Введение...................................................................................................................3

1. Структура и свойства кислых аминокислот.....................................................5

1.1. Вещества...........................................................................................................5

1.2. Органические вещества...................................................................................5

1.3. Функциональные производные углеводородов.............................................6

1.4. Аминокислоты..................................................................................................7

1.5. Глутаминовая кислота......................................................................................9

1.6 Биологические свойства..................................................................................11

2.Оптическая активность кислых аминокислот.................................................12

2.1 Хиральная молекула........................................................................................13

2.2 Характеристика оптического вращения.......................................................15

2.3 Измерение оптического вращения.................................................................17

2.4 Известные данные об оптическом вращении кислых аминокислот...........18

Заключение.............................................................................................................21

Литература.............................................................................................................22

Введение
Открытие аминокислоты, обычно связывают с тремя открытиями:
В 1806 г. открыто первое аминокислотное производное — амид аспарагин.
В 1810 г. открыта первая аминокислота — цистин, которая была выделена из объекта небелковой природы — мочевых камней.
В 1820 г. аминокислота глицин впервые выделена из белкового гидролизата и более или менее тщательно очищена .

Но вот открытие глутаминовой кислоты произошло довольно тихо. Немецкий химик Генрих Риттхаузен в 1866 году выделил ее из растительного белка, в частности из клейковины пшеницы. По традиции название новому веществу дал его источник: das Gluten в переводе с немецкого – клейковина.
Возможный путь получения глутаминовой кислоты, применяемый в Европе и США - гидролиз белков, например той же клейковины, из которой это вещество впервые было получено. Обычно использовали пшеничную или кукурузную клейковину, в СССР - свекловичную мелассу. Технология достаточно проста: сырье очищают от углеводов, гидролизуют 20%-ной соляной кислотой, нейтрализуют, отделяют гуминовые вещества, концентрируют и осаждают прочие аминокислоты. Оставшуюся в растворе глутаминовую кислоту снова концентрируют и кристаллизуют. В зависимости от назначения, пищевого или медицинского, проводят дополнительную очистку и перекристаллизацию. Выход глутаминовой кислоты при этом – около 5% от веса клейковины, или 6% от веса непосредственно белка.

Целью настоящей работы является изучения оптической активности кислых аминокислот.

Для реализации данной цели поставлены задачи:
1. Изучить свойства, строение и биологическое значение кислых аминокислот, на примере глутаминовой кислоты и подготовить обзор литературы.
2. Изучить оптическую активность в аминокислотах и подготовить обзор литературы по их исследованию.

Глава 1. Структура и свойства кислых аминокислот

Для изучения аминокислот, необходимо изучить основные свойства, строение и применение, поэтому в настоящей главе мы рассмотрим основные типы функциональных производных углеродов и рассмотрим глутаминовую кислоту.

1.1. Вещества

Все вещества делятся на простые (элементарные) и сложные. Простые вещества состоят из одного элемента, в состав сложных входит два или более элементов.
Простые вещества, в свою очередь, разделяются на металлы и неметаллы или металлоиды. Сложные вещества делят на органические и неорганические: органическими принято называть соединения углерода, все остальные вещества называются неорганическими (иногда минеральными) .
Неорганические вещества разделяются на классы либо по составу (двухэлементные, или бинарные, соединения и многоэлементные соединения; кислородсодержащие, азотсодержащие и т. д.), либо по химическим свойствам, т. е. по функциям (кислотно-основным, окислительно-восстановительным и т. д.), которые эти вещества осуществляют в химических реакциях, — по их функциональным признакам. Далее будут рассмотрены органические вещества, так как в них входят аминокислоты.

1.2. Органические вещества

Органические вещества - класс соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов) .

Органические соединения обычно построены из цепочек атомов углерода, связанных между собой ковалентными связями, и различных заместителей, присоединенных к этим углеродным атомам. Для систематизации и для того, чтобы органические вещества было удобно называть, их делят на классы в соответствии с тем, какие характеристические группы имеются в молекулах. На углеводороды и функциональные производные углеводородов. Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами.

Углеводороды могут быть алифатическими, алициклическими и ароматическими.
1)Ароматические углеводороды иначе называют аренами.
2)Алифатические углеводороды в свою очередь подразделяются на несколько более узких классов, важнейшими из которых являются:
- алканы (атомы углерода соединены между собой только простыми ковалентными связями);
- алкены(содержат двойную углерод-углеродную связь);

Алкины(содержат тройную связь, например ацетилен).

3) Циклические углеводороды — углеводороды с замкнутой углеродной цепью. В свою очередь делятся:
-карбоциклические (цикл состоит только из атомов углерода)
- гетероциклические (цикл состоит из атомов углерода и других элементов)

1.3. Функциональные производные углеводородов

Так же существуют производные углеводородов. Это соединений, состоящих из атомов углерода и водорода. Скелет углеводородов построен из атомов углерода, соединенных ковалентными связями; остальные связи атомов углерода используются для связывания их с атомами водорода. Скелеты углеводородов очень устойчивы, поскольку электронные пары в одинарных и двойных углерод-углеродных связях в равной мере принадлежат обоим соседним атомам углерода .

Один или более атомов водорода в углеводородах могут быть замещены различными функциональными группами. При этом образуются различные семейства органических соединений.
К типичным семействам органических соединений с характерными функциональными группами относятся спирты, в молекулах которых имеется одна или несколько гидроксильных групп, амины и аминокислоты, содержащие аминогруппы; кетоны, содержащие карбонильные группы и кислоты с карбоксильными группами.

Многие физические и химические свойства производных углеводородов больше зависят от какой-либо группы, присоединенной к основной углеводородной цепи, чем от самой этой цепи.
Так как целью моей курсовой является изучение аминокислот, остановимся на ней.

1.4. Аминокислоты

Аминокислотами называются соединения содержащие одновременно амино- и карбоксильную группу :

Обычно аминокислоты растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителя. В нейтральных водных растворах аминокислоты существуют в виде биполярных ионов и ведут себя как амфотерные соединения, т.е. проявляются свойства и кислот, и оснований.
В природе существует свыше 150 аминокислот, но только около 20 важнейших аминокислот служат мономерами для построения белковых молекул. Порядок включения аминокислот в белки определяется генетическим кодом.

