Строение, свойства и биологические функции аминокислот.

Аминокислоты - это первичные азотистые вещества растений, которые синтезируются с использованием минерального азота, поступающего главным образом из почвы. В молекулах аминокислот имеются карбоксильные и аминные группировки, соединённые с органическим радикалом алифатической, ароматической или гетероциклической природы. Если аминокислота содержит одну карбоксильную и одну аминную группу, связанную со вторым углеродным атомом (α-положение), строение такой аминокислоты можно выразить следующей формулой:

Аминокислоты, имеющие одну карбоксильную и одну аминную группу, принято называть моноамuномонокарбоновымu. У боль­шинства из них аминогруппа находится в α-положении по отно­шению к атому углерода карбоксильной группы. Однако известны также некоторые аминокислоты, у которых аминогруппа связана с другими углеродными атомами (_b, γ, d и др., см. табл. 1).

В организмах также синтезируются аминокислоты с двумя кар­боксильными или двумя аминными и другими азотсодержащими группировками. Аминокислоты, содержащие две карбоксильные и одну аминную группы, обычно называют моноамuнодuкaрбоновы.мu, а имеющие две аминные и одну карбоксильную - диаминомоно­карбоновымu. Кроме того, аминокислоты различаются по строению радикала R, который может быть представлен неразветвлённой, а иногда и разветвлённой углеродной цепью, ароматическими и гете­роциклическими производными.

Наряду с аминокислотами важную роль в обмене азотистых веществ играют некоторые иминокислоты (пролин, пипеколиио­вая кислота и др.), содержащие вторичную аминную группировку (═NH). Они близки по физико-химическим свойствам к истинным аминокислотам и выполняют сходные биологические функции.

Важные функции в растительном организме выполняют производные аминокислот – амиды и бетаины, из которых наиболее хорошо изучены аспарагин, глутамин и гликоколбетаин. Аспарагин и глутамин участвуют в построении белковых молекул, являются продуктами обмена многих азотистых веществ. Гликоколбетаин ─ продукт азотного обмена у некоторых растений, служит активным донором метильных групп.

Все аминокислоты, за исключением глицина, содержат асим­метрические атомы углерода и проявляют оптическую активность.

D- и L -формы аминокислот различают по положению водорода и аминогруппы у α-углеродного атома. За эталон сравнения прини­маются конфигурации молекул L- и D -серина. Изомеры аминокис­лот, имеющие расположение в пространстве водорода и амино­группы у α-углеродного атома такое же, как у L -серина, относят L- ряду, а сходное с конфигурацией молекулы D -серина – к D -ряду.

Направление и угол вращения плоскости поляризации света у разных аминокислот и их оптических изомеров зависит от строе­ния радикала R, реакции среды (рН), природы растворителя и раст­ворённых в нём веществ.

Подавляющее большинство природных аминокислот синте­зируется в организмах в виде L -форм, а D -формы аминокислот встречаются редко, чаще всего в клетках микроорганизмов. При химическом синтезе образуется смесь L - и D -изомеров аминокислот.

Ферментные системы растений, человека и животных специ­фически приспособлены катализировать биохимические реакции, происходящие с участием L -изомеров аминокислот, и не способны к превращениям D -изомеров, которые даже могут ингибировать биохимические процессы в организме. В опытах установлено, что только метионин может усваиваться организмами человека и животных как в L- форме, так и D- форме.

Первые аминокислоты были открыты в начале XIX века, а к концу этого века уже были выделены и изучены почти все аминокислоты, входящие в состав белков. В настоящее время известно более 200 аминокислот. Важнейшая биологическая роль аминокислот - пост­роение белковых молекул. Аминокислоты, участвующие в синтезе белков, принято называть протеиногенными, их насчитывается 18. Кроме того, в синтезе белков принимают участие два амида - аспара­гин и глутамин.

После синтеза белковой молекулы в ней могут про­исходить модификации радикалов некоторых аминокислот, поэтому при анализе состава белков, кроме протеиногенных, обнаруживают некоторые другие аминокислоты (оксипролин, оксилизин и др.).

