Раздел 8. Природные биологические активные вещества аминокислоты

Исходный уровень знаний для усвоения темы основан на школьной

программе органической химии, программе по химии «Протолитическая теория кислот и оснований. Буферные системы», разделах 1- 6 данного пособия.

Для усвоения темы и приобретения компетенции по данному разделу надо знать и уметь написать

формулы:

20 аминокислот, биогенных аминов (ГАМК, ß- аланин, 2-аминоэтанол -1, 2- аминоэтантиол-1, гистамин) и амидов- глутамина и аспарагина

- записывать строение биполярного (цвиттер) - иона, определять область изоэлектрической точки, значение рН водного раствора аминокислоты, составлять схему ионизации аминокислоты в водном растворе,

составлять уравнения реакций

-образования солей при взаимодействии аминокислот с кислотами и основаниями,

-сложных эфиров,

-декарбоксилирования, переаминирования (трансаминирования) амино – и кетокислот.

- окислительного дезаминирования глутаминовой кислот.

Перечень реакций декарбоксилирования:

а. глутаминовая кислота —> 4-аминобутановая (γ – аминомасляная, ГАМК)

б. гистидин —> гистамин

в. триптофан —> триптамин

г. серин —> 2- аминоэтанол -1 (коламин)

д. цистеин —> 2-аминоэтантиол-1 (меркамин)

е. аспарагиновая кислота —> 3-аминопропановая (β-аланин)

перечень реакций трансаминирования

а. ала + щук —> ПВК + асп

б. ала + а-кетоглутаровая —> ПВК + глу

в. асп + ПВК —> щук + ала

г. асп + а-кетоглутаровая —> щук + глу

Ключевые слова

Аминокислота, амфотерность, буферный раствор, витамин В6, дезаминирование, декарбоксилирование, диастереомер, изоэлектрическая точка, концевые аминокислоты, окислительное дезаминирование, основание Шиффа (азометин), пептид (полипептид), пептидная группа, переаминирование ( трансаминирование), поликонденсация, стереоизомер, стереоряд, энантиомер.

Содержание раздела (Дидактические единицы)

8.1. Особенности строения 20 природных аминокислот, входящих в состав белков: L - конфигурация , а (альфа) - строение. Структурные формулы природных аминокислот.

8.2. Классификация аминокислот:

- по кислотно-основным свойствам: нейтральные, кислые, основные,

- по строению радикала и функциональным группам в радикале:

алифатические, ароматические, гидроксисодержащие, серусодержащие,

диаминомонокарбоновые, моноаминодикарбоновые,

- по биологическому признаку: незаменимые и заменимые.

8.3 Номенклатура - тривиальные названия, условные трехбуквенные обозначения.

8.4. Особенности пространственного строения.

8.5. Физические свойства природных аминокислот.

8.6. Ионизация аминокислот в водном растворе.

-изменение заряда в водных растворах – следствие дополнительной

ионизации карбоксильной и ли аминогруппы,

- изоэлектрическая точка аминокислот (рI),

- заряды аминокислот при различных значениях рН.

8.7. Химические свойства аминокислот in vitro:

- образование солей с кислотами, основаниями,

- свойства карбоксильной группы: образование сложных эфиров, амидов,

- декарбоксилирование при нагревании с Ва(ОН)2.

8.8.Химические свойства природных аминокислот in vivo:

-декарбоксилирование - ферментативная реакция образования

биогенных аминов с участием витамина В6

аминокислота ———> биогенный амин + СО2

- внутримолекулярное дезаминирование

аспарагиновая кислота —> фумаровая кислота + NH3

- трансаминирование ( переаминирование)

аминокислота(1) + кетокислота(2) —>кетокислота(1) + аминокислота (2)

- окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты.

8.9. Аминокислоты и их производные - лекарственные препараты.

Приложение. Основы теории.