По классификации, каждая аминокислота содержит как минимум одну кислотную и одну основную группы. Аминокислоты отличаются друг от друга химической природой радикала R, представляющего группу атомов в молекуле аминокислоты, связанную с α-углеродным атомом и не участвующую в образовании пептидной связи при синтезе белка. Почти все α-амино- и α-карбоксильные группы участвуют в образовании пептидных связей белковой молекулы, теряя при этом свои специфические для свободных аминокислот кислотно-основные свойства. Поэтому все разнообразие особенностей структуры и функции белковых молекул связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот .

По химической структуре группы R аминокислоты подразделяются на:
1)алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин);

2)гидроксилсодержащие (серин, треонин);

3) серусодержащие (цистеин, метионин);

4) ароматические (фенилаланин, тирозин,тритрофан);

5) кислые и амиды (аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин);

6) основные (аргинин, гистидин, лизин);

7) иминокислоты (пролин).

По полярности R-группы:

1) Полярные (глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, аргинин, лизин, гистидин);
2) Неполярные (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, пролин).

По ионным свойствам R-группы:

1) Кислые (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, цистеин, тирозин);
2) Основные (аргинин, лизин, гистидин);

3) Нейтральные (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, серин, треонин, аспарагин, глутамин, пролин, триптофан).

По питательной ценности:

1) Заменимые (треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, лизин, аргинин, гистидин);

2) Незаменимые (глицин, аланин, серин, цистеин, пролин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, тирозин).

Рассмотрим более подробно свойства глутаминовой кислоты.

1.5. Глутаминовая кислота

Глутаминовая кислота — одна из самых распространенных в составе белков, более того, среди оставшихся 19 белковых аминокислот есть и ее производное глутамин, который отличается от нее лишь дополнительной аминогруппой.
Глутаминовую кислоту иногда называют еще и глютаминовой, реже — альфа-аминоглутаровой. Совсем редко, хотя и химически правильно —
2-аминопентандиовой.
Глутаминовая кислота также является нейромедиаторной аминокислотой, одним из важных представителей класса « возбуждающих аминокислот» .

Структура представлена на рис.1.

Рис.1 Структурная формула глутаминовой кислоты

Физико-химические свойства

Вещество, в чистом виде представляющее собой непримечательные бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде. Полярность гидроксилсодержащих аминокислот обусловлена наличием в них большого дипольного момента и способностью ОН-групп образовывать водородные связи, поэтому глутаминовая кислота мало растворима в холодной воде, растворима в горячей воде. Так на 100 г воды при 25°С предельная растворимость составляет 0,89 г, а при температуре 75°С - 5,24 г. Практически нерастворима в спирте .

Глутаминовая кислота и её анион глутаминат в живых организмах встречается в свободном виде, а так же в ряде низкомолекулярных веществ. В организме декарбоксилируется до аминомасляной кислоты, а через цикл трикарбоновых кислот превращается в янтарную кислоту.
Типичная алифатическая α-аминокислота. При нагревании образует 2-пирролидон-5-карбоновую, или пироглутаминовую, кислоту, с Си и Zn-нерастворимые соли. В образовании пептидных связей участвует главным образом α -карбоксильная группа, в некоторых случаях, например у природные трипептида глутатиона,γ-аминогруппа. В синтезе пептидов из L-изомера наряду с α -NН2-группой защищают γ-карбоксильную группу, для чего ее этерифицируют бензиловым спиртом или получают трет-бутиловый эфир действием изобутилена в присутствии кислот .

Химический состав глутаминовой кислоты представлен в таблице 1 .

1.6 Биологические свойства

Глутаминовая кислота находит применение при лечении заболеваний ЦНС шизофрения, психозы (соматогенные, интоксикационные, инволюционные), реактивные состояния, протекающие с явлениями истощения, депрессия, последствия менингита и энцефалита, токсическая нейропатия на фоне применения гидразидов изоникотиновой кислоты (в сочетании с тиамином и пиридоксином), печеночная кома. В педиатрии — задержка психического развития, церебральный паралич, последствия внутричерепной родовой травмы, болезнь Дауна, полиомиелит (острый и восстановительный периоды). Ее натриевая соль используется как вкусовая и консервирующая добавка в пищевые продукты .

Имеет ряд противопоказаний, таких как гиперчувствительность, лихорадка, печеночная и/или почечная недостаточность, нефротический синдром, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, заболевания кроветворных органов, анемия, лейкопения, повышенная возбудимость, бурно протекающие психотические реакции, ожирение. Повышенная возбудимость, бессонница, боль в животе, тошнота, рвота - так отражаются побочные действия при лечении. Может вызвать диарею, аллергическую реакцию, озноб, кратковременную гипертермию; анемию, лейкопению, раздражение слизистой полости рта.

Глава 2.Оптическая активность кислых аминокислот

Для того чтобы выполнить поставленную задачу, необходимо подробно рассмотреть оптическую активность.

Свет - это электромагнитное излучение, которое воспринимается человеческим глазом. Можно разделить на естественный и поляризованный. В естественном свете колебания направлены в различных направлениях, быстро и беспорядочно сменят друг друга (рис.2.а). А свет, в котором направления колебаний будут каким-то образом упорядочены или в одной плоскости называется поляризованным(рис.2.б).

При прохождении поляризованного света через некоторые вещества происходит интересное явление: плоскость, в которой расположены линии колеблющегося электрического поля, постепенно поворачивается вокруг оси, вдоль которой идет луч.

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскость поляризации.
Среди органических соединений встречаются вещества, способные вращать плоскость поляризации света. Это явление называют оптической активностью, а соответствующие вещества - оптически активными.
Оптически активные вещества встречаются в виде пар оптических
антиподов - изомеров, физические и химические свойства которых в основном в обычных условиях одинаковы, за исключением одного - направления вращения плоскости поляризации .

2.1 Хиральная молекула

Все аминокислоты, за исключение глицина, оптически активные, благодаря хиральному строению .

Молекула, показанная на рис.3, 1-бром-1-иодэтан, имеет тетраэдрический атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями. Поэтому молекула не имеет никаких элементов симметрии. Такие молекулы называются асимметрическими или хиральными .