Аминокислоты, не участвующие в синтезе белков, являются важными метаболитами, с участием которых происходит синтез протеиногенных аминокислот, а также всех других азотистых ве­ществ растительного организма: нуклеотидов, амидов, азотистых оснований, алкалоидов, некоторых липидов, многих витаминов, хлорофилла, фитогормонов (ауксинов, цитокининов), некоторых фитонцидов. Строение и биологическая роль важнейших амино­кислот представлены в таблице 1.

Растения и природные формы микроорганизмов способны син­тезировать все необходимые им аминокислоты из других органи­ческих веществ, тогда как организмы человека и животных не спо­собны к синтезу некоторых аминокислот, входящих в состав белков. Эти аминокислоты называют незаменимыми и они должны посту­пать в организм с пищей.

Для взрослого человека незаменимыми являются 8 аминокислот: лизин, триптофан, метионин, треонин, лейцин, валин, изолейцин, фенилаланин. Для детей и некоторых групп животных незаменимыми также являются аргинин, гистидин и цистеин. При недостатке незаменимых аминокислот ослабляется синтез белков, что может быть причиной тяжелых заболеваний. А их недостаток в растительных кормах снижает выход животно­водческой продукции в расчете на единицу массы затраченного корма, в результате чего повышается ее себестоимость.

В целях составления правильного пищевого рациона для каж­дого вида организмов с учетом возрастного и физического состо­яния определены ежедневные нормы потребления незаменимых аминокислот. В среднем для человека они составляют, г: валин–­5,0, лейцин–7,0, изолейцин –4,0, лизин–5,5, триптофан–1,0, треонин–4,0, метионин–3,5, фенилаланин –5,0.

Чаще всего в кормах сельскохозяйственных животных в недоста­точном количестве содержатся такие незаменимые аминокислоты, как лизин, триптофан и метионин. Для балансирования кормов по со­держанию

этих аминокислот разработаны промышленные способы их получения. В связи с тем, что лизин и триптофан усваиваются жи­вотными только в виде L - изомеров, то для производства кормовых препаратов указанных аминокислот применяют микробиологический синтез, при котором реализуется природный механизм образова­ния L -изомеров аминокислот. Поскольку метионин может усваи­ваться животными в виде D- и L- форм, то для его промышленного получения используется менее затратный химический синтез, даю­щий рацемическую смесь оптических изомеров этой аминокислоты.

Содержание свободных аминокислот в растениях зависит от вида органа или ткани, возраста растений, внешних условий и особенно подвержено большим изменениям в зависимости от интенсивности протекания тех биохимических процессов, которые сопряжены с их потреблением (синтез белков, нуклеиновых кислот и других азотис­тых веществ). Концентрация аминокислот повышается при ослабле­нии ростовых процессов, недостатке питательных элементов, избы­точном азотном питании, усилении процессов распада белков при старении растений или прорастании семян.

Концентрации отдельных аминокислот могут возрастать в ре­зультате метаболитных нарушений в организме и под воздействием стрессов. Так, например, при вододефицитном стрессе в клетках растений происходит накопление аминокислоты пролина, а при избыточном аммонийном питании – накопление аспарагина, глутамина и аргинина.

 

 

 

 

 

 

 

СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

Чистые препараты аминокислот - белые кристаллические ве­щества, имеющие высокие температуры плавления (свыше 200˚С). Многие из них хорошо растворяются в воде, за исключением кислот с гидрофобными радикалами. В водном растворе карбоксильные группы аминокислот подвергаются диссоциации с образованием катионов водорода, а азот аминогруппы довольно активно присоеди­няет катионы водорода, превращаясь в заряженную группировку, в результате чего образуется биполярное соединение:

В сильно кислой среде диссоциация карбоксильных групп подавляется высокой концентрацией ионов водорода и в таких условиях заряд молекулы будет положительным, так как он опре­деляется зарядом атома азота, присоединившего протон:

При понижении концентрации ионов водорода (увеличение рН) степень диссоциации карбоксильных rpyпп yвeличивaeтcя, а взаимо­действие ионов водорода с азотом аминогруппы ослабляется, вследствие чего при определенном значении рН большая часть кар­боксильных групп будет диссоциировать и молекула аминокисло­ты приобретает отрицательный заряд.

