Аминокислоты
Аминокислоты — органические соединения, которые одновременно содержат в своем составе амино- и карбоксильную группы. Аминокислоты являются мономерными единицами белков, в составе которых остатки аминокислот соединены пептидными связями. Большинство белков построены из комбинации девятнадцати «первичных» аминокислот, то есть содержащих первичную аминогруппу, и одной «вторичной» аминокислоты (содержит вторичную аминогруппу) пролина, кодируемой генетическим кодом. Их называют стандартными или протеиногенными аминокислотами. Помимо стандартных, в живых организмах встречаются другие аминокислоты, которые могут входить в состав белков или выполнять другие функции.
В зависимости от того, к какому атому углерода присоединена аминогруппа, аминокислоты делятся на α-, β-, γ- и т. п. α-атомом считается тот атом углерода, к которому присоединена карбоксильная группа, если у него же расположена и аминогруппа, такая аминокислота называется α-аминокислотой. Если аминогруппа присоединена к следующему (β) атому углерода, это будет β-аминокислота и т. д. Все протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами.
Номенклатура[править]
Каждая из 20 стандартных, и многие из нестандартных аминокислот имеют тривиальные названия. Часть этих названий связана с источниками, из которых впервые было выделено соединение: например, аспарагин выделен из спаржи, глутамин — из глютена пшеницы, тирозин — из сыра. Для сокращенной записи протеиногенные аминокислоты обозначают трехбуквенным кодом, используя первые три буквы тривиального названия.
В момент появления биоинформатики ЭВМ использовали перфокарты, из-за чего появилась потребность записывать аминокислотные последовательности более компактно. Для этого Маргарет Оукли Дейгофф разработала однобуквенную номенклатуру. Для обозначения шести аминокислот использованы их начальные буквы (в английском языке), поскольку они являются уникальными (CHIMSV). Еще в пяти (AGLPT) первые буквы не уникальны, но обозначают более распространенные аминокислоты (например, буква L обозначает лейцин, поскольку он встречается чаще лизина). Еще для четырех использованы фонетически наводящие буквы (RFYW: R — aRginine, F — Fenilalanine, Y — tYrosine, W — tWiptophan), для четырех — буквы, которые есть в составе их названий или которые можно там услышать (DNEQ: D — asparDic acid, N — asparagiNe, E — glutamEke acid, Q — Q-tamin). Лизин обозначают буквой K, поскольку в алфавите она близка к L.
Химическое строение[править]
Все аминокислоты содержат карбоксильную и аминогруппу. В α-аминокислотах они присоединены к одному и тому же атому углерода. Остальные молекулы называют боковой цепью или R-группой. Эти группы отличаются по размеру, форме, гидрофильности, электрическому заряду, склонностью формировать водородные связи и общей реакционной способностью, предоставляя каждой аминокислоте уникальных свойств. В самой маленькой аминокислоте — глицине — боковой цепи нет, у α-атома углерода, кроме карбоксильной и аминогруппы, расположены два атома водорода.
Оптическая изомерия[править]
Во всех стандартных аминокислотах, кроме глицина, α-атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя различными группами: карбоксильной, аминогруппы, боковой цепью и атомом водорода. Так что этот атом относится к хиральному центру. Таким образом, возможно образование двух оптических изомеров, являющихся зеркальными отражениями друг друга. Они не отличаются по химическим свойствам, но обращают плоскость поляризации света в разные стороны. Такие изомеры называются энантиомерами.
Для обозначения абсолютной конфигурации четырех групп вокруг хирального атома углерода используется D/L-система номенклатуры, разработанная Эмилем Фишером. Он взял за основу глицеральдегид. Соединения, которые имеют конфигурацию, похожую на таковую в L-глицеральдегиде, называются L-изомерами, а в D-глицеральдегиде — D-изомерами. Хотя исторически буквы «L» и «D» использовались как сокращение от levorotatory (левовращающий) и dextrorotatory (правовращающий), буква указывает на конфигурацию связей хирального центра аминокислоты, а не направление оптической активности.
Почти все белки содержат только L-изомер аминокислот. D-аминокислоты найдены в составе некоторых полипептидов, образующихся в организме морских брюхоногих моллюсков, и в составе клеточных стенок бактерий и некоторых пептидных антибиотиках. Для формирования стабильных повторяющихся структур в белках необходимо, чтобы все аминокислоты, входящие в их состав, были представлены только одним энантиомером — L или D. В отличие от обычных химических реакций, в которых преимущественно образуются рацемические смеси стереоизомеров, продуктом реакций биосинтеза в клетках является только одна из форм. Такой результат достигается благодаря ферментам, которые имеют несимметричные активные центры, а следовательно является стереоспецифической.