Общий список аминокислот, обозначения

Классификация по признаку химического строения и состава

Алифатические аминокислоты моноаминомонокарбоновые

Аланин (Ala), Валин (Val), Глицин (Gly), Изолейцин (Ile), Лейцин (Leu)

Ароматические аминокислоты моноаминокарбоновые

Тирозин (Tyr), Фенилаланин (Phe)

Гетероциклические ароматические аминокислоты моноаминомонокарбоновые

Гистидин (His), Триптофан (Trp )

Циклическая аминокислота

Пролин (Pro)

Моноаминодикарбоновые аминокислоты – кислые и их амиды

Аспарагиновая (Asp), Глутаминовая (Glu),

Аспарагин (Asn ), Глутамин( Gln )

Диаминомонокарбоновые кислоты- основные

Аргинин (Arg), Лизин (Lys), Оргинитин (не входит в состав белков)

Гидроксисодержащие алифатические аминокислоты

Серин (Ser), Треонин (Thr)

Серусодержащие алифатические аминокислоты

Метионин (Met), Цистеин (Cys )

Классификация по физико-химическим свойствам

Гидрофобные аминокислоты:

Аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин.

Гидрофильные аминокислоты:

Аргинин, аспарагиновая кислота, аспарагин, гистидин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин, серин, тирозин, треонин, фенилаланин.

Особенности строения 20 природных аминокислот, входящих в состав белков: принадлежат L –стереоряду, L - конфигурация, аминогруппа находится во 2-положении, которое часто называют а-положение.

Классификацию аминокислот проводят несколькими способами, на основании различных признаков.

В основу положены кислотно-основные свойства:

-нейтральные моноаминомонокарбоновые не содержат в составе радикала амино – и карбоксильных групп, склонных к ионизации (все, кроме кислых и основных),

- кислые моноаминодикарбоновые содержат в радикале карбоксильную группу (аспарагиновая, глутаминовая),

- основные диаминомонокарбоновые содержат в радикале аминогруппу (аргинин, лизин, орнитин).

В основу положено строение радикала и наличие иных функциональных групп в радикале:

- алифатические (глицин, валин, лейцин, изолейцин),

-ароматические (карбоароматические- фенилаланин, тирозин, гетероароматические (триптофан, гистидин),

- циклическая (пролин),

-гидроксисодержащие (серин, треонин),

-серусодержащие (цистеин, метионин),

-диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин),

-моноаминодикарбоновые (аспарагиновая, глутаминовая).

В основу положен биологический признак:

«незаменимые» аминокислоты не синтезируются в организме (8 аминокислот у взрослых – валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, лизин, триптофан, 10 аминокислот у детей – все перечисленные для взрослых, и дополнительно аргинин, гистидин). Остальные синтезируются в организме, их называют «заменимые». Среди них 2 аминокислоты следует считать условно заменимыми, т.к. они синтезируются из незаменимых (тирозин из фенилаланина, цистеин – с участием метионина).

Физические и кислотно-основные свойства аминокислот

Природные аминокислоты - твердые кристаллические вещества, растворимые в воде, в кристаллическом состоянии- биполярные ионы (цвиттер-ионы)

В водном растворе происходит ионизация аминокислот, содержащих в радикале амино и карбоксильные группы. Изменение заряда в водных растворах – следствие дополнительной ионизации карбоксильной или аминогруппы.

Моноаминодикарбоновые кислоты аспарагиновая и глутаминовая кислоты приобретают заряд -1, среда раствора кислая, рН <7.

Диаминомонокарбоновые кислоты аргинин и лизин приобретают заряд +1, среда раствора щелочная, рН >7.

Если заряд аминокислоты равен нулю (в растворе ионизированы одна амино- и одна карбоксильная группа), то аминокислота находится в своей изоэлектрической точке. То значение рН раствора, в котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой (р I ).

Изоэлектрические точки аминокислот (рI):

- нейтральные рI ~ 7 , кислые рI< 7 , основные рI > 7.

Заряды аминокислот при различных значениях рН изменяются:

а. значение рН < рI, нейтральная аминокислота имеет заряд +1, кислая +1, основная +2

б. значение рН > рI, нейтральная аминокислота имеет заряд -1, кислая -2, основная -1.

Аминокислота и белок всегда имеют заряды ( + или - ), но если заряды скомпенсированы, то аминокислота или белок находятся в своей изоэлектрической точке.

