Аминокислоты

Все разнообразие белков в живой природе построено на основе 20 аминокислот, назы-ваемых также белковыми аминокислотами. Обязательным структурным элементом у них является атом углерода, к которому присоединена аминогруппа и карбоксильная группа, то есть они являются -аминокислотами. У 19 аминокислот несущий амино-группу и карбоксильную атом углерода замещен еще одним радикалом, из за чего этот атом становится асимметричным. Среди белковых аминокислот есть как левовращаю-щие (-) – гистидин, пролин, серин, треонин, фенилаланин, так и правовращающие (+) – аланин, аргинин, глютаминовая кислота, изолейцин, лизин, но все белковые амино-кислоты имеютL-конфигурацию по этому атому углерода. Величина и знак удельного вращения используются в аналитических целях, но при изучении строения производ-ных хиральных молекул гораздо важнее абсолютная конфигурация.

Первоначально Э.Фишер предложил принять, что у глицеринового альдегида в плос-костном изображении (проекции Фишера) с формильной группой в верху молекулы у изомера, вращающего плоскость поляризованного света влево, гидроксильная группа направлена влево (Lотlevo) и вправо (Dотdextro) у правовращающего. Сейчас с уче-том тетраэдрического строенияsp³-гибридизованного атома углерода методом рентге-ноструктурного анализа установлено, что при сохранении положения гидроксильной группы у левовращающего глицеринового альдегида слева формильная группа и гидр-оксиметильная группа расположены за плоскостью, проходящей через асимметри-ческий атом углерода, а атом водорода и гидроксильная группа направлены вперед.

От глицеринового альдегида можно без обращения конфигурации, заменив альдегид-ную группу на карбоксигруппу, восстановив гидроксиметильную группу до метильной и заменив гидроксигруппу на аминогруппу, перейти к простейшей аминокислоте с асимметрическим атомом углерода – аланину. При этом оказывается, что выделяемый из белков аланин соответствует по конфигурации L‑глицериновому альдегиду. То же самое оказалось действительным и для 18 других оптически активных аминокислот. Две белковых аминокислоты – треонин и изолейцин – имеют еще один асимметри-ческий атом углерода, но и здесь в живой природе встречается только один оптический изомер, хотя обычный синтез приводит с равной вероятностью к образованию четырех пространственных изомеров, представляющих собой две пары диастереомеров.

В химии аминокислот более удобно изображать их пространственное строение, поме-щая в одну плоскость аминогруппу и карбоксильную группу. Тогда атом водорода у L‑аминокислот будет расположен за этой плоскостью, а группаRперед ней

или

Идентичность белковых аминокислот по конфигурации у этого атома углерода демон-стрируется ферментными превращениями, которые специфичны по субстрату. Так, на-пример, для разделения рацемической смеси аминокислот можно использовать пред-ложенный Гринштейном прием, основанный на обработке ацетилазой смеси N‑аце-тильных производныхL- иD-аминокислоты, превращающейся при этом в легко разде-ляемую смесьL‑аминокислоты иN-ацетилзащеннойD-аминокислоты.

Существуют различные классификации белковых аминокислот по заместителям в ради-кале R, но проще всего различать аминокислоты с нейтральными, кислыми и основ-ными группами в фрагментах, соединенных с атомом углерода, несущим аминогруппу и карбоксильную группу. К аминокислотам с нейтральнымиRотносятся глицин (Гли,Gly,G), аланин (Ала,Ala,A), валин (Вал,Val,V), лейцин (Лей,Leu,L), изолейцин (Иле,Ile,I), метионин (Мет,Met,M), серин (Сер,Ser,S), треонин (Тре,Thr,T), цистеин (Цис,Cys,C), фенилаланин (Фен,Phe,F), тирозин (Тир,Tyr,Y), триптофан (Трп,Trp,W), аспарагин (Асн,Asn,N), глютамин (Глн,Gln,Q), пролин (Про,Pro,P). В некоторых классификациях эту группу подразделяют на аминокислоты с полярными и неполярны-миR, но такое выделение неизбежно будет носить субъективный характер. Аминокис-лоты с карбоксильными группами в радикалеR(кислые аминокислоты) – это аспара-гиновая кислота (Асп,Asp,D) и глютаминовая кислота (Глу,Glu,E). И, наконец аминокислоты с основными группами в радикалеR– это гистидин (Гис,His,H), лизин (Лиз,Lys,K) и аргинин (Арг,Arg,R).

