атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс-положении по отношению к пептидной С-N связи.

§ пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):

О ОН

|| |

С С

/ \ / / \\ /

N N (енольная форма)

|

Н (кето-форма)

Эти свойства пептидной группировки определяют структуру 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).

Принят следующий способ наименования пептидов – их рассматривают как продукты замещения водорода в аминогруппе одной аминокислоты остатком другой. Остатки аминокислот без гидроксильной группы в карбоксиле (аминоацилы) называют, заменяя окончание –ин в тривиальном названии аминокислоты окончанием –ил. Так, пептид, формула которого

Подсчитано, что с цепью из 20 различных α-аминокислот (при условии, что каждая войдет в цепь только один раз) возможно гигантское число 2,3 * 10¹⁸полипептидов. Если же учесть, что полипептидные цепи иногда содержат сотни аминокислотных остатков, причем одна и та же аминокислота может входить в цепь не один, а несколько раз, то можно получить безграничное количество полипептидных цепей белковых молекул.

Из этого следует, что природа белка определяется не только тем, какие аминокислоты входят в его состав, но особенно и тем, в какой последовательности они соединяются друг с другом.

Под первичной структурой белка понимают последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Она строго специфична для белков каждого индивидуального организма.

Не только замена одного или нескольких аминокислотных остатков другими, но даже их незначительный обмен местами в полипептидной цепи существенно изменяет биологические свойства белков, складывается на специфике их физиологических функций.

Пептиды содержатся во всех видах организмов. Представителями самых маленьких пептидов являются содержащиеся в мышцах животных и человека карнозин и ансерин, в состав которых входит остаток β-аланина:

Из наиболее распространенных представителей трипептидов – глутатион – содержится во всех растениях, животных и бактериях; участвует в ряде окислительно-восстановительных процессов:

О О

|| ||

Н₂N – СН – СН₂ – СН₂ – С – N – СН – С – N – СН₂ – СООН

| | | |

СООН Н СН₂SН Н

γ-глутамил-цистеинил-глицин

Глутатион выполняет функцию протектора белков, то есть предохраняет белки со свободными тиольными группами -SН от окисления с образованием дисульфидных связей -S – S-. Глутатион принимает на себя действие окислителя и «защищает» белок.

Большое значение имеет группа пептидов, проявляющих гормональное действие, то есть регулирующих химические реакции в организме. Так гормоны окситоцин и вазопрессин, выделяемые задней долей гипофиза, содержат по 9 аминокислотных остатка и являются нонапептидами. Оба гормона имеют сходные первичные структуры: вместо изолейцина (3) и лейцина (8) в окситоцине вазопрессин содержит остатки фенилаланина (3) и аргинина (8). Оба пептида содержат одну дисульфидную связь и на конце вместо свободной СООН- группы амидную СОNН₂.

Наибольшее различие в аминокислотной последовательности достаточно для разного биологического действия этих гормонов. Так окситоцин встречается только у женских особей и вызывает сокращение гладкой мускулатуры (особенно мускулатуры матки и применяется в гинекологии).

Вазопрессин содержится и в женском, и в мужском организме, регулирует минеральный обмен и баланс жидкости. Установлено, что вазопрессин относится к числу мощных стимуляторов запоминания.

Ответственный за контроль метаболизма углеводов, жиров и белков гормон инсулин вырабатывается поджелудочной железой. С недостатком инсулина в организме связаны серьезные нарушения углеводного обмена – сахарный диабет.

Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и Б, причем цепь А содержит 21, а цепь Б – 30 аминокислотных остатков. Эти цепи соединены двумя дисульфидными мостиками:

1 7 19 30

фен----------------- цис ----------------- цис ---------------- ала (Б)

| |

S S

| |

S S

1 6 7 | 11 | 20 21

гли ------ цис ----- цис ---- цис ------- цис --------------- асн (А)

| |

S ------------------- S

Кроме того, в цепи А имеется дисульфидная связь, вызывающая образование петли.

Пептидно-белковую природу имеют многие токсичные вещества, например токсины ядовитых грибов, пчел, змей, скорпионов.

