Структура и функции аминокислот и их биологически важные реакции

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ АМИНОКИСЛОТ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ РЕАКЦИИ

Аминокислоты, входящие в состав белков: классификация с учетом химической природы радикала и его способности взаимодействовать с водой. Незаменимые аминокислоты.

Аминокислотами называют бифункциональные производные углеводородов, которые содержат карбоксильную группу -COOH и аминогруппу -NH2.

Классификация аминокислот по полярности их радикалов:

1. Аминокислоты с неполярными (гидрофобными радикалами): содержат в радикале углеводородные группы и ароматические кольца (аланин (ала), валин (вал*), лейцин (лей*), изолейцин (иле*), метионин (мет*), фенилаланин (фен*), триптофан (три*), пролин (про)).

.

2. Аминокислоты с полярными (гидрофильными) незаряженными радикалами: радикалы содержат в своем составе полярные группировки (-ОН, -SH, -NH2). Эти группы взаимодействуют с дипольными молекулами воды, которые ориентируются вокруг них. К полярным незаряженным относятся: глицин (гли), серин (сер), треонин (тре*), тирозин (тир), цистеин (цис), апарагин (асн), глутамин (глн)).

3. Аминокислоты с отрицательно заряженными радикалами: аспартат или аспарагиновая кислота (асп), глутамат или глутаминовая кислота (глу). В нейтральной среде асп и глу приобретают отрицательный заряд.

4. Аминокислоты с положительно заряженными радикалами: лизнин (лиз*), аргинин (арг*), гистидин (гис*). Имеют дополнительную аминогруппу (или имидазольное кольцо, как гистидин) в радикале. В нейтральной среде лиз, арг и гис приобретают положительный заряд.

Примечание: * - незаменимые (эссенциальные) аминокислоты.

Существует биологическая классификация аминокислот:

1. Незаменимые аминокислоты: не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей (вал, иле, лей, лиз, мет, тре, три, фен) и еще 2 аминокислоты относятся к частично незаменимым (арг, гис).

2. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме человека (глу, глн, про, ала, асп, асн, тир, цис, сер и гли).

Стереоизомерия, строение, номенклатура аминокислот.

Строение аминокислот. Все аминокислоты являются α-аминокислотами. Аминогруппа общей части всех аминокислот присоединена к α-углеродному атому. Аминокислоты содержат карбоксильную группу –COOH и аминогруппу -NH2. В белке ионогенные группы общей части аминокислот участвуют в образовании пептидной связи, и все свойства белка определяются только свойствами радикалов аминокислот.

Номенклатура аминокислот. По систематической номенклатуре аминокислоты называют по соответствующей карбоновой кислоте, добавляя приставку амино-. Положение аминогруппы в углеродной цепи указывают цифрой:

В зависимости от положения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе различают α, β, γ и так далее аминокислоты:

Все природные аминокислоты содержат аминогруппу только в α-положении и имеют общую формулу:

Названия α-аминокислот могут быть построены по заместительной номенклатуре, но чаще используются их тривиальные названия.

Тривиальные названия α-аминокислот обычно связаны с источниками выделения. Серин входит в состав фиброина шелка (от лат. serieus - шелковистый); тирозин впервые выделен из сыра (от греч. tyros - сыр); глутамин - из злаковой клейковины (от нем. Gluten - клей); аспарагиновая кислота - из ростков спаржи (от лат. asparagus - спаржа).

Иногда запись аминокислот осуществляют, используя трёх-буквенные сокращения (ала, вал, лиз и др.).

Стереоизомерия аминокислот.

Кислотно-основные свойства, биполярная структура. Изоэлектрическая точка нейтральных, кислых и основных аминокислот.

Химические свойства α-аминокислот как гетерофункциональных соединений: образование внутрикомплексных солей, реакции этерификации, ацилирования, алкилирования, образования иминов. Взаимодействие с азотистой кислотой и формальдегидом. Качественные реакции α-аминокислот.

Наличие в молекуле аминокислоты функциональных групп кислотного и основного характера обусловливает амфотерность аминокислот. Подобно любому амфотерному соединению, аминокислоты образуют соли как при действии кислоты, так и при действии щелочи.

Аминокислоты, будучи гетерофункциональными соединениями, должны проявлять свойства как одной, так и другой функциональной группы.