Глутаминовая кислота имеет аксиальную хиральность. Она возникает в результате неплоского расположения заместителей относительно некоторой оси — оси хиральности. Ось хиральности существует в несимметрично замещённых алленах. sp-Гибридный атом углерода в аллене имеет две взаимно перпендикулярные p-орбитали. Их перекрывание с p-орбиталями соседних атомов углерода приводит к тому, что заместители в аллене лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. Подобная ситуация наблюдается также в замещённых бифенилах, в которых вращение вокруг связи, соединяющей ароматические кольца, затруднено, а также в спироциклических соединениях.

Если пропускать плоскополяризованный свет через раствор хирального вещества, плоскость, в которой происходят колебания, начинает вращаться. Вещества, которые вызывают такое вращение, называются оптически активными. Угол вращения измеряют прибором, который называется поляриметр (рис.4). Способность какого-либо вещества вращать плоскость поляризации света характеризуют удельным вращением.

Посмотрим, как связана оптическая активность с молекулярным строением вещества. Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения(Рис.5).

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если собрать модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друг с другом, можно быстро убедиться, что это невозможно, т.е. оказывается, что молекула несовместима со своим зеркальным отражением.

Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти молекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров. Энантиомерные формы, или оптически антиподы, имеют различные показатели преломления (круговое двулучепреломление) и различные коэффициенты молярно экстинкции (круговой дихроизм) для лево- и право- циркулярно поляризованных компонент линейно-поляризованного света .

2.2 Характеристика оптического вращения

Оптическим вращением называют способность вещества, отклонять плоскость поляризации при прохождении через него плоскополяризованного света.
Оптическое вращение возникает вследствие неодинакового преломления света с левой и правой круговой поляризацией. Вращение плоскополяризованного светового луча возникает вследствие того, что асимметричные молекулы среды имеют различные показатели преломления, τ и π, для света с левой и правой круговой поляризацией .
Если плоскость поляризации вращается вправо (по часовой стрелке) от наблюдателя, соединение называют - правовращающим, а удельное вращение записывают со знаком плюс. При вращении влево (против часовой стрелки) соединение называют левовращающим, а удельное вращение записывают со знаком минус.

Величину отклонения плоскости поляризации от начального положения, выраженную в угловых градусах, называют углом вращения и обозначают α.

Величина угла зависит от природы оптически активного вещества, толщины слоя вещества, температуры и длины волны света. Величина угла вращения прямо пропорциональна толщине слоя. Для сравнительной оценки способности различных веществ вращать плоскость поляризации вычисляют так называемое удельное вращение. Удельным вращением называют вращение плоскости поляризации, вызванное слоем вещества толщиной 1 дм при пересчете на содержание 1 г вещества в 1 мл объема.

Для жидких веществ удельное вращение определяют по формуле:

Для растворов веществ:

(где α- измеренный угол вращения в градусах; l - толщина слоя жидкости, дм; с - концентрация раствора, выраженная в граммах на 100 мл раствора; d - плотность жидкости)

Величина удельного вращения зависит также от природы кислой аминокислоты и её концентрации. Во многих случаях удельное вращение постоянно лишь в определенном интервале концентраций. В интервале концентраций, при которых удельное вращение постоянно, можно по углу вращения рассчитать концентрацию:

Ряд оптически активных веществ изменяет угол вращения до определяемой постоянной величины. Это объясняется наличием смеси стереоизомерных форм, имеющих различные значения угла вращения. Только через некоторое время устанавливается равновесие. Свойство в течение некоторого времени изменять величину угла вращения называется мутаротацией.
Определение угла вращения плоскости поляризации проводят в приборах, как было сказано выше, так называемыми поляриметрами (рис.4).

2.3 Измерение оптического вращения

Определение угла вращения плоскости поляризации проводят в приборах, называемых поляриметрами. Правила пользования данной моделью поляриметра изложены в инструкции к прибору. Определение, как правило, проводят для D - линии натрия при 20 С.

Общий принцип устройства и работы поляриметров заключается в следующем. Луч от источника света направляется через желтый светофильтр в призму-поляризатор. Проходя через призму Николя, луч света поляризуется, колебания его совершаются только в одной плоскости. Плоскополяризованный свет пропускают через кювету с раствором оптически активного вещества. При этом отклонение плоскости поляризации света определяют с помощью второй, вращающейся, призмы Николя (анализатора), которая жестко связана с градуированной шкалой. Наблюдаемое через окуляр значительное поле, разделенное на две или три части различной яркости, следует сделать равномерно освещенным, поворачивая анализатор. Величину поворота считывают со шкалы. Для проверки нулевой точки прибора проводят аналогичные измерения без исследуемого раствора. Направление плоскости поляризации, как правило, устанавливают направлением поворота анализатора. Конструкция отечественных поляриметров такова, что если для получения однородного" освещенного поля зрения приходится повернуть анализатор вправо, т. е. по часовой стрелке, то исследуемое вещество было правовращающим, что обозначается знаком + (плюс) или d. При повороте анализатора против часовой стрелки получаем левое вращение, обозначаемое знаком - (минус) или I.

В других приборах точное направление вращения определяют при помощи повторного измерения, которое проводят либо с половинной толщиной слоя жидкости либо с половинной концентрацией. Если при этом получают угол вращения или, то можно считать, что вещество является правовращающим. Если новый угол вращения равен 90 - или 180 -, то вещество обладает левым вращением. Удельное вращение не очень сильно зависит от температуры, однако для точных измерений термостатирование кюветы необходимо. При данных по оптическому вращению необходимо указывать применяемый растворитель и концентрацию вещества в растворе, например [α]о = 27,3 в воде (С=0,15 г/мл) .

Поляриметрические определения применяют как для установления количественного содержания оптически активных веществ в растворах, так и для проверки их чистоты.

2.4 Известные данные об оптическом вращении кислых аминокислот
На основании общего правила, что соединения с одинаковой конфигурацией обнаруживают одинаковые изменения вращения при одинаковых воздействиях, был создан и ряд более конкретных правил, касающихся отдельных групп соединений. Одно из этих правил относится к аминокислотам и оно гласит, что оптическое вращение всех природных аминокислот (L-ряда) в кислых растворах сдвигается вправо. Напомним еще раз: это правило не следует понимать так, что обязательно происходит рост правого вращения: «сдвиг вправо» может означать и уменьшение левого вращения. Данные о вращениях некоторых аминокислот в кислых растворах приведены ниже в таб. 2 .

