Аминокислоты — органические соединения, которые одновременно содержат в своем составе аминокислот (-NH 2) и карбоксильную (-СООН) группы. Аминокислоты являются мономерными единицами белков, в составе которых остатки аминокислот соединены пептидными связями. Большинство белков построены с комбинации девятнадцати «первичных» аминокислот, то есть содержащих первичную аминогруппу, и одной «вторичной» аминокислоты или иминокислоты (содержит вторичную аминогруппу) пролина, кодируемых генетическим кодом. Их называют стандартными или протеиногенных 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 амино группа, аминокислоты делятся на α-, β-, γ- и тому подобное. 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) атома углерода, это будет β-аминокислота и так далее. Все Протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами.

Номенклатура

Каждая из двадцати стандартных, и много нестандратних, аминокислот имеют тривиальные названия. Часть этих названий связана с источниками, из которых впервые было выделено соединение: например, аспарагин выделен из спаржи (лат. Asparagus), глутамин — из глютена пшеницы, тирозин — из творога (творог греческой tyros). Для сокращенной записи Протеиногенные аминокислоты обозначают Трехбуквенное кодом, используя первые три буквы тривиальной названия (за исключением аспарагина (АОН), глутамина (ГЛН), изолейцина (Иле) и триптофана (ТРТ), для последнего используют также сокращение Три). Иногда также используют обозначения Asx и Glx, означающих «аспрарагинова кислота или аспарагин» и «глутаминовая кислота или глутамин». Существование таких обозначений объясняется тем, что во время гидролиза пептидов в щелочных или кислых средах аспарагин и глутамин очень легко превращаются в соответствующие кислоты, из-за чего часто невозможно точно определить, какая именно аминокислота была в составе пептида без применения особых подходов.

В момент появления биоинформатики ЭВМ использовали перфокарты, из-за чего появилась потребность записывать аминокислотные последовательности более компактно. Для этого Маргарет Оукли Дейгофф разработала однобуквенну номенклатуру. Для обозначения шести аминокислот использованы их начальные буквы (в английском языке), поскольку они являются уникальными (CHIMSV). Еще в пяти (AGLPT) первые буквы не уникальна, но обозначают более распространенные аминокислоты (например, буква L обозначает лейцин, поскольку он встречается чаще лизин). 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 можно там услышать (DNEQ: D — asparDic acid , N — asparagiNe, E — glutamEke acid, Q — Q-tamin). Лизин обозначают буквой K, поскольку в алфавите она ближайшая к L.

Химическое строение

Все аминокислоты содержат карбоксильную и аминогруппы. В α-аминокислот они присоединены к одному и тому же атома углерода. Остальные молекулы называют боковой цепью или R-группой. Эти группы отличаются по размеру, форме, гидрофильностью, электрическим зарядом, склонностью формировать водородные связи и общей реакционной способностью предоставляя каждой аминокислоте уникальных свойств. В наименьшей аминокислоты — глицина — боковой цепи нет, у α-атома углерода кроме каброксильнои и аминогруппы расположены два атома водорода.

Оптическая изомерия

Во всех стандартных аминокислот, кроме глицина, α-атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя различными группами: карбоксильной, аминогруппой, боковой цепью и атомом водорода. Так что этот атом хирального центром. Таким образом, возможно образование двух оптических изомеров, являются 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 разработана Эмилем Фишером. Он взял за основу триозы глицеральдегид. Соединения, которые имеют абсолютную конфигурацию похожую таковой в l-глицеральдегид называются l-изомеры, в d-глицеральдегид — d-изомеры. Хотя исторически буквы l и d использовались как сокращение от levorotatory (левовращающий) и dextrorotatory (правообертаючий), однако не все l-аминокилсоты обращают плоскость поляризации света влево и наоборот.

Почти все белки содержат только l-изомеры аминокислот. d-аминокислоты найдены в составе некоторых полипептидов, образующихся в организме морских брюхоногих моллюсков конусов, и в составе клеточных стенок бактерий и некоторых пептидных антибиотиков. 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, продуктами реакций биосинтеза в клетках есть только одна из форм. Такого результата достигается благодаря ферментам, имеющих несимметричные активные центры, а следовательно является стереоспецифической.