Реакции карбоксильной группы

1Образование внутрикомплексных солей

С катионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Так, со свежеприготовленным гидроксидом меди (II) α-аминокислоты образуют хорошо кристаллизующиеся хелатные соли меди (II), окрашенные в синий цвет:

2. Образование сложных эфиров

Так как реакция этерификации протекает в кислой среде, сложные эфиры аминокислот образуются в виде солей по аминогруппе:

Образовавшиеся эфиры не могут существовать в виде биполярных ионов, поэтому, в отличие от исходных аминокислот, они растворяются в органических растворителях и имеют более низкие температуры кипения. Это даёт возможность разделить смесь эфиров аминокислот перегонкой.

3. Образование хлорангидридов.

Эту реакцию часто называют реакцией «активации» карбоксильной группы. Хлорангидриды α-аминокислот получают действием на аминокислоты тионилхлорида (SOCl2) или хлорида фосфора (V) (PCl5). Полученные хлорангидриды неустойчивы и существуют только в виде солей:

Поэтому реакцию обычно проводят, предварительно защитив аминогруппу ацилированием.

4. Образование амидов аминокислот

Такие амиды получают действием аммиака или первичных аминов на хлорангидриды с защищённой аминогруппой. В случае использования реакции с аминами получают замещённые по азоту амиды аминокислот:

5. Декарбоксилирование аминокислот

В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании аминокислоты с Ba(OH)2. В результате получается первичный амин:

Все реакции карбоксильной группы аминокислот можно представить следующей схемой:

Реакции аминогруппы

Биологически важные реакции аминокислот. Образование аминокислот в результате восстановительного аминирования и реакции трансаминирования

Восстановительное аминирование

Биологическое значение трансаминирования

Диагностическое значение определения аминотрансфераз в клинической практике

В клинической практике широко используют определение активности АСТ и АЛТ в сыворотке крови для диагностики некоторых заболеваний.

В норме в крови активность этих ферментов очень мала и составляет 5-40 Е/л. При повреждении клеток соответствующего органа ферменты выходят в кровь, где активность их резко повышается. Поскольку АСТ и АЛТ наиболее активны в клетках печени, сердца и, в меньшей степени, скелетных мышц, их используют для диагностики болезней этих органов. В клетках сердечной мышцы количество АСТ значительно превышает количество АЛТ, а в печени - наоборот. Поэтому особенно информативно одновременное измерение активности обоих ферментов в сыворотке крови. Соотношение активностей АСТ/АЛТ называют «коэффициент де Ритиса». В норме этот коэффициент равен 1,33±0,42. При инфаркте миокарда активность АСТ в крови увеличивается в 8- 10 раз, а АЛТ - в 1,5-2,0 раза. Наиболее резко активность АСТ увеличивается при некрозе ткани, так как выходит в кровь и цитоплазматическая и митохондриальная формы фермента. При инфаркте миокарда значение коэффициента де Ритиса резко возрастает.

При гепатитах активность АЛТ в сыворотке крови увеличивается в 8-10 раз по сравнению с нормой, а АСТ - в 2-4 раза. Коэффициент де Ритиса снижается до 0,6. Однако при циррозе печени этот коэффициент увеличивается, что свидетельствует о некрозе клеток, при котором в кровь выходят обе формы АСТ.

Реакции окислительного и неокислительного дезаминирования.

Существует несколько способов дезаминирования аминокислот:

•  окислительное;

•  непрямое (трансдезаминирование);

•  неокислительное;

•  внутримолекулярное.

1. Окислительное дезаминирование

Наиболее активно в тканях происходит дезаминирование глутаминовой кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, коферментом глутаматдегидрогеназы является NAD+. Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование α-иминоглутарата, затем - неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется α-кетоглутарат.

Окислительное дезаминирование глутамата - обратимая реакция и при повышении концентрации аммиака в клетке может протекать в обратном направлении, как восстановительное аминирование α-кетоглутарата.

Оксидаза L-аминокислот

В печени и почках обнаружен фермент оксидаза L-аминокислот, способный дезаминировать некоторые L-аминокислоты. Коферментом в данной реакции выступает ФМН (FMN). Однако вклад оксидазы L-аминокислот в дезаминирование, очевидно, незначителен, так как оптимум её действия лежит в щелочной среде (рН 10,0). В клетках, где рН среды близок к нейтральному, активность фермента очень низка.

2. Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование)

Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно Глу. Аминогруппы таких аминокислот в результате трансаминирования переносятся на α-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому окислительному дезаминированию. Такой механизм дезаминирования аминокислот в 2 стадии получил название трансдезаминирования, или непрямого дезаминирования:

Непрямое дезаминирование аминокислот происходит при участии 2 ферментов: амино-трансферазы (кофермент ПФ) и глутаматдегид-рогеназы (кофермент НАД+ (NAD+)).