В исследовании оптического вращения было установлено, что при переходе молекулы из газовой фазы в раствор, длины волн переходов существенно изменяются (в среднем ~ 5 нм), а в исследуемых растворах различаются не значительно (~ 0.5 нм). Показано, что с уменьшением изменения дипольного момента молекул изомеров в растворах уменьшается смещение длин волн основного электронного перехода, а с ростом поляризуемостей увеличивается. Рассчитаны вращательные силы переходов молекул изомеров в различных растворах. Показано, что значения вращательных сил переходов сильно изменяется при переходе от изолированной молекулы к раствору. Построены спектральные зависимости удельного вращения плоскости поляризации в различных растворах. Так же в диапазоне 100-300 нм наблюдаются резонансы при совпадении длин волн переходов с длинами волн излучения. Удельное вращение плоскости поляризации излучения в растворах L - изомера уменьшается с ростом длины волны от ~ 50 град*м2/кг при 240 нм до 1 град*м /кг при 650 нм, а в растворах D изомера от ~ 5 град*м2/кг при 360 нм и до ~ 2 град*м2/кг при 650 нм. Подтверждено, что угол поворота линейно возрастает с ростом концентрации растворов. Показано, что с ростом поляризуемостей молекул растворителей, величины удельного вращения плоскости поляризации возрастают, а с увеличением изменения поляризуемостей молекул в растворах обоих изомеров уменьшаются .

В исследование оптического вращения L и DL изомеров глутаминовой кислоты было показано, что в диапазоне от 4000 до 5000 угол поворота плоскости поляризации некогерентного излучения максимален при длине волны 4280 и уменьшается с ростом длины волны излучения. Так же, что угол поворота плоскости поляризации лазерного излучения увеличивается до -5° при концентрации 1,6% для излучения с длинной волны А, = 650 нм и до -9° для X = 532 нм при той же концентрации. Найдено, что оптическая активность максимальна в нейтральном (pH = 7) растворе глутаминовой кислоты и уменьшается с увеличением кислотности и щелочности растворов. Продемонстрировано отсутствие вращательной способности у водных растворов рацемической формы глутаминовой кислоты .

Заключение

В ходе выполнения работы был подготовлен обзор литературы, посвящённый свойствам кислых аминокислот, по механизмам и характеристикам оптического вращения глутаминовой кислоты.
Таким образом, цель поставленной курсовой работы достигнута полностью.

Литература

1. Интернет ресурс. URL: http://redreferat.ru/Otkritie-aminokislot-art2411.html

2. Глинка Н.Л. Общая химия. 24-е изд. - Л. Химия, 1985. 37 с.

3. Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы. 2002. 57 с.

4. Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 1: Пер. с англ. — М.: Мир, 1998 . 311 с.

5. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т. 1. Мир, 62 с.

6. В. Г. Жиряков. Органическая химия. — 6-е изд., стереотипное. — М. Химия 194 c.

7. Шендрик А.Н. Химия белка. Структура, свойства, методы исследования 22 c .

8. Молони М. Г. Возбуждающие аминокислоты. Отчеты продукции. 2002. 99 с.

9. Химия и токсикология. Базы данных. Базы данных свойств веществ.

URL: http://chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1&id=1841

10. Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия г.р. Том 1. 163с.

11. Е.А. Вялых, С.А. Иларионов, А.В. Жданова. «Исследование аминокислотного состава» Опубликовано в журнале «Вода: химия и экология» № 2 за 2012 год, стр. 76-82.

12. Фармакологический справочник «Регистр лекарственных средств России® РЛС®»

13. Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. — М. Мир.

350 с.

14. Х.-Д. Якубке, Х. Ешкайт. Аминокислоты, Пептиды, Белки. Москва "Мир" 1985. 23 с.

15. Вайзман Ф. Л. Основы органической химии: Учебное пособие для вузов: Пер. с англ. / Под ред. А. А. Потехина. - СПб: Химия 103 с.

16. Выдержка из книги Хьюи Д.N. «Неорганическая химия» 202 c .

17. Пассет Б. В., Антипов М. А. - Практикум по техническому анализу и контролю в производстве химико-фармацевтических препаратов и антибиотиков. 54 с.

18. Потапов В.М. Стереохимия 1976год 211с.

19. Носаченко В.С. Магистерская диссертация «Численное исследование оптического вращения растворов изомеров глутаминовой кислоты» Волгоград 2013. 39 с.

20. Аспидова М.А. Дипломная работа «Экспериментальное исследование спектральных характеристик оптического вращения водных растворов глутаминовой кислоты» Волгоград 2013.

Физико-химические и биологические свойства белков определяются их аминокислотным составом. Аминокислоты - это аминопроизводные класса карбоновых кислот. Аминокислоты входят не только в состав белков. Многие из них выполняют специальные функции. Поэтому в живых организмах различают аминокислоты протеиногенные (кодируются генетически) и непротеиногенные (не кодируются генетически). Протеиногенных аминокислот 20. 19 из них являются a-аминокислотами. Это означает, что аминогруппа у них присоединена к a-углеродному атому той карбоновой кислоты, производным которой они являются. Общая формула этих аминокислот выглядит следующим образом:

Только одна аминокислота - пролин не соответствует этой общей формуле. Ее относят к иминокислотам.

a-углеродный атом аминокислот является ассимметричным (исключение составляет аминопроизводное уксусной килоты - глицин). Это означает, что у каждой аминокислоты имеются, как минимум, 2 оптически активных антипода. Природа выбрала для создания белков L-форму. Поэтому природные белки построены из L-a- аминокислот.

Во всех случаях, когда в молекуле органического соединения атом углерода связан с 4 разными атомами или функциональными группами, этот атом ассиметричен, поскольку он может существовать в двух изомерных формах, называемых энантиомерами или оптическими (стерео-) изомерами. Соединения с ассимметричными атомами "С" встречаются в виде двух форм (хиральных соединений) - левой и правой, в зависимости от направления вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света. Все стандартные аминокислоты кроме одной (глицин) содержат в a-положении ассимметричный атом углерода, с которым связаны 4 замещающих группы. Поэтому они обладают оптической активностью, то есть способны вращать плоскость

поляризации света в том или ином направлении.