В белках и пептидах аминокислоты соединены пептидными связями, которые пред-ставляют собой амидные функциональные группы, образованные карбоксильными и аминными функциональными группами у асимметричного атома углерода. То есть ‑карбоксильная группа аспарагиновой кислоты и-карбоксильная группа глютамино-вой кислоты, а равно и концевая аминогруппа лизина, в образовании пептидных связей не участвуют. Обозначения аминокислот трехбуквенными символами используются для краткого изображения олигопептидов, а для полипептидов и белков даже такие символы оказались слишком длинными и сейчас все чаще и чаще используют одно-буквенные символы.

Названия аминокислот сложились исторически. Так, глицин, выделенный из продуктов гидролиза желатина, имеет сладкий вкус, лейцин (лейкос – белый) из мышечной ткани, тирозин (тирос – сыр) из казеина, цистин – продукт окисления цистеина – был выделен из камней мочевого пузыря (кистос – пузырь) и т. д.

Роль аминокислот с алифатическими неполярными группамисводится к образова-нию гидрофобных зон и гидрофобных «карманов» в молекулах белков. Слабые гидро-фобные взаимодействия между алифатическими группами позволяют белковым моле-кулам легко перестраиваться в структуры с минимумом энергии в ответ на связывание функциональных групп на поверхности белковой молекулы с соответствующими суб-стратами. Такие структурные перестройки лежат в основе функционирования рецеп-торных участков сенсорных клеток, транспортных белков, ферментов и вообще всех проявлений роли белков в живой природе. Аланин (R=CH₃), валин (R= (CH₃)₂CH) лейцин (R= (CH₃)₂CHCH₂) и изолейцин (R=C₂H₅CH(CH₃)CH):

могут быть использованы организмом в качестве источника энергии, но в первую очередь это основной материал для построения мышц.

Остаток Rметионина (R= СH₃SCH₂CH₂) также может выполнять роль гидрофобного фрагмента. Так, например, есть две различающихся только одной аминокислотой моле-кулы нейропептида энкефалина (пентапетид, участвующий в работе центральной нервной системы) – Мет-энкефалин (Тир-Гли-Гли-Фен-Мет) и Лей-энкефалин (Тир-Гли-Гли-Фен-Лей), из чего следует, что остаткиRметионина и лейцина при всем их химическом различии в этом случае выполняют всего лишь роль гидрофобного фраг-мента. Кроме того, метионин входит в состав многих белков с каталитическими функциями. В частности, он служит донором метильных групп при биохимическом метилировании, например, аминогрупп. При этом промежуточным продуктом являетсяS-аденозилметионин с сульфониевой группой:

При взаимодействии с нуклеофильной молекулой S-аденозилметионин деметилируется и разлагается на аденозин и гомоцистеин (небелковая аминокислота, гомолог цис-теина). В растенияхS-аденозилметионин превращается в циклопропанаминокарбоно-вую кислоту, которая служит источником этилена, регулирующего процесс созревания плодов. В общем случае метионин – это источник сернистых соединений для организ-ма. Очень мало этой аминокислоты в белках сои, поэтому при составлении комбикор-мов на основе сои приходится добавлять синтетический метионин. Кстати, у метионина нет необходимости в выделенииL-изомера, поскольку егоD-изомер нетоксичен.

Триптофан также может выполнять роль аминокислоты с гидрофобным остатком, но его роль далеко выходит за эти рамки. Его индольная гетероциклическая система пред-ставляет собой донор электронов для образования комплексов с переносом заряда.

Кроме того, из триптофана образуется переносчик сигналов в ЦНС (нейромедиатор) серотонин и регулирующий сон гормон мелатонин. Экзогенный триптофан можно было бы использовать в качестве пищевой добавки со свойствами успокаивающего средства (транквилизатора), которое из-за его естественного характера, конечно, без-опаснее синтетических препаратов. На рынке лекарственных средств триптофан вытес-нял обычные транквилизаторы и фармацевтические фирмы развернули против него широкую компанию, собрав статистику сомнительного характера о повышенной часто-те заболеваний крови у тех, кто употреблял его. Тем не менее, на основании этих дан-ных FDA(FoodandDrugAdministration, США) запретила использование триптофана в качестве пищевой добавки и этот запрет действует до сих пор, хотя позже было уста-новлено, что эти противопоказания были связаны с употреблением триптофана, произ-веденного по упрощенной технологии одной японской компанией.

