Глава 4. АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ, БЕЛКИ

4.1. Классификация и строение аминокислот

Классифицируют аминокислоты по тому же принципу, что и все бифункциональные соединения — в зависимости от взаимного положения аминной и карбоксильной функций по углеродной цепочке. Т. е. существуют , и т. д. аминокислоты. Соответствует этому положению и их номенклатура, но как правило, аминокислоты имеют тривиальные названия в силу их природного происхождения (схема 4.1.1).

В природных источниках аминокислоты встречаются в индивидуальном виде, в соединении с несколькими молекулами различной химической природы (как правило, это антибиотики, коферменты), в соединении между собой нескольких аминокислот — пептиды и в виде биополимеров — белки.

Согласно вышеприведенной структурной изомерии, основная масса аминокислот представлена а-изомерами:

Р- и у-аминокислоты в живых системах представлены единичными случаями.

Здесь можно упомянуть тормозный нейромедиатор ЦНС млекопитающих у-аминомасляную кислоту (ГАМК) и -аланин, являющийся фрагментом пантотеновой кислоты — составной части кофермента А. Интересным представителем природных у-аминокислот является карнитин(бетаин 3-гидрокси-4-триметиламиномасляной кислоты), определяемый еще иногда как витамин . Карнитин в значительных количествах присутствует в мышцах животных, в бактериях и растениях, является фактором роста некоторых насекомых.

а-Аминокислоты чрезвычайно широко распространены в живых организмах любого типа — в растениях, в микроорганизмах, в животных, в морских организмах. Они найдены также в некоторых метеоритных телах, попадающих на Землю из Космоса, при этом это такие же аминокислоты, какие входят в состав белков земных живых систем, что может служить определенным доводом в пользу неземного происхождения жизни, либо достаточно

Схема 4.1.1

Схема 4.1.2

общего характера для Космоса этого феномена.

Основная структурная особенность этих соединений (а-аминокислот) — это наличие асимметрического центра — атома углерода, при котором находятся аминная и карбоксильная функциональные группы. Это означает, что все а-аминокислоты, за исключением глицина, могут существовать в виде пары конфигурационных (оптических) изомеров — L- и D- (схема 4.1.2).

Экспериментально найдено, что из пар антиподов молекул а-аминокислот в жизнедеятельности организмов практически всегда и везде фигурируют только L-изомеры. Это значит, что организмы синтезируют только L-a-аминокислоты и потребляют тоже только L-a-аминокислоты. Можно проделать такой опыт: если какой-либо организм, будь то бактерия или животное, питать рацемической смесью а-аминокислот, мы обнаружим через определенное время, что из смеси полностью исчезли L-изомеры и остались нетронутыми все молекулы (если мы сможем их подсчитать) D-a-аминокислот. Т.е. мы видим, что реакции биосинтеза а-аминокислот и последующего их метаболизма in vivo строго стереоспецифические процессы.

Следующий этап классификации a-аминокислот связан с основным их природным источником, или можно сказать, с основной формой существования этих веществ в природе — с белками. Поскольку белки представляют собой биополимеры, мономерными звеньями которых являются L-a-аминокислоты (структуры белков будут рассмотрены ниже), то при их деполимеризации, что достигается различными реакциями гидролиза, и было найдено то разнообразие а-аминокислот, которое позволило выделить их в отдельный класс природных соединений, различающихся между собой структурой радикала R.

В первую очередь, выделяется группа генетически кодируемых (протеиногенных) аминокислот — их всего двадцать (табл. 4.1.1) — это те аминокислоты, которые включаются в состав белков в процессе биосинтеза в рибосомах под контролем информационной РНК. Постольку они различаются между собой только функцией R, по свойствам последней их и классифицируют далее: это углеводородные аминокислоты (Gly, Ala, Val, Leu, He), для которых характерны гидрофобность или липо-фильность; ароматические аминокислоты с их тенденцией к реакциям электрофильного замещения; аминокислоты с повышенной кислотной способностью и повышенной основностью (Lys, His, Arg);

Таблица 4.1.1. Протеиногенные аминокислоты.

(см. скан)

Таблица 4.1.1 (продолжение).

(см. скан)

аминокислоты, содержащие спиртовые и амидные группы (Ser, Thr, Asn, Gin), легко образующие водородные связи, сложноэфирные и пептидные фрагменты. Отдельно следует выделить аминокислоту пролин — это единственная аминокислота со вторичной аминогруппой, входящей в циклический фрагмент. Это группа серусодержащих аминокислот (Cys, Met), для которых характерна высокая нуклеофильность по атому серы, а для цистеина еще и способность окисляться до соответствующей дисульфидной аминокислоты цистеина (схема 4.1.3).

Вышеописанным протеиногенным аминокислотам сопутствует ряд аминокислот, являющихся их модификацией в результате различных ферментативных реакций. Как правило, это

Схема 4.1.3

(см. скан)

С-гидроксилирование, N-метилирование, С-алкилирование, ароматическое галогенирование (схема 4.1.4).

Кроме белковых аминокислот в различных организмах, как в связанном виде (но не в составе белков), так и в свободном состоянии обнаружено большое количество так называемых непротеиногенных аминокислот Только в высших растениях их насчитывается более 200; много таких аминокислот продуцируется микроорганизмами, еще неизвестно сколько их будет обнаружено в морских организмах, химический состав которых интенсивно изучается в последнее время и интерес к ним все возрастает.

Анализировать весь этот список аминокислот в настоящий момент не имеет смысла, но можно взглянуть на некоторые из них, чтобы увидеть структурное их разнообразие и соответственно разнообразие в химических и биологических свойствах. Если в протеиногенных аминокислотах олефиновые группы как бы запрещены, то здесь

Схема 4.1.4

они не единичны. Встречаются аминокислоты с малыми циклами, притом весьма напряженными; аминокислоты с необычными гетероатомами, такими как йод и селен (табл. 4.1.2); разнообразен набор гетероциклических аминокислот.

Таблица 4.1.2.

Некоторые непротеиногенные аминокислоты.

Таблица 4.1.2 (продолжение).

(см. скан)

В качестве нестандартных аминокислот следует отметить обнаруженные в некоторых случаях аминокислоты, по принципиальной структуре соответствующие протеиногенным аминокислотам, но в отличие от последних,

имеющие D-конфигурацию. Эти аминокислоты, как правило, входят в состав полипептидных антибиотиков — там найдены D-валин, D-фенилаланин, D-цистеин (подробнее эти антибиотики будут рассмотрены ниже, в разделе о полипептидах). D-Аминокислоты являются компонентами клеточных стенок многих бактерий — это D-аланин, D-глутамин.