Значение этих реакций в обмене аминокислот очень велико, так как непрямое деза-минирование - основной способ дезаминирования большинства аминокислот. Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает, как катаболизм аминокислот, так и возможность образования практически любой аминокислоты из соответствующей α-кетокислоты.

3. Неокислительное дезаминирование

В печени человека присутствуют специфические ферменты, катализирующие реакции дезаминирования аминокислот серина, треонина и гистидина неокислительным путём.

Неокислительное дезаминирование серина катализирует сериндегидратаза.

Реакция начинается с отщепления молекулы воды и образования метиленовой группы, затем происходит неферментативная перестройка молекулы, в результате которой образуется иминогруппа, слабо связанная с а-углеродным атомом. Далее в результате неферментативного гидролиза отщепляется молекула аммиака и образуется пируват.

Неокислительное дезаминирование треонина катализирует фермент треониндегидратаза. Механизм реакции аналогичен дезаминированию серина.

Эти ферменты пиридоксальфосфатзависимые.

Неокислительное дезаминирование гистидина под действием фермента гистидазы является внутримолекулярным, так как образование молекулы аммиака происходит из атомов самой аминокислоты без участия молекулы воды. Эта реакция происходит только в печени и коже.

Неокислительное дезаминирование аспарагиновой кислоты:

6. Реакции декарбоксилирования, ведущие к образованию биогенных аминов и биорегуляторов (этаноламин, гистамин, триптамин, серотонин, дофамин, β-аланин, γ-аминомасляная кислота). Понятие о нейромедиаторах.

Некоторые аминокислоты и их производные подвергаются декарбоксилированию – отщеплению α-карбоксильной группы. В результате реакции образуются СO2 и амины, причем некоторые из них оказывают выраженное биологическое действие на организм (биогенные амины):

 

 

Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами, коферментом которых в клетках человека является пиридоксальфосфат (ПФ - производное витамина В6).

С помощью декарбоксилирования аминокислот синтезируются нейромедиаторы (серотонин, дофамин, ГАМК и др.), гормоны (норадреналин, адреналин), регуляторные факторы местного действия (гистамин и др.).

Синтез и биологическая роль серотонина

Триптофан – незаменимая аминокислота, в организме используется для синтеза белков, нейромедиатора серотонина, гормона мелатонина, способен превращаться в никотиновую кислоту и NAD+, уменьшая потребность организма в витамине PP.

 

Серотонин – нейромедиатор проводящих путей, образуется в надпочечниках, центральной нервной системе и в небольших количествах в слюнных железах из аминокислоты триптофан.

Серотонин – биологически активное вещество широкого спектра действия. Он стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, перистальтику кишечника, оказывает сосудосуживающее действие, регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, обладает антидепрессантным свойством («гормон удовольствия»), принимает участие в аллергической реакции, поскольку в небольших количествах синтезируется в тучных клетках.

В эпифизе (шишковидной железе) серотонин может превращаться в гормон мелатонин, регулирующий суточные и сезонные изменения метаболизма организма и участвующий в регуляции репродуктивной функции.

Синтез и биологическая роль γ -аминомасляной кислоты (ГАМК)

В нервных клетках декарбоксилирование глутамата в γ-положении приводит к образованию ГАМК, которая является основным тормозным медиатором высших отделов мозга (рис. 7.49).

Метаболизм ГАМК в головном мозге приводит к образованию сукцината, который используется в цитратном цикле. Инактивация ГАМК возможна и окислительным путем под действием МАО.

Содержание ГАМК в головном мозге в десятки раз выше других нейромедиаторов. Она увеличивает проницаемость постсинаптических мембран для ионов К+, что вызывает торможение нервного импульса; повышает дыхательную активность нервной ткани, улучшает кровоснабжение головного мозга.

Синтез и биологическая роль гистамина

Аминокислота гистидин в разных тканях подвергается действию различных ферментов и включается в разные метаболические пути: синтез белков, катаболизм до конечных продуктов, синтез гистамина, образование карнозина и анзерина.

В печени и коже гистидин подвергается дезаминированию под действием фермента гистидазы с образованием уроканиновой кислоты. Ферменты гистидаза и уроканиназа являются гепатоспецифическими, поэтому их определение используется для диагностики поражений печени и нервных клетках.

Гистамин образуется путем декарбоксилирования гистидина в тучных клетках соединительной ткани:

 

 

Гистамин образует комплекс с белками и сохраняется в секреторных гранулах тучных клеток. Секретируется в кровь при повреждении ткани (удар, ожог, воздействие эндо- и экзогенных веществ), развитии иммунных и аллергических реакций. Гистамин выполняет в организме человека следующие функции:

• стимулирует секрецию желудочного сока, слюны, т.е. является пищеварительным гормоном;

• повышает проницаемость капилляров, вызывает отеки, снижает артериальное давление (но увеличивает внутричерепное давление, вызывает головную боль);

• сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье;

• участвует в формировании воспалительной реакции – вызывает расширение сосудов, покраснение кожи, отечность ткани;

• вызывает аллергическую реакцию;

• выполняет роль нейромедиатора;

• является медиатором боли.