Ароматический цикл фенилаланина(R= С₆Н₅СН₂) также представляет-электроны для образования комплексов с переносом заряда, но в этом он уступает триптофану. Важно, что фенилаланин – это предшественник практически всех биогенных веществ с бензольным циклом. В растениях эта аминокислота служит источником многих окра-шенных веществ – кумаринов, флаваноидов. Кроме того, из фенилаланина в клетках растений образуется лигнин – важная составляющая древесины. У животных из фенил-аланина через тирозин образуются такие регуляторные вещества, как адреналин и дофамин, гормоны щитовидной железы и другие вещества, например, меланин, окра-шивающий кожу и волосы.

Аминокислота тирозин

входит в состав многих пептидов с регуляторной и нейромедиаторной активностью. Фенилаланин в свободном виде и в составе белков легко подвергается окислению фер-ментными системами клеток с образованием тирозина. Поэтому все, что было сказано выше о фенилаланине относится и к тирозину.

Амидные группы аспарагина (R=H₂NCOCH₂) и глютамина (R=H₂NCOCH₂CH₂) играют важную роль в образовании водородных связей в белковых молекулах, кроме того, амидная группа свободного, то есть не включенного в белковую молекулу глютамина участвует в детоксикации аммиака, образующегося при дезаминировании аминокислот.

Очень важна гидроксильная группа серина (R=CH₂OH). В ферментах с гидролазной активностью она находится в каталитическом центре и принимает на себя ацильный остаток гидролизуемого амида или сложного эфира, а сам серин – это исходный про-дукт для образования глицина, который не только участвует в образовании белков, но и выполняет функцию нейромедиатора торможения в нейронах спинного мозга.

Участие в каталитических процессах гидроксильной группы треонина (R= СН₃CHOH), входящего в состав белковой молекулы фермента, пока не подтверждено, поэтому ее роль, очевидно, заключается только в образовании водородных связей и в гидрофили-зации белка.

Аспарагиновая (R=HOOCCH₂) и глютаминовая кислота(R=HOOCCH₂CH₂) име-ют карбоксильные группы, которые не участвуют в пептидных связях. Эти карбоксиль-ные группы представляют белкам возможность образования солей с основными груп-пами других фрагментов аминокислот, а также для связывания с основными группами субстратов в активных центрах ферментов.-Карбоксильная группа глютаминовой кислоты участвует в детоксикации эндогенного аммиака, превращаясь в амидную (глютамин), кроме того, аминная функция глютаминовой кислоты также включена в процесс обмена аммиака через кетоглутаровую кислоту. Глютаминовая кислота – это исходный продукт для образования-аминомасляной кислоты, выступающей в роли нейромедиатора торможения, а сама глютаминовая кислота – это нейромедиатор воз-буждения в ЦНС: до 70 % контактов между нейронами ЦНС обеспечиваются этой аминокислотой. Глютаминовая и аспарагиновая кислота при дезаминировании превра-щаются в кетоглутаровую и, соответственно, щавелевоуксусную кислоту, которые яв-ляются промежуточными продуктами в циклическом превращении лимонной кислоты (цикл Кребса), обеспечивающем энергетику аэробных клеток.

В составе белков аргининпредставляет для образования солевых связей самое сильное органическое основание – гуанидиновую группу (R=H₂N-C(=NH)NHCH₂CH₂CH₂). В свободном виде аргинин участвует в циклическом процессе, предназначенном для перевода токсичного аммиака в нетоксичную мочевину. Кроме того, гуанидиновая группа аргинина является единственным эндогенным источником монооксида азота. Исследования последних лет (монооксиду азота присвоено звание молекулы 1992 года) показали, что это простейшее и очень нестойкое вещество участвует в регуляции тонуса кровеносных сосудов (нитроглицерин и другие нитраты). Отмечен положи-тельный эффект диеты с повышенным содержанием аргинина на иммунитет и на состав липопротеинов крови, которые переносят холестерин. Диета для снижения веса также должна содержать повышенные количества аргинина, иначе уменьшение объема жиро-вой ткани будет сопровождаться деградацией мышечной ткани.

Еще одна аминокислота с основной группой лизин(R = H₂NCH₂CH₂CH₂CH₂) участвует в построении солевых связей в белках, но во многих ферментах ее аминогруппа служит для присоединения простетических групп, выполняющих главную каталитическую функцию. В качестве пищевой добавки лизин (очень мало этой аминокислоты в составе белка зерен пшеницы) используется для профилактики остеопороза и катаракты. Диета с повышенным содержанием лизина позволяет преодолеть отрицательные воздействия стресса на мышечную ткань, а в количестве 1-3 г в день лизин значительно облегчает течение герпесных инфекций.