Классификация на основе полярности боковых цепей

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 делят 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

В эту группу объединяют девять аминокислот, боковые группы которых неполярными и гидрофобными. Наименьшей из них является глицин, не имеет боковой цепи (около α-атома крабону 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. Аланин, лейцин и изолейцин имеют алифатические углеводородные боковые группы: метильную, бутильную и изобутильну соответственно. Метионин является серосодержащих аминокислот, его боковая цепь представлен неполярным тиоловым эфиром. Иминокислота пролин содержит характерную пиролидинову циклическую структуру, в составе которой вторичная аминогруппа (иминогруппы) содержится в фиксированной конформации. Из-за этого участка полипепдиних цепей, содержащих пролин является наименее гибкими. В состав молекул фенилаланина и триптофана входят громоздкие неполярные циклические боковые группы: фенильная и индольных.

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

Шесть аминокислот имеют полярные незаряженные боковые цепи: серин, треонин, тирозин, цистеин, аспарагин и глутамин. Серин и теронин содержат гидроксильную группу, аспарагин и глутамин — амидную, тирозин — фенольную. В состав цистеина входит тиольной гурпа -SH, благодаря чему две молекулы (или их остатки в составе пептидов) этого вещества могут соединяться дисульфидной связью, формируется путем окисления -SH групп. Такие связи важны для формирования и поддержания структуры белков. Поскольку две молекулы цистеина соединены дисульфидной связью ранее считались отдельной аминокислотой, такую ​​соединение называли цистином, теперь этот термин употребляется редко.

Аминокислоты с отрицательно заряженными боковыми группами

Две аминокислоты имеют суммарный отрицательный заряд за физиологического pH (7,0): 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

Три Протеиногенные аминокислоты должны положительно заряженные боковые группы при физиологических значениях pH: лизин, аргинин и гистидин. Лизин имеет дополнительную первичную аминогруппу в ε-положении. В состав аргинина входит гуанидиновых группировки, а гистидин содержит имидазолов кольцо. Среди всех протеиногенным аминокислот только гистидин имеет группу, ионизируется за физиологического pH (pK a = 6,0). Поэтому его боковая цепь при pH 7,0 может быть нейтральным или положительно заряженным. Благодаря этому свойству гистидин входит в состав активных центров многих ферментов, и участвует в катализе химических реакций как донор / акцептор протонов.

Свойства стандартных аминокислот

Свойства стандартных аминокислот
Формула Название Молярная масса pI pK 1 (α-COOH) pK 2 (α- + NH 3) pKr (R) Индекс гидропатичности * Кодон мРНК Содержание в белках (%)
Глицин (Гли, Gly, G) Глицин (Гли, Gly, G) 75,07 6,06 2,35 9,78 -0,4 GGU, GGC, GGA, GGG 7,2
Аланин (Ала, Ala, A) Аланин (Ала, Ala, A) 89,09 6,11 2,35 9,87 1,8 GCU, GCC, GCA, GCG 7.8
Валин (Вал, Val, V) Валин (Вал, Val, V) 117,15 6,00 2,39 9,74 4,2 GUU, GUC, GUA, GUG 6,6
Лейцин (Лей, Leu, L Лейцин (Лей, Leu, L) 131,17 6,01 2,33 9,74 3,8 UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG 9,1
Изолейцин (Иле, Ile, I) Изолейцин (Иле, Ile, I) 131,17 6,05 2,32 9,76 4,4 AUU, AUC, AUA 5,3
Метионин (Мет, Met, M) Метионин (Мет, Met, M) 149,21 5,74 2,13 9,28 1,9 AUG 2,3
Пролин (О, Pro, P) Пролин (О, Pro, P) 115,13 6,30 1,95 10,64 1,6 CCU, CCC, CCA, CCG 5,2
Фенилаланин (Фен, Phe, F) Фенилаланин (Фен, Phe, F) 165,19 5,49 2,20 9,31 2,8 UUU, UUC 3,9
Триптофан (Трп, Trp, W) Триптофан (Трп, Trp, W) 204,23 5,89 2,46 9,41 -0,9 UGG 1,4
Серин (Сер, Ser, S) Серин (Сер, Ser, S) 105,09 5,68 2,19 9,21 -0,8 UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC 6,8
Треонин (Тре, Thr, T) Треонин (Тре, Thr, T) 119,12 5,60 2,09 9,10 -0,7 ACU, ACC, ACA, ACG 5,9
Аспарагин (АОН, Asn, N) Аспарагин (АОН, Asn, N) 132,12 5,41 2,14 8,72 -3,5 AAU, AAC 4,3
Глутамин (ГЛН, Gln, Q) Глутамин (ГЛН, Gln, Q) 146,15 5,65 2,17 9,13 -3,5 CAA, CAG 4,2
Тирозин (Тир, Tyr, Y) Тирозин (Тир, Tyr, Y) 181,19 5,64 2,20 9,21 10,46 -1,3 UAU, UAC 3,2
Цистеин (Цис, Cys, C) Цистеин (Цис, Cys, C) 121,16 5,05 1,92 10,70 8,37 2,5 UGU, UGC 1,9
Лизин (Лиз, Lys, K) Лизин (Лиз, Lys, K) 146,19 9,60 2,16 9,06 10,54 -3,9 AAA, AAG 5,9
Аргинин (Арг, Arg, R) Аргинин (Арг, Arg, R) 174,20 10,76 1,82 8,99 12,48 -4,5 CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG 5,1
Гистидин (ГИС, His, H) Гистидин (ГИС, His, H) 155,16 7,60 1,80 9,33 6,04 -3,2 CAU, CAC 2,3
Аспарагиновая кислота (Асп, Asp, D) Аспарагиновая кислота (Асп, Asp, D) 133,10 2,85 1,99 9,90 3,90 -3,5 GAU, GAC 5,3
Глутаминовая кислота (Глу, Glu, E) Глутаминовая кислота (Глу, Glu, E) 147,13 3,15 2,10 9,47 4,07 -3,5 GAA, GAG 6,3
Обозначения: неполярные полярные незаряженные положительно заряженные отрицательно заряженные
* Индекс гидропатичности отражает уровень гидрофобности / гидрофильности боковой цепи аминокислоты (изменение свободной энергии ΔG при переносе боковой цепи с гидрофобного растворителя в воду)

