- Аминокислоты
- (синоним аминокарбоновые кислоты) — органические соединения, молекулы которых содержат аминогруппы (NH2-группы) и карбоксильные группы (СООН-группы); являются элементами, из которых построены пептиды и белки
Характерной особенностью нормальных аминокислот является наличие в их молекуле СООН- и NH2-групп, связанных с одним и тем же a-углеродным атомом: H2N—(R) C (H)—СООН, где R — углеводородный радикал.
a-Углеродный атом у всех аминокислот , за исключением глицина, асимметричен, что объясняет существование аминокислот в виде двух стереоизомеров и делает их оптически активными, т.е. способными вращать плоскость поляризации проходящего через раствор А, поляризованного света. В зависимости от того, в каком направлении происходит это вращение, различают правовращающие и левовращающие стереоизомеры (энантиомеры) А. , обозначаемые знаками «+» и «—» соответственно. Молекулы белков высших организмов построены из строго определенных стереоизомеров аминокислот — L-аминокислот, a-углеродный атом которых соответствует по своей абсолютной конфигурации углеродному атому L-глицеральдегида. В состав некоторых бактериальных белков и пептидов иногда входят остатки D-аминокислот. Такие аминокислоты, как треонин и изолейцин, содержат два асимметричных атома углерода и имеют по 4 стереоизомера, однако в белках встречаются стереоизомеры этих аминокислот только одного типа.
Некоторые нестандартные аминокислоты , например b-аланин, g-аминомасляная кислота, d-аминолевулиновая кислота (промежуточный продукт биосинтеза порфиринов), отличаются от стандартных аминокислот местоположением NH2-группы, но главным образом эти различия касаются строения углеводородного радикала. Многие из нестандартных аминокислот являются предшественниками иди катаболитами других биологически активных соединений. Так, 2,4-диоксифенилаланин (ДОФА) и 5-(гидр) окситриптофан служат биосинтетическими предшественниками фенилэтиламина и серотонина соответственно, a-амино-g-оксимасляная кислота (гомосерин) и a-амини-g-тиомасляная кислота (гомоцистеин) принимают участие в обмене серосодержащих аминокислот и т.д.
Классифицируют аминокислоты либо на основании строения их углеводородного радикала, либо с учетом строения всей молекулы в целом. Среди групп углеводородного радикала основных аминокислот встречаются неполярные (табл., № 1—8), полярные незаряженные (табл., № 9—15), отрицательно заряженные (табл., № 16, 17) и положительно заряженные (табл., № 18—20). В зависимости от строения углеводородного радикала аминокислоты подразделяют на ароматические (табл., № 7, 13), гетероциклические (табл., № 8, 20), иминокислоты (табл., № 5) и алифатические (табл., все остальные аминокислоты). По числу СООН- и NH2- групп аминокислоты делят на диаминомонокарбоновые (табл., № 18—20), моноаминомонокарбоновые (табл., № 16, 17) и моноаминомонокарбоновые кислоты (табл., все остальные аминокислоты). Иногда выделяют также аминокислоты , содержащие в своей молекуле спиртовую группу°— оксиаминокислоты (серии, треонин); серу — серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин, метионин) и др.