Кислотно-основные свойства аминкислот

Таблица 6

аминокислота	рКа( СООН)	рКа( NH2)	{ a }D(в воде)
аланин	2,35	9,87	+ 8,5
4-аминомасляная кислота	4.03	10.56
аргинин	1,82	8,99	+ 12,5
аспарагин	2,14	8,72	+ 28.0
аспарагиновая кислота	1,99; 3,80	9,90	+ 25
валин	2,29	9,74	+28,3
глицин	2,35	9,78
глутаминовая кислота	2,10; 4, 07	9,47	+12,0
глутамин	2,17	9,13	+6,3
лейцин	2,33	9,74	- 11,0
лизин	2,16	9,06; 10,54( а)	+13,5
пролин	1,95	10,64	-86,2
серин	2,19	9,21	-7,5
тирозин	2,20; 10,41(ОН)	9,21
треонин	2,09	9,10
триптофан	2,46	9,41	-33,7
фенилаланин	2,20	9,31	-34,5
цистеамин (меркамин)	8,35 (SH)	10,81
цистеин	1,92; 8,37(SH)	10,70	-16,5

Среди реакций in vivo большую роль играют реакции декарбоксилирования и трансаминирования (переаминирования).

Химическая суть процесса трансаминирования (переаминирования): при ферментативном взаимодействии аминокислоты и одной из трех кетокислот (пировиноградной, щавелевоуксусной и а-кетоглутаровой) образуются кетокислота и одна из трех аминокислот (ала, асп, глу). В составе фермента витамин В6.

+ ЩУК ↔ аспартат

R – CH( NH2)– C OOH + ПВК ↔ аланин + R – C( O)– C OOH

аминокислота + а-кетоГЛУ ↔ глу кетокислота

Аминокислоты и их производные используются как лекарственные препараты.

*Глицин ( аминоуксусная кислота)-применяют подъязычно или трансбукально( всасывание через слизистую щеки) , уменьшает психоэмоцирнальное напряжение, повышает умственную работоспособность.

* Глутаминовая кислота. Препарат кислота глутаминовая(Acidum glutaminicum) Применение препарата связано с очень широким спектром действия глу – участвует в энергетическом и пластическом обмене, проявляет свойства антиоксиданта. Глу проходит через гематоэнцефалический барьер. Соли глутаминат кальция и глутаминат магния также применяют при невротических реакциях.

* Гамма-аминомасляная кислота ( ГАМК ). Препарат аминалон. Действие основано на биологической функции соединения- медиаторе торможения ц.н.с.

* Метионин ( Methioninum)- применение основано для биологической функции : источник серы для синтеза других биоактивных соединений и донор метильной группы. Назначают для профилактики и при заболеваниях печени, диабете, при дистрофии, возникающей вследствие инфекционных заболеваний

*Триптофан. Биологическая активность связана с превращением в медиатор серотонин и витамин РР. Назначают при врожденных нарушениях всасывания витамина РР.

* Цистеин (Cysteinum) –участвует в образовании биологически активных веществ антиоксидантов( глутатион), в обмене веществ хрусталика глаза.

При лечении катаракты применяют электрофорез водного раствора цистеина или глазные ванночки.

• Ацетилцистеин – разжижает мокроту. Входит в состав препаратов, например АЦЦ.

Формулы химических соединений, изучаемых в разделе 8

L- аминокислоты организма

Алифатические аминокислоты

глицин аланин валин*

лейцин* изолейцин*

Кислые аминокислоты

аспарагиновая глутаминовая

Основные аминокислоты

аргинин лизин*

орнитин

Аминокислоты, содержащие амидную группу

аспарагин глутамин

Серусодержащие аминокислоты

цистеин метионин*

Гидроксиаминокислоты

серин треонин*

Карбоциклические ароматические аминокислоты

фенилаланин* тирозин

Гетероциклические ароматические аминокислоты

триптофан* гистидин

Циклические аминокислоты

пролин 4-гидроксипролин

Обучающая задача 1

Для синтеза важнейшей биологически активной молекулы, которую называют коэнзим А, необходимо вещество β- аланин. Назовите β- аланин по номенклатуре IUPAC.Из какой природной аминокислоты in vivo по реакции декарбоксилирования образуется β- аланин?

Решение

1.В задаче указано тривиальное название неизвестного соединения -β- аланин. Очевидно, это изомер природной аминокислоты аланин, которая как и другие аминокислоты имеет а- строение.

