Майже всі природні біологічні сполуки, що містять хіральний центр, зустрічаються тільки в якійсь одній стереоізомерній формі - D або L. За винятком гліцину, який не має асиметричного атома вуглецю, всі амінокислоти, що входять до складу молекул білків, є L-стереоізомерами. Цей висновок було зроблено з урахуванням численних ретельно проведених хімічних досліджень, у яких оптичні властивості амінокислот зіставлялися зі своїми поведінкою у хімічних реакціях. Нижче ми побачимо, що в живій природі зустрічаються також деякі D-амінокислоти, але вони ніколи не входять до складу білків.
Присутність у білках тільки L-стереоізомерів амінокислот дуже примітна, тому що у звичайних хімічних реакціях, що використовуються для синтезу сполук з асиметричним атомом вуглецю, завжди виходять оптично неактивні продукти. Це тому, що у звичайних хімічних реакціях з однаковою швидкістю утворюються як D-, і L-стереоизомеры. В результаті виходить рацемічна суміш, або рацемат, - еквімолярна суміш D-і L-ізомерів, яка не обертає площину поляризації ні в тому, ні в іншому напрямку. Рацемічну суміш можна розділити на D- і L-ізомери тільки за допомогою дуже трудомістких методів, заснованих на відмінностях у фізичних властивостях стереоізомерів.
Додаток 5-2. Як визначити вік людини, використовуючи хімію амінокислот
Оптичні ізомери амінокислот зазнають дуже повільної та мимовільної неферментативної рацемізації, так що за якийсь дуже тривалий період часу чистий L- або D-ізомер може перетворитися на еквімолярну суміш D- та L-ізомерів. Рацемізація кожної L-амінокислоти за даної температури йде з певною швидкістю. Цю обставину можна використовувати для визначення віку людей та тварин чи викопних залишків організмів. Наприклад, в білку дентині, що міститься в твердій емалі зубів, L-аспартат мимовільно рацемізується при температурі тіла людини зі швидкістю на рік. У дітей у період формування зубів у дентині міститься лише L-аспартат. Можна виділити дентин всього з одного зуба і визначити вміст D-аспартату. Такі аналізи були зроблені на дентині жителів гірських селищ Еквадору, багато з яких приписували собі дуже великий вік. Так як у ряді випадків це викликало сумніви, для перевірки використали рацемізаційний тест, який виявився досить точним. Так, для 97-річної жінки, вік якої був документально засвідчений, згідно з тестом було встановлено вік 99 років.
Тести, виконані на викопних залишках доісторичних тварин – слонів, дельфінів та ведмедів – показали, що дані, отримані цим методом, добре узгоджуються з результатами датування, що базується на швидкості розпаду радіоактивних ізотопів.
Живі клітини мають унікальну здатність синтезувати L-амінокислоти за допомогою стереоспецифічних ферментів. Стереоспецифічність цих ферментів обумовлена асиметричним характером їх активних центрів. Нижче ми побачимо, що характерна тривимірна структура білків, завдяки якій вони виявляють різні види біологічної активності, виникає тільки в тому випадку, якщо всі амінокислоти, що входять до їх складу, належать до одного стереохімічного ряду.
Ізомерія амінокислот в залежності від положення аміногрупи
Залежно від положення аміногрупи щодо 2-го атома вуглецю виділяють α-, β-, γ- та інші амінокислоти.
α- та β- форми аланіну
Для організму ссавців найбільш характерними є α-амінокислоти.
Ізомерія з абсолютної конфігурації
По абсолютній конфігурації молекули виділяють D-і L-форми. Відмінності між ізомерами пов'язані із взаємним розташуванням чотирьох заміщуючих груп, що знаходяться у вершинах уявного тетраедра, центром якого є атом вуглецю в α-положенні. Є лише два можливі розташування хімічних груп навколо нього.
У білку будь-якого організму міститься лише один стереоізомер, для ссавців це L-амінокислоти.
L- та D-форми аланіну
Однак оптичні ізомери можуть зазнавати мимовільної неферментативної рацемізацію, тобто. L-форма перетворюється на D-форму.
Як відомо, тетраедр – це досить жорстка структура, у якій неможливо довільним чином пересунути вершини.