Таблица
Основные аминокислоты, содержание в крови и моче и суточная потребность в них человека
|
№ |
Название аминокислоты, метаболическая характеристика |
Сокращенное название в соответствии с рекомендациями Международного биохимического союза |
Содержание в плазме крови, мг/100 мл (мкмоль/л) |
Содержание в суточном количестве мочи, мг (мкмоль) |
Рекомендуемое суточное потребление, r (безусловно достаточным считается вдвое большее количество) |
|
1. |
Аланин (г) |
Ala |
3,4 |
21—71 |
Данных нет |
|
(381,5) |
(235,2—795,2) |
||||
|
2. |
Валин* (г) |
Val |
2,9 |
4—6 |
0,8 |
|
(247,9) |
(34—51) |
||||
|
3. |
Лейцин* (к) |
Leu |
1,9 |
9—26 |
|
|
(144,9) |
(68,7—198,4) |
1,1 |
|||
|
4. |
Изолейцин* (г) |
lle |
1,3 |
14—2S |
0,7 |
|
(99,2) |
(106,8—213,6) |
|
|||
|
5. |
Пролин (г) |
Pro |
2,4 |
Менее 10 |
Данных нет |
|
(208,8) |
(87) |
||||
|
6. |
Метионин* (г) |
Met |
0,5 |
Менее 5 |
1,1 |
|
|
(33,6) |
(менее 33,5) |
|
||
|
7. |
Фенилаланин* (к, г) |
Phe |
0,6—1,45 |
Следы — 17 |
1,1 |
|
(37—88) |
(следы — 103) |
|
|||
|
8. |
Триптофан* (к) |
Trp |
1,3 |
Следы — 30 |
0,25 |
|
(63—7) |
(следы — 16,5) |
|
|||
|
9. |
Глицин (г) |
Gly |
1,5 |
68—199 |
Данных нет |
|
(199,9) |
(904,4— 2646,7) |
||||
|
10. |
Серин (г) |
Ser |
1,1 |
27—7^ |
Данных нет |
|
(104,7) |
(256.5—^93,5) |
||||
|
11. |
Треонин* (г) |
Thr |
1,7 |
15—53 |
0,5 |
|
(142,8) |
(126—445,2) |
|
|||
|
12. |
Цистеин (г) |
Cys |
1,5 |
10—21 |
Данных нет |
|
(124,9) |
(83—174.3) |
||||
|
13. |
Тирозин (к, г) |
Tyrr |
1,0 |
15—49 |
Данных нет |
|
(55,2) |
(82,5—2^9,5) |
||||
|
14. |
Аспарагин (г) |
Asn |
0,40—0,91 |
31—83 |
Данных нет |
|
(30—69) |
(235—628) |
||||
|
15. |
Глутамин (г) |
Gln |
5,8—10,4 |
61—2115 |
Данных нет |
|
(396—711) |
(417—1402) |
||||
|
16. |
Аспарагиновая кислота (г) |
Asp |
0,03 |
Менее 10 |
Данных нет |
|
(0,023) |
(75) |
||||
|
17. |
Глутаминовая кислота (г) |
Glu |
0,7 |
8—40 |
Данных нет |
|
(47,6) |
(54,4—272) |
||||
|
18. |
Лизин* (к) |
Lys |
2,7 |
7—48 |
0,8 |
|
(184,9) |
(47,6—326,4) |
|
|||
|
19. |
Аргинин (г) |
Arg |
1,6 |
Следы — 50 |
Данных нет |
|
(91,8) |
(следы — 287) |
||||
|
20. |
Гистидин* (г) |
His |
1,4 |
113—320 |
Данных нет |
|
(90,3) |
(728,9—2064) |
Примечания: * — назаменимые аминонокислоты, к — кетогенные аминокислоты, г — глюкогенные аминокислоты.
Важным свойством аминокислот , непосредственно обусловленным их структурой, является амфотерность (способность проявлять кислотные и основные свойства). Имея как минимум две диссоциирующие и противоположно заряженные группировки, аминокислоты в растворах с нейтральным значением рН практически всегда находятся в виде биполярных ионов, или цвиттер-ионов, в которых противоположные заряды пространственно разделены, например H3+N—СН2—СН2—СОО. При любом значении рН, превышающем показатель рН, при котором находится ее изоэлектрическая точка (pI), аминокислота имеет общий отрицательный заряд и в поле постоянного электрического тока движется к аноду, а при рН, значение которого ниже pI, — к катоду. Кислотно-основные свойства аминокислот широко используются для их фракционирования и препаративного выделения с помощью электрофореза и ионообменной хроматографии, в т.ч. и для разделения аминокислот в автоматических аминокислотных анализаторах в клинико-диагностических лабораториях.