Аминокислота с самой слабой основной группой гистидиниграет важную роль в функционировании ферментов. С участием ее имидазольного фрагмента идет перенос протонов по схеме

Гистидин относится к незаменимым аминокислотам, однако обычно недостаток в этой аминокислоте не ощущается, в полноценной белковой пище ее вполне достаточно.

К аминокислотам, которые выполняют особую роль в организации структуры белков, можно отнести глицин, пролин и цистеин.

У глицина отсутствует боковой радикал (R = H) и поэтому в белках он обычно играет роль вставки между аминокислотами с объемными радикалами. Что касается пролина, то его пятичленный пирролидиновый цикл имеет углы связей, отличающиеся от углов в молекулах с ациклическимиsp³-гибридизованными атомами углерода. Поэтому фраг-мент пролина в молекуле белка всегда находится в точке изгиба, поворота в ее третич-ной структуре. Очень важна в организации третичной структуры белка роль цистеина. Сульфгидрильные группы двух фрагментов этой аминокислоты в составе белка легко окисляются с образованием дисульфидных связей (две молекулы цистеина, соединен-ные дисульфидной связью – это аминокислота цистин). Эти связи образуют попереч-ные сшивки между далеко отстоящими друг от друга фрагментами цистеина в пептид-ной цепи, фиксирующие ее в определенном положении. Этот эффект проще всего демонстрируется на химической завивке. Обработка белка волос кератина восстанови-телем (тиогликолевая кислота) приводит к разрыву дисульфидных связей, что позво-ляет белковым молекулам скользить по отношению друг к другу. После этого действие окислителя восстанавливает дисульфидные связи, но после смещения молекул эти дисульфидные мостики возникают уже в других точках, фиксируя таким образом новое положение этих молекул, то есть завивка обеспечивается образованием химической связи Очень важна лекарственная роль цистеина.N-Ацетилцистеин используется в качестве средства от кашля (препарат АСС), цистеином лечат колиты и потерю волос у женщин. В основе андрогенного облысения лежат мужские гормоны, а у женщин поте-ря волос чаще всего связана с недостатком серы в пище (диеты). Однако гораздо важ-нее участие цистеина в образовании трипептида глютатиона – регулятора окисли-тельно-восстановительных процессов, антиоксиданта и нейтрализатора ксенобиотиков с алкилирующей способностью (здесь используется высокая нуклеофильность атома серы в сульфгидрильной группе). Недостаток глютатиона в организме приводит к возникновению злокачественных опухолей, к обострению сердечно-сосудистых заболе-ваний, диабету и артритам. Есть данные о применении глютатиона в терапии ВИЧ-инфекций. Очень важно, чтоN-ацетилцистеин повышает уровень глютатиона даже больше, чем прием этого более дорогого трипептида. Одно из современных средств для лечения злокачественных новообразований – реконкостат – представляет собой композицию из цистеина, глютатиона и антоциановых красителей.

Цистеин является также исходным продуктом для образования небелковой аминокис-лоты таурина, Н₂NCH₂CH₂SO₃H, который регулирует транспорт субстратов через клеточные мембраны. Недостаток таурина вызывает болезни сердца, судорожные припадки и нарушения зрения.

Кроме приведенных двадцати аминокислот, получивших общее обозначение белковых, белки могут также содержать и некоторые другие аминокислоты. Так, например, в состав белка соединительной ткани коллагена входят 5-гидроксилизин и 4‑гидрок-сипролин, а участвующий в свертывании крови белок протромбин содержит ‑карб-оксиглютаминовую кислоту. Необычные аминокислоты могут входить в состав пепти-дов: антибиотик – циклический декапептид грамицидин С (S) – включает две молекулы орнитина (эта аминокислота образуется при гидролитическом отщеплении мочевины от аргинина) и две молекулыD-фенилаланина, в составе многих антибиотиков есть‑аминоизомасляная кислота. В состав витамина фолиевой кислоты входит 4-амино-бензойная кислота, а другой витамин – пантотеновая кислота – содержит‑аланин.