Классификация на основе полярности боковых цепей[править]
Свойства аминокислотных остатков в составе белков являются решающими для структуры и функционирования последних. В частности аминокислоты существенно отличаются по полярности боковых цепей, а следовательно и особенностями взаимодействия с молекулами воды. На основе этих различий протеиногенные аминокислоты разделяют на четыре группы: аминокислоты с неполярными боковыми цепями, аминокислоты с полярными незаряженными боковыми цепями (иногда разделяют на аминокислоты с неполярными алифатическими и неполярными циклическими боковыми цепями), аминокислоты с положительно заряженными боковыми цепями и аминокислоты с отрицательно заряженными боковыми цепями (иногда последние две группы объединяют в одну).
Аминокислоты с неполярными боковыми группами[править]
В эту группу объединяют девять аминокислот, боковые группы которых неполярны и гидрофобны. Наименьшей из них является глицин, не имеющий боковой цепи (около α-атома углерода, кроме карбоксильной и аминогруппы, размещены два атома водорода). Хотя глицин классифицируют как неполярную аминокислоту, он не оказывает никакого вклада в обеспечение гидрофобных взаимодействий в молекулах белков. Метионин содержит серу, а именно, его боковая цепь представлена неполярным тиоловым эфиром. Пролин содержит характерную пиролидиновую циклическую структуру, в составе которой вторичная аминогруппа содержится в фиксированной конформации. Поэтому участки полипептидных цепей, содержащих пролин, наименее гибки. В состав молекул фенилаланина и триптофана входят громоздкие неполярные циклические боковые группы: фенильная и индольная.
Аминокислоты с неполярными боковыми цепями вносят вклад в структуру полипептидов благодаря гидрофобным взаимодействиям. Например, в составе водорастворимых глобулярных белков они группируются внутри молекулы. Неполярные группы этих аминокислот также образуют поверхности контакта интегральных мембранных белков с гидрофобными частями липидных мембран.
Аминокислоты с полярными незаряженными боковыми группами[править]
Серин и теронин содержат гидроксильную группу, аспарагин и глутамин — амидную, тирозин — фенольную. В состав цистеина входит тиольная группа -SH, благодаря чему две молекулы (или их остатки в составе пептидов) этого вещества могут соединяться дисульфидной связью, которая формируется путем окисления -SH групп. Такие связи важны для формирования и поддержания структуры белков. Поскольку две молекулы цистеина соединены дисульфидной связью, ранее он считался отдельной аминокислотой, это соединение называли цистином, теперь этот термин употребляется редко.
Аминокислоты с отрицательно заряженными боковыми группами[править]
Две аминокислоты имеют суммарный отрицательный заряд при pH > 7: аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Обе имеют по дополнительной карбоксильной группе. Их ионизированные формы называют аспартатом и глутаматом соответственно. Амиды этих аминокислот — аспрагин и глутамин — также входят в состав белков.
Аминокислоты с положительно заряженными боковыми группами[править]
Три протеиногенные аминокислоты имеют положительно заряженные боковые группы при физиологических значениях pH: лизин, аргинин и гистидин. Лизин имеет дополнительную первичную аминогруппу в ε-положении. В состав аргинина входит гуанидиновые группировки, а гистидин содержит имидазоловое кольцо. Из всех протеиногенных аминокислот только гистидин имеет группу, ионизирующуюся при физиологическом pH (pK a = 6,0). Поэтому его боковая цепь при pH 7,0 может быть нейтральной или положительно заряженной. Благодаря этому свойству гистидин входит в состав активных центров многих ферментов и участвует в катализе химических реакций как донор/акцептор протонов.
Нестандартные аминокислоты[править]
Кроме 20 «стандартных» аминокислот, кодируемых генетическим кодом, в живых организмах также образуется большое количество так называемых нестандартных аминокислот.