Многие химические реакции, характерные для аминокислот , включая реакции, предназначенные для обнаружения, идентификации и количественного анализа, также определяются наличием в их молекулах NH2- и СООН-групп. Наиболее часто для анализа аминокислот применяются цветная нингидриновая проба, флюорогенная реакция с флюорескамином (флюрамом), а также взаимодействие с 1-фтор-2,4-динитробензолом, используемое при определении последовательности аминокислотных остатков в пептидной цепи. Реакция с нингидрином протекает при высокой температуре и приводит к развитию лилово-фиолетового или желтого (в случае пролина) окрашивания. Интенсивность окраски раствора, измеренная при длине волны 570 нм, пропорциональна концентрации определяемой А.
В организме человека синтезируется лишь половина необходимых аминокислот , а остальные аминокислоты — незаменимые (аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин) должны поступать с пищей (см. Питание). Суточная потребность человека в каждой незаменимой А. не превышает 1—2 г (триптофана требуется не более 0,5 г); рекомендуемые их количества приведены в таблице. Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из рациона ведет к развитию отрицательного азотистого баланса (см. Азотистый обмен), клинически проявляющегося нарушением функций нервной системы, мышечной слабостью и другими признаками патологии обмена веществ и энергии.
Некоторые аминокислоты в организме образуются из других аминокислот : тирозин — из фенилаланина, цистеин — из метионина и серина, глицин — из серина. Аминокислоты участвуют в образовании пуриновых нуклеотидов (глутамин, глицин и аспарагановая кислота), пиримидиновых нуклеотидов (глутамин и аспарагиовая кислота), серотонина (триптофан), меланина (фенилаланин, тирозин), гистамина (гистидин), адреналина, норадреналина, дофамина, тирамина (тирозин), полиаминов (аргинин), холина (метионин), порфиринов (глицин), креатина (глицин, аргинин, метионин), коферментов, сахаров и полисахаридов, липидов и др.
Важнейшей для организма химической реакцией, общей практически для всех аминокислот , является трансаминирование (переаминирование), заключающееся в обратимом ферментативном переносе a-аминогруппы аминокислот или аминов на a-углеродный атом кетокислот или альдегидов. Наиболее активно в реакциях трансаминирования участвуют дикарбоновые аминокислоты — глутаминовая и аспарагиновая. Трансаминирование является реакцией, принципиальной для биосинтеза заменимых аминокислот в организме.
Катаболизм А. может протекать по нескольким различным путям. Все аминокислоты способны декарбоксилироваться при участии ферментов декарбоксилаз с образованием первичных аминов, которые могут окисляться в реакциях, катализируемых ферментами моноаминоксидазой или диаминоксидазой. Другим путем деградации А. является их окислительное дезаминирование с образованием аммиака и кетокислот. Прямое дезаминирование L-аминокислот в организме животных и человека протекает крайне медленно, за исключением дезаминирования глутаминовой кислоты, при участии специфического фермента глутаматдегидрогеназы. Дезаминирование других аминокислот может быть осуществлено в результате трансаминирования этих аминокислот с образованием глутаминовой кислоты и дальнейшего ее дезаминирования с образованием a-кетоглутаровой кислоты и аммиака. Т.о., одним из продуктов разных путей катаболизма аминокислот служит аммиак, который может образоваться в результате метаболизма и других азотсодержащих соединений (например, при дезаминировании аденина в составе никотинамидадениндинуклеотида — НАД и пр.).
Аминокислоты, способные превращаться в кетоновые тела (например, через ацетоацетил-КоА), называют кетогенными, а те аминокислоты, которые распадаются с образованием a-кетоглутаровой, янтарной (сукцината) и щавелево-уксусной (оксалоацетата) кислот и в конечном счете превращаются в глюкозу, называются глюкогенными (см. таблицу).
