Aminokiseline su heterofunkcionalna jedinjenja koja nužno sadrže dve funkcionalne grupe: amino grupu - NH 2 i karboksilnu grupu - COOH, povezane sa ugljovodoničnim radikalom. Opšta formula najjednostavnijih aminokiselina može se napisati na sledeći način:
Budući da aminokiseline sadrže dvije različite funkcionalne grupe koje utječu jedna na drugu, karakteristične reakcije se razlikuju od reakcija karboksilnih kiselina i amina.
Osobine aminokiselina
Amino grupa - NH 2 određuje osnovna svojstva aminokiselina, budući da je sposobna da veže katjon vodika na sebe putem donatorsko-akceptorskog mehanizma zbog prisustva slobodnog para elektrona na atomu dušika.
-COOH grupa (karboksilna grupa) određuje kisela svojstva ovih jedinjenja. Stoga su aminokiseline amfoterna organska jedinjenja. Reaguju sa alkalijama kao kiseline:
Sa jakim kiselinama - poput baza - aminima:
Osim toga, amino grupa u aminokiselini stupa u interakciju sa svojom karboksilnom grupom, formirajući unutrašnju sol:
Jonizacija molekula aminokiselina ovisi o kiseloj ili alkalnoj prirodi okoliša:
Budući da se aminokiseline u vodenim otopinama ponašaju kao tipična amfoterna jedinjenja, u živim organizmima igraju ulogu puferskih tvari koje održavaju određenu koncentraciju vodikovih iona.
Aminokiseline su bezbojne kristalne supstance koje se tope i raspadaju na temperaturama iznad 200 °C. Rastvorljivi su u vodi i nerastvorljivi u eteru. U zavisnosti od R-radikala, mogu biti slatke, gorke ili bezukusne.
Aminokiseline se dijele na prirodne (koje se nalaze u živim organizmima) i sintetičke. Među prirodnim aminokiselinama (oko 150) izdvajaju se proteinogene aminokiseline (oko 20), koje su dio proteina. Oni su L-oblika. Otprilike polovina ovih aminokiselina je nezamjenjiv, jer se ne sintetiziraju u ljudskom tijelu. Esencijalne kiseline su valin, leucin, izoleucin, fenilalanin, lizin, treonin, cistein, metionin, histidin, triptofan. Ove supstance ulaze u ljudski organizam sa hranom. Ako je njihova količina u hrani nedovoljna, narušava se normalan razvoj i funkcionisanje ljudskog organizma. Kod određenih bolesti tijelo nije u stanju sintetizirati neke druge aminokiseline. Dakle, kod fenilketonurije, tirozin se ne sintetizira. Najvažnije svojstvo aminokiselina je sposobnost ulaska u molekularnu kondenzaciju sa oslobađanjem vode i stvaranjem amidne grupe -NH-CO-, na primjer:
Visokomolekularna jedinjenja dobijena kao rezultat ove reakcije sadrže veliki broj amidnih fragmenata i stoga se nazivaju poliamidi.
Oni, pored sintetičkih najlonskih vlakana spomenutih gore, uključuju, na primjer, enant, koji nastaje tokom polikondenzacije aminoenantne kiseline. Aminokiseline sa amino i karboksilnim grupama na krajevima molekula pogodne su za proizvodnju sintetičkih vlakana.
Poliamidi alfa aminokiselina nazivaju se peptidi. U zavisnosti od broja aminokiselinskih ostataka razlikuju se dipeptidi, tripeptidi, polipeptidi. U takvim jedinjenjima, -NH-CO- grupe se nazivaju peptidne grupe.
Neke aminokiseline se razlažu i pretvaraju u konačne proizvode: C0 2, H 2 0 i NH 3.
Razgradnja počinje reakcijama zajedničkim za većinu aminokiselina. To uključuje:
a) dekarboksilacija - uklanjanje karboksilne grupe iz aminokiselina u obliku ugljičnog dioksida:
Ova transformacija aminokiselina se obično odvija vrlo malom brzinom i stvara se malo amina. Ali neki amini, koji su u vrlo niskim koncentracijama, imaju visoku biološku aktivnost i utiču na različite funkcije organizma. Primjer takvog amina je histamin, koji nastaje iz aminokiseline histidina.
b) deaminacija - eliminacija amino grupe u obliku NH 3. Kod ljudi se deaminacija aminokiselina odvija oksidativnim putem:
Deaminacija aminokiselina se također odvija malom brzinom. A samo jedna aminokiselina - glutamin - se deaminira velikom brzinom zbog prisustva aktivnog enzima u tijelu koji uzrokuje deaminaciju samo ove aminokiseline.
c) transaminacija (transaminacija) - reakcija između aminokiselina i α-keto kiselina. Tokom ove reakcije, njeni učesnici razmenjuju funkcionalne grupe, usled čega se amino kiselina pretvara u α-keto kiselinu, a keto kiselina postaje amino kiselina:
Sve aminokiseline prolaze kroz transaminaciju. Ova reakcija uključuje koenzim - fosfopiridoksal, za čije stvaranje je potreban vitamin B 6 - piridoksin.
Transaminacija je glavna transformacija aminokiselina u tijelu, jer je njena brzina mnogo veća od one u reakcijama dekarboksilacije i deaminacije.
