Proteini čine materijalnu osnovu hemijske aktivnosti ćelije. Funkcije proteina u prirodi su univerzalne. Ime proteini, najprihvaćeniji termin u ruskoj književnosti odgovara terminu proteini(iz grčkog proteios- prvi). Do danas su učinjeni veliki pomaci u uspostavljanju odnosa između strukture i funkcija proteina, mehanizma njihovog učešća u najvažnijim procesima života organizma, te u razumijevanju molekularne osnove patogeneze mnogih bolesti.
U zavisnosti od njihove molekularne težine, razlikuju se peptidi i proteini. Peptidi imaju nižu molekularnu težinu od proteina. Vjerojatnije je da peptidi imaju regulatornu funkciju (hormoni, inhibitori i aktivatori enzima, transporteri jona kroz membrane, antibiotici, toksini, itd.).
12.1. α -Aminokiseline
12.1.1. Klasifikacija
Peptidi i proteini su građeni od ostataka α-aminokiselina. Ukupan broj prirodnih aminokiselina prelazi 100, ali neke od njih se nalaze samo u određenoj zajednici organizama.
α-Aminokiseline su heterofunkcionalna jedinjenja čiji molekuli sadrže i amino grupu i karboksilnu grupu na istom atomu ugljenika.
Šema 12.1.Najvažnije α-amino kiseline*
* Skraćenice se koriste samo za pisanje aminokiselinskih ostataka u molekulima peptida i proteina. ** Esencijalne aminokiseline.
Nazivi α-aminokiselina mogu se konstruisati koristeći supstitutivnu nomenklaturu, ali se češće koriste njihovi trivijalni nazivi.
Trivijalni nazivi za α-amino kiseline obično se povezuju sa izvorima izolacije. Serin je dio fibroina svile (od lat. serieus- svilenkasta); Tirozin je prvi put izolovan iz sira (od grč. tyros- sir); glutamin - iz glutena žitarica (od njemačkog. Gluten- ljepilo); asparaginska kiselina - iz klica šparoga (od lat. šparoge- šparoge).
Mnoge α-amino kiseline se sintetiziraju u tijelu. Neke aminokiseline neophodne za sintezu proteina ne proizvode se u tijelu i moraju doći izvana. Ove aminokiseline se nazivaju nezamjenjiv(vidi dijagram 12.1).
Esencijalne α-amino kiseline uključuju:
valin izoleucin metionin triptofan
leucin lizin treonin fenilalanin
α-Aminokiseline se klasifikuju na nekoliko načina u zavisnosti od karakteristika koje služe kao osnova za njihovu podjelu u grupe.
Jedna od karakteristika klasifikacije je hemijska priroda radikala R. Na osnovu ove karakteristike, aminokiseline se dele na alifatične, aromatične i heterociklične (vidi dijagram 12.1).
Alifatičniα -aminokiseline. Ovo je najveća grupa. Unutar njega, aminokiseline su podijeljene pomoću dodatnih klasifikacijskih karakteristika.
U zavisnosti od broja karboksilnih grupa i amino grupa u molekuli razlikuju se:
Neutralne aminokiseline - svaka po jedna NH grupa 2 i COOH;
Osnovne aminokiseline - dvije NH grupe 2 i jedna grupa
COOH;
Kisele aminokiseline - jedna NH 2 grupa i dvije COOH grupe.
Može se primijetiti da u grupi alifatskih neutralnih aminokiselina broj ugljikovih atoma u lancu nikada nije veći od šest. Istovremeno, u lancu nema aminokiselina sa četiri atoma ugljika, a aminokiseline sa pet i šest atoma ugljika imaju samo razgranatu strukturu (valin, leucin, izoleucin).
Alifatski radikal može sadržavati "dodatne" funkcionalne grupe:
Hidroksil - serin, treonin;
Karboksilne - asparaginske i glutaminske kiseline;
Tiol - cistein;
Amid - asparagin, glutamin.
Aromatičnoα -aminokiseline. U ovu grupu spadaju fenilalanin i tirozin, konstruisani na način da su benzenski prstenovi u njima odvojeni od zajedničkog fragmenta α-amino kiseline metilenskom grupom -CH 2-.
Heterociklični α -aminokiseline. Histidin i triptofan koji pripadaju ovoj grupi sadrže heterocikle - imidazol i indol. Struktura i svojstva ovih heterocikla su razmatrani u nastavku (vidjeti 13.3.1; 13.3.2). Opšti princip konstruisanja heterocikličnih aminokiselina je isti kao i aromatičnih.
Heterociklične i aromatične α-amino kiseline se mogu smatrati β-supstituisanim derivatima alanina.
Aminokiselina takođe spada u gerocikličnu prolin, u kojoj je sekundarna amino grupa uključena u pirolidin
U hemiji α-aminokiselina velika se pažnja poklanja strukturi i svojstvima “bočnih” radikala R, koji igraju važnu ulogu u formiranju strukture proteina i obavljanju njihovih bioloških funkcija. Od velikog značaja su karakteristike kao što su polaritet „bočnih“ radikala, prisustvo funkcionalnih grupa u radikalima i sposobnost ovih funkcionalnih grupa da ioniziraju.
Ovisno o bočnom radikalu, aminokiseline s nepolarni(hidrofobni) radikali i aminokiseline c polar(hidrofilni) radikali.
U prvu grupu spadaju aminokiseline sa alifatskim bočnim radikalima - alanin, valin, leucin, izoleucin, metionin - i aromatičnim bočnim radikalima - fenilalanin, triptofan.
U drugu grupu spadaju aminokiseline koje u svojim radikalima imaju polarne funkcionalne grupe koje su sposobne za jonizaciju (jonogene) ili nisu u stanju da pređu u jonsko stanje (nejonske) u tjelesnim uvjetima. Na primjer, u tirozinu je hidroksilna grupa jonska (fenolne prirode), u serinu je nejonska (alkoholne prirode).
Polarne aminokiseline sa jonskim grupama u radikalima pod određenim uslovima mogu biti u jonskom (anjonskom ili kationskom) stanju.
12.1.2. Stereoizomerizam
Glavni tip konstrukcije α-aminokiselina, odnosno veza istog atoma ugljika sa dvije različite funkcionalne grupe, radikalom i atomom vodika, sama po sebi predodređuje kiralnost α-ugljikovog atoma. Izuzetak je najjednostavnija aminokiselina glicin H 2 NCH 2 COOH, koji nema centar kiralnosti.
Konfiguracija α-amino kiselina određena je konfiguracijskim standardom - gliceraldehidom. Položaj amino grupe u formuli standardne Fischerove projekcije lijevo (slično OH grupi u l-gliceraldehidu) odgovara l-konfiguraciji, a desno - d-konfiguraciji kiralnog atoma ugljika. By R, U S-sistemu, α-ugljični atom u svim α-amino kiselinama l-serije ima S-konfiguraciju, a u d-seriji, R-konfiguraciju (izuzetak je cistein, vidi 7.1.2) .
Većina α-amino kiselina sadrži jedan asimetrični atom ugljika po molekuli i postoji kao dva optički aktivna enantiomera i jedan optički neaktivni racemat. Gotovo sve prirodne α-amino kiseline pripadaju l-seriji.
Aminokiseline izoleucin, treonin i 4-hidroksiprolin sadrže dva centra kiralnosti u molekulu.
Takve aminokiseline mogu postojati kao četiri stereoizomera, koji predstavljaju dva para enantiomera, od kojih svaki formira racemat. Za izgradnju životinjskih proteina koristi se samo jedan od enantiomera.
Stereoizomerizam izoleucina je sličan stereoizomerizmu treonina koji je prethodno razmatran (vidjeti 7.1.3). Od četiri stereoizomera, proteini sadrže l-izoleucin sa S konfiguracijom oba asimetrična atoma ugljika C-α i C-β. Imena drugog para enantiomera koji su dijastereomeri u odnosu na leucin koriste prefiks Zdravo-.
Cepanje racemata. Izvor α-aminokiselina l-serije su proteini, koji se u tu svrhu podvrgavaju hidrolitičkom cijepanju. Zbog velike potrebe za pojedinačnim enantiomerima (za sintezu proteina, lekovitih supstanci itd.) hemijski metode za razgradnju sintetičkih racemskih aminokiselina. Preferirano enzimski metoda varenja pomoću enzima. Trenutno se za odvajanje racemičnih smjesa koristi hromatografija na kiralnim sorbentima.
12.1.3. Kiselinsko-bazna svojstva
Amfoternost aminokiselina određena je kiselim (COOH) i baznim (NH). 2) funkcionalne grupe u njihovim molekulima. Aminokiseline formiraju soli i sa alkalijama i sa kiselinama.
U kristalnom stanju, α-amino kiseline postoje kao dipolarni joni H3N+ - CHR-COO- (obično korištena oznaka
Struktura aminokiseline u nejoniziranom obliku je samo radi praktičnosti).
U vodenom rastvoru aminokiseline postoje u obliku ravnotežne mešavine dipolarnih jona, katjonskih i anjonskih oblika.
Položaj ravnoteže zavisi od pH vrednosti medijuma. Za sve aminokiseline, kationski oblici prevladavaju u jako kiselim (pH 1-2) i anjonski oblici u jako alkalnim (pH > 11) sredinama.
Jonska struktura određuje niz specifičnih svojstava aminokiselina: visoku tačku topljenja (iznad 200°C), rastvorljivost u vodi i nerastvorljivost u nepolarnim organskim rastvaračima. Sposobnost većine aminokiselina da se dobro otapaju u vodi je važan faktor u obezbjeđivanju njihovog biološkog funkcionisanja, uz to je povezan njihov transport u organizmu, itd.
Potpuno protonirana aminokiselina (kationski oblik), sa stanovišta Brønstedove teorije, je dvobazna kiselina,
Donacijom jednog protona takva dvobazna kiselina se pretvara u slabu jednobazičnu kiselinu - dipolarni ion s jednom kiselinskom grupom NH 3 + . Deprotonacija dipolarnog jona dovodi do proizvodnje anjonskog oblika aminokiseline - karboksilatnog jona, koji je Brønstedova baza. Vrijednosti karakteriziraju
Osnovna kiselinska svojstva karboksilne grupe aminokiselina obično se kreću od 1 do 3; vrijednosti pK a2 karakterizirajući kiselost amonijumske grupe - od 9 do 10 (tabela 12.1).
Tabela 12.1.Kiselinsko-bazna svojstva najvažnijih α-amino kiselina
Položaj ravnoteže, odnosno odnos različitih oblika aminokiseline, u vodenoj otopini pri određenim pH vrijednostima značajno ovisi o strukturi radikala, uglavnom o prisutnosti ionskih grupa u njemu, koje igraju ulogu dodatnih kiseli i bazični centri.
pH vrijednost pri kojoj je koncentracija dipolarnih jona maksimalna, a minimalne koncentracije kationskog i anjonskog oblika aminokiseline naziva seizoelektrična tačka (p/).
Neutralnoα -aminokiseline. Ove aminokiseline su važnepInešto niže od 7 (5,5-6,3) zbog veće sposobnosti jonizacije karboksilne grupe pod uticajem -/- efekta NH 2 grupe. Na primjer, alanin ima izoelektričnu tačku na pH 6,0.
Kiseloα -aminokiseline. Ove aminokiseline imaju dodatnu karboksilnu grupu u radikalu i nalaze se u potpuno protoniranom obliku u jako kiseloj sredini. Kisele aminokiseline su trobazne (prema Brøndstedu) sa tri značenjapK a,kao što se može vidjeti na primjeru asparaginske kiseline (p/ 3,0).
Za kisele aminokiseline (asparaginsku i glutaminsku), izoelektrična tačka je na pH mnogo nižem od 7 (vidi tabelu 12.1). U tijelu pri fiziološkim pH vrijednostima (na primjer, pH krvi 7,3-7,5), ove kiseline su u anionskom obliku, jer su obje karboksilne grupe ionizirane.
Basicα -aminokiseline. U slučaju baznih aminokiselina, izoelektrične tačke se nalaze u pH području iznad 7. U jako kiseloj sredini, ova jedinjenja su takođe trobazne kiseline, čije su faze jonizacije ilustrovane na primeru lizina (p/ 9.8) .
U tijelu se bazične aminokiseline nalaze u obliku kationa, odnosno obje amino grupe su protonirane.
Općenito, nema α-amino kiseline in vivonije na svojoj izoelektričnoj tački i ne pada u stanje koje odgovara najnižoj rastvorljivosti u vodi. Sve aminokiseline u tijelu su u jonskom obliku.
12.1.4. Analitički važne reakcije α -aminokiseline
α-Aminokiseline, kao heterofunkcionalna jedinjenja, ulaze u reakcije karakteristične i za karboksilnu i za amino grupu. Neka hemijska svojstva aminokiselina su posledica funkcionalnih grupa u radikalu. Ovaj dio govori o reakcijama koje su od praktične važnosti za identifikaciju i analizu aminokiselina.
Esterifikacija.Kada aminokiseline reaguju sa alkoholima u prisustvu kiselog katalizatora (na primjer, plinovitog hlorovodonika), dobijaju se estri u obliku hidrohlorida sa dobrim prinosom. Da bi se izolovali slobodni esteri, reakciona smeša se tretira gasovitim amonijakom.
Estri aminokiselina nemaju dipolarnu strukturu, pa se, za razliku od matičnih kiselina, rastvaraju u organskim rastvaračima i isparljivi su. Dakle, glicin je kristalna supstanca sa visokom tačkom topljenja (292°C), a njegov metil ester je tečnost sa tačkom ključanja od 130°C. Analiza estera aminokiselina može se provesti plinsko-tečnom hromatografijom.
Reakcija sa formaldehidom. Od praktične važnosti je reakcija sa formaldehidom, koja je u osnovi kvantitativnog određivanja aminokiselina metodom formol titracija(Sørensenova metoda).
Amfoterna priroda aminokiselina ne dozvoljava direktnu titraciju alkalijama u analitičke svrhe. Interakcija amino kiselina sa formaldehidom proizvodi relativno stabilne amino alkohole (vidi 5.3) - N-hidroksimetil derivate, čija se slobodna karboksilna grupa zatim titrira alkalijom.
Kvalitativne reakcije. Karakteristika hemije aminokiselina i proteina je upotreba brojnih kvalitativnih (bojnih) reakcija, koje su prethodno činile osnovu hemijske analize. Danas, kada se istraživanja provode pomoću fizičko-hemijskih metoda, mnoge kvalitativne reakcije i dalje se koriste za detekciju α-amino kiselina, na primjer, u hromatografskoj analizi.
Chelation. Sa katjonima teških metala, α-aminokiseline kao bifunkcionalna jedinjenja formiraju unutarkompleksne soli, na primjer, sa svježe pripremljenim bakar(11) hidroksidom u blagim uvjetima, dobijaju se dobro kristalizirajući kelati
soli plavog bakra(11) (jedna od nespecifičnih metoda za detekciju α-amino kiselina).
Ninhidrinska reakcija. Opća kvalitativna reakcija α-amino kiselina je reakcija s ninhidrinom. Reakcioni proizvod ima plavo-ljubičastu boju, koja se koristi za vizuelnu detekciju aminokiselina na hromatogramima (na papiru, u tankom sloju), kao i za spektrofotometrijsko određivanje na analizatorima aminokiselina (proizvod apsorbuje svetlost u oblasti 550-570 nm).
Deaminacija. U laboratorijskim uslovima, ova reakcija se odvija djelovanjem dušične kiseline na α-amino kiseline (vidjeti 4.3). U tom slučaju nastaje odgovarajuća α-hidroksi kiselina i oslobađa se plin dušik, čija se zapremina koristi za određivanje količine aminokiseline koja je reagirala (Van-Slyke metoda).
Ksantoproteinska reakcija. Ova reakcija se koristi za otkrivanje aromatičnih i heterocikličkih aminokiselina - fenilalanin, tirozin, histidin, triptofan. Na primjer, kada koncentrirana dušična kiselina djeluje na tirozin, nastaje nitro derivat, obojen žuto. U alkalnoj sredini, boja postaje narandžasta zbog jonizacije fenolne hidroksilne grupe i povećanja doprinosa anjona konjugaciji.
Postoji i niz privatnih reakcija koje omogućavaju otkrivanje pojedinačnih aminokiselina.
Triptofan detektovan reakcijom sa p-(dimetilamino)benzaldehidom u sumpornoj kiselini pojavom crveno-ljubičaste boje (Ehrlichova reakcija). Ova reakcija se koristi za kvantitativnu analizu triptofana u produktima razgradnje proteina.
Cistein otkriven kroz nekoliko kvalitativnih reakcija na osnovu reaktivnosti merkapto grupe koju sadrži. Na primjer, kada se otopina proteina s olovnim acetatom (CH3COO)2Pb zagrije u alkalnom mediju, formira se crni talog olovnog sulfida PbS, što ukazuje na prisutnost cisteina u proteinima.
12.1.5. Biološki važne hemijske reakcije
U organizmu se pod uticajem različitih enzima odvija niz važnih hemijskih transformacija aminokiselina. Takve transformacije uključuju transaminaciju, dekarboksilaciju, eliminaciju, cijepanje aldola, oksidativnu deaminaciju i oksidaciju tiolnih grupa.
Transaminacija je glavni put za biosintezu α-amino kiselina iz α-oksokiselina. Donator amino grupe je aminokiselina koja je prisutna u ćelijama u dovoljnoj količini ili u višku, a njen akceptor je α-oksokiselina. U tom slučaju aminokiselina se pretvara u oksokiselinu, a oksokiselina u aminokiselinu s odgovarajućom strukturom radikala. Kao rezultat toga, transaminacija je reverzibilan proces zamjene amino i okso grupa. Primjer takve reakcije je proizvodnja l-glutaminske kiseline iz 2-oksoglutarne kiseline. Donorska aminokiselina može biti, na primjer, l-asparaginska kiselina.
α-Aminokiseline sadrže amino grupu koja povlači elektrone (tačnije, protoniranu amino grupu NH) na α-poziciji u odnosu na karboksilnu grupu 3 +), i stoga sposoban za dekarboksilaciju.
Eliminacijakarakterističan za aminokiseline kod kojih bočni radikal na β-položaju karboksilne grupe sadrži funkcionalnu grupu koja povlači elektrone, na primjer, hidroksil ili tiol. Njihova eliminacija dovodi do srednje reaktivnih α-enamino kiselina, koje se lako transformišu u tautomerne iminokiseline (analogija sa keto-enol tautomerizmom). Kao rezultat hidratacije na C=N vezi i naknadne eliminacije molekula amonijaka, α-imino kiseline se pretvaraju u α-okso kiseline.
Ova vrsta transformacije se zove eliminacija-hidratacija. Primjer je proizvodnja pirogrožđane kiseline iz serina.
Aldol cijepanje javlja se u slučaju α-aminokiselina, koje sadrže hidroksilnu grupu na β-položaju. Na primjer, serin se razgrađuje u glicin i formaldehid (potonji se ne oslobađa u slobodnom obliku, već se odmah vezuje za koenzim).
Oksidativna deaminacija može se izvesti uz učešće enzima i koenzima NAD+ ili NADP+ (vidi 14.3). α-Aminokiseline se mogu pretvoriti u α-oksokiseline ne samo transaminacijom, već i oksidativnom deaminacijom. Na primjer, α-oksoglutarna kiselina nastaje iz l-glutaminske kiseline. U prvoj fazi reakcije glutaminska kiselina se dehidrogenira (oksidira) u α-iminoglutarnu kiselinu
kiseline.
U drugoj fazi dolazi do hidrolize, što rezultira α-oksoglutarnom kiselinom i amonijakom. Faza hidrolize se odvija bez učešća enzima.
Reakcija reduktivne aminacije α-okso kiselina odvija se u suprotnom smjeru. α-oksoglutarna kiselina, koja se uvijek nalazi u stanicama (kao produkt metabolizma ugljikohidrata), na taj se način pretvara u L-glutaminsku kiselinu. Oksidacija tiolnih grupa
leži u osnovi međukonverzije cisteina i cistinskih ostataka, osiguravajući niz redoks procesa u ćeliji. Cistein, kao i svi tioli (vidjeti 4.1.2), lako se oksidira u disulfid, cistin. Disulfidna veza u cistinu se lako reducira u cistein.
Zbog sposobnosti tiolne grupe da lako oksidira, cistein obavlja zaštitnu funkciju kada je tijelo izloženo tvarima visokog oksidativnog kapaciteta. Osim toga, to je bio prvi lijek koji je pokazao djelovanje protiv zračenja. Cistein se u farmaceutskoj praksi koristi kao stabilizator za lijekove.
Konverzija cisteina u cistin rezultira stvaranjem disulfidnih veza, kao što je smanjeni glutation
12.2. Primarna struktura peptida i proteina
Konvencionalno se vjeruje da peptidi sadrže do 100 aminokiselinskih ostataka u molekulu (što odgovara molekulskoj težini do 10 hiljada), a proteini sadrže više od 100 aminokiselinskih ostataka (molekularna težina od 10 hiljada do nekoliko miliona) .
Zauzvrat, u grupi peptida uobičajeno je razlikovati oligopeptidi(peptidi male molekularne težine) koji ne sadrže više od 10 aminokiselinskih ostataka u lancu, i polipeptidi,čiji lanac uključuje do 100 aminokiselinskih ostataka. Makromolekule sa brojem aminokiselinskih ostataka koji se približava ili malo prelazi 100 ne prave razliku između polipeptida i proteina.
Molekul peptida i proteina se formalno može predstaviti kao proizvod polikondenzacije α-amino kiselina, koja nastaje formiranjem peptidne (amidne) veze između monomernih jedinica (Shema 12.2).
Dizajn poliamidnog lanca je isti za čitav niz peptida i proteina. Ovaj lanac ima nerazgranatu strukturu i sastoji se od naizmjeničnih peptidnih (amidnih) grupa -CO-NH- i fragmenata -CH(R)-.
Jedan kraj lanca sadrži aminokiselinu sa slobodnom NH grupom 2, se zove N-terminus, drugi se zove C-terminus,
Šema 12.2.Princip izgradnje peptidnog lanca
koji sadrži aminokiselinu sa slobodnom COOH grupom. Peptidni i proteinski lanci su napisani sa N-kraja.
12.2.1. Struktura peptidne grupe
U peptidnoj (amidnoj) grupi -CO-NH- atom ugljika je u stanju sp2 hibridizacije. Usamljeni par elektrona atoma dušika ulazi u konjugaciju sa π-elektronima dvostruke veze C=O. Sa stanovišta elektronske strukture, peptidna grupa je trocentrični p,π-konjugovani sistem (videti 2.3.1), u kome je elektronska gustina pomerena ka elektronegativnijem atomu kiseonika. C, O i N atomi koji formiraju konjugirani sistem nalaze se u istoj ravni. Distribucija elektronske gustine u amidnoj grupi može se predstaviti korišćenjem graničnih struktura (I) i (II) ili pomeranja elektronske gustine kao rezultat +M- i -M-efekta NH i C=O grupa, respektivno (III).
Kao rezultat konjugacije, dolazi do određenog poravnanja dužina veza. Dvostruka veza C=O se produžava na 0,124 nm u poređenju sa uobičajenom dužinom od 0,121 nm, a C-N veza postaje kraća - 0,132 nm u poređenju sa 0,147 nm u uobičajenom slučaju (slika 12.1). Planarni konjugovani sistem u peptidnoj grupi uzrokuje poteškoće u rotaciji oko C-N veze (barijera rotacije je 63-84 kJ/mol). Dakle, elektronska struktura određuje prilično krut stan struktura peptidne grupe.
Kao što se može vidjeti sa sl. 12.1, α-ugljični atomi aminokiselinskih ostataka nalaze se u ravnini peptidne grupe na suprotnim stranama C-N veze, odnosno u povoljnijem trans položaju: bočni radikali R aminokiselinskih ostataka u ovom slučaju će biti najudaljenije jedna od druge u svemiru.
Polipeptidni lanac ima iznenađujuće ujednačenu strukturu i može se predstaviti kao niz jedan drugog koji se nalazi pod uglom.
Rice. 12.1.Planarni raspored peptidne grupe -CO-NH- i α-ugljikovih atoma aminokiselinskih ostataka
jedna na drugu ravni peptidnih grupa koje su međusobno povezane preko α-ugljičnih atoma Cα-N i Cα-Csp vezama 2 (Sl. 12.2). Rotacija oko ovih pojedinačnih veza je vrlo ograničena zbog poteškoća u prostornom smještaju bočnih radikala aminokiselinskih ostataka. Dakle, elektronska i prostorna struktura peptidne grupe u velikoj mjeri određuje strukturu polipeptidnog lanca u cjelini.
Rice. 12.2.Relativni položaj ravni peptidnih grupa u polipeptidnom lancu
12.2.2. Sastav i sekvenca aminokiselina
Kod jednolično građenog poliamidnog lanca, specifičnost peptida i proteina određena je dvjema najvažnijim karakteristikama – sastavom aminokiselina i sekvencom aminokiselina.
Sastav aminokiselina peptida i proteina je priroda i kvantitativni odnos njihovih α-amino kiselina.
Sastav aminokiselina određuje se analizom hidrolizata peptida i proteina, uglavnom hromatografskim metodama. Trenutno se takva analiza provodi pomoću analizatora aminokiselina.
Amidne veze su sposobne za hidrolizu i u kiselim i u alkalnim sredinama (vidjeti 8.3.3). Peptidi i proteini se hidroliziraju kako bi formirali ili kraće lance - to je tzv djelomična hidroliza, ili mješavine aminokiselina (u jonskom obliku) - potpuna hidroliza. Hidroliza se obično izvodi u kiseloj sredini, jer su mnoge aminokiseline nestabilne u uslovima alkalne hidrolize. Treba napomenuti da su amidne grupe asparagina i glutamina također podložne hidrolizi.
Primarna struktura peptida i proteina je aminokiselinska sekvenca, odnosno red alternacije α-aminokiselinskih ostataka.
Primarna struktura je određena uzastopnim uklanjanjem aminokiselina sa oba kraja lanca i njihovom identifikacijom.
12.2.3. Struktura i nomenklatura peptida
Imena peptida se konstruišu uzastopnim navođenjem aminokiselinskih ostataka, počevši od N-kraja, uz dodatak sufiksa-il, osim posljednje C-terminalne aminokiseline, za koju je zadržan njen puni naziv. Drugim riječima, imena
aminokiseline koje su ušle u formiranje peptidne veze zbog "njihove" COOH grupe završavaju se imenom peptida sa -il: alanil, valil itd. (za ostatke asparaginske i glutaminske kiseline koriste se nazivi “aspartil” i “glutamil”). Nazivi i simboli aminokiselina ukazuju na njihovu pripadnost l -red, osim ako nije drugačije naznačeno ( d ili dl).
Ponekad u skraćenom zapisu simboli H (kao dio amino grupe) i OH (kao dio karboksilne grupe) označavaju nesupstituciju funkcionalnih grupa terminalnih aminokiselina. Ova metoda je pogodna za prikazivanje funkcionalnih derivata peptida; na primjer, amid gornjeg peptida na C-terminalnoj aminokiselini je napisan H-Asn-Gly-Phe-NH2.
Peptidi se nalaze u svim organizmima. Za razliku od proteina, oni imaju heterogeniji sastav aminokiselina, posebno često uključuju aminokiseline d -red. Strukturno su također raznovrsniji: sadrže cikličke fragmente, razgranate lance itd.
Jedan od najčešćih predstavnika tripeptida je glutation- nalazi se u tijelu svih životinja, biljaka i bakterija.
Cistein u sastavu glutationa omogućava da glutation postoji iu redukovanom i u oksidiranom obliku.
Glutation je uključen u brojne redoks procese. Funkcionira kao proteinski protektor, tj. supstanca koja štiti proteine sa slobodnim SH tiolnim grupama od oksidacije sa stvaranjem disulfidnih veza -S-S-. Ovo se odnosi na one proteine za koje je takav proces nepoželjan. U tim slučajevima glutation preuzima djelovanje oksidacijskog sredstva i tako „štiti“ protein. Tokom oksidacije glutationa dolazi do intermolekularnog umrežavanja dva tripeptidna fragmenta zbog disulfidne veze. Proces je reverzibilan.
12.3. Sekundarna struktura polipeptida i proteina
Polipeptide i proteine visoke molekularne težine, uz primarnu strukturu, karakterišu i viši nivoi organizacije, koji se nazivaju sekundarno, tercijarno I kvartarni strukture.
Sekundarna struktura je opisana prostornom orijentacijom glavnog polipeptidnog lanca, a tercijarna struktura trodimenzionalnom arhitekturom cijelog proteinskog molekula. I sekundarna i tercijarna struktura povezane su s uređenim rasporedom makromolekularnog lanca u prostoru. Tercijarna i kvaternarna struktura proteina raspravlja se u kursu biohemije.
Proračunom je pokazano da je jedna od najpovoljnijih konformacija za polipeptidni lanac raspored u prostoru u obliku desne spirale, tzv. α-heliks(Sl. 12.3, a).
Prostorni raspored α-heličnog polipeptidnog lanca može se zamisliti zamišljanjem da se obavija oko određenog
Rice. 12.3.α-helikalna konformacija polipeptidnog lanca
cilindar (vidi sliku 12.3, b). U prosjeku ima 3,6 aminokiselinskih ostataka po okretu spirale, nagib spirale je 0,54 nm, a prečnik 0,5 nm. Ravnine dvije susjedne peptidne grupe nalaze se pod kutom od 108°, a bočni radikali aminokiselina nalaze se na vanjskoj strani zavojnice, odnosno usmjereni su kao sa površine cilindra.
Glavnu ulogu u obezbeđivanju takve konformacije lanca imaju vodonične veze, koje u α-helixu nastaju između karbonilnog atoma kiseonika svakog prvog i atoma vodika NH grupe svakog petog aminokiselinskog ostatka.
Vodikove veze su usmjerene gotovo paralelno sa osom α-heliksa. Oni drže lanac uvijenim.
Tipično, proteinski lanci nisu potpuno spiralni, već samo djelomično. Proteini kao što su mioglobin i hemoglobin sadrže prilično duge α-helične regije, kao što je lanac mioglobina
75% spiralizirano. U mnogim drugim proteinima, udio spiralnih regija u lancu može biti mali.
Druga vrsta sekundarne strukture polipeptida i proteina je β-struktura, takođe pozvan presavijeni list, ili presavijeni sloj. Izduženi polipeptidni lanci su raspoređeni u presavijene listove, povezani mnogim vodoničnim vezama između peptidnih grupa ovih lanaca (slika 12.4). Mnogi proteini sadrže i α-helikalne i β-liste strukture.
Rice. 12.4.Sekundarna struktura polipeptidnog lanca u obliku presavijenog lista (β-struktura)
Opće karakteristike (struktura, klasifikacija, nomenklatura, izomerija).
Glavna strukturna jedinica proteina su a-amino kiseline. U prirodi postoji oko 300 aminokiselina. 20 različitih a-amino kiselina pronađeno je u proteinima (jedna od njih, prolin, nije amino-, A imino kiselina). Sve ostale aminokiseline postoje u slobodnom stanju ili u sastavu kratkih peptida, ili u kompleksima sa drugim organskim supstancama.
a-Aminokiseline su derivati karboksilnih kiselina u kojima je jedan atom vodika zamijenjen amino grupom (-NH2) na a-ugljikovom atomu, na primjer:
Aminokiseline se razlikuju po strukturi i svojstvima radikala R. Radikal može predstavljati ostatke masnih kiselina, aromatične prstenove i heterocikle. Zahvaljujući tome, svaka aminokiselina je obdarena specifičnim svojstvima koja određuju hemijska, fizička svojstva i fiziološke funkcije proteina u telu.
Zahvaljujući radikalima aminokiselina, proteini imaju niz jedinstvenih funkcija koje nisu karakteristične za druge biopolimere i imaju hemijsku individualnost.
Aminokiseline sa b- ili g-pozicijom amino grupe su mnogo rjeđe u živim organizmima, na primjer:
Klasifikacija i nomenklatura aminokiselina.
Postoji nekoliko vrsta klasifikacija aminokiselina koje čine proteine.
A) Jedna od klasifikacija zasniva se na hemijskoj strukturi radikala aminokiselina. Razlikuju se aminokiseline:
1. Alifatski - glicin, alanin, valin, leucin, izoleucin:
2. Sadrže hidroksil – serin, treonin:
4. Aromatični – fenilalanin, tirozin, triptofan:
5. Sa anjonskim grupama u bočnim lancima - asparaginska i glutaminska kiselina:
6. i amidi asparaginske i glutaminske kiseline - asparagin, glutamin.
7. Glavni su arginin, histidin, lizin.
8. Iminokiselina – prolin
 |
B) Druga vrsta klasifikacije zasniva se na polaritetu R grupa aminokiselina.
Razlikovati polarnih i nepolarnih aminokiseline. Nepolarni radikali imaju nepolarne C–C, C–H veze; postoji osam takvih aminokiselina: alanin, valin, leucin, izoleucin, metionin, fenilalanin, triptofan, prolin.
Sve ostale aminokiseline su na polarnu(u R-grupi postoje polarne veze C–O, C–N, –OH, S–H). Što je više aminokiselina sa polarnim grupama u proteinu, to je veća njegova reaktivnost. Funkcije proteina u velikoj mjeri zavise od njegove reaktivnosti. Enzime karakteriše posebno veliki broj polarnih grupa. I obrnuto, ima ih vrlo malo u takvom proteinu kao što je keratin (kosa, nokti).
B) Aminokiseline se takođe klasifikuju na osnovu jonskih svojstava R-grupa(Tabela 1).
Kiselo(pri pH = 7 R-grupa može nositi negativan naboj) to su asparaginska, glutaminska kiselina, cistein i tirozin.
Basic(pri pH=7 R-grupa može nositi pozitivan naboj) - to su arginin, lizin, histidin.
Sve ostale aminokiseline pripadaju neutralan (grupa R je nenapunjena).
Tabela 1 – Klasifikacija aminokiselina na osnovu polariteta
R-grupa.
R-grupe
Asparaginska kiselina
Glutaminska kiselina
4. Pozitivno napunjen
R-grupe
Histidin
G) Aminokiseline se dijele prema broju aminskih i karboksilnih grupa:
– do monoamin monokarboksilne koji sadrže jednu karboksilnu i jednu aminsku grupu;
– monoaminodikarbonske(dve karboksilne i jedna aminska grupa);
– diaminomonokarboksilna(dve aminske i jedna karboksilna grupa).
E) Prema svojoj sposobnosti da se sintetiziraju u ljudskom i životinjskom tijelu, sve aminokiseline se dijele:
– na zamjenjive,
– nezamjenjiv,
– djelimično nezamjenjiv.
Esencijalne aminokiseline se ne mogu sintetizirati u ljudskom tijelu i životinjama, one se moraju snabdjeti hranom. Postoji osam apsolutno esencijalnih aminokiselina: valin, leucin, izoleucin, treonin, triptofan, metionin, lizin, fenilalanin.
Djelomično esencijalni - sintetiziraju se u tijelu, ali u nedovoljnim količinama, pa se moraju djelimično snabdjeti hranom. Ove aminokiseline su arganin, histidin, tirozin.
Neesencijalne aminokiseline sintetiziraju se u ljudskom tijelu u dovoljnim količinama iz drugih jedinjenja. Biljke mogu sintetizirati sve aminokiseline.
Izomerizam
U molekulama svih prirodnih aminokiselina (s izuzetkom glicina), a-ugljični atom ima sve četiri valentne veze koje zauzimaju različiti supstituenti, takav atom ugljika je asimetričan i naziva se kiralni atom. Kao rezultat toga, otopine aminokiselina imaju optičku aktivnost - rotiraju ravninu polarizirane svjetlosti. Broj mogućih stereoizomera je tačno 2n, gdje je n broj asimetričnih atoma ugljika. Za glicin n = 0, za treonin n = 2. Svih ostalih 17 proteinskih aminokiselina sadrže jedan asimetrični atom ugljika, mogu postojati u obliku dva optička izomera.
Kao standard pri određivanju L I D- konfiguracije aminokiselina, koristi se konfiguracija stereoizomera gliceraldehida.
Lokacija u formuli Fischer projekcije NH 2 grupe na lijevoj strani odgovara L-konfiguracije, a desno – D-konfiguracije.
Treba napomenuti da su slova L I D znači da supstanca, u svojoj stereohemijskoj konfiguraciji, pripada L ili D reda, bez obzira na smjer rotacije.
Pored 20 standardnih aminokiselina koje se nalaze u gotovo svim proteinima, postoje i nestandardne aminokiseline koje su komponente samo nekih vrsta proteina – ove aminokiseline se još nazivaju modificirano(hidroksiprolin i hidroksilizin).
Metode prijema
– Aminokiseline su od izuzetnog fiziološkog značaja. Proteini i polipeptidi su građeni od ostataka aminokiselina.
Tokom hidrolize proteinaŽivotinjski i biljni organizmi proizvode aminokiseline.
Sintetičke metode za dobijanje aminokiselina:
– Utjecaj amonijaka na halogenirane kiseline
– Dobivaju se α-aminokiseline efekat amonijaka na oksinitrile
Aminokiseline, proteini i peptidi su primjeri spojeva opisanih u nastavku. Mnoge biološki aktivne molekule sadrže nekoliko kemijski različitih funkcionalnih grupa koje mogu međusobno djelovati i međusobno djelovati.
Amino kiseline.
Amino kiseline- organska bifunkcionalna jedinjenja koja uključuju karboksilnu grupu - UNS, a amino grupa je N.H. 2 .
Odvojeni α I β -aminokiseline:
Uglavnom se nalazi u prirodi α -kiseline. Proteini sadrže 19 aminokiselina i jednu aminokiselinu ( C 5 H 9NO 2 ):
Najjednostavniji aminokiselina- glicin. Preostale aminokiseline se mogu podijeliti u sljedeće glavne grupe:
1) homolozi glicina - alanin, valin, leucin, izoleucin.
Dobijanje aminokiselina.
Hemijska svojstva aminokiselina.
Amino kiseline- ovo su amfoterna jedinjenja, jer sadrže 2 suprotne funkcionalne grupe - amino grupu i hidroksilnu grupu. Stoga reaguju i sa kiselinama i sa alkalijama:
Acid-bazna transformacija se može predstaviti kao:
U kiseloj sredini α-amino kiseline deluju kao baze (na amino grupi), a u alkalnoj kao kiseline (na karboksilnoj grupi). Za neke aminokiseline, radikal (R) također može biti joniziran, pa se stoga sve aminokiseline mogu podijeliti na nabijene i nenabijene (pri fiziološkoj pH vrijednosti = 6,0 - 8,0) (vidi tabelu 4). Primjeri prvih uključuju asparaginsku kiselinu i lizin:
Ako su radikali aminokiselina neutralni, onda ne utječu na disocijaciju α-karboksilne ili α-amino grupe, a pK vrijednosti (negativni logaritam koji pokazuje pH vrijednost pri kojoj su ove grupe napola disocirane) ostaju relativno konstantan.
Vrijednosti pK za α-karboksilnu grupu (pK 1) i α-amino grupu (pK 2) su veoma različite. Na pH< pK 1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН >pK 2 gotovo svi molekuli aminokiselina su negativno nabijeni, budući da je α-karboksilna grupa u disociranom stanju.
Posljedično, ovisno o pH okoline, aminokiseline imaju ukupan nula pozitivan ili negativan naboj. pH vrijednost pri kojoj je ukupni naboj molekule nula i ona se u električnom polju ne kreće ni do katode ni do anode naziva se izoelektrična točka i označava se pI.
Za neutralne α-amino kiseline, vrijednost pI se nalazi kao aritmetička sredina između dvije pK vrijednosti:
Kada je pH otopine manji od pI, aminokiseline se protoniraju i, postajući pozitivno nabijene, kreću se u električnom polju do katode. Suprotna slika je uočena pri pH > pI.
Za aminokiseline koje sadrže nabijene (kiseline ili bazične) radikale, izoelektrična tačka zavisi od kiselosti ili bazičnosti ovih radikala i njihovog pK (pK 3). Vrijednost pI za njih se nalazi pomoću sljedećih formula:
za kisele aminokiseline:
za osnovne aminokiseline:
U ćelijama i međućelijskoj tečnosti ljudskog i životinjskog organizma pH okoline je blizu neutralnog, pa tako bazične aminokiseline (lizin, arginin) imaju pozitivan naboj (kationi), kisele aminokiseline (asparaginska, glutaminska) imaju pozitivan naboj. negativni naboj (anioni), a ostatak postoji u obliku bipolarnog cwitteriona.
Stereohemija aminokiselina
Važna karakteristika proteinskih α-amino kiselina je njihova optička aktivnost. Sa izuzetkom glicina, svi su građeni asimetrično, pa su, kada su otopljeni u vodi ili hlorovodoničnoj kiselini, sposobni da rotiraju ravan polarizacije svetlosti. Aminokiseline postoje u obliku prostornih izomera koji pripadaju D- ili L-seriji. L- ili D-konfiguracija je određena tipom strukture spoja u odnosu na asimetrični atom ugljika (ugljikov atom vezan za četiri različita atoma ili grupe atoma). U formulama, asimetrični atom ugljika je označen zvjezdicom. Na slici 3 prikazani su projekcijski modeli L- i D-konfiguracija aminokiselina, koje su, takoreći, zrcalne slike jedne druge. Svih 18 optički aktivnih proteinskih aminokiselina pripadaju L seriji. Međutim, D-amino kiseline se nalaze u ćelijama mnogih mikroorganizama i u antibioticima koje neki od njih proizvode.
Rice. 3. Konfiguracija L- i D-amino kiselina
Struktura proteina
Na osnovu rezultata proučavanja proizvoda hidrolize proteina i onih koje je iznio A.Ya. Ideje Danilevskog o ulozi peptidnih veza -CO-NH- u izgradnji proteinskog molekula, njemački naučnik E. Fischer je početkom 20. stoljeća predložio peptidnu teoriju strukture proteina. Prema ovoj teoriji, proteini su linearni polimeri α-amino kiselina povezanih peptidnim vezama - polipeptidi:
U svakom peptidu, jedan terminalni aminokiselinski ostatak ima slobodnu α-amino grupu (N-terminus), a drugi ima slobodnu α-karboksilnu grupu (C-terminus). Struktura peptida obično se prikazuje počevši od N-terminalne aminokiseline. U ovom slučaju, aminokiselinski ostaci su označeni simbolima. Na primjer: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- - Cys. Ovaj unos označava peptid u kojem je N-terminalna α-amino kiselina formiran je od alanina i C-terminala - cistein. Prilikom čitanja takvog zapisa, završeci naziva svih kiselina, osim posljednjih, mijenjaju se u "mulj": alanil-tirozil-leucil-seril-tirozil-cistein. Dužina peptidnog lanca u peptidima i proteinima koji se nalaze u tijelu kreće se od dvije do stotine i hiljade aminokiselinskih ostataka.
Da bi se odredio sastav aminokiselina, proteini (peptidi) se podvrgavaju hidrolizi:
U neutralnom okruženju ova reakcija se odvija vrlo sporo, ali se ubrzava u prisustvu kiselina ili lužina. Tipično, hidroliza proteina se izvodi u zatvorenoj ampuli u 6 M rastvoru hlorovodonične kiseline na 105 °C; u takvim uslovima potpuna dezintegracija se dešava za otprilike jedan dan. U nekim slučajevima, protein se hidrolizira u blažim uvjetima (na temperaturi od 37-40°C) pod djelovanjem bioloških enzimskih katalizatora nekoliko sati.
Zatim se aminokiseline hidrolizata odvajaju hromatografijom na smolama za izmjenu jona (sulfopolistirenski kationski izmjenjivač), pri čemu se izoluje posebna frakcija svake amino kiseline. Za ispiranje aminokiselina iz kolone za ionsku izmjenu koriste se puferi s povećanjem pH vrijednosti. Aspartat, koji ima kiseli bočni lanac, se prvo uklanja; arginin s glavnim bočnim lancem se ispire posljednji. Redoslijed uklanjanja aminokiselina iz kolone određen je profilom ispiranja standardnih aminokiselina. Frakcionisane amino kiseline određuju se bojom koja nastaje kada se zagreje sa ninhidrinom:
U ovoj reakciji, bezbojni ninhidrin se pretvara; u plavo-ljubičasti proizvod, čiji je intenzitet boje (na 570 nm) proporcionalan količini aminokiseline (samo prolin daje žutu boju). Mjerenjem intenziteta bojenja moguće je izračunati koncentraciju svake aminokiseline u hidrolizatu i broj ostataka svake od njih u proteinu koji se proučava.
Trenutno se takva analiza provodi pomoću automatskih uređaja - analizatora aminokiselina (vidi sliku dijagrama uređaja u nastavku). Uređaj prikazuje rezultat analize u obliku grafikona koncentracija pojedinih aminokiselina. Ova metoda je našla široku primjenu u proučavanju sastava nutrijenata i kliničkoj praksi; uz njegovu pomoć, za 2-3 sata možete dobiti potpunu sliku o kvalitativnom sastavu aminokiselina u proizvodima i biološkim tekućinama.
Aminokiseline su organske karboksilne kiseline u kojima je najmanje jedan od atoma vodika u lancu ugljikovodika zamijenjen amino grupom. U zavisnosti od položaja -NH 2 grupe, razlikuju se α, β, γ, itd. Do danas je u raznim objektima živog svijeta pronađeno do 200 različitih aminokiselina. Ljudsko tijelo sadrži oko 60 različitih aminokiselina i njihovih derivata, ali nisu sve dio proteina.
Aminokiseline se dijele u dvije grupe:
- proteinogen (dio proteina)
Među njima su glavne (ima ih samo 20) i rijetke. Rijetke proteinske aminokiseline (na primjer, hidroksiprolin, hidroksilizin, aminolimunska kiselina, itd.) su zapravo derivati istih 20 aminokiselina.
Preostale aminokiseline nisu uključene u izgradnju proteina; nalaze se u ćeliji ili u slobodnom obliku (kao metabolički produkti) ili su dio drugih neproteinskih spojeva. Na primjer, aminokiseline ornitin i citrulin su intermedijarni proizvodi u formiranju proteinogene aminokiseline arginin i uključeni su u ciklus sinteze uree; γ-amino-maslačna kiselina se također nalazi u slobodnom obliku i igra ulogu posrednika u prijenosu nervnih impulsa; β-alanin je dio vitamina pantotenske kiseline.
- neproteinogeni (ne učestvuju u stvaranju proteina)
Neproteinogene aminokiseline su, za razliku od proteinogenih, raznovrsnije, posebno one koje se nalaze u gljivama i višim biljkama. Proteinogene aminokiseline sudjeluju u izgradnji mnogih različitih proteina, bez obzira na vrstu organizma, a neproteinogene aminokiseline mogu biti čak i toksične za organizam druge vrste, odnosno ponašaju se kao obične strane tvari. Na primjer, kanavanin, dienkolna kiselina i β-cijano-alanin, izolirani iz biljaka, otrovni su za ljude.
Struktura i klasifikacija proteinogenih aminokiselina
U najjednostavnijem slučaju, radikal R je predstavljen atomom vodika (glicin), ali može imati i složenu strukturu. Stoga se α-aminokiseline razlikuju jedna od druge prvenstveno po strukturi bočnog radikala, a samim tim i po fizičko-hemijskim svojstvima koja su svojstvena ovim radikalima. Prihvaćene su tri klasifikacije aminokiselina:
Navedena fiziološka klasifikacija aminokiselina nije univerzalna, za razliku od prve dvije klasifikacije, i donekle je proizvoljna, jer vrijedi samo za organizme date vrste. Međutim, apsolutna esencijalnost osam aminokiselina je univerzalna za sve vrste organizama (Tabela 2 prikazuje podatke za neke predstavnike kralježnjaka i insekata [prikaži] ).
| Tabela 2. Esencijalne (+), neesencijalne (-) i poluesencijalne (±) aminokiseline za neke kralježnjake i insekte (po Lyubka et al., 1975.) | |||||||
| Amino kiseline | Ljudski | Rat | Miš | Piletina | Losos | Mosquito | Bee |
| Glycine | - | - | - | + | - | + | - |
| Alanya | - | - | - | - | - | - | - |
| Valin | + | + | + | + | + | + | + |
| Leucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Izoleucin | + | + | + | + | + | + | + |
| Cistein | - | - | - | - | - | - | - |
| Metionin | + | + | + | + | + | + | + |
| Serin | - | - | - | - | - | - | - |
| Treonin | + | + | + | + | + | + | + |
| Asparaginska kiselina | - | - | - | - | - | - | - |
| Glutaminska kiselina | - | - | - | - | - | - | - |
| Lysine | + | + | + | + | + | + | + |
| Arginin | ± | ± | + | + | + | + | + |
| fenilalanin | + | + | + | + | + | + | + |
| Tirozin | ± | ± | + | + | - | - | - |
| Histidin | ± | + | + | + | + | + | + |
| Triptofan | + | + | + | + | + | + | + |
| Proline | - | - | - | - | - | - | - |
Za pacove i miševe već postoji devet esencijalnih aminokiselina (histidin se dodaje na osam poznatih). Normalan rast i razvoj piletine moguć je samo uz prisustvo jedanaest esencijalnih aminokiselina (dodati su histidin, arginin, tirozin), odnosno aminokiseline koje su poluesencijalne za čovjeka su apsolutno neophodne za piletinu. Za komarce je glicin apsolutno neophodan, a tirozin je, naprotiv, neesencijalna aminokiselina.
To znači da su za različite vrste organizama moguća značajna odstupanja u potrebi za pojedinim aminokiselinama, što je određeno karakteristikama njihovog metabolizma.
Sastav esencijalnih aminokiselina koji se razvio za svaki tip organizma, odnosno tzv. auksotrofija organizma u odnosu na aminokiseline, najvjerovatnije odražava njegovu želju za minimalnim troškovima energije za sintezu aminokiselina. Zaista, isplativije je dobiti gotov proizvod nego ga sami proizvoditi. Stoga organizmi koji konzumiraju esencijalne aminokiseline troše približno 20% manje energije od onih koji sintetiziraju sve aminokiseline. S druge strane, tokom evolucije nisu sačuvani oblici života koji bi u potpunosti ovisili o opskrbi svih aminokiselina izvana. Teško bi se prilagodili promjenama u vanjskoj sredini, s obzirom da su aminokiseline materijal za sintezu tvari poput proteina, bez kojih je život nemoguć.
Fizičko-hemijska svojstva aminokiselina
Kiselinsko-bazna svojstva aminokiselina . Po svojim hemijskim svojstvima, aminokiseline su amfoterni elektroliti, odnosno kombinuju svojstva kiselina i baza.
Kiselinske grupe aminokiselina: karboksilna (-COOH -> -COO - + H +), protonirana α-amino grupa (-NH + 3 -> -NH 2 + H +).
Glavne grupe aminokiselina: disocirani karboksil (-COO - + H + -> -COOH) i α-amino grupa (-NH 2 + H + -> NH + 3).
Za svaku aminokiselinu postoje najmanje dvije konstante kiselinske disocijacije pK a - jedna za -COOH grupu, a druga za α-amino grupu.
U vodenom rastvoru mogu postojati tri oblika aminokiselina (slika 1.)
Dokazano je da su u vodenim rastvorima aminokiseline u obliku dipola; ili zwitterion.
Utjecaj pH na ionizaciju aminokiselina . Promjena pH okoline iz kiselog u alkalnu utiče na naboj otopljenih aminokiselina. U kiseloj sredini (pH<7) все аминокислоты несут положительный заряд (существуют в виде катиона), так как избыток протонов в среде подавляет диссоциацию карбоксильной группы:
U kiseloj sredini, aminokiseline se kreću prema katodi u električnom polju.
U alkalnoj sredini (pH>7), gdje postoji višak OH - jona, aminokiseline su u obliku negativno nabijenih jona (aniona), budući da se NH + 3 grupa disocira:
U ovom slučaju, aminokiseline se kreću u električnom polju do anode.
Posljedično, ovisno o pH okoline, aminokiseline imaju ukupni nulti, pozitivan ili negativan naboj.
Stanje u kojem je naboj aminokiseline nula naziva se izoelektrično. pH vrijednost pri kojoj se ovo stanje javlja i aminokiselina se ne kreće u električnom polju ni do anode ni do katode naziva se izoelektrična točka i označava se pH I. Izoelektrična tačka vrlo precizno odražava kiselinsko-bazna svojstva različitih grupa u aminokiselinama i jedna je od važnih konstanti koje karakteriziraju aminokiselinu.
Izoelektrična tačka nepolarnih (hidrofobnih) aminokiselina približava se neutralnoj pH vrednosti (od 5,5 za fenilalanin do 6,3 za prolin ima niske vrednosti (za glutaminsku kiselinu 3,2, za asparaginsku kiselinu 2,8); Izoelektrična tačka za cistein i cistin je 5,0, što ukazuje na slaba kisela svojstva ovih aminokiselina. Osnovne aminokiseline - histidin, a posebno lizin i arginin - imaju izoelektričnu tačku značajno veću od 7.
U ćelijama i međućelijskoj tečnosti ljudskog i životinjskog organizma pH okoline je blizu neutralnog, pa tako bazične aminokiseline (lizin, arginin) nose ukupni pozitivan naboj (kationi), kisele aminokiseline (asparagin i glutamin) imaju negativni naboj (anioni), a ostali postoje u obliku dipola. Kisele i bazične aminokiseline su više hidratizirane od svih ostalih aminokiselina.
Stereoizomerija aminokiselina
Sve proteinogene aminokiseline, s izuzetkom glicina, imaju najmanje jedan asimetrični atom ugljika (C*) i optičku aktivnost, od kojih je većina levorotirajuća. Oni postoje kao prostorni izomeri, ili stereoizomeri. Na osnovu rasporeda supstituenata oko asimetričnog atoma ugljenika, stereoizomeri se klasifikuju u L- ili D-seriju.
L- i D-izomeri su međusobno povezani kao objekt i njegova zrcalna slika, pa se nazivaju i zrcalnim izomeri ili enantiomeri. Aminokiseline treonin i izoleucin imaju po dva asimetrična atoma ugljika, tako da imaju četiri stereoizomera. Na primjer, pored L- i D-treonina, treonin ima još dva, koja se nazivaju dijastereomeri ili aloformi: L-alotreonin i D-alotreonin.
Sve aminokiseline koje čine proteine pripadaju L-seriji. Vjerovalo se da D-amino kiseline nisu pronađene u prirodi. Međutim, polipeptidi su pronađeni u obliku polimera D-glutaminske kiseline u kapsulama bakterija koje nose spore (bacil antraksa, bacil krompira i bacil sijena); D-glutaminska kiselina i D-alanin su dio mukopeptida staničnog zida nekih bakterija. D-amino kiseline se takođe nalaze u antibioticima koje proizvode mikroorganizmi (vidi tabelu 3).
Možda se pokazalo da su D-aminokiseline prikladnije za zaštitne funkcije organizama (u tu svrhu služe i bakterijska kapsula i antibiotici), dok su L-aminokiseline potrebne tijelu za izgradnju proteina.
Distribucija pojedinačnih aminokiselina u različitim proteinima
Do danas je dešifrovan sastav aminokiselina mnogih proteina mikrobnog, biljnog i životinjskog porijekla. Alanin, glicin, leucin i serije najčešće se nalaze u proteinima. Međutim, svaki protein ima svoj sastav aminokiselina. Na primjer, protamini (jednostavni proteini koji se nalaze u ribljem mlijeku) sadrže do 85% arginina, ali im nedostaju cikličke, kisele i aminokiseline koje sadrže sumpor, treonin i lizin. Fibroin - prirodni protein svile, sadrži do 50% glicina; Kolagen, protein tetiva, sadrži rijetke aminokiseline (hidroksilizin, hidroksiprolin), kojih nema u drugim proteinima.
Aminokiselinski sastav proteina nije određen dostupnošću ili nezamjenjivosti određene aminokiseline, već svrhom proteina, njegovom funkcijom. Redoslijed aminokiselina u proteinu određen je genetskim kodom.
| Stranica 2 | ukupno stranica: 7 |