Однако в основе системы обозначения стереоизомеров лежит не вращение плоскости поляризации света, а абсолютная конфигурация молекулы стереоизомера. Для выяснения конфигурации оптически активных аминокислот их сравнивают с глицериновым альдегидом - простейшим трехуглеродным углеводом, который содержит ассимметричный атом углерода. Стереоизомеры всех хиральных соединений, независимо от направления вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света, соответствующие по конфигурации L-глицериновому альдегиду, обозначаются буквой L, а соответствующие D-глицериновому альдегиду - буквой D. Таким образом, буквы L и D относятся к абсолютной конфигурации 4 замещающих групп при хиральном атоме "С", а не к направлению вращения плоскости поляризации.

Классификация аминокислот проводится по строению их радикала. Существуют разные подходы к классификации. Большая часть аминокислот - это алифатические соединения. 2 аминокислоты являются представителями ароматического ряда и 2 - гетероциклического.

Аминокислоты можно разделить, по их свойствам, на основные, нейтральные и кислые. Они отличаются числом амино- и карбоксильных групп в молекуле. Нейтральные - содержат по одной амино- и одной карбоксильной группе (моноаминомонокарбоновые). Кислые имеют 2 карбоксильные и одну аминогруппу (моноаминодикарбоновые), основные -2 аминогруппы и одну карбоксильную (диаминомонокарбоновые).

1. Собственно алифатическими можно назвать 5 аминокислот . Глицин или гликокол (Гли),

при работе с компьютером - (G), - a-аминоуксусная кислота. Является единственной оптически неактивной аминокислотой. Глицин используется не только для синтеза белков. Его атомы входят в состав нуклеотидов, гема, он входит в состав важного трипептида - глутатиона.

Аланин (Ала), при работе с компьютером - (А) - a-аминопропионовая кислота. Аланин нередко используется в организме для синтеза глюкозы.

По структуре все аминокислоты, за исключением глицина, можно рассматривать как производные аланина, у которого один или несколько атомов водорода в составе радикала замещены различными функциональными группами.

Валин (Вал), при работе с компьютером (V) - аминоизовалериановая кислота. Лейцин (Лей, L) - аминоизокапроновая кислота. Изолейцин (Иле, I) - a-амино-b-этил-b-метилпропионовая кислота. Эти три аминокислоты, обладая выраженными гидрофобными свойствами, играют важную роль в формировании пространственной структуры белковой молекулы.

2. Гидроксиаминокислоты. Серин (Сер, S) - a-амино-b-гидроксипропионовая кислота и треонин (Тре, T) - a-амино-b-гидроксимасляная кислота играют важную роль в процессах ковалентной модификации структуры белков. Их гидроксильная группа легко взаимодействует с фосфорной кислотой, что бывает необходимым для изменения функциональной активности белков.

3. Серусодержащие аминокислоты . Цистеин (Цис, C) - a-амино-b-тиопропионовая кислота. Специальным свойством цистеина является способность к окислению (в присутствии кислорода) и взаимодействию с другой молекулой цистеина с образованием дисульфидной связи и нового соединения - цистина. Эта аминокислота благодаря активной -SH группе легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, защищая клетку от действия окислителей, участвует в образовании дисульфидных мостиков, стабилизирующих структуру белков, входит в состав активного центра ферментов.

Метионин (Мет, M) -a-амино-b-тиометилмасляная кислота. Выполняет функцию донора подвижной метильной группы, необходимой для синтеза биологически активных соединений: холина, нуклеотидов и т.д. Это гидрофобная аминокислота.

4. Дикарбоновые аминокислоты. Глутаминовая (Глу, E) - a-аминоглутаровая кислота и аспарагиновая кислота (Асп, D) -a-аминоянтарная кислота. Это наиболее распространенные аминокислоты белков животных организмов. Обладая дополнительной карбоксильной группой в радикале, эти аминокислоты способствуют ионному взаимодействию, придают заряд белковой молекуле. Эти аминокислоты могут образовывать амиды.

5. Амиды дикарбоновых аминокислот . Глутамин (Глн, Q) и аспарагин (Асн, N). Эти аминокислоты выполняют важную функцию в обезвреживании и транспорте аммиака в организме. Амидная связь в их составе частично имеет характер двойной. За счет этого амидная группа обладает частичным положительным зарядом и не будет диссоциировать.

6. Циклические аминокислоты имеют в своем радикале ароматическое или гетероциклическое ядро. Фенилаланин (Фен, F) - a-амино-b-фенилпропионовая кислота. Тирозин (Тир, Y) - a-амино-b-параоксифе-нилпропионовая кислота. Эти 2 аминокислоты образуют взаимосвязанную пару, выполняющую важные функции в организме, среди которых следует отметить использование их клетками для синтеза ряда биологически активных веществ (адреналина, тироксина).

Триптофан (Три, W) a-амино-b-индолилпропионовая кислота. Используется для синтеза витамина PP, серотонина, гормонов эпифиза.

Гистидин (Гис, H) - a-амино-b-имидазолилпропионовая кислота. Может использоваться при образовании гистамина, регулирующего проницаемость тканей и проявляющего свое действие при аллергии.

7. Диаминомонокарбоновые аминокислоты . Лизин (Лиз, K) - диаминокапроновая кислота. Аргинин (Арг, R)- a-амино-b-гуанидин-валериановая кислота. Эти аминокислоты имеют дополнительную аминогруппу, которая придает основные свойства белкам, содержащим много таких аминокислот. Образование аргинина является частью метаболического пути обезвреживания аммиака (синтез мочевины).

8. Иминокислота - пролин (Про, P). Отличается от других аминокислот по строению. Её радикал образует с a-аминогруппой единую циклическую структуру. Благодаря этой особенности вокруг связи между a-аминогруппой и a-углеродным атомом невозможно никакое вращение. У всех других аминокислот возможность вращения вокруг этой связи имеется. Вдобавок в состав пролина входит вторичная аминогруппа (с азотом азота связан только один атом водорода), которая отличается, по своим химическим характеристикам от первичной аминогруппы (-NH 2) в составе других аминокислот. Особое место отводится этой аминокислоте в структуре коллагена, где пролин, в процессе синтеза коллагена, может превращаться в гидроксипролин.

В скобках указаны сокращенные обозначения аминокислот, которые образуются из первых трех букв их тривиального названия. В последнее время для записи первичной структуры используются и однобуквенные символы, что важно при использовании ЭВМ в работе с белками.

Изомерия аминокислот в зависимости от положения аминогруппы

В зависимости от положения аминогруппы относительно 2-го атома углерода выделяют α-, β-, γ- и другие аминокислоты.