«Нестандартные» аминокислоты

Кроме 20 «стандартных» аминокислот, кодируемых генетическим кодом, в живых организмах также случается большое количество так называемых нестандартных аминокислот.

В составе готовых полипептидных цепей некоторые остатки аминокислот могут модифицироваться. Таким образом, например, образуются нестандарнти 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, образуется из четырех остатков лизина — найденная в фибриллярного белка эластина. Многие остатков аминокислот могут быть Посттрансляционная модифицированные временно с целью регуляции функции белков. К таким модификаций принадлежит присоединения фосфтаних, метильных, ацетильных, аденильних, АДФ-рибозильних и других групп.

Особый случай составляет редкая аминокислота селеноцистеин, что является производным цистеина, но вместо атома серы содержит селен. В отличие от многих других нестандартных аминокислот, входящих в состав белков, он 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 селеноцистеина пирролизин, что используется некоторыми метаногенная 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 — моносульфидний аналог цистина — совместно с ненасыщенными аминокислотами входит в состав лантибиотикив (пептидные антибиотики бактериального происхождения). d-аминокислоты входят в состав коротких (до 20 остатков) пептидов, синтезируемых Энзиматическая, а не на рибосомах. Эти пептиды в большом количестве встречаются в составе клеточных стенок бактерий, благодаря чему последние являются менее чувствительными к действию протеаз. d-аминокислоты содержат некоторые пептидные антибиотики, например валиномицин, грамицидин A, актиномицин D.

Всего в живых клетках встречается около 700 различных аминокислот, много из которых выполняют самостоятельные функции. Например, орнитин и цитруллин являются ключевыми метаболитами в цикле мочевины и пути биосинтеза аргинина, гомоцистеин — промежуточный продукт метаболизма некоторых аминокислот, S-аденозилметионин — играет роль метилюючого агенту. 1-аминоциклопропан-1-карбоксильная кислота (АСС) — небольшая по молекулярной массе широко распространена циклическая аминокислота, выступает промежуточным продуктом в синтезе растительного гормона этилена. У растений, грибов и бактерий найдено большое количество аминокислот, функции которых до сих пор не выяснены, однако поскольку большинство из них ядовиты (например, азасерин и β-цианоаланин), они могут иметь защитную роль. Некоторые из аминокислот также найдены и в метеоритах, особенно в карбоновых хондритах.

Незаменимые аминокислоты

Растения и некоторые микроорганизмы могут производить все аминокислоты, нужные им для синтеза клеточного белка. Животные организмы способны синтезировать лишь 10 протеиногенным 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 аминокислот относятся: аргинин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин.

Функции аминокислот

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 передачи через химические синапсы, нейромедиаторами также нестандартная аминокислота гамма-аминомасляная кислота, являющаяся 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).

Некоторые из 20 протеиногенным аминокислот называются «незаменимыми» — это те, которые не производятся в организме и должны поступать с пищей. Для человека это лизин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин, а для детей также гистидин и аргинин.