Так само для молекул, побудованих на основі атома вуглецю, за еталон конфігурації прийнята структура молекули гліцеральдегіду, встановлена за допомогою рентгеноструктурного аналізу. Прийнято, що як маркер використовують найбільш сильно окисленийатом вуглецю (на схемах його розташовують зверху), пов'язаний з асиметричниматом вуглецю. Таким окисленим атомом у молекулі гліцеральдегідуслужить альдегідна група, для аланіна- СООН група. Атом водню в асиметричному вуглеці мають так само, як у гліцеральдегіді.
У дентині, білку зубної емалі, швидкість рацемізації L-аспартату дорівнює 0,10% на рік. При формуванні зуба в дітей віком використовується лише L-аспартат. Така особливість дозволяє за бажання визначати вік довгожителів. Для викопних останків поряд з радіоізотопним методом використовують визначення рацемізації амінокислот в білку.
Розподіл ізомерів з оптичної активності
За оптичною активністю амінокислоти діляться на право- і лівообертаючі.
Наявність в амінокислоті асиметричного α-атома вуглецю (хірального центру) уможливлює лише два розташування хімічних груп навколо нього. Це призводить до особливої відмінності речовин одна від одної, а саме – зміни напрямки обертання площини поляризованого світла, що проходить через розчин. Величину кута повороту визначають за допомогою поляриметра. Відповідно до кута повороту виділяють правообертальні (+) і лівообертаючі (–) ізомери.
 |
 |
Фізико-хімічні та біологічні властивості білків визначаються їх амінокислотним складом. Амінокислоти – це амінопохідні класу карбонових кислот. Амінокислоти входять у складі білків. Багато хто з них виконує спеціальні функції. Тому в живих організмах розрізняють амінокислоти протеїногенні (кодуються генетично) та непротеїногенні (не кодуються генетично). Протеїногенних амінокислот 20. 19 з них є a-амінокислотами. Це означає, що аміногрупа у них приєднана до a-вуглецевого атома тієї карбонової кислоти, похідним якої є. Загальна формула цих амінокислот виглядає так:
Тільки одна амінокислота - пролін не відповідає цій загальною формулою. Її відносять до імінокислот.
a-вуглецевий атом амінокислот є асиметричним (виняток становить амінопохідне оцтової кілоти - гліцин). Це означає, що кожна амінокислота має, як мінімум, 2 оптично активних антиподи. Природа обрала створення білків L-форму. Тому природні білки побудовані з L-a-амінокислот.
У всіх випадках, коли в молекулі органічної сполуки атом вуглецю пов'язаний з 4 різними атомами або функціональними групами, цей атом асиметричний, оскільки він може існувати у двох ізомерних формах, які називаються енантіомерами або оптичними (стерео) ізомерами. З'єднання з асиметричними атомами "С" зустрічаються у вигляді двох форм (хіральних сполук) - лівої та правої, залежно від напрямку обертання площини поляризації плоскополяризованого світла. Всі стандартні амінокислоти крім однієї (гліцин) містять в a-положенні асиметричний атом вуглецю, з яким пов'язані 4 групи, що заміщають. Тому вони мають оптичну активність, тобто здатні обертати площину
поляризації світла у тому чи іншому напрямку.
Проте в основі системи позначення стереоізомерів лежить не обертання поверхні поляризації світла, а абсолютна конфігурація молекули стереоізомеру. Для визначення зміни оптично активних амінокислот їх порівнюють з гліцериновим альдегідом - найпростішим тривуглецевим вуглеводом, який містить асиметричний атом вуглецю. Стереоізомери всіх хіральних сполук, незалежно від напрямку обертання площини поляризації плоскополяризованого світла, відповідні за конфігурацією L-гліцеринового альдегіду, позначаються буквою L, а відповідні D-гліцеринового альдегіду - буквою D. Таким чином, букви L і D відносяться до абсолютної при хіральному атомі "С", а не до напрямку обертання площини поляризації.
Класифікація амінокислот проводиться за будовою їхнього радикала. Існують різні підходидо класифікації. Більшість амінокислот - це аліфатичні сполуки. 2 амінокислоти є представниками ароматичного ряду та 2 - гетероциклічного.