В составе готовых полипептидных цепей некоторые остатки аминокислот могут модифицироваться. Таким образом, например, образуются нестандартные аминокислоты 5-гидроксилизин и 4-гидроксипролин. Обе входят в состав белка соединительной ткани коллагена, а гидроксипролин найден также в клеточных стенках растений. 6-N-метиллизин является составной сократительного белка миозина. Некоторые белки, связывающие ионы кальция, например, протромбин, содержащие γ-карбоксиглутамат. Десмозин — сложная аминокислота, которая образуется из четырех остатков лизина и найдена в фибриллярном белке эластине. Многие остатки аминокислот могут быть временно модифицированы с целью регуляции функции белков.
Особый случай составляет редкая аминокислота селеноцистеин, производное цистеина, но вместо атома серы содержащее селен. В отличие от многих других нестандартных аминокислот, входящих в состав белков, селеноцистеин образуется не в результате модификации остатка в уже готовом полипептидной цепи, а включается в него во время трансляции. Селеноцистеин кодируется кодоном УГА, что при обычных условиях означает конец синтеза. Подобно селеноцистеину пиролизин, используемый некоторыми метаногенными бактериями при выработке метана, кодируется в этих организмов стоп-кодоном, но в этом случае — УАГ.
Бактерии и растения синтезируют необычные аминокислоты, которые могут входить в состав пептидных антибиотиков (низин, аламетицин) лантионин — моносульфидный аналог цистина — совместно с ненасыщенными аминокислотами входит в состав лантибиотиков (пептидные антибиотики бактериального происхождения). D-аминокислоты входят в состав коротких (до 20 остатков) пептидов, синтезируемых энзиматически, а не на рибосомах. Эти пептиды в большом количестве встречаются в составе клеточных стенок бактерий, благодаря чему последние являются менее чувствительными к действию протеазы. D-аминокислоты содержат некоторые пептидные антибиотики, например валиномицин, грамицидин A, актиномицин D.
Всего в живых клетках встречается около 700 различных аминокислот, выполняющих самостоятельные функции. Некоторые из аминокислот также найдены и в метеоритах, особенно в карбоновых хондритах.
Незаменимые аминокислоты[править]
Растения и некоторые микроорганизмы могут производить все аминокислоты, необходимые им для синтеза клеточного белка. Животные способны синтезировать только 10 протеиногенных аминокислот. Последние 10 не могут быть получены с помощью биосинтеза и должны постоянно поступать в организм в виде пищевых белков. Отсутствие их в организме приводит к угрожающим жизни явлениям. К таким аминокислотам относятся: аргинин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин.[1]
Функции аминокислот[править]
В дополнение к синтезу белков, стандартные и нестандартные аминокислоты в животном организме выполняют много других важных биологических функций. Глицин и глутамат (анион глутаминовой кислоты) используются как нейромедиаторы при нервной передаче через химические синапсы, нейромедиаторами также являются нестандартная гамма-аминомасляная кислота, которая является продуктом декарбоксилирования глутамата, дофамин — производное тирозина, и серотонин, который образуется из триптофана. Гистидин является предшественником гистамина — локального медиатора воспалительных и аллергических реакций. Йодосодержащий гормон щитовидной железы тироксин образуется из тирозина. Глицин является одним из метаболических предшественников порфиринов (таких как дыхательный пигмент гем).
Образование пептидной связи[править]
Между карбоксильной группой одной α-аминокислоты и аминогруппой другой может происходить реакция конденсации, продуктами которой являются дипептид и молекула воды. В образованном дипептиде остатки аминокислот соединены между собой CO-NH связью, которую называют пептидной или амидной.
Пептидную связь независимо друг от друга описали в 1902 году Эмиль Фишер и Франц Гофмейстер.
Дипептид имеет два конца: N-, на котором размещена аминогруппа, и C-, на котором размещена карбоксильная группа. Каждый из них потенциально может участвовать в следующей реакции конденсации с образованием линейных три-, тетра-, пента- и т. д. пептидов. Цепочки, содержащие 40 и более последовательно соединенных пептидными связями остатков аминокислот, называются полипептидами. Молекулы белков состоят из одной или нескольких полипептидных цепей.
Источники[править]
Литература[править]
- Lehninger Principles of Biochemistry. — 5th. — W. H. Freeman, 2008. — P. 72—81. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
- Biochemistry. — 4th. — Wiley, 2011. — P. 67—80. — ISBN 978-0470-57095-1.
- Biochemistry. — 6th. — W.H. Freeman and Company, 2007. — P. 27—34. — ISBN 0-7167-8724-5.
- Биохимия. — Новая книга, 2007.