Так пептид апамин, состоящий из 18 аминокислотных остатков, является токсичным компонентом яда пчел и оказывает сильное действие на центральную нервную систему:

Изучение строения и физиологического действия токсинов представляет интерес не только с позиций поиска путей их обезвреживания, но и для выяснения принципов строения с целью моделирования аналоговых лекарственных средств. В настоящее время расшифрована структура около 1300 белков, отдельные содержат более 400 аминокислот.

Первичная структура белка предопределяет следующие уровни организации белковой молекулы.

Под вторичной структурой белка понимают способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру.

По конфигурации выделяют следующие элементы вторичной структуры: α-спираль и β-складчатый слой.

Модель строения α-спирали была разработана О. Полингом и Р. Кори (1949-1951). Полипептидная цепь сворачивается в α-спираль таким образом, что витки спирали регулярны, поэтому спиральная конфигурация имеет винтовую симметрию (рисунок 1).

Рис.1. модель α-спирали (а) и схема (б)

На каждый виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Расстояние между витками ил и шаг спирали составляет 0,54нм, угол подъема витка равен 26⁰.

Формирование и поддержание α-спирали происходит за счет водородных связей, образующихся между пептидными группами каждого n-го и (n+3)-го аминокислотных остатков. И хотя энергия водородных связей мала, большое количество их приводит к значительному энергетическому эффекту, в результате чего α-спираль довольна устойчива.

В природных белках существуют только правозакрученные α-спирали.

β-складчатый слой – второй элемент вторичной структуры и имеет, в отличие от α-спирали, линейную форму. Такая линейная структура удерживается благодаря возникновению водородных связей между пептидными группировками, стоящими на разных участках полипептидной цепи. Эти участки оказываются сближенными на расстояние водородной связи между -С = О и НN- группами (0,272нм).

Аминокислотные остатки в разной степени способны к образованию водородных связей, и это влияет на образование α-спирали и β-слоя. К спиралеобразующим аминокислотам относят аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин, метионин и гистидин. Если фрагмент белка состоит главным образом из перечисленных выше аминокислотных остатков, то на данном участке сформируется α-спираль.

Валин, изолейцин, треонин, тирозин, фенилаланин – способствуют образованию β-слоев полипептидной цепи. Неупорядоченные структуры возникают на участках полипептидной цепи, где сконцентрированы такие аминокислотные остатки, как глицин, серин, аспарагиновая кислота, аспарагин, пролин.

Во многих белках одновременно имеются и α-спирали, и β-слои. Доля спиральной конфигурации у разных белков различна. Так мышечный белок парамиозин практически на 100% спирализован, высока доля спиральной конфигурации у миоглобина и гемоглобина (75%). Напротив, у трипсина и рибонуклеазы значительная часть полипептидной цепи укладывается в слоистые β-структуры.

Белки опорных тканей – кератин (белок волос), коллаген (белок кожи) – имеют β-конфигурацию.

Коллаген – один из самых распространенных белков человеческого организма, на его долю приходится 30% от общего количества белка. Вместе с другими компонентами он образует коллагеновые волокна, составляющие основную массу соединительной ткани организма. Полипептид, лежащий в основе коллагена, называется тропоколлагеном. Он на 1/3 состоит из глицина, 20-22% из пролина, и небольшого количества лизина. Кроме того, в тропоколлагене присутствуют фрагменты глюкозы и галактозы, связанные α-1,2-гликозидной связью. Единичная полипептидная цепь включает примерно 1000 аминокислотных остатков и имеет форму сильно вытянутой спирали. Три параллельно вытянутые единичные спирали скручиваются в суперспираль, стабилизированную водородными связями. Боковые радикалы лизиновых остатков, находящихся на внешней стороне суперспирали, сначала окисляются в альдегиды, между которыми затем происходит альдольная конденсация, ведущая к «сшиванию» пептидных цепей.

Нарушение в синтезе коллагена ведет к ослаблению костной и зубной тканей и соответственно вызывает некоторые заболевания (цинга), что связано с недостатком витамина С.

Коллаген имеет большое значение в медицинской практике. На основе его разработаны новые пластические материалы – коллагеновые пленки, губки, предназначенные для закрытия кровоточащих поверхностей, донорских участков кожи, лечения трофических язв, ожогов, ран. Коллаген используется для получения биосовместимых материалов, которые выполнив функцию временного каркаса, замещаются затем собственными тканями организма.

Третичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в пространстве. Чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную структуру. Такая структура называется нативной.