Амінокислоти можна розділити, за їхніми властивостями, на основні, нейтральні та кислі. Вони відрізняються числом аміно- та карбоксильних груп у молекулі. Нейтральні - містять по одній аміно- та одній карбоксильній групі (моноаміномонокарбонові). Кислі мають 2 карбоксильні та одну аміногрупу (моноамінодикарбонові), основні -2 аміногрупи та одну карбоксильну (діаміномонокарбонові).
1. Власне аліфатичними можна назвати 5 амінокислот. Гліцин або глікокол (Глі),
при роботі з комп'ютером - (G), - a-амінооцтова кислота. Є єдиною оптично неактивною амінокислотою. Гліцин використовується як для синтезу білків. Його атоми входять до складу нуклеотидів, гема, він входить до складу важливого трипептиду – глутатіону.
Аланін (Ала), при роботі з комп'ютером – (А) – a-амінопропіонова кислота. Аланін часто використовується в організмі для синтезу глюкози.
По структурі все амінокислоти, крім гліцину, можна як похідні аланіну, що має чи кілька атомів водню у складі радикала заміщені різними функціональними групами.
Валін (Вал), при роботі з комп'ютером (V) - аміноізовалеріанова кислота. Лейцин (Лей, L) – аміноізокапронова кислота. Ізолейцин (Іле, I) - a-аміно-b-етил-b-метилпропіонова кислота. Ці три амінокислоти, володіючи вираженими гідрофобними властивостями, грають важливу рольу формуванні просторової структури білкової молекули.
2. Гідроксіамінокислоти.Серин (Сер, S) - a-аміно-b-гідроксипропіонова кислота і треонін (Тре, T) - a-аміно-b-гідроксимасляна кислота відіграють важливу роль у процесах ковалентної модифікації структури білків. Їхня гідроксильна група легко взаємодіє з фосфорною кислотою, що буває необхідним для зміни функціональної активності білків.
3. Сірковмісні амінокислоти. Цистеїн (Цис, C) - a-аміно-b-тіопропіонова кислота. Спеціальною властивістю цистеїну є здатність до окислення (у присутності кисню) та взаємодії з іншою молекулою цистеїну з утворенням дисульфідного зв'язку та нової сполуки – цистину. Ця амінокислота завдяки активній -SH групі легко вступає в окислювально-відновлювальні реакції, захищаючи клітину від дії окислювачів, бере участь в утворенні дисульфідних містків, що стабілізують структуру білків, входить до складу активного центру ферментів.
Метіонін (Мет, M) - a-аміно-b-тіометилмасляна кислота. Виконує функцію донора рухомої метильної групи, необхідної для синтезу біологічно активних сполук: холіну, нуклеотидів тощо. Це гідрофобна амінокислота.
4. Дикарбонові амінокислоти.Глутамінова (Глу, E) - a-аміноглутарова кислота і аспарагінова кислота (Асп, D) - a-амінобурштинова кислота. Це найпоширеніші амінокислоти білків тваринних організмів. Маючи додаткову карбоксильну групу в радикалі, ці амінокислоти сприяють іонній взаємодії, надають заряд білковій молекулі. Ці амінокислоти можуть утворювати аміди.
5. Аміди дикарбонових амінокислот. Глутамін (Глн, Q) та аспарагін (Асн, N). Ці амінокислоти виконують важливу функцію у знешкодженні та транспорті аміаку в організмі. Амідна зв'язок у складі частково має характер подвійний. За рахунок цього амідна група має частковий позитивний заряд і не дисоціюватиме.
6. Циклічні амінокислотимають у своєму радикалі ароматичне чи гетероциклічне ядро. Фенілаланін (Фен, F) – a-аміно-b-фенілпропіонова кислота. Тирозин (Тир, Y) - a-аміно-b-параоксифеніл-пропіонова кислота. Ці 2 амінокислоти утворюють взаємопов'язану пару, що виконує важливі функції в організмі, серед яких слід відзначити їх використання клітинами для синтезу ряду біологічно активних речовин (адреналіну, тироксину).
Триптофан (Три, W) a-аміно-b-індолілпропіонова кислота. Використовується для синтезу вітаміну PP, серотоніну, гормонів епіфізу.