2. Начнем с известного вещества аланина. В молекуле аланина скелет пропановой кислоты - три атома углерода. Обозначим положения а и β. Запишем формулу аланина и изомера аланина.

β а

СН3- СН- СООН СН2- СН2- СООН

| |

NH2 NH2

а- аланин β- аланин

3-аминопропановая кислота (IUPAC)

3.Перейдем к обсуждению следующего вопроса.

Для этого запишем в общем виде схему реакции декарбоксилирования а-аминокислоты и образования биогенного амина.

R- CH- COOH ——> R- CH2 - NH2 + CO2

|

NH2

Молекула CO2 отщепляется от того атома углерода, который в биогенном амине связан с аминогруппой.

5.На основании этого вывода добавим к формуле β- аланина еще одну карбоксильную группу(группа выделена другим шрифтом) и получим формулу аминокислоты, которая является источником образования β- аланина.

НООС - СН2- СН2- СООН

|

NH2

5. Название аминокислоты – аспарагиновая.

Обучающая задача 2.

Выберите условия проведения электрофореза аминокислоты глицина для введения его в ткани: на какой электрод следует нанести аминокислоту в растворе рН= 5 и рН= 8. Можно ли провести электрофорез в водной среде при рН=рI?

Решение.

1.Аминокислоты - электролиты, которые всегда имеют электрический заряд. В изоэлектрической точке рН = рI, положительный и отрицательный заряды уравновешивают друг друга, суммарный заряд равен нулю; если рН < рI, аминокислота является катионом, заряжена положительно, если рН > рI, аминокислота является анионом, заряжена отрицательно.

2. Аминокислота глицин относится к нейтральным, биполярный ион образуется в среде, близкой к рН=7. В кислой среде глицин заряжен положительно. Для обеспечения направленного движения в электрическом поле к противоположному полюсу его надо нанести на анод (+) . В щелочной среде аланин заряжен отрицательно, его наносят на катод (–).

CH2 – COO ^– + ОН^- CH2 – COO ^- + Н+ CH2 – COOН

| <——> | <——> |

NH₂ -Н₂ О + NH₃ ⁺ NH₃

анион в биполярный ион катион в

щелочной среде кислой среде

3. В области рН= рI ( в изоэлектрической точке) любая аминокислота не имеет избыточного заряда. В таком растворе глицин электрофоретически неподвижен.

Обучающая задача 3

Определить среду раствора, в котором присутствует глутаминовая кислота, если заряд ее молекулы равен +1?

Решение.

1.Глутаминовая кислота относится к моноаминодикарбоновым кислотам. Ее заряд меняется в зависимости от рН среды раствора так же, как и других аминокислот.В изоэлектрической точке рН = рI суммарный заряд равен нулю, в кислой среде, если рН < рI, положительный, в щелочной среде, если рН> рI, отрицательный.

2. Положительный заряд возникнет в том случае, если диссоциация обеих карбоксильных групп подавлена, а аминогруппа присоединила протон..

Это возможно только в сильно кислой среде, если рН < рI.

НООС- СН2-СН2- СН-СООН

|

⁺NH3 катион глутаминовой кислоты

Обучающая задача 4

Дополните уравнение биохимической реакции трансаминирования, которая характерна для сердечной мышцы.

глу + ? ——> ? + асп

1.Реакция трансаминирования заключается во взаимодействии аминокислоты и кетокислоты. Образуются два новых вещества: тоже аминокислота и кетокислота.

(?) (?)

R1CH(NH2)-COOH + R2C(O)-COOH ——> R1C(O)-COOH + R2CH(NH2)-COOH

глу асп

На схеме реакции указаны две аминокислоты. Следовательно, надо определить кетокислоты.

3. Аминокислота глутаминовая в реакции превращается в а – кетоглутаровую кислоту (ее следует записать в правой части уравнения).

4. В результате трансаминирования получили новую кислоту аспарагиновую.

Она получается из кетокислоты щавелевоуксусной. Ее надо записать в левой части уравнения.

5.Напишем дополненную схему реакции

Глу + ЩУК ——> а-кетоГлу + асп

(запишите самостоятельно эту реакцию, используя структурные формулы)