Синтез β-аланина:

β-аланин входит в состав молекулы кофермента А.

Синтез этаноламинина

Декарбоксилирование серина дает этаноламин, который наряду с его метилированным производным холином играет важную роль в биосинтезе фосфолипидов (фосфатидилэтаноламина).

Синтез дофамина

Гидроксилирование ароматической аминокислоты тарозина дает 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА), который, в свою очередь, образует при декарбоксилировании ароматический амин дофамин, предшественник в синтезе адреналина и норадреналина.

Синтез триптамина

Образующийся из триптофана под действием этого фермента продукт - триптамин - наделен сосудосуживающим действием.

Для осуществления биологической функции в нервных клетках требуется определенная концентрация биогенных аминов. Синтез и секреция их строго регулируются и происходят в ответ на определенные сигналы. Избыточное накопление может вызывать различные патологические состояния.

В связи с этим большое значение имеют механизмы инактивации биогенных аминов, которая осуществляется с большой скоростью преимущественно в печени.

Существует два способа инактивации биогенных аминов и некоторых гормонов.

• Метилирование с участием SAM под действием метилтрансфераз. Таким способом могут инактивироваться различные биогенные амины, но чаще всего гистамин и адреналин:

 

 

Метилированные производные биогенных аминов обычно теряют биологическую активность, в печени подвергаются конъюгации с глюкуроновой или серной кислотой и выводятся из организма или же окисляются МАО.

• Окисление ферментами МАО с коферментом FAD. Таким путем чаще происходит инактивация дофамина, норадреналина, серотонина, ГАМК. При этом происходит окислительное дезаминирование биогенных аминов с образованием альдегидов, а затем соответствующих кислот, которые выводятся почками.

 

Нейромедиаторы - низкомолекулярные вещества - поступают из синаптических пузырьков в синаптическую щель и связываются со своими рецепторами в постсинаптической мембране. Взаимодействие нейромедиатора с рецептором активирует лиганд-зависимые каналы или систему G-белка.

Нейромедиатор должен удовлетворять следующим критериям:

вещество выделяется из нейрона при его возбуждении;

в нейроне присутствуют ферменты для синтеза данного вещества;

постсинаптические клетки имеют рецепторы к этому веществу;

экзогенный аналог имитирует действие нейромедиатора.

Большинство нейромедиаторов - аминокислоты и их производные. Некоторые нейроны модифицируют аминокислоты с образованием аминов (норадреналин, серотонин, ацетилхолин). Другие нейромедиаторы (эндорфины, энкефалины) имеют пептидную природу. Каждый нейрон может синтезировать более одного нейромедиатора.

Известно более 50 химических веществ, выполняющих функции нейромедиаторов, их можно разделить на следующие группы.

Аминокислоты: нейтральные (глутамат и аспартат) и кислые (глицин, ГАМК).

Амины: моноамины (ацетилхолин, серотонин, гистамин) и катехоловые амины (адреналин, норадреналин, дофамин).

Нейропептиды: ТТГ-РГ, метионин- и лейцин-энкефалины, ангиотензин II, холецистокинин-подобный пептид, окситоцин, соматостатин, люлиберин, вещество Р, нейротензин, гастрин-рилизинг пептид, аргинин-вазопрессин, ?-эндорфин, АКТГ, VIP.

Пурины: АТФ и аденозин.

Газы не являются «классическими» медиаторами, поскольку не содержатся в синаптических пузырьках. Пример: оксид азота (NO).

Реакции гидроксилирования (фенилаланин → тирозин, триптофан → 5-гидрокситриптофан, пролин → 4-гидроксипролин). Роль гидроксипролина в стабилизации спирали коллагена дентина и эмали.

Гидроксилированием называют введение в молекулу органического соединения гидроксильной группы. Так, гидроксилирование фенилаланина приводит к образованию тирозина:

Отсутствие в организме фермента, катализирующего эту реакцию, приводит к тяжелому заболеванию - фенилкетонурии.

Гидроксилирование триптофана в 5-гидрокситриптофан (синтез серотонина):

Значительный интерес представляет реакция гидроксилирования пролина:

Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, которая осуществляется за счет образования водородных связей.

При цинге нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате образуются менее прочные коллагеновые волокна, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов.