Гістидин (Гіс, H) - a-аміно-b-імідазолілпропіонова кислота. Може використовуватися при утворенні гістаміну, що регулює проникність тканин та проявляє свою дію при алергії.
7. Діаміномонокарбонові амінокислоти. Лізин (Ліз, K) – діамінокапронова кислота. Аргінін (Арг, R)-a-аміно-b-гуанідин-валеріанова кислота. Ці амінокислоти мають додаткову аміногрупу, яка надає основних властивостей білкам, що містять багато таких амінокислот. Утворення аргініну є частиною метаболічного шляху знешкодження аміаку (синтез сечовини).
8. Імінокислота – пролін (Про, P).Відрізняється з інших амінокислот за будовою. Її радикал утворює з a-аміногрупою єдину циклічну структуру. Завдяки цій особливості навколо зв'язку між a-аміногрупою та a-вуглецевим атомом неможливе жодне обертання. У всіх інших амінокислот можливість обертання навколо цього є. До складу проліну входить вторинна аміногрупа (з азотом азоту пов'язаний лише один атом водню), яка відрізняється, за своїми хімічними характеристиками від первинної аміногрупи (-NH 2) у складі інших амінокислот. Особливе місце відводиться цій амінокислоті в структурі колагену, де пролін, у процесі синтезу колагену, може перетворюватися на гідроксипролін.
У дужках зазначені скорочені позначення амінокислот, які утворюються з перших трьох літер їхньої тривіальної назви. В Останнім часомДля запису первинної структури застосовуються і однолітери символи, що важливо при використанні ЕОМ у роботі з білками.
Всі амінокислоти, що утворюються при гідролізі білків, крім гліцину, мають оптичну активність. Це пов'язано з наявністю асиметричного атома вуглецю.
Оптична активність органічних сполук - це здатність обертати площину поляризованого світла вправо чи вліво. Для позначення напрямку обертання використовують знаки "+" та "-". Якщо розчин амінокислоти обертає площину поляризованого світла вправо, перед його назвою ставлять знак “+”, і якщо вліво, то знак “-”. При визначенні оптичного обертання завжди треба зазначати умови, у яких проводилися виміри (розчинник, температуру).
Якщо амінокислоти отримують при гідролізі білків, вони зберігають свою оптичну активність. У разі отримання амінокислот хімічним синтезом її зазвичай отримують у неактивній формі. Така форма зазвичай складається з еквімолярної суміші L- та D-ізомерів, позначається як DL і називається рацематом.
Рацемізація.Відповідно до класичної теорії стеріохімії у тому випадку, коли два заступники при асиметричному атомі вуглецю обмінюються місцями, відповідні сполуки перетворюються на його оптичний антипод. Отже, його оптичне обертання змінює знак.
Кислотно-основні властивості амінокислот
Кислотно-основні властивості амінокислот мають значення для розуміння властивостей білків. Крім того, на цих властивостях амінокислот засновані методи поділу, ідентифікації та кількісного аналізу амінокислот та білків.
У молекулі амінокислоти містяться дві функціональні групи - карбоксильна та аміногрупа. Відповідно амінокислоти мають як кислотні, так і основні властивості. Звичайна форма амінокислоти (а) не є точною будовою цих сполук. Амінокислот приписують структуру амфотерних біполярних іонів (б).
R-CH-COOH R-CH-COO -
Одним з доказів того, що в нейтральних водних розчинах амінокислота присутня у вигляді біполярних іонів є їхня найкраща розчинність у воді, висока температура плавлення, зазвичай вище 200 0 .
Внаслідок амфотерного характеру амінокислоти утворюють солі і з кислотами та з основами.
При додаванні кислоти в розчин амінокислоти водневі іони (Н+) зникають згідно з рівнянням (1), при додаванні їдкого лугу гідроксильні іони (ОН-) нейтралізуються згідно з рівнянням (2). В обох випадках рН розчину не змінюється або незначно змінюється. На цій властивості засноване застосування амінокислот у буферних розчинах.