α- и β- формы аланина

Для организма млекопитающих наиболее характерны α-аминокислоты.

Изомерия по абсолютной конфигурации

По абсолютной конфигурации молекулы выделяют D- и L-формы . Различия между изомерами связаны с взаимным расположением четырех замещающих групп, находящихся в вершинах воображаемого тетраэдра, центром которого является атом углерода в α-положении. Имеется только два возможных расположения химических групп вокруг него.

В белке любого организма содержится только один стереоизомер, для млекопитающих это L-аминокислоты.

L- и D-формы аланина

Однако оптические изомеры могут претерпевать самопроизвольную неферментативную рацемизацию , т.е. L-форма переходит в D-форму.

Как известно, тетраэдр – это довольно жесткая структура, в которой невозможно произвольным образом передвинуть вершины.

Точно так же для молекул, построенных на основе атома углерода, − за эталон конфигурации принята структура молекулы глицеральдегида, установленная с помощью рентгеноструктурного анализа. Принято, что в качестве маркера используют наиболее сильно окисленный атом углерода (на схемах его располагают сверху), связанный с асимметричным атомом углерода. Таким окисленным атомом в молекуле глицеральдегида служит альдегидная группа, для аланина – СООН группа. Атом водорода в ассиметричном углероде располагают так же, как в глицеральдегиде.

В дентине, белке зубной эмали, скорость рацемизации L-аспартата равна 0,10% в год. При формировании зуба у детей используется только L-аспартат. Такая особенность позволяет при желании определять возраст долгожителей. Для ископаемых останков наряду с радиоизотопным методом также используют определение рацемизации аминокислот в белке.

Деление изомеров по оптической активности

По оптической активности аминокислоты делятся на право - и левовращающие .

Наличие в аминокислоте ассиметричного α-атома углерода (хирального центра) делает возможным только два расположения химических групп вокруг него. Это приводит к особому отличию веществ друг от друга, а именно – изменению направления вращения плоскости поляризованного света , проходящего через раствор. Величину угла поворота определяют при помощи поляриметра. В соответствии с углом поворота выделяют правовращающие (+ ) и левовращающие (–) изомеры.

Оптическая активность аминокислот

Все аминокислоты, кроме глицина, содержат хиральный углеродный атом и могут встречаться в виде энантиомеров:

Энантиомерные формы, или оптические анитиподы, имеют различные показатели преломления и различные коэффициенты молярной экстинкции (круговой дихроизм) для лево и право циркулярно поляризованных компонент линейно-поляризованного света. Они поворачивают плоскость колебаний линейного поляризованного света на равные углы, но в противоположных направлениях. Вращение происходит так, что обе световые составляющие проходят оптически активную среду с различной скоростью и при этом сдвигаются по фазе.

По углу вращения б, определенному на поляриметре, можно определить удельное вращение.

Где с - концентрация раствора, l - толщина слоя, то есть длина трубки поляриметра.

Используют также молекулярное вращение, то есть [б] относят к 1 молю.

Следует заметить, что зависимость оптического вращения от концентрации имеет значение только в первом приближении. В области с=1ч2 соответствующие значения почти не зависят от изменения концентрации.

Если при измерении молекулярного вращения оптически активного соединения используют линейно-поляризованный свет с непрерывно меняющейся длиной волны, то получают характерный спектр. В том случае, если значения молекулярного вращения возрастают с уменьшением длины волны, говорят о положительном эффекте Коттона, в противоположном случае - об отрицательном. Особенно существенные эффекты наблюдаются при длине волны, соответствующей максимумам полос поглощения соответствующих энантиомеров: происходит изменение знака вращения. Это явление, известное как дисперсия оптического вращения (ДОВ), наряду с круговым дихроизмом (КД) используется при структурных исследованиях оптически активных соединений.

На рисунке 1. представлены кривые ДОВ L - и D-аланина, а на рисунке 2 - спектры КД D - и L-метионина. Положение и величина вращения карбонильных полос в области 200-210 нм сильно зависят от рН. Для всех аминокислот принято, что при L-конфигурации проявляется положительный, при D-конфигурации отрицательный эффект Коттона.

Рис.1.

Рис.2.

Конфигурация и конформация аминокислот

Конфигурацию протеиногенных аминокислот соотносят с D-глюкозой; такой подход предложен Э. Фишером в 1891 году. В пространственных формулах Фишера заместители у хирального атома углерода занимают положение, которое соответствует их абсолютной конфигурации. На рисунке представлены формулы D - и L-аланина.

Схема Фишера для определения конфигурации аминокислоты применима ко всем б - аминокислотам, обладающим хиральным б - углеродным атомом.

Из рисунка видно, что L -аминокислота может быть правовращающей (+) или левовращающей (-) в зависимости от природы радикала. Подавляющее большинство б-аминокислот, встречающихся в природе, относится к L -ряду. Их энантиоморфы , т.е. D -аминокислоты, синтезируются только микроорганизмами и называются "неприродными" аминокислотами .

Согласно номенклатуре (R,S), большинство "природных" или L-аминокислот имеет S-конфигурацию.

В двухмерном изображении для D - и L-изомеров принят определенный порядок расположения заместителей. У D-аминокислоты наверху изображают карбоксильную группу, далее по часовой стрелке следуют аминогруппа, боковая цепь и атом водорода. У L-аминокислоты принят обратный порядок расположения заместителей, причем боковая цепь всегда стоит внизу.

Аминокислоты треонин, изолейцин и гидроксипролин имеют два центра хиральности.

В настоящее время определение абсолютной конфигурации аминокислот проводят как с помощью рентгеноструктурного анализа и ферментативных методов, так и с помощью исследования спектров КД и ДОВ.

Для некоторых аминокислот наблюдается связь между их конфигурацией и вкусом, например L-Trp, L-Phe, L-Tyr, L-Leu имеют горький вкус, а их D-энантиомеры сладкие. Сладкий вкус глицина известен давно. Мононатриевая соль глутаминовой кислоты - глутамат натрия - один из важнейших носителей вкусовых качеств, применяемых в пищевой промышленности. Интересно заметить, что производное дипептида из аспарагиновой кислоты и фенилаланина обнаруживает интенсивно сладкий вкус. В последние годы стереохимия аминокислот развивается в основном в направлении изучения проблем конформации. Исследования с помощью различных физических методов, в особенности спектроскопии ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения, показывают, что заместители у б - и в-С-атомов аминокислоты предпочитают находиться в определенных конфигурациях. С помощью ЯМР-спектроскопии можно проводить конформационный анализ как в твердом состоянии, так и в растворе. Конформационный анализ дает важные сведения о конформационном поведении белков и пептидов.