Transaminacija obavlja dvije glavne funkcije:
a) zbog transaminacije neke aminokiseline se mogu pretvoriti u druge. U ovom slučaju se ukupan broj aminokiselina ne mijenja, ali se mijenja omjer između njih. Strani proteini u organizam ulaze hranom, u kojoj su aminokiseline u različitim omjerima u odnosu na tjelesne proteine. Transaminacijom se prilagođava sastav aminokiselina u tijelu.
b) sastavni je dio indirektne (indirektne) deaminacije aminokiselina – procesa od kojeg počinje razgradnja većine aminokiselina. U prvoj fazi ovog procesa, aminokiseline prolaze kroz reakciju transaminacije sa α-ketoglutarnom kiselinom (α-keto kiselina). Aminokiseline se pretvaraju u a-keto kiseline, a a-ketoglutarna kiselina se pretvara u glutaminsku kiselinu (aminokiselinu). U drugoj fazi, nastala glutaminska kiselina se podvrgava deaminaciji, od nje se odvaja NH 3 i ponovo nastaje α-ketoglutarna kiselina.
Konačna jednačina za indirektnu deaminaciju poklapa se sa jednačinom za direktnu deaminaciju. Međutim, indirektna deaminacija ima mnogo veću brzinu od direktne deaminacije, što je zbog visoke aktivnosti enzima koji kataliziraju obje faze ovog procesa.
Iz toga slijedi da je reakcija koja započinje razgradnju aminokiselina transaminacija.
Rezultirajuće a-keto kiseline se zatim podvrgavaju dubokoj razgradnji i pretvaraju u konačne proizvode C0 2 i H 2 0. Svaka od 20 keto kiselina (formiranih ih je onoliko koliko je vrsta aminokiselina) ima svoju specifičnu putevi razgradnje. Međutim, prilikom razgradnje nekih aminokiselina nastaje pirogrožđana kiselina kao međuproizvod iz kojeg se može sintetizirati glukoza. Stoga se aminokiseline iz kojih nastaju takve keto kiseline nazivaju glukogene. Druge keto kiseline ne stvaraju piruvat tokom svog razlaganja. Njihov međuproizvod je acetil koenzim A, iz kojeg je nemoguće dobiti glukozu, ali se mogu sintetizirati ketonska tijela. Aminokiseline koje odgovaraju takvim keto kiselinama nazivaju se ketogene.
Drugi proizvod indirektne deaminacije aminokiselina je amonijak. Amonijak je veoma toksičan za organizam. Stoga tijelo ima molekularne mehanizme za njegovu neutralizaciju.
Pitanje49. Neutralizacija amonijaka. sinteza glutaminske kiseline (reduktivna aminacija) - interakcija α-ketoglutarata sa amonijakom. Reakcija je u suštini obrnuta od oksidativne deaminacije, ali koristi NADPH kao koenzim. Javlja se u gotovo svim tkivima osim mišića, ali je od malog značaja, jer za glutamat dehidrogenazu, poželjan supstrat je glutaminska kiselina i ravnoteža reakcije se pomera prema α-ketoglutaratu,
Reakcija sinteze glutaminske kiseline
sinteza glutamina - interakcija glutamata s amonijakom. To je glavna metoda uklanjanja amonijaka, a najaktivnije se javlja u nervnom i mišićnom tkivu, u bubrezima, retini i jetri. Reakcija se odvija u mitohondrijima.
Reakcija sinteze glutamina
Formiranje velike količine glutamina osigurava visoke koncentracije u krvi (0,5-0,7 mmol/l).
Pošto glutamin prodire kroz ćelijske membrane olakšanom difuzijom, lako ulazi ne samo u hepatocite, već iu druge ćelije u kojima se nalazi potreba za amino grupama. Azot koji nosi glutamin koriste ćelije za sintezu purinskih i pirimidinskih prstenova, gvanozin monofosfata (GMP), asparagina i glukozamin-6-fosfata (prekursora svih ostalih amino šećera).
sinteza asparagina - interakcija aspartata s amonijakom. To je sekundarna metoda uklanjanja amonijaka, energetski je nepovoljan, jer u ovom slučaju, 2 makroergijske veze su izgubljene,
Reakcija sinteze asparagina
sinteza karbamoil fosfata u mitohondrijima jetre - reakcija je prva u procesu sinteze urea, sredstvo za uklanjanje amonijaka iz organizma.
Pitanje: 49 Neutralizacija amonijaka.
Visok intenzitet procesa deaminacije aminokiselina u tkivima i vrlo nizak nivo amonijaka u krvi ukazuju na to da se amonijak aktivno vezuje u ćelijama i formira netoksična jedinjenja koja se izlučuju iz organizma urinom. Ove reakcije se mogu smatrati reakcijama neutralizacije amonijaka. U različitim tkivima i organima pronađeno je nekoliko vrsta takvih reakcija.
Glavna reakcija vezivanja amonijaka, koja se javlja u svim tkivima tijela, je
sinteza glutamina pod dejstvom glutamin sintetaze:
Glutamin sintetaza je lokalizovana u ćelijskim mitohondrijama da bi enzim funkcionisao, potreban je kofaktor - joni Mg 2+. Glutamin sintetaza je jedan od glavnih regulatornih enzima metabolizma aminokiselina i alosterički je inhibirana AMP, glukoza-6-fosfatom, kao i Gly, Ala i His.
Glutamin se lako transportuje kroz ćelijske membrane olakšanom difuzijom (moguć je samo aktivni transport za glutamat) i ulazi u krv iz tkiva. Glavni dobavljači tkiva glutamina su mišići, mozak i jetra. Glutamin se transportuje krvotokom do crijeva i bubrega.