Окисление цистеина. Дисульфидная связь

Окисление тиольных групп лежит в основе взаимопревращений цистеиновых и цистиновых остатков, обеспечивающих ряд окислительно-восстановительных процессов в клетке. Цистеин, как и все тиолы, легко окисляется с образованием дисульфида - цистина. Дисульфидная связь в цистине легко восстанавливается с образованием цистеина.

Благодаря способности тиольной группы к легкому окислению цистеин выполняет защитную функцию при воздействии на организм веществ с высокой окислительной способностью. Кроме того, он был первым лекарственным средством, проявившим противолучевое действие. Цистеин используется в фармацевтической практике в качестве стабилизатора лекарственных препаратов.

Превращение цистеина в цистин приводит к образованию дисульфидных связей, например, в восстановленном глутатионе.

Лабораторно-практическая работа

Цветные реакции на аминокислоты и белки

Название

реакции

Условия

1 опыт

Биуретовая

реакция

На пептидные связи

В щелочном р-ре белка между пептидными группами -CO-NH- и ионами меди образуются комплексные соединения. Биуретовую реакцию дают все белки, а также олигопептиды, содержащие не менее 2-х пептидных связей.

2 опыт

Ксантопротеиновая реакция

На бензольное кольцо ароматических аминокислот

При нагревании ароматических АК с концентрированной азотной кислотой происходит нитрование бензольного кольца, входящего в структуру этих кислот, с образованием нитросоединений желтого цвета, которые в щелочной среде переходят в хиноидные структуры оранжевого цвета.

3 опыт

Нингид-

риновая

реакция

На α-аминогруппы

При нагревании с нингидрином α-АК окисляются и распадаются с образованием альдегида, аммиака и угольной кислоты, а нингидрин восстанавливается и конденсируется с другой молекулой нингидрина и NH3 с образованием комплексного соединения синего цвета – ДИДА (дикетогидриндилиден-дикетогидриндиамин).

4 опыт

Реакция

Фоля

5 опыт

Диазореакция

На серосодержащие аминокислоты

Серосодержащие АК (ЦИС и МЕТ) при нагревании в щелочной среде легко отщепляют сульфид натрия (Na2S), который в присутствии ацетата свинца превращается в чёрный осадок сульфида свинца (PbS).

На тирозин

Тирозин реагирует с диазореактивом, образуя азокраситель красного цвета.

Ход работы и результаты:

Опыт

В пробирку вносят:

Изменение окраски

1

1 мл р-ра белка + 1 мл 10% р-ра NaOH+2 к. р-ра CuSO4

2

1 мл р-ра белка + 5 к. конц. HNO3 подогреть на спиртовке до образования осадка.

Охладить + 10 к. 30% NaОH

3

7 к. р-ра белка + 7 к. 0,1% р-ра нингидрина

4

7 к. р-ра белка + 7 к. 30% р-ра NaOН +1 к. 5% р-ра (CH3COO)2Pb

5

1 мл р-ра белка + 5 к. 1% р-рa сульфониловой к-ты + 3 к. 2% р-ра HCl + 5 к. 5% p-pa NaNO2 + сухого Na2CO3 до изменения окраски

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

zanyatie_13.docx

zanyatie_13.docx
Размер: 934.9 Кб

.

Пожаловаться на материал

Аминокислоты, входящие в состав белков Серотонин аминотрансфераз Химические свойства гетерофункциональных соединений

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Система законодательства и система права в их соотношении

Система права и система законодательства — тесно взаимосвязанные, но самостоятельные категории, представляющие два аспекта одной и той же сущности — права. Они соотносятся между собой как содержание и форма.

Конституционное право. Лекция №1

Конституционная правовая норма. По объекту (содержанию) правового регулирования.. По юридической силе.. По характеру содержащихся правовых предписаний..

Термические повреждения и отморожения лица в мирное время, в экстремальных условиях

Ожоговая болезнь при повреждениях лица: клиника, диагностика, лечение. Регенерация костной ткани, виды. Заживление костной раны. Методы оптимизации регенерации костной ткани. Сочетанные, комбинированные и термические повреждения тканей челюстно-лицевой области. Достижения отечественных ученых, сотрудников кафедры.

Язык программирования Delphi. Структура программы. Простые типы данных. Примеры программ

В основе среды Delphi лежит одноименный язык программирования — Delphi, ранее известный как Object Pascal.

Объективная истина в теоретическом познании государства и права в правоприменительной деятельности

Принцип объективной истины. Это – выраженное в социалистическом праве требование, согласно которому решение правоприменительного органа должно полно и точно соответствовать объективной действительности.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok