Тема 8: аминокислоты, пептиды, белки

Дайте краткий ответ на теоретические вопросы:

1. Превращение по α-СООН группе - декарбоксилирование α -аминокислот, образование биогенных аминов (коламина, гистамина, серотонина, кадаверина, дофамина, ГАМК). Биологическая роль биогенных аминов.

Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СO₂ получил название декарбоксилирования. Несмотря на ограниченный круг субстратов (аминокислот и их производных), подвергающихся декарбоксилированию в животных тканях, образующиеся продукты реакции (названные биогенными аминами) обладают сильным фармакологическим действием на множество физиологических функций человека и животных. В животных тканях показано декарбоксилирование следующих аминокислот и их производных: тирозина, триптофана, 5-окситриптофана, валина, серина, гистидина, глутаминовой и γ-оксиглутаминовой кислот, 3, 4-диоксифенилаланина, цистеина и цистеин-сульфиновой кислоты, аргинина, орнитина, S-аденозилметионина и α-аминомалоновой кислоты. Помимо этого, у микроорганизмов и растений открыто декарбоксилирование этих и ряда других аминокислот. Сведения о декарбоксилировании аминокислот в живых организмах суммированы в табл. 39 [показать].

Общая схема процесса декарбоксилирования аминокислот может быть представлена в следующем виде:

R-CH(NH₂)-COOH --> R-CH₂-NH₂ + CO₂

В живых организмах открыто четыре типа декарбоксилирования аминокислот.

1. α-Декарбоксилирование, характерное для большинства природных аминокислот и их производных, при котором отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с α-углеродным атомом. Продуктами реакции являются СО₂ и биогенные амины:

R-CH(NH₂)-COOH --> R-CH₂-NH₂ + CO₂

2. ω-Декарбоксилированне, характерное для микроорганизмов. Например, из аспарагиновой кислоты этим путем образуется α-аланин:

НООС-СН₂-CH(NH₂)-СООН --> СН₃-CH(NH₂)-СООН + СО₂

3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования:

В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте.

4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул:

Эта реакция в тканях животных осуществляется при синтезе δ-аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА (см. Синтез гемоглобина) и при синтезе 3-кетосфинганина (сфинголипидов), а также у растений при синтезе биотина.

Помимо этих реакций, у Peptococcus glycinophilus открыта еще одна реакция декарбоксилирования, сопряженная с генерацией энергии (синтезом АТФ). Этот анаэробный организм утилизирует глицин в качестве единственного источника углерода, превращая его в ацетат: 2CH2(NH2)COOH + 2НАД + АДФ + Фн + Н2О --> 2 СO2 + 2NH3 + СН3-СООН + 2НАДН2 + АТФ В этом уравнении реакции участвует множество ферментов, а также тетрагидрофолиевая кислота (ТГФ); первая часть уравнения включает декарбоксилирование одной молекулы глицина: CH2(NH2)COOH + НАД + ТГФ --> СO2 + NH3+ Метилен-ТГФ Эта последняя реакция также катализируется комплексом ферментов, одним из которых является пиридоксальфосфатзависимая глициндекарбоксилаза. Аналогичный путь катаболизма глицина доказан (без генерации энергии) в митохондриях печени крыс; таким образом, открыт еще один путь образования одноуглеродных фрагментов, используемых организмом для множества синтетических реакций.

Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов промежуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они катализируются специфическими ферментами - декарбоксилазами аминокислот, отличающимися от декарбоксилаз α-кетокислот как по белковому компоненту, так и по природе кофермента. Декарбоксилазы аминокислот состоят из белковой части, обеспечивающей специфичность действия, и простетической группы, представленной пиридоксальфосфатом, как и у трансаминаз.

Таким образом, в двух совершенно различных процессах аминокислот участвует один и тот же кофермент- пиридоксальфосфат. Исключение составляют две декарбоксилазы - гистидиндекарбоксилаза Micrococcus и Lactobacillus и S-аденозилметиониндекарбоксилаза Е. coli, содержащие вместо пиридоксальфосфата остаток пировиноградной кислоты (С. Р. Мардашев, Снелл). Соответствующие декарбоксилазы животных тканей содержат пиридоксальфосфат.

Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа сводится к образованию пиридоксальфосфат-субстратного комплекса в активном центре фермента (представленного, как и в реакциях трансаминирования, шиффовым основанием пиридоксальфосфата и аминокислоты, см. формулу).

Образование подобного комплекса в сочетании с некоторым оттягиванием электронов белковой частью молекулы декарбоксилазы сопровождается лабилизацией связей "а", "б" и "в", благодаря которой аминокислота приобретает способность к различного рода превращениям (декарбоксилирование, трансаминирование, дегидратация и т. д.).

Ниже будут представлены отдельные примеры декарбоксилирования аминокислот (и соответствующих декарбоксилаз), в частности тех аминокислот, продукты реакции которых обладают мощным фармакологическим действием. Одним из хорошо изученных ферментов является декарбоксилаза ароматических аминокислот, не обладающая строгой субстратной специфичностью и катализирующая декарбоксилирование L-изомеров триптофана, 5-гидрокситриптофана и 3,4-диоксифенилаланина (ДОФА); продуктами реакций, помимо СO₂, являются соответственно триптамин, серотонин и диоксифенилэтиламин (дофамин):

Декарбоксилаза ароматических аминокислот получена в чистом виде (мол. м. 112 000); кофермент-пиридоксальфосфат. В больших количествах она содержится в надпочечниках и ЦНС. Она играет важную роль в регуляции синтеза биогенных аминов. Образующийся из триптофана под действием этого фермента продукт - триптамин - наделен сосудосуживающим действием.

Другим, более изученным, биогенным амином, образующимся из 5-гидрокситриптофана, является 5-гидрокситриптамин, или серотонин. Помимо сосудосуживающего действия, серотонин участвует в центральной регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания и почечной фильтрации. Он является медиатором нервных процессов в ЦНС. Некоторые авторы считают серотонин причастным к развитию аллергии, демпинг-синдрома, токсикоза беременности, карциноидного синдрома и геморрагических диатезов.

Относительно третьего продукта декарбоксилазной реакции - дофамина - следует прежде всего указать на ферментные системы и промежуточные продукты, ведущие к его образованию. Это важно, так как дофамин является предшественником катехоламинов (норадреналина и адреналина). Источником ДОФА в организме является тирозин, который под действием специфической гидроксилазы превращается в 3,4-диоксифенилаланин. Тирозингидроксилаза открыта в надпочечниках, в ткани мозга и периферической нервной системы. Простетической группой тирозингидроксилазы, как и дофамингидроксилазы (последняя катализирует превращение дофамина в норадреналин) является тетрагидробиоптерин (рис.)

Физиологическая роль тирозингидроксилазы чрезвычайно высока, поскольку катализируемая этим ферментом реакция определяет скорость биосинтеза дофамина и катехоламинов, регулирующих в известной степени деятельность сердечно-сосудистой системы. В медицинской практике широко используются, кроме того, ингибиторы декарбоксилазы ароматических аминокислот, в частности α-метилдофа (альдомет), введение которого способствует снижению кровяного давления.

В животных тканях с высокой скоростью протекает реакция декарбоксилирования гистидина, катализируемая специфической гистидиндекарбоксилазой (рис.).

Продукт реакции - гистамин - обладает широким спектром биологического действия. По сосудорасширяющему эффекту на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, оказывающих сосудосуживающее действие. Много гистамина образуется в области воспаления, что имеет определенный биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя борьбе защитных сил организма с инфекцией. Гистамин, кроме того, участвует в секреции НС1 в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсибилизации. При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используются антигистаминные препараты (санорин, димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают, кроме того, роль медиатора боли. Болевой синдром, несомненно, является весьма сложным процессом, детали которого пока не выяснены, но участие в нем гистамина не подлежит сомнению.

В клинике широко используются, кроме того, продукт α-декарбоксилирования глутаминовой кислоты - γ-аминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбоксилаза), является высокоспецифичным:

НООС-CH(NH₂)-СН₂-СН₂-СООН --> CH₂(NH₂)-СН₂-СН₂-COOH + СО₂

Интерес к γ-аминомасляной кислоте связан с ее тормозящим действием на деятельность ЦНС. Больше всего γ-аминомасляной кислоты и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры головного мозга, в тo время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение γ-аминомасляной кислоты вызывает разлитой тормозной процесс в коре (центральное торможение) и у животных приводит к утрате условных рефлексов. γ-Аминомасляная кислота используется в клинике при лечении некоторых заболеваний ЦНС, связанных с резким возбуждением коры головного мозга. Так, в практике лечения эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилептических припадков) давало введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект был обусловлен не глутаминовой кислотой, а продуктом ее декарбоксилирования γ-аминомаслянной кислотой.