U crevnim ćelijama Pod djelovanjem enzima glutaminaze dolazi do hidrolitičkog oslobađanja amidnog dušika u obliku amonijaka:
Glutamat koji nastaje u reakciji prolazi kroz transaminaciju sa piruvatom. Ok-amino grupa glutaminske kiseline se prenosi u alanin (sl. 9-10). Velike količine alanina ulaze u krv portalne vene iz crijeva i apsorbira se u jetri. Oko 5% formiranog amonijaka uklanja se fecesom, mali dio ulazi u jetru kroz portalnu venu, a preostalih ~90% izlučuje se putem bubrega.
Rice. 9-10. Metabolizam glutaminskog azota u crijevima.
U bubrezima Glutamin se također hidrolizira glutaminazom u amonijak. Ovaj proces je jedan od mehanizama za regulaciju acido-bazne ravnoteže u organizmu i očuvanje najvažnijih katjona za održavanje osmotskog pritiska. Glutaminaza bubrega je značajno indukovana tokom acidoze, a nastali amonijak neutrališe kisele metaboličke produkte i izlučuje se urinom u obliku amonijumovih soli (slika 9-11). Ova reakcija štiti organizam od prekomjernog gubitka Na+ i K+ jona, koji se također mogu iskoristiti za izlučivanje anjona i izgubiti. Kod alkaloze se smanjuje količina glutaminaze u bubrezima.
Oko 0,5 g amonijum soli dnevno se formira i izlučuje bubrezima.
Visok nivo glutamina u krvi i lakoća njegovog ulaska u ćelije određuju upotrebu glutamina u mnogim anaboličkim procesima. Glutamin je glavni donator dušika u tijelu. Amidni dušik glutamina koristi se za sintezu purina i pirimidina
Rice. 9-11. Metabolizam amidnog azota glutamina u bubrezima.
nukleotidi, asparagin, amino šećeri i druga jedinjenja (sl. 9-12).
Rice. 9-12. Načini korištenja glutamina u tijelu.
Može se razmotriti još jedna reakcija za neutralizaciju amonijaka u tkivima sinteza asparagina pod dejstvom asparagin sintetaze.
Postoje 2 izoforme ovog enzima - zavisne od glutamina i zavisne od amonijaka, koje koriste različite donore amidnih grupa. Prvi funkcionira u životinjskim stanicama, drugi prevladava u bakterijskim stanicama, ali je prisutan i kod životinja. Međutim, ovaj put neutralizacije amonijaka u ljudskim stanicama rijetko se koristi i, osim toga, zahtijeva veći utrošak energije (energija dvije visokoenergetske veze) od sinteze glutamina.
Najznačajnije količine amonijaka neutraliziraju se u jetri sinteza uree. U prvoj reakciji procesa, amonijak se spaja s ugljičnim dioksidom i formira karbamoil fosfat, trošeći 2 molekula ATP-a. Reakcija se odvija u mitohondrijima hepatocita pod dejstvom enzima karbamoilfosfat sintetaze I. Karbamoilfosfat sintetaza II je lokalizovana u citosolu ćelija svih tkiva i uključena je u sintezu srimidin nukleotida (videti odeljak 10). Karbamoil fosfat se zatim uključuje u ornitinski ciklus i koristi se za sintezu uree.
Može se javiti u mozgu i nekim drugim organima reduktivna aminacija α -ketoglutarat pod djelovanjem glutamat dehidrogenaze, koja katalizuje reverzibilnu reakciju. Međutim, ovaj put za neutralizaciju amonijaka u tkivima se slabo koristi, jer glutamat dehidrogenaza katalizuje pretežno reakciju deaminacije glutamata. Iako, ako uzmemo u obzir naknadno stvaranje glutamina, reakcija je korisna za stanice, jer potiče vezivanje 2 NH 3 molekula odjednom.
Višak amonijaka se izlučuje iz mišića i crijeva uglavnom u obliku alanina. Ovaj mehanizam je neophodan jer je aktivnost glutamat dehidrogenaze u mišićima niska, a indirektna deaminacija aminokiselina neefikasna. Stoga postoji još jedan put za izlučivanje dušika u mišićima. Formiranje alanina u ovim organima može se prikazati sljedećim dijagramom (vidi dijagram ispod).
Amino grupe različitih aminokiselina se putem reakcija transaminacije prenose u piruvat, čiji je glavni izvor proces oksidacije glukoze.
Mišići luče posebno puno alanina zbog svoje velike mase i aktivne potrošnje
Šema
glukoze tokom fizičkog rada, a i zato što dio energije dobijaju razgradnjom aminokiselina. Nastali alanin ulazi u jetru, gdje se podvrgava indirektnoj deaminaciji. Oslobođeni amonijak se neutralizira, a piruvat se uključuje u glukoneogenezu. Glukoza iz jetre ulazi u tkiva i tamo se u procesu glikolize ponovo oksidira u piruvat (sl. 9-13).
Stvaranje alanina u mišićima, njegov transport do jetre i transport glukoze sintetizirane u jetri natrag u mišiće čine glukoza-alaninski ciklus,čiji je rad povezan s radom glukozno-laktatnog ciklusa (vidjeti dio 7).
Skup glavnih procesa metabolizma amonijaka u tijelu prikazan je na Sl. 9-14. Dominantni enzimi u metabolizmu amonijaka su glutamat dehidrogenaza i glutamin sintetaza.
Pitanje 50. Biološka uloga vitamina. Glavni uzroci hipovitaminoze - oni su dio koenzima i prostetičkih grupa enzima, pa ih tijelo koristi kao građevinski materijal u sintezi odgovarajućih neproteinskih dijelova enzima - specifične bolesti u blažem obliku u odnosu na nedostatke vitamina uzrokovanih nedovoljnim sadržajem pojedinih vitamina u organizmu. Razlozi: Egzogeni (vezani za ishranu) nepravilno kuvanje, kuvanje sa malom količinom vitamina, monotona ishrana. Endogene (vezane za stanje organizma) bolesti gastrointestinalnog trakta i jetre, inhibicija crijevne mikroflore, povećana potreba za vitaminima (na primjer: trudnoća)
50. Biološka uloga vitamina, glavni uzročnici hipovitaminoze.
Biološka uloga vitamina.
Vitamini su organska jedinjenja niske molekularne strukture. U organizam ulaze uglavnom hranom, jer ih tijelo sintetiše u izuzetno ograničenim količinama.
Vrste vitamina:
· Vitamini rastvorljivi u vodi (vitamini grupe B: B 1, B 2, B 6, B 12, BC; C; PP; P; H). Ovi vitamini sudjeluju u stvaranju raznih koenzima.
· Vitamini rastvorljivi u mastima (A 1, D 2, D 3, K i E) su uključeni u određivanje i održavanje funkcionalnosti subcelularnih struktura i ćelijskih membrana.
Uz značajan nedostatak vitamina, svi procesi u tijelu ne mogu se odvijati normalno, što uzrokuje poremećaje u radu organa i njihovih sistema.
Vitamin A (retinol) je neophodan za održavanje lijepe kože, kose i svih sluzokoža, te normalno funkcionisanje vidnog sistema. Bez toga je nemoguće harmonično formiranje tijela tokom adolescencije.
· Vitamin B 1 (tiamin) koordinira metabolizam ugljikohidrata, koji opskrbljuje tijelo energijom, podržava funkcionisanje nervnog, probavnog i respiratornog sistema.
· Vitamin B 2 (riboflavin) je odgovoran za sposobnost ćelija da se regenerišu, pa uz njegov nedostatak i male pukotine na koži teško zarastaju. Njegova funkcija je nezamjenjiva u procesima oksidacije i sinteze u organizmu, kao i u održavanju funkcionalnosti autonomnog nervnog sistema.
· Vitamin B 6 (piridoksin) – učesnik u metabolizmu bjelančevina i masti, podstičući tjelesnu upotrebu prirodnih antioksidansa u obliku nezasićenih masnih kiselina. Određeni udio ovog vitamina formira crijevna mikroflora.
· Vitamin B 12 (cijanokobalamin) ima važnu ulogu u procesima hematopoeze i metabolizma proteina. Zahvaljujući ovom vitaminu, karoten se apsorbuje u tijelu, pretvarajući se u vitamin A. Formira se u debelom crijevu.
· Vitamini grupe D su uključeni u metabolizam kalcijum-fosfora i podržavaju zdravlje endokrinih žlijezda. S nedostatkom se poremeti formiranje zuba i kostiju, zahvaćaju mišići, pogoršava se rad probavnog, kardiovaskularnog i nervnog sistema.
· Vitamin C je važna komponenta redoks procesa koji sprečava nastanak tumora. Bez toga se ne mogu odvijati procesi hematopoeze i apsorpcije gvožđa. Potreban je za podršku imunitetu.
· Vitamin E (tokoferol acetat) je prirodni antioksidans koji podržava reproduktivne funkcije.
· Vitamin PP je jedan od glavnih regulatora metabolizma, sa čijim nedostatkom većina tkiva i organa prolazi kroz patološke promjene.
Uzroci nedostatka hipovitamina.
Nedostatak vitamina u ishrani, neuravnotežena ishrana
· Uništavanje nutrijenata u hrani koja ih sadrži zbog kršenja uslova skladištenja ili kao rezultat temperature ili drugog kuhanja
· Djelovanje antagonističkih supstanci koje se nalaze u određenim proizvodima i dovode do uništavanja vitamina i poremećaja njihove apsorpcije (posebno bjelanjak otežava apsorpciju biotina).
Hipovitaminozu mogu uzrokovati i endogeni (unutrašnji uzroci):
Genetski uvjetovani defekti enzimskih sistema, transportnih funkcija koje osiguravaju apsorpciju i distribuciju vitamina.
Uzimanje određenih lijekova također može uzrokovati hipovitaminozu.
Povećane ljudske potrebe za vitaminima (trudnoća i dojenje, periodi povećanog fizičkog i psihičkog stresa, intenzivan rast u adolescenciji i djetinjstvu).
51. B1, B2, B6, RR. Vitamin B1 (Tijamin). Koristi se za sintezu koenzima tiamin difosfata, neophodnog za aerobnu razgradnju ugljika. Dnevna potreba je 2-3 mg vitamina B2. Koristi se za sintezu koenzima tkivnog disanja FAD i FMN, koji su uključeni u prijenos atoma vodika u mitohondrijskom respiratornom lancu. FAD (flavin adenin dinukleotid) je koenzim koji se sastoji od dva nukleotida povezana ostacima fosforne kiseline. Jedan od nukleotida sadrži vitamin B2. Zajedno sa enzimima flavina, učestvuje u prijenosu atoma vodika u mitohondrijskom respiratornom lancu. FMN (flavin mononukleotid) je koenzim čija je struktura nukleotid koji sadrži vitamin B2. Zajedno sa enzimima flavina, učestvuje u prijenosu atoma vodika u mitohondrijskom respiratornom lancu. Vitamin B6. (Piridoksin). Koristi se za sintezu koenzima fosfopiridoksala, koji je uključen u transaminaciju aminokiselina. Dnevna potreba je 2-3 mg. Vitamin RR. (nikotinamid). Koristi se za sintezu koenzima NAD (Nikotinamid adenin dinukleotid): neophodnih za prijenos atoma vodonika u respiratornom lancu mitohondrija, i NADP uključen u pentozni ciklus. Dnevna potreba je 15-25 mg.
Vitamini C i R.
Vitamin C (askorbinska kiselina).
Biološka uloga. Učestvuje u redoks reakcijama. Uloga vitamina C posebno je važna u hidroksilaciji aminokiselina prolina i lizina u hidroksiprolin i oksilizin tokom sinteze proteina kolagena, kao iu sintezi hormona nadbubrežne žlijezde.
Skorbut.
Izvori hrane - Agrumi, crvena paprika, ribizla, borovnica, kiseli kupus, borove iglice.
Dnevne potrebe - 50-100 mg.
Vitamin R.
Vitamin propusnosti (Rutin)
Biološka uloga . Zajedno sa vitaminom C učestvuje u redoks reakcijama, smanjuje propusnost zidova krvnih sudova i ima antioksidativna svojstva.
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze - krvarenja
Izvori hrane - agrumi, heljda, crvena paprika, aronija, crna ribizla
Dnevne potrebe - Nije instalirano.
Vitamini B12 i B6.
Vitamin B12 (cijanokobalamin).
Biološka uloga - koristi se za sintezu koenzima koji učestvuju u prijenosu metilne grupe (-CH3), sa njenim naknadnim uključivanjem u sintetizirane supstance.
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze - Anemija
Izvori hrane - Jetra, bubrezi, meso, jaja, sir. Sintetizira se crijevnom mikroflorom kada se kobalt unese hranom.
Dnevne potrebe - 2-3 mcg.
Vitamin B6.
piridoksin
Biološka uloga: koristi se za sintezu koenzima fosfopiridoksala, koji je uključen u transaminaciju aminokiselina.
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze - Dermatid
Izvori hrane - jetra, bubrezi, meso, žumance. Sintetizira se crijevnom mikroflorom.
Dnevne potrebe - 2-3 mg .
Vitamini rastvorljivi u mastima.
vitamin A (retinol)
Biološka uloga – učestvuje u percepciji svetlosti od strane mrežnjače. Utječe na zaštitnu funkciju kože, sluzokože i propusnost ćelijskih membrana.
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze - kseroftalmija (suha rožnjača), keratomalacija (uništenje rožnice), sumrak ili „noćno sljepilo“
Izvori hrane - morsko riblje ulje, goveđa i svinjska jetra, žumance, šargarepa.
Dnevna potreba je 2-3 mg.
vitamin D (kalciferol)
Biološka uloga - učestvuje u apsorpciji Ca jona u crijevima, njihovom transportu u krv i uključivanju u koštano tkivo i u procesu okoštavanja
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze je rahitis.
Izvori hrane: ulje iz jetre morske ribe, puter, biljna ulja, jaja, mleko.
Dnevna potreba je 13-25 mcg za djecu i trudnice, 7-12 mcg za odrasle.
Vitamin E. (tokoferol).
Biološka uloga: glavni je antioksidans organizma, štiti polinezasićene masne kiseline sadržane u biološkim membranama od oksidacije.
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze: Kod eksperimentalnih životinja - neplodnost, mišićna distrofija.
Izvori hrane - žitarice, biljna ulja, meso i puter.
Dnevna potreba je 5-10 mg.
Vitamin K (filukinon).
Biološka uloga - učestvuje u sintezi nekih faktora koagulacije krvi (uključujući protrombin)
Manifestacija nedostatka vitamina ili hipovitaminoze - pojačano krvarenje
Izvori hrane - Jetra, spanać, šargarepa, kupus. Sintetizira se crijevnom mikroflorom
Dnevna potreba je 100 mcg.
55. Opšti mehanizmi djelovanja hormona.
Hormoni su organske tvari koje se proizvode u endokrinim žlijezdama, prenose se krvlju u različite organe i imaju regulacijski učinak na metabolizam i fiziološke funkcije. Hormoni se sintetiziraju u zanemarljivim koncentracijama.
U hormonskim ćelijama u kojima se ostvaruju dejstva hormona (ciljani organi) nalaze se posebni proteini koji se nazivaju hormonski receptori. Ovi proteini imaju sposobnost specifičnog vezanja samo za određene hormone, te stoga ciljni organi selektivno izvlače iz krvi koja teče samo one hormone koji su potrebni ovom organu. Ovaj mehanizam omogućava hormonima da striktno selektivno utiču na određene organe. Receptorski proteini se nalaze ili unutar ćelija ili ugrađeni u ćelijsku membranu.
Za neke hormone (na primjer, za adrenalin i glukagon), takvi receptori su membranski vezani (ugrađeni u ćelijsku membranu) enzim adenilat ciklaza. Dodavanje hormona ovom enzimu dovodi do povećanja njegove katalitičke aktivnosti. Pod dejstvom aktivirane adenilat ciklaze unutar ćelija, prisutni ATP se pretvara u ciklički oblik AMP (cAMP). Rezultirajući cAMP je direktno uključen u regulaciju ćelijskog metabolizma.
Ćelije ciljnih organa sadrže enzime koji uništavaju hormone koji ulaze u njih, kao i cAMP, koji na vrijeme ograničava djelovanje hormona i sprječava njihovo nakupljanje.
Osetljivost receptora i aktivnost enzima koji razgrađuju hormone mogu se promeniti sa metaboličkim poremećajima, promenama fizičko-hemijskih parametara organizma (temperatura, kiselost, osmotski pritisak) i koncentracija najvažnijih supstrata koji nastaju tokom bolesti, kao i kao tokom rada mišića. Posljedica toga je jačanje ili slabljenje utjecaja hormona na odgovarajuće organe.
Intracelularni mehanizmi djelovanja hormona su različiti. Ali još uvijek možemo razlikovati tri glavna mehanizma svojstvena većini hormona:
1. Utječu na brzinu sinteze enzima, ubrzavajući je ili usporavajući je. Kao rezultat takvog izlaganja, koncentracija određenih enzima u ciljnim organima se povećava ili smanjuje (promjena brzine enzimskih reakcija).
2. Utječu na aktivnost enzima u organima: u nekim slučajevima su aktivatori enzima i povećavaju brzinu enzimskih reakcija, u drugima imaju inhibitorno svojstvo i smanjuju brzinu enzimskog procesa.
3. Utječu na propusnost ćelijskih membrana prema određenim hemijskim jedinjenjima. Kao rezultat, više ili manje supstrata za enzimske reakcije ulazi u ćelije, što utiče na brzinu hemijskih procesa.
Po svojoj hemijskoj strukturi dele se na:
1. Proteinski hormoni (proteini i polipeptidi): hormoni hipotalamusa, hormoni hipofize, tiroidni kalcitonin, paratiroidni hormon, hormoni pankreasa;
2. Hormoni - derivati aminokiseline tirozin: tiroidni hormoni koji sadrže jod, hormoni medule nadbubrežne žlijezde;
3. Steroidni hormoni: hormoni kore nadbubrežne žlijezde, hormoni polnih žlijezda.
Sinteza i oslobađanje hormona u krv je pod kontrolom NS-a. Kada je tijelo izloženo bilo kojim vanjskim faktorima ili kada dođe do promjena u krvi i različitim organima, odgovarajuća informacija se prenosi duž aferentnih (osjetnih) nerava do centralnog nervnog sistema. Kao odgovor na primljene informacije, hipotalamus proizvodi biološki aktivne tvari (hormone hipotalamusa), koje potom ulaze u hipofizu i stimuliraju ili inhibiraju lučenje tzv. tropskih hormona (hormoni prednjeg režnja). Tropski hormoni se oslobađaju iz hipofize u krv, prenose do endokrinih žlijezda i izazivaju u njima sintezu i lučenje odgovarajućih hormona, koji dalje utiču na ciljne organe. Dakle, tijelo ima jedinstvenu neurohumoralnu regulaciju.
Sve endokrine žlezde utiču jedna na drugu. Unošenje hormona u organizam ne utiče samo na funkciju žlezde koja proizvodi ubrizgani hormon, već može negativno uticati i na stanje celokupne nervne regulacije u celini.
56. Hormoni hipotalamusa i hipofize.
Hipotalamus.
Liberini (oslobađajući faktori) – Hemijska priroda hormona – proteina
Stimulira oslobađanje hormona iz prednje hipofize u krv.
Statini (inhibicijski faktori) – Hemijska priroda hormona – proteina
Oni inhibiraju oslobađanje hormona iz prednje hipofize u krv.
Kod ljudi je glavna metoda deaminacije oksidativno deaminiranje. Postoje dvije opcije za oksidativnu deaminaciju: direktno I indirektno.
Direktna oksidativna deaminacija
Direktnu deaminaciju katalizira jedan enzim, što rezultira stvaranjem NH 3 i keto kiseline. Direktna oksidativna deaminacija može se dogoditi u prisustvu kisika (aerobno) i bez potrebe za kisikom (anaerobno).
1. Aerobna direktna oksidativna deaminacija kataliziran oksidazama D-amino kiselina ( D-oksidaze) koristeći kao koenzim FAD i L-aminokiselinske oksidaze ( L-oksidaze) sa koenzimom FMN. Ovi enzimi su prisutni u ljudskom tijelu, ali su praktično neaktivni.
Reakcija katalizirana D- i L-aminokiselinskim oksidazama
2. Anaerobna direktna oksidativna deaminacija postoji samo za glutaminsku kiselinu, samo kataliziranu glutamat dehidrogenaza, pretvarajući glutamat u α-ketoglutarat. Enzim glutamat dehidrogenaza prisutan je u mitohondrijima svih ćelija u telu (osim mišićnih ćelija). Ova vrsta deaminacije je usko povezana sa aminokiselinama i sa njima formira proces transdeaminacija(vidi dolje).
Direktna reakcija oksidativne deaminacije
glutaminska kiselina
Indirektna oksidativna deaminacija (transdeaminacija)
Indirektna oksidativna deaminacija uključuje 2 faze i aktivan je u svim ćelijama tijela.
Prva faza se sastoji od reverzibilnog prijenosa NH 2 grupe iz aminokiseline u keto kiselinu uz stvaranje nove amino kiseline i nove keto kiseline uz sudjelovanje enzima aminotransferaze. Ovaj prijenos se zove i njegov mehanizam je prilično složen.
Obično se koristi kao akceptor ketokiseline („ketokiselina 2“) u tijelu. α-ketoglutarna kiselina, koji se pretvara u glutamat(“amino kiselina 2”).
Shema reakcije transaminacije
Kao rezultat transaminacije, slobodne aminokiseline gube α-NH 2 grupe i pretvaraju se u odgovarajuće keto kiseline. Zatim, njihov ketoskelet se katabolizira na specifične načine i uključen je u ciklus trikarboksilne kiseline i disanje tkiva, gdje sagorijeva na CO 2 i H 2 O.
Kada je potrebno (kao što je gladovanje), ugljenični kostur glukogenih aminokiselina može se koristiti u jetri za sintetizaciju glukoze u glukoneogenezi. U ovom slučaju, broj aminotransferaza u hepatocitu se povećava pod utjecajem glukokortikoida.
Druga faza se sastoji od eliminacije amino grupe iz aminokiseline 2 - deaminacija.
Jer u tijelu je sakupljač svih aminokiselinskih amino grupa glutaminska kiselina, tada samo on prolazi kroz oksidativnu deaminaciju sa stvaranjem amonijaka i α-ketoglutarne kiseline. Ova faza se sprovodi glutamat dehidrogenaza, koji je prisutan u mitohondrijima svih ćelija u telu, osim mišićnih ćelija.
S obzirom na blisku vezu između oba stupnja, indirektna oksidativna deaminacija se naziva transdeaminacija.
Shema oba stupnja transdeaminacije
Ako se direktna reakcija deaminacije dogodi u mitohondrijima jetre, amonijak se koristi za sintetiziranje ureje, koja se potom uklanja urinom. U bubrežnom tubularnom epitelu, reakcija je neophodna za uklanjanje amonijaka kroz proces amonijageneze.
Budući da se NADH koristi u respiratornom lancu, a α-ketoglutarat je uključen u reakcije TCA ciklusa, reakcija se aktivira manjkom energije i inhibira višak ATP-a I NADH.
Uloga transaminacije i transdeaminacije
Reakcije transaminacija:
- aktiviraju se u jetri, mišićima i drugim organima kada višak određenih aminokiselina uđe u ćeliju – kako bi se optimizirao njihov odnos,
- osiguravaju sintezu neesencijalnih aminokiselina u ćeliji u prisustvu njihovog ugljičnog skeleta (keto analoga),
- počinje kada se prestane sa upotrebom aminokiselina za sintezu spojeva koji sadrže dušik (proteini, kreatin, fosfolipidi, purinske i pirimidinske baze) - s ciljem daljnjeg katabolizma njihovih ostataka bez dušika i proizvodnje energije,
- neophodno tokom intracelularnog gladovanja, na primjer, tijekom hipoglikemije različitog porijekla - za korištenje ostataka aminokiselina bez dušika u jetra Za
U prvom dijelu ovog poglavlja već je opisana potreba i osnovna strategija za razgradnju aminokiselina. Objašnjava se nemogućnošću skladištenja aminokiselina za buduću upotrebu i nemogućnošću njihovog potpunog uklanjanja iz ćelija. Višak aminokiselina koriste organizmi kao metaboličko gorivo: njihovi ugljični skeleti, prilikom prestrojavanja određene vrste, mogu biti uključeni u biosintezu masnih kiselina, glukoze, ketonskih tijela, izoprenoida itd., a mogu se oksidirati i u TCA ciklusu, osiguravajući ćeliju energijom. Treba napomenuti da su mnogi mikroorganizmi, posebno aerobne bakterije, u stanju koristiti pojedinačne aminokiseline kao jedini izvor energije i ugljika. Kod anaerobnih mikroorganizama, u odsustvu ciklusa trikarboksilne kiseline u ćelijama, razvio se drugi mehanizam: katabolizam aminokiselina u paru, kada jedna od njih služi kao donor elektrona, a druga kao akceptor. Važno je da se u tom procesu formira ATP.
Osim ugljičnih skeleta, razgradnjom aminokiselina nastaje aminski dušik, koji za razliku od ugljika nije pogodan za dobivanje energije oksidacijom, a štoviše, toksičan je za stanice. Stoga se one amino grupe koje se ne mogu ponovo upotrijebiti u biosintezi pretvaraju u ureu (ili druge tvari) i izlučuju iz tijela.
U nastavku ćemo razmotriti glavne vrste reakcija koje aminokiseline mogu proći: reakcije na a-amino grupi, karboksilnoj grupi i bočnom lancu.
Podjela aminokiselina po amino grupama . Ovi procesi su uglavnom predstavljeni reakcijama transaminacije i deaminacije na a-amino grupi. Reakcije transaminacije su već razmatrane u odjeljku o biosintezi aminokiselina. Katalizuju ih transaminaze (aminotransferaze), čija je karakteristična karakteristika upotreba piridoksal fosfata (derivat vitamina B 6) kao prostetske grupe. Glutamat transaminaza i alanin transaminaza su od najveće važnosti u procesima razgradnje aminokiselina. Ovi enzimi djeluju kao "lijevci" koji sakupljaju amino grupe iz različitih aminokiselina i ugrađuju ih u glutamat i alanin. Kod životinja ove dvije aminokiseline služe kao prenosioci akumuliranog aminskog dušika iz tkiva u jetru. U jetri, amino grupa alanina se prenosi alanin transaminazom u a-ketoglutarat kako bi se formirao glutamat:
Dakle, većina amino grupa različitih aminokiselina sadržana je u glutamatu koji se lako deaminira.
Reakcije deaminacije aminokiselina dovode do oslobađanja NH 2 grupe u obliku amonijaka i provode se na tri različita načina. Postoje oksidativna, hidrolitička i direktna deaminacija (slika 16.12). Najčešći tip je oksidativno deaminiranje, koji se javlja na a-amino grupi i katalizira ga uglavnom glutamat dehidrogenaza, enzim tipičan za jetru. Neobično svojstvo ovog enzima je njegova sposobnost da koristi i NAD i NADP kao koenzime. Aktivnost glutamat dehidrogenaze regulišu alosterični aktivatori (ADP, GDP) i inhibitori (ATP, GTP).