Многие небелковые аминокислоты (их известно около 300) токсичны. Чаще всего их токсичность основана на подобии белковым аминокислотам. Системы биосинтеза встраивают их в пептидную цепь вместо соответствующих белковых аминокислот, что приводит к образованию аномальных белков. Таковы например пары азетидин-2-кар-боновая кислота и пролин, аланин или валин и цианаланин, аргинин и его 6-оксааналог. В трипептидном антибиотике SF-1293 содержится аминокислота фосфинотрицин – фосфинатный аналог глютаминовой кислоты. Эта необычная аминокислота нарушает обмен аммиака в растениях, так как она прочно связывается с ферментом, предназна-ченным для перевода глютаминовой кислоты в глютамин, но при этом не превращается в соответствующий амид. Синтетический фосфинотрицин (его другое название глюфо-синат) является действующим началом экологически чистого гербицида БАСТА, а про-изводимый микробиологическим путемSF-1293 входит в состав гербицида биалафоса.

Организм человека не содержит биохимических систем, синтезирующих аргинин, гистидин, валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан.Эти аминокислоты обязательно должны поступать с пищей и их называют незаменимыми. При поступлении в организм достаточного количества фенилаланина он может превращаться в тирозин и покрывать потребность и в этой аминокислоте, а цистеин можно относить к заменимым аминокислотам только в том случае, когда пища содержит достаточное количество метионина.

С учетом этого условия к заменимым аминокислотам относится аланин, аспарагино-вая кислота, аспарагин, глютаминовая кислота, глютамин, цистеин, глицин, пролин, серин и тирозин.

Недостаток аминокислот в пище и дефицит незаменимых аминокислот приводят к сни-жению уровня белков в крови, что сопровождается замедлением образования белков в организме. Интересно, что при этом перестают вырабатываться и пищеварительные ферменты (они ведь тоже имеют белковую природу) и тогда прекращаются пищевари-тельные процессы, то есть недостаток аминокислот приводит к сокращению их поступ-ления даже в тех случаях, когда они есть в пище, но в неполноценном составе или в дефиците. Дефицит цистеина, особенно на фоне алкогольной интоксикации, вызывает некроз печени, при недостаточном поступлении гистидина и триптофана развивается катаракта, а недостаток лизина и метионина приводит к анемии. Отечные явления наб-людаются при дефиците треонина (человек «пухнет» от голода). При исключении бел-ков из рациона организм человека начинает терять до 25 г аминокислот в день, то есть замена белковых компонентов организма новыми (как бы разбор белков на запчасти) идет так, что остаются «лишние» детали. Обычно полноценная пища с достаточным количеством белков животного происхождения покрывает потребности в незаменимых аминокислотах, но в отдельных случаях, как отмечалось выше, их поступление в организм должно быть повышено.

Очень важен баланс белков пищи по аминокислотному составу. Если в потребляемой пище сильно занижено содержание даже одной какой-либо незаменимой аминокисло-ты, то все остальные аминокислоты не могут быть ассимилированы и тогда они идут на обеспечение энергетических потребностей или превращаются в жиры. При составлении рациона кормов для скота это отражается в непроизводительном расходовании белко-вой компоненты. Стоит восполнить недостаток в корме нескольких граммов такой дефицитной аминокислоты и привесы откармливаемого скота резко возрастают. В свя-зи с этим для кормовых и лекарственных целей (пищевые добавки) существует многотоннажный синтез двух аминокислот – лизина (микробиологическим путем) и метионина, который синтезируют из акролеина.

Что касается питания человека, то здесь следует принимать во внимание, что наиболее чувствительны к дефициту незаменимых аминокислот дети (квашиоркор – недостаток белковой пищи у детей, слово из африканского языка суахили), но для нормального обмена веществ и взрослые должны получать с пищей немного менее 1 г белков с оптимальным составом аминокислот на 1 кг веса тела в день. Более всего близки к оптимальному составу аминокислот белки яиц и молока. В растительной пище и в соединительной ткани животных чаще всего отсутствуют триптофан, лизин и метио-нин. Так, например, в картофеле понижено содержание триптофана и метионина, и для покрытия дефицита по этим аминокислотам человеку весом около 70 кг приходилось бы съедать 6 кг картофеля в день. Очень богаты белками семена бобовых, но они дефицитны по лизину, а кукуруза содержит сравнительно много лизина и мало трипто-фана. Комбинирование бобов и кукурузной муки (индейское блюдо суккоташ) позво-ляет резко сократить общее потребление этих продуктов питания, поскольку аминокис-лотный состав комбинированной смеси более близок к идеальному, а энергетические потребности покрываются углеводными составляющими продукта.