аминокислоты

аминокислоты

аминокисло́ты

класс органических соединений, содержащих карбоксильные (-СООН) и аминогруппы (-NH 2); обладают свойствами и кислот, и оснований. Участвуют в обмене азотистых веществ всех организмов (исходное соединение при биосинтезе гормонов, витаминов, медиаторов, пигментов, пуриновых и пиримидиновых оснований, алкалоидов и др.). Природных аминокислот свыше 150. Около 20 важнейших аминокислот служат мономерными звеньями, из которых построены все белки (порядок включения аминокислот в них определяется генетическим кодом). Большинство микроорганизмов и растения синтезируют необходимые им аминокислоты; животные и человек не способны к образованию так называемых незаменимых аминокислот, получаемых с пищей. Освоен промышленный синтез (химический и микробиологический) ряда аминокислот, используемых для обогащения пищи, кормов, как исходные продукты для производства полиамидов, красителей и лекарственных препаратов.

АМИНОКИСЛОТЫ

АМИНОКИСЛО́ТЫ, органические (карбоновые (см. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ)) кислоты, в составе которых имеется аминогруппа (- NH 2). Участвуют в обмене белков и углеводов, в образовании важных для организмов соединений (например, пуриновых (см. ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ) и пиримидиновых оснований(см. ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ), являющихся неотъемлемой частью нуклеиновых кислот (см. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ)), входят в состав гормонов(см. ГОРМОНЫ), витаминов (см. ВИТАМИНЫ), алкалоидов (см. АЛКАЛОИДЫ), пигментов (см. ПИГМЕНТЫ (в биологии)), токсинов (см. ТОКСИНЫ), антибиотиков(см. АНТИБИОТИКИ)и т. д.; дигидроксифенилаланин (ДОФА) и g-аминомасляная кислота служат посредниками при передаче нервных импульсов (см. НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС). В клетках и тканях живых организмов встречается около 300 различных аминокислот, но только 20 из них служат звеньями (мономерами), из которых построены пептиды (см. ПЕПТИДЫ) и белки (см. БЕЛКИ (органические соединения)) всех организмов (поэтому их называют белковыми аминокислотами). Последовательность расположения этих аминокислот в белках закодирована в последовательности нуклеотидов (см. НУКЛЕОТИДЫ) соответствующих генов (см. Генетический код (см. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД)). Остальные аминокислоты встречаются как в виде свободных молекул, так и в связанном виде. Многие из аминокислот встречаются лишь в определенных организмах, а есть и такие, которые обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. История открытия аминокислот Первая аминокислота - аспарагин (см. АСПАРАГИН) - была открыта в 1806, последняя из аминокислот, обнаруженных в белках, - треонин (см. ТРЕОНИН) - была идентифицирована в 1938. Каждая аминокислота имеет тривиальное (традиционное) название, иногда оно связано с источником выделения. Например, аспарагин впервые обнаружили в аспарагусе (спарже), глутаминовую кислоту - в клейковине (от англ. gluten - глютен) пшеницы, глицин был назван так за его сладкий вкус (от греч. glykys - сладкий). Структура и свойства аминокислот Общую структурную формулу любой аминокислоты можно представить следующим образом: карбоксильная группа (- СООН) и аминогруппа (- NH 2) связаны с одним и тем же a-атомом углерода (счет атомов ведется от карбоксильной группы с помощью букв греческого алфавита - a, b, g и т. д.). Различаются же аминокислоты структурой боковой группы, или боковой цепи (радикал R), которые имеют разные размеры, форму, реакционную способность, определяют растворимость аминокислот в водной среде и их электрический заряд. И лишь у пролина (см. ПРОЛИН) боковая группа присоединена не только к a -углеродному атому, но и к аминогруппе, в результате чего образуется циклическая структура. В нейтральной среде и в кристаллах -аминокислоты существуют как биполяры, или цвиттер-ионы (см. ЦВИТТЕР-ИОНЫ). Поэтому, например, формулу аминокислоты глицина - NH 2 -CH 2 -СООH - правильнее было бы записать как NH 3 + -CH 2 -COO – . Только в наиболее простой по структуре аминокислоте - глицине - в роли радикала выступает атом водорода. У остальных аминокислот все четыре заместителя при a -углеродном атоме различны (т. е. a -углеродный атом углерода асимметричен). Поэтому эти аминокислоты обладают оптической активностью(см. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ)(способны вращать плоскость поляризованного света) и могут существовать в форме двух оптических изомеров - L (левовращающие) и D (правовращающие). Однако все природные аминокислоты являются L-аминокислотами. К числу же исключений можно отнести D-изомеры глутаминовой кислоты (см. ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА), аланина (см. АЛАНИН), валина (см. ВАЛИН), фенилаланина (см. ФЕНИЛАЛАНИН), лейцина (см. ЛЕЙЦИН) и ряда других аминокислот, которые обнаружены в клеточной стенке бактерий; аминокислоты D-конформации входят в состав некоторых пептидных антибиотиков (см. АНТИБИОТИКИ) (в том числе актиномицинов, бацитрацина, грамицидинов (см. ГРАМИЦИДИНЫ) A и S), алкалоидов (см. АЛКАЛОИДЫ) из спорыньи и т. д. Классификация аминокислот Входящие в состав белков аминокислоты классифицируют в зависимости от особенностей их боковых групп. Например, исходя из их отношения к воде при биологических значениях рН (около рН 7,0), различают неполярные, или гидрофобные, аминокислоты и полярные, или гидрофильные. Кроме того, среди полярных аминокислот выделяют нейтральные (незаряженные); они содержат по одной кислой (карбоксильная) и одной основной группе (аминогруппа). Если же в аминокислоте присутствует более одной из вышеназванных групп, то их называют, соответственно, кислыми и основными. Большинство микроорганизмов и растения создают все необходимые им аминокислоты из более простых молекул. В отличие от них животные организмы не могут синтезировать некоторые из аминокислот, в которых они нуждаются. Такие аминокислоты они должны получать в готовом виде, то есть с пищей. Поэтому, исходя из пищевой ценности, аминокислоты делят на незаменимые и заменимые. К числу незаменимых для человека аминокислот относятся валин (см. ВАЛИН), треонин (см. ТРЕОНИН), триптофан (см. ТРИПТОФАН), фенилаланин (см. ФЕНИЛАЛАНИН), метионин (см. МЕТИОНИН), лизин (см. ЛИЗИН), лейцин (см. ЛЕЙЦИН), изолейцин (см. ИЗОЛЕЙЦИН), а для детей незаменимыми являются также гистидин (см. ГИСТИДИН) и аргинин (см. АРГИНИН). Недостаток любой из незаменимых аминокислот в организме приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития. В отдельных белках встречаются редкие (нестандартные) аминокислоты, которые образуются путем различных химических превращений боковых групп обычных аминокислот в ходе синтеза белка на рибосомах или после его окончания (так называемая посттрансляционная модификация белков) (см. Белки (см. БЕЛКИ (органические соединения))). Например, в состав коллагена (см. КОЛЛАГЕН) (белка соединительной ткани) входят гидроксипролин и гидроксилизин, являющиеся производными пролина и лизина соответственно; в мышечном белке миозине (см. МИОЗИН) присутствует метиллизин; только в белке эластине (см. ЭЛАСТИН)содержится производное лизина - десмозин. Использование аминокислот Аминокислоты находят широкое применение в качестве пищевых добавок (см. ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ). Например, лизином, триптофаном, треонином и метионином обогащают корма сельскохозяйственных животных, добавление натриевой соли глутаминовой кислоты (глутамата натрия) придает ряду продуктов мясной вкус. В смеси или отдельно аминокислоты применяют в медицине, в том числе при нарушениях обмена веществ и заболеваниях органов пищеварения, при некоторых заболеваниях центральной нервной системы (g-аминомасляная и глутаминовая кислоты, ДОФА). Аминокислоты используются при изготовлении лекарственных препаратов, красителей, в парфюмерной промышленности, в производстве моющих средств, синтетических волокон и пленки и т. д. Для хозяйственных и медицинских нужд аминокислоты получают с помощью микроорганизмов путем так называемого микробиологического синтеза (см. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ) (лизин, триптофан, треонин); их выделяют также из гидролизатов природных белков (пролин (см. ПРОЛИН), цистеин (см. ЦИСТЕИН), аргинин (см. АРГИНИН), гистидин (см. ГИСТИДИН)). Но наиболее перспективны смешанные способы получения, совмещающие методы химического синтеза и использование ферментов (см. ФЕРМЕНТЫ).