Oksidativna deaminacija se odvija u dva koraka, pri čemu se proizvodi iminokiselina kao intermedijer koji spontano hidrolizira da bi se formirala keto kiselina i amonijak (Slika 16.12). Obje reakcije su reverzibilne, a njihove konstante ravnoteže su blizu jedinice. Prethodno je (slika 16.3) pokazano kako je, tokom reverzne reakcije, amonijak uključen u sastav glutamata. Može se smatrati da je reakcija stvaranja i deaminacije glutamata centralna reakcija u procesu metabolizma amonijaka.
U mnogim organizmima, oksidativna deaminacija se provodi pomoću dehidrogenaza koje koriste flavin kofaktore (FMN, FAD). Ovi enzimi se nazivaju aminokiselinske oksidaze. Odlikuje ih široka specifičnost supstrata: neke su specifične za L-amino kiseline, druge za njihove D-analoge. Vjeruje se da ovi enzimi daju mali doprinos metabolizmu amino grupa.
Hidrolitička deaminacija Nekoliko aminokiselina je podložno, od proteinogenih - asparagin i glutamin. Kada se deaminiraju, nastaju aspartat i glutamat. Ovaj proces se tačnije naziva deamidacijom, jer ga provodi amidna grupa (slika 16.12). U rijetkim slučajevima se na ovaj način odvaja i amino grupa aminokiseline, a zatim nastaju amonijak i hidroksi kiselina.
Kao rezultat direktna (intramolekularna) deaminacija nastaju nezasićena jedinjenja. Histidin, kao i serin, obično se podvrgavaju direktnoj deaminaciji. Međutim, početni enzimski napad na serin rezultira eliminacijom molekule vode (enzim serin hidrataze), a bočna hidroksilna grupa serina je uključena u ovu konverziju. U ovom slučaju, nestabilno intermedijerno jedinjenje, aminoakrilat, prolazi kroz spontanu deaminaciju. Neto reakcijski proizvod je piruvat, a ova vrsta deaminacije je uzrokovana preuređenjem u bočnom lancu aminokiselina.
Reakcije aminokiselina na karboksilnoj grupi . Transformacije na karboksilnoj grupi aminokiselina organizmi mogu koristiti za razgradnju ovih molekula, kao i za njihovo pretvaranje u druga jedinjenja neophodna za ćeliju, prvenstveno u aminoacil adenilate i biogene amine. Formiranje aminoacil adenilata u pripremnoj fazi sinteze proteina već je opisano u poglavlju 3. Biogeni amini nastaju u reakcijama koje kataliziraju aminokiselinske dekarboksilaze. Ovi enzimi su široko rasprostranjeni u životinjama, biljkama, a posebno u mikroorganizmima, a poznato je da u patogenim mikroorganizmima mogu služiti dekarboksilaze. faktori agresije, uz pomoć kojih patogen prodire u odgovarajuća tkiva. L-aminokiselinske dekarboksilaze, poput transaminaza, koriste piridoksal fosfat kao prostetičku grupu.
Monoamini (biogeni amini) obavljaju različite funkcije u organizmima. Na primjer, etanolamin, nastao dekarboksilacijom serina, sastavni je dio polarnih lipida. Kada se cistein i aspartat dekarboksiliraju, nastaju cisteamin i b-alanin, koji su dio tako važnog koenzima za stanice kao što je koenzim A. Dekarboksilacija histidina dovodi do stvaranja histamina, posrednika uključenog u regulaciju brzina metaboličkih procesa, aktivnost endokrinih žlijezda i regulacija krvnog tlaka kod životinja. Mnogi drugi biogeni amini funkcioniraju kao signalne tvari, posebno oni široko rasprostranjeni kod životinja i ljudi. neurotransmiteri.
Reakcije aminokiselina duž bočnog lanca . Koliko god da je struktura aminokiselinskih radikala raznolika, različite su i hemijske transformacije kojima se oni mogu podvrgnuti. Među ovim različitim reakcijama možemo razlikovati one koje omogućavaju ćeliji da dobije druge iz jedne aminokiseline. Na primjer, tirozin nastaje oksidacijom aromatičnog prstena fenilalanina; hidroliza arginina dovodi do stvaranja ornitina (vidi ciklus uree); razgradnju treonina prati nastanak glicina itd.
Pored ovih reakcija, važne su transformacije sporednih grupa koje su povezane s pojavom fiziološki aktivnih supstanci. Tako se iz tirozina formira hormon adrenalin, iz triptofana nastaju nikotinska kiselina (vitamin PP, dio nikotinamid koenzima) i indolioctena kiselina (tvar za rast), a iz cisteina merkapturne kiseline (sudjeluju u neutralizaciji aromatičnih spojeva). Već je uočena mogućnost pretvaranja serina u piruvat dehidratacijom njegovog bočnog lanca i deaminacijom.
Dakle, različite kemijske transformacije aminokiselina mogu dovesti do stvaranja biološki aktivnih supstanci širokog spektra djelovanja i, osim toga, do eliminacije amino grupa u obliku amonijaka uz formiranje ugljikovih skeleta. Sljedeći dio će ispitati sudbinu amonijaka i atoma ugljika razbijenih aminokiselina.
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
(vidi 12.2.3).
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)-. 2, Jedan kraj lanca sadrži aminokiselinu sa slobodnom NH grupom
se zove N-terminus, drugi se zove C-terminus,Šema 12.2.
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)