В щелочной среде под воздействием высокой концентрации гидроксид-ионов происходит связывание катионов водорода, при­соединенных к аминогруппе, с образованием воды, в результате чего заряд молекулы будет определяться только зарядом карбо­ксильной группы:

При определенном значении рН среды положительный заряд аминогрупп полностью уравновешивается отрицательным зарядом карбоксильных групп и молекулы аминокислоты становятся элекrpо­нейтральными. Такое состояние молекулы принято называть изо­электрической точкой. Если рН среды ниже рН изоэлектрической точки молекулы аминокислоты, то она заряжена положительно за счет заряда аминогруппы и ведет себя в водном растворе как катион. При рН среды выше рН изоэлектрической точки молекула аминокислоты заряжена отрицательно за счет диссоциации карбо­ксильной группы и ведет себя в водном растворе как анион.

Опытным путём определено, что изоэлектрические точки моно­аминомонокарбоновых кислот находятся в слабокислой среде(рН 5-6,5), так как кислотные свойства у них выражены несколько сильнее, чем основные. У моноаминодикарбоновых кислот кислот­ные свойства выражены значительно сильнее, поэтому их изоэлект­рические точки находятся в кислой среде (рН 3-3,2). У диамино­монокарбоновых кислот сильнее выражены основные свойства, в связи с чем их изоэлектрические точки смещены в щелочную сторону (рН 9,7-10,8).

В связи с тем, что в молекулах аминокислот имеются как кис­лотные, так и основные группировки, они проявляют амфотерные свойства и могут взаимодействовать и с кислотами, и с основаниями, образуя соответствую-щие соли:

 

Своими карбоксильными и аминными группировками амино­кислоты могут вступать и в другие химические реакции, с помощью которых можно проводить качественный и количественный анализ этих соединений. При взаимодействии аминокислот со спиртами образуются сложные эфиры, которые подвергаются вакуумной пе­регонке при разных физических параметрах. Благодаря этому можно разделять смеси аминокислот путём получения и фракционной перегонки их эфиров.

Аминокислоты довольно легко вступают в реакции с редуцирую­щими сахарами, образуя при этом темноокрашенные продукты– меланоидины. На первом этапе взаимодействия аминокислоты и моносахарида образуются продукты их разложения: из сахаров – фурфурол или оксиметилфурфурол, а из аминокислоты – альдегид, углекислый газ и аммиак. На следую­щем этапе фурфурол или оксиметилфурфурол, вступая в соединение с аминокислотами, образуют меланоидины. Интенсивность реакции усиливается при повышенной температуре, которая создается при термической обработке рacтитeльной продукции или её перерaботке (сушка овощей, фруктов и продуктов из картофеля, выпечка хлеба, получение макарон и кондитерских изделий). Аналогичные явле­ния наблюдаются при самосогревании зерна.

Промежуточные продукты меланоидинообразования – альдегиды создают специфический запах, характерный для тех или иных пищевых продуктов. Фурфурол имеет запах яблок, оксиметилфурфурол – запах мёда, изовалериановый альдегид, образуемый из аминокислоты лейцина, – запах ржаного хлеба. Конечные продукты реакций взаимодействия аминокислот с редуцирующими сахарами – меланоидины вызывают потемнение растительных продуктов, что ухудшает их товарные свойства. В процессе хлебопечения реакции образования меланоидинов влияют на формирование цвета, вкуса и аромата ржаного и пшеничного хлеба.

В результате ферментативного окисления ароматических амино­кислот тирозина и фенилаланина также образуются темноокрашен­ные продукты - меланины, вызывающие потемнение на воздухе очищен­ных клубней картофеля, измельченных корнеплодов, овощей и фрyкroв. Эти вещества совместно с меланоидинами определяют тёмный цвет ржаного хлеба и вызывают потемнение макарон при сушке.

Меланины синтезируются в ходе крнденсации продуктов окисления тирозина и фенилаланина, возникающих под действием фермента тирозиназы (см. стр. …).

В целях предотвращения потемнения растительных продуктов при хранении, сушке и переработке применяются технологии выращивания сельскохозяйственных культур, не допускающие накопления в товарной продукции редуцирующих сахаров и свободных аминокислот.