Образование пептидной связи

Между карбоксильной группой одной α-аминокислоты и аминогруппой другой может происходить реакция конденсации, продуктами которой являются дипептид и молекула воды. В образованном дипептидами остатки аминокислот соединены между собой CO-NH связью, который называют пептидной или амидной. Схема формирования пептидной связи:

Пептидный связь независимо друг от друга описали в 1902 году Эмиль Фишер и Франц Гофмейстер.

Дипептид двух концах: 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 одного или нескольких полипептидных цепей.

Кислотно-основные свойства аминокислот

Аминокислоты являются амфотерными соединениями или амфолитом (от «амфотерный электролит»). Они могут выступать как кислотами, так и основаниями благодаря наличию карбоксильной и аминогруппы соответственно. Если аминокислоту с боковой цепью неспособным к ионизации растворить в воде при pH 7,0 она будет находиться в форме цвитериона (от нем. Zwitter — гибридный), то есть нести одновременно положительный и отрицательный заряды.

Кривые титрования аминокислот

Каждая аминокислота имеет по крайней мере две группы способны к ионизации: α-аминокислот и α-карбоксильную. Поэтому кривая титрования полностью протонованих формы аминокислоты сильным основанием имеет две фазы, каждая из которых соответствует депротонирования одной из групп. В качестве примера приведены титрования 0,1 М раствора глицина при температуре 25 ° C (рисунок слева). В очень кислой среде молекулы глицина полностью протонированных (NH + 3 CH 2 -COOH), при повышении pH карбоксильная группа начинает ионизироваться, и значения водородного показателя, который равен pK a этой группы (pK 1) в растворе имеющиеся эквимолярных концентрации NH + 3-CH 2 -COOH и NH + 3 CH 2 -COO +. В диапазоне pH pK 1 ± 1 глицин проявляет буферные свойства. Дальнейший рост pH приводит к полной диссоциации протонов от карбоксильных групп. В тот момент, когда депротонирования карбоксильных групп уже почти завершилось, а депротонирования аминогрупп еще не началось, молекулы аминокислоты находятся в цвитерионний форме (NH + 3 CH 2 -COO +). Это значение pH, при котором суммарный заряд максимального количества молекул аминокислоты в растворе равен нулю, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI. В диапазоне pH выше pI происходит вторая фаза титрования аминокислоты: постепенное депротонирования аминогрупп. При pH = pK 2 в растворе будут эквимолярных концентрации NH + 3 CH 2 -COO + и NH 2 -CH 2 -COO +. В области pK 2 ± 1 аминокислота также проявлять буферные свойства.

Важной особенностью аминокислот является то, что их карбоксильные группы является «более кислотными», а аминогруппы «менее основными», чем эти же группы в составе соединений, в которых они присоединены к алифатических углеводородных остатков. Например, pK a уксусной кислоты составляет 4,8, а pK 1 глицина — 2,34, pK a метиламина — 10,6, а pK 2 глицина — 9,60. Обе группы легче отдают протоны в результате их взаимного влияния друг на друга. Это влияние значительно ослабляется с увеличением расстояния между химическими группами, поэтому β- и γ- карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот имеют значение pK a ближе к таковым в других карбоновых кислот, а именно 3,90 и 4,07 соответственно.

Аминокислоты с заряженными боковыми цепями имеют более сложные кривые тритрування, состоящие из трех фаз, в таких аминокислот, соответственно, есть три значения константы кислотной диссоциации.

Изоэлектрическая точка

Для аминокислот, не содержащие групп способных к ионизации в боковых цепях, Изоэлектрическая точку можно рассчитать как среднее арифметическое между константами кислотной диссоциации карбоксильной и аминогрупп:

Аминокислоты

При pH выше этой точки большинство молекул аминокислоты в растворе будут отрицательный заряд и в электрическом поле двигаться к аноду, при низком — положительный и двигаться к катоду. Аминокислоты с незаряженными боковыми цепями имеют примерно одинаковые значения pI близки к 6,0. Незначительная разница этих показателей отражает влияние боковых групп на способностью карбоксильной и аминогруппы к ионизации.

В аминокислот с положительно или отрицательно заряженными боковыми цепями дополнительные группы, способные к ионизации, вносят свой вклад в значение pI: в «кислых» аминокислот оно ниже, а в «основных» выше, чем у остальных.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Аминокислоты
  • Аминокислоты