H 3 N + -CH-COO - + Н + H 3 N + -CH-COOH (1)
H 3 N + -CH-COO - + ВІН - H 2 N-CH-COO - + Н 2 О (2)
У водних розчинах -амінокислоти можуть існувати у вигляді біполярного іону, катіону або аніону
H 2 N-CH-COO - H 3 N + -CH-COOH H 3 N + -CH-COO -
Аніон катіон біполярний іон
Кислотно-основні властивості амінокислот найпростіше можуть бути інтерпретовані виходячи з теорії кислот та основ Бренстеда-Лоурі. Відповідно до цієї теорії кислота розглядається як донор протонів, а основа – акцептор протонів. Відповідно до цієї теорії катіон амінокислоти є двоосновною кислотою, в молекулі катіону є дві групи, здатні віддати протон - СООН та + NH 3 . При повному титруванні основою повністю протонованої кислоти вона може віддати 2 протони.
Здатність кислоти до дисоціації характеризується її константою дисоціації. Для повністю протонованої амінокислоти процес дисоціації протікає дві стадії.
H 3 N + -CH-COОН + Н 2 О? H 3 N + -CH-COO - + Н + + Н 2 О (1)
H 3 N + -CH-COO - + Н 2 О? H 2 N-CH-COO - + Н + + Н 2 О (2)
Графічно хід титрування зображено на графіку 1.
Рис. 1 Титрування повністю протонованого аланіну NaOH
рК 1 - константа дисоціації карбоксильної групи,
рК 2 - константа дисоціації аміно групи,
рI - ізоелектрична точка амінокислоти.
амінокислота білок гідроліз титрування
Крива складається з 2-х гілок, що чітко розділяються. У кожній галузі є середня точка, в якій зміна рН при додаванні ВІН - виявляється мінімальною. Величини константи дисоціації карбоксильної (рК 1) та аміно групи (рК 2) можна визначити за середньою точкою, що відповідає кожній стадії. При цьому для аланіну, наприклад, виходять значення рК 1 = 2,34, рК 2 = 9,69.
У початковий момент титрування амінокислота в розчині є у вигляді катіону. При рН = 2,34, відповідній середній точці першої стадії присутні в еквімолярній концентрації два іони - катіон біполярний іон:
H 3 N + -CH(R)-COОН і H 3 N + -CH(R) -COO -
При рН = 969, тобто. в середній точці другої стадії в еквімолярних концентраціях присутні аніон та біполярний іон:
H 2 N-CH(R) -COO - і H 3 N + -CH(R) -COООН
Крапка переходу між двома гілками кривої титрування аланіну лежить при рН 6,02. При цьому значення рН молекула амінокислоти знаходиться повністю у вигляді біполярного іона
H 3 N + -CH(R) -COO -
Вона не несе сумарного електричного заряду та не переміщається в електричному полі. Значення рН, у якому амінокислота перебуває у вигляді біполярного іона називається изоэлектрической точкою амінокислоти і позначається як рI.
Ізоелектрична точка амінокислоти визначається значенням двох констант дисоціації. Вона є середнє арифметичне значення між рК 1 і рК 2 , тобто.
рI = --------------
Отже, моноамінокарбонова кислота при низькому значенні рН знаходиться у повністю протонованій формі (катіон) і є двоосновною кислотою, а біполярний іон – одноосновною кислотою. З двох кислотних груп - (СООН та H 3 N +) СООН-група є сильною кислотою. Кислоти із слабко вираженою спорідненістю до протону є сильними кислотами, вони легко віддають протони. Кислоти з сильно вираженою спорідненістю до протону є слабкими кислотами, вони незначно дисоціюють. Всі б-амінокислоти за будь-яких значень рН поводяться як сильні електроліти.
Розчини амінокислот мають буферні властивості, причому їхня буферна ємність максимальна при рН, рівному значенню рК кислотних груп. Тільки одна амінокислота гістидин має значну буферну ємність в інтервалі рН 6-8 (в інтервалі фізіологічного значення рН).
рI моноамінокарбонових кислот дорівнюють приблизно 6, рI дикарбонових кислот лежать у кислій області, а діамінокислот - в основний. Так, рI аланіну = 6,02, рI аспарагінової кислоти = 3,0, рI лізину = 9,7.
Амінокислоти мігрують у лужних розчинах до аноду, у кислих розчинах – до катода. У ізоелектричній точці міграції немає. У изоэлектрической точці розчинність амінокислот мінімальна. На цій властивості заснований метод ізоелектричного фокусування.