Стабилизируют третичную структуру белка взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи. Эти взаимодействия делят на сильные и слабые.

К сильным взаимодействиям относят ковалентные связи между атомами серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Такие связи называют дисульфидными мостами, образование которых можно представить схемой:

Н₂N --------------- СООН Н₂N --------------

| | |

SH SH S

|

S

|

НООС ---------------

Кроме ковалентных связей третичная структура белковой молекулы поддерживается слабыми взаимодействиями – полярными и неполярными.

Полярные взаимодействия – это ионные и водородные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина и отрицательно заряженной СООН-группы аспарагиновой и глутаминовой кислоты. Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков.

Неполярные или ван-дер-ваальсовы взаимодействия между углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формированию гидрофобного ядра («жирной капли») внутри белковой глобулы, так как углеводородные радикалы стремятся избежать соприкосновения с водой. Чем больше в составе белка неполярных аминокислот, тем большую роль в формировании его третичной структуры играют ван-дер-ваальсовы связи (рисунок 3).

Рисунок 3. Типы связей, поддерживающих третичную структуру белка:

А – дисульфидный мостик;

Б – ионная связь;

В, Г – водородная связь;

Д – ван-дер-ваальсовы связи.

Третичная структура отдельно взятого белка уникальна, как уникальна и его первичная структура. Только правильная пространственная укладка белка делает его активным. Различные нарушения третичной структуры приводят к изменению свойств белка и потере биологической активности.

Структура, состоящая из определенного числа полипептидных цепей, занимающих строго фиксированное положение относительно друг друга, вследствие чего белок обладает той или иной активностью, называется четвертичной структурой белка. Белок, обладающий четвертичной структурой, называют эпимолекулой или мультимером, а составляющие его полипептидные цепи – субъединицами или протомерами. Характерным свойством белков с четвертичной структурой является то, что отдельная субъединица не обладает биологической активностью.

Стабилизация четвертичной структуры белка происходит за счет полярных взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков, локализованных на поверхности субъединиц. Такие взаимодействия прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Участки субъединения, на которых происходят взаимодействия, называют контактными площадками.

Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин. Молекула гемоглобина с молекулярной массой 68000Да состоит из четырех субъединиц двух разных типов – α и β. α – субъединица состоит из 141 аминокислотного остатка, а β – из 146.

Третичная структура α- и β-субъединиц сходна, как и их молекулярная масса.

Каждая субъединица содержит простетическую группу – гем, которая представляет собой сложную копланарную циклическую систему, состоящую из центрального атома железа (ст.ок.+2) и связанными с ним четырьмя остатками пиррола (рисунок 4).

Рисунок 4. Структура гема гемоглобина

Четыре субъединицы – две α и две β – соединяются в единую структуру таким образом, что α – субъединицы контактируют только с β – субъединицами и наоборот (рисунок 5).

Рисунок 5. Схематичное изображение четвертичной структуры гемоглобина

Как видно из рисунка, одна молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы кислорода. И связывание, и освобождение кислорода сопровождается конформационными изменениями структуры α- и β-субъединиц гемоглобина и их взаимным расположением в эпимолекуле. Этот факт свидетельствует о том, что четвертичная структура белка не является абсолютно жесткой.

Так оксид углерода (II) – главное отравляющее вещество табачного дыма, легко связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. В результате этого гемоглобин теряет способность присоединять кислород и транспортировать его в органы и ткани, что приводит к кислородному голоданию – гипоксии. Поэтому у много и длительно курящих людей из-за постоянной нехватки кислорода в организме могут возникать тяжелые заболевания различных систем и органов, как например, облитерирующий эндартериит (сужение периферических кровеносных сосудов) нижних конечностей и другие заболевания.

Кроме оксида углерода (II) в табачном дыме содержатся и другие действующие на гемоглобин вещества – метгемоглобинообразователи: нитраты, ароматические амины, толуидины и другие соединения. При соединении с этими веществами происходит окисление гемоглобина, при котором Fe²⁺ переходит в Fe³⁺. При образовании большого количества метгемоглобина (30-40%) возникает кислородное голодание тканей, что вызывает поражение центральной нервной системы.

Расшифровка структуры гемоглобина позволило решить загадку с болезнью «серповидная анемия».