БЕЛКИ

(протеины), класс сложных азотсодержащих соединений, наиболее характерных и важных (наряду с нуклеиновыми кислотами) компонентов живого вещества. Белки выполняют многочисленные и разнообразные функции. Большинство белков - ферменты, катализирующие химические реакции. Многие гормоны, регулирующие физиологические процессы, тоже являются белками. Такие структурные белки, как коллаген и кератин, служат главными компонентами костной ткани, волос и ногтей. Сократительные белки мышц обладают способностью изменять свою длину, используя химическую энергию для выполнения механической работы. К белкам относятся антитела, которые связывают и нейтрализуют токсичные вещества. Некоторые белки, способные реагировать на внешние воздействия (свет, запах), служат в органах чувств рецепторами, воспринимающими раздражение. Многие белки, расположенные внутри клетки и на клеточной мембране, выполняют регуляторные функции. В первой половине 19 в. многие химики, и среди них в первую очередь Ю.фон Либих, постепенно пришли к выводу, что белки представляют собой особый класс азотистых соединений. Название "протеины" (от греч. protos - первый) предложил в 1840 голландский химик Г.Мульдер. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Белки в твердом состоянии белого цвета, а в растворе бесцветны, если только они не несут какой-нибудь хромофорной (окрашенной) группы, как, например, гемоглобин. Растворимость в воде у разных белков сильно варьирует. Она изменяется также в зависимости от рН и от концентрации солей в растворе, так что можно подобрать условия, при которых один какой-нибудь белок будет избирательно осаждаться в присутствии других белков. Этот метод "высаливания" широко используется для выделения и очистки белков. Очищенный белок часто выпадает в осадок из раствора в виде кристаллов. В сравнении с другими соединениями молекулярная масса белков очень велика - от нескольких тысяч до многих миллионов дальтон. Поэтому при ультрацентрифугировании белки осаждаются, и притом с разной скоростью. Благодаря присутствию в молекулах белков положительно и отрицательно заряженных групп они движутся с разной скоростью и в электрическом поле. На этом основан электрофорез - метод, применяемый для выделения индивидуальных белков из сложных смесей. Очистку белков проводят и методом хроматографии. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Строение. Белки - это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев, или субъединиц, роль которых играют у них a-аминокислоты. Общая формула аминокислот

<="" div="" style="border-style: none;"> где R - атом водорода или какая-нибудь органическая группа. Белковая молекула (полипептидная цепь) может состоять всего лишь из относительно небольшого числа аминокислот или из нескольких тысяч мономерных звеньев. Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Обе эти группы присоединены к a-атому углерода. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты:

<="" div="" style="border-style: none;"> После того как две аминокислоты таким образом соединились, цепь может наращиваться путем добавления ко второй аминокислоте третьей и т.д. Как видно из приведенного выше уравнения, при образовании пептидной связи выделяется молекула воды. В присутствии кислот, щелочей или протеолитических ферментов реакция идет в обратном направлении: полипептидная цепь расщепляется на аминокислоты с присоединением воды. Такая реакция называется гидролизом. Гидролиз протекает спонтанно, а для соединения аминокислот в полипептидную цепь требуется энергия. Карбоксильная группа и амидная группа (или сходная с ней имидная - в случае аминокислоты пролина) имеются у всех аминокислот, различия же между аминокислотами определяются природой той группы, или "боковой цепи", которая обозначена выше буквой R. Роль боковой цепи может играть и один атом водорода, как у аминокислоты глицина, и какая-нибудь объемистая группировка, как у гистидина и триптофана. Некоторые боковые цепи в химическом смысле инертны, тогда как другие обладают заметной реакционной способностью. Синтезировать можно многие тысячи различных аминокислот, и множество различных аминокислот встречается в природе, но для синтеза белков используется только 20 видов аминокислот: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, валин, гистидин, глицин, глутамин, глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин и цистеин