В животных тканях с высокой скоростью декарбоксилируются также два производных цистеина - цистеиновая и цистеинсульфиновая кислоты; в процессе этих специфических ферментативных реакций образуется таурин, который используется в организме для синтеза парных желчных кислот (см. Обмен липидов).

Следует указать еще на два недавно открытых в тканях животных фермента, катализирующих декарбоксилирование орнитина и S-аденозилметионина с образованием путресцина и S-метиладенозилгомоцистеамина:

Значение этих реакций, катализирующихся специфическими орнитиндекарбоксилазой и S-аденозилметиониндекарбоксилазой тканей животных, огромно, если учесть, что путресцин и аминопропильная часть S-метиладенозилгомоцистеамина используются для синтеза полиаминов - спермидина и спермина:

H₂N-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-NH-СН₂-СН₂-СН₂-NH₂
Спермидин
H₂N-CH₂-CH₂-CH₂-HN-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-NH-CH₂-CH₂-CH₂-NH₂
Спермин

Полиамины, к которым относят также путресцин, оказались необходимыми для регуляции биосинтеза внутриклеточных полимерных молекул (нуклеиновых кислот и белков), хотя конкретная их роль в этом процессе не всегда ясна.

Таким образом, биогенные амины являются сильными фармакологически активными веществами, оказывающими разносторонее влияние на физиологические функции организма. Некоторые биогенные амины нашли широкое применение в качестве лекарственных средств.

 

2.Понятие о пептидах и белках. Электронное и пространственное строение пептидной (амидной) связи.

Пептиды и белки построены из остатков α-аминокислот. Общее число встречающихся в природе аминокислот превышает 100, но некоторые из них обнаружены лишь в определенном сообществе орга- низмов, 20 наиболее важных α-аминокислот постоянно встречаются во всех белках (схема 12.1).

α-Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода.

 

2. Химические свойства α-аминокислот:

а). Образование внутрикомплексных солей.

б). Реакции этерификации.

в). Образование пептидной связи.

г). Образование амидов.

Все аминокислоты — амфотерные соединения, они могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы — COOH, так и основныесвойства, обусловленные аминогруппой — NH ₂. Аминокислоты взаимодействуют с кислотами и щелочами:

NH ₂ — CH ₂ — COOH + HCl → HCl • NH ₂ — CH ₂ — COOH (хлороводородная соль глицина)

NH ₂ — CH ₂ — COOH + NaOH → H ₂ O + NH ₂ — CH ₂ — COONa (натриевая соль глицина)

Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов, то есть находятся в состоянии внутренних солей.

NH ₂ — CH ₂ COOH N ⁺ H ₃ — CH ₂ COO ^-

Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для карбоновых кислот и аминов.

Этерификация:

NH ₂ — CH ₂ — COOH + CH ₃ OH → H ₂ O + NH ₂ — CH ₂ — COOCH ₃ (метиловый эфир глицина)

Важной особенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, приводящей к образованию полиамидов, в том числе пептидов, белков, нейлона, капрона.

Реакция образования пептидов:

HOOC — CH ₂ — NH — H + HOOC — CH ₂ — NH ₂ → HOOC — CH ₂ — NH — CO — CH ₂ — NH ₂ + H ₂ O

 

 

Решите задачи:

Задача №1

Известно, что соединения, содержащие тиольную группу, склонную к легкому окислению, выполняют защитную функцию при воздействии на организм веществ с высокой окислительной способностью. Кроме того, они проявляют противолучевое действие. В научной лаборатории сотрудник получил дозу ионизирующего излучения. Среди лекарств в лаборатории имелся только набор α-аминокислот.

Вопросы:

1. Что называется α-аминокислотами?

2. Какие аминокислоты называются незаменимыми?

3. На какие группы делятся аминокислоты по химической природе радикала?

4. Какую α-аминокислоту следует ввести сотруднику, получившему дозу излучения?

5. Что образуется при окислении этой аминокислоты?