Нарушения обмена аминокислот часто связаны с аномалиями трансаминирования: с уменьшением активности ферментов, катализирующих реакции трансаминирования, — аминотрансфераз при гипо- или авитаминозах В6, нарушением синтеза аминотрансфераз, недостатком кетокислот, необходимых для трансаминирования в связи с угнетением цикла трикарбоновых кислот при гипоксии, сахарном диабете и т.д. Снижение интенсивности трансаминирования приводит к торможению дезаминирования глутаминовой кислоты, а оно, в свою очередь, — к гипераминоацидемии, т.е. повышению доли аминокислот в составе остаточного азота крови (см. Азот остаточный) и аминоацидурии. При обширных поражениях печени и других состояниях, сопровождаемых массивным распадом белка, нарушаются процессы дезаминирования А. Раневое истощение, повреждения трубчатых костей, спинного и головного мозга, тяжелые ожоги, гипотиреоз, болезнь Иценко — Кушинга и многие другие тяжелые заболевания сопровождаются аминоацидурией. Она характерна и для состояний, сопровождающихся нарушением процессов реабсорбции в почечных канальцах: болезни Вильсона — Коновалова, или гепатолентикулярной дистрофии, синдрома Фанкони, или цистиноза, и др. Цистиноз на фоне общей аминоацидурии характеризуется избирательным нарушением реабсорбции цистина и цистинурией, сопровождающей генерализованные нарушения обмена цистина, который в виде кристаллов откладывается в клетках ретикулоэндотелиальной системы. Известно наследственное заболевание фенилкетонурия, при котором нарушено превращение фенилаланина в тирозин; в крови и моче при этом заболевании резко повышается содержание фенилаланина и продуктов его обмена — фенилпировиноградной и фенилуксусной кислот. Нарушение обмена этих аминокислот характерно и для вирусного гепатита. Врожденная аномалия окислительных превращений тирозина лежит в основе алкаптонурии, при которой в соединительной ткани накапливается метаболит тирозина гомогентизиновая кислота (большие количества этой кислоты выводятся с мочой). Алкаптонурия, клинически проявляющаяся во второй половине жизни, характеризуется патологией суставов и позвоночника, а также других богатых соединительной тканью органов. Самую большую группу наследственных дефектов обмена составляют генетически обусловленные аминоацидопатии. Метаболический сдвиг при аминоацидопатиях и их клинические проявления связаны с накоплением в крови и выделением с мочой либо самой непревращенной аминокислоты, либо ее метаболитов. Общим биохимическим признаком таких патологических состояний являются ацидоз и аминоацидурия, с чем связаны такие неспецифические клинические признаки, как рвота, обезвоживание организма, сонливость или, наоборот, возбуждение, судороги. Ряд аминоацидопатии характеризуется специфическими признаками, например гомоцистинурия — эктопией хрусталика, аномалиями скелета, васкулярной патологией.
Способы получения аминокислот весьма разнообразны. Многие аминокислоты получают с помощью микроорганизмов. Используется также химический синтез аминокислот, например с помощью аминирования галоидопроизводных органических кислот аммиаком. Для нужд медицины и пищевой промышленности аминокислоты , как правило, получают из гидролизатов белков.
Растворы отдельных аминокислот и гидролизаты белков применяют в медицине для парентерального питания, а некоторые из аминокислот используют в качестве лекарственных средств. Так, метионин назначают при циррозах и жировой дистрофии печени, глутаминовая и g-аминомасляная кислоты эффективны при ряде нервных и психических заболеваний, цистеин используется при многих глазных болезнях. аминокислоты служат также исходными веществами для синтеза биологически активных пептидов, применяемых в качестве лекарственных средств. Глутаминовая кислота используется в кулинарии в качестве пищевой добавки. Триптофан, лизин, метионин и другие аминокислоты добавляют в процессе производства к некоторым пищевым продуктам, биологическая ценность которых низка, а также используют для кормления с.-х. животных. Активность ферментов, участвующих в обмене аминокислот , — аминотрансфераз, моноаминоксидазы, диаминоксидазы, гистидазы и др. является информативным диагностическим тестом при ряде тяжелых заболеваний: инфаркте миокарда, миопатиях, некоторых болезнях печени.
Библиогр.: Березов Т.Т. и Коровкин Б.Ф. Биологическая химия, М., 1982; Гринштейн Дж. и Виниц М. Химия аминокислот и пептидов, пер. с англ., М., 1965; Збарский И.Б. и Симакова Р. А. Аминокислоты, БМЭ, 3-е изд., т. 1, с. 364, М., 1974; Ленинджер А. Основы биохимии, пер. с англ., т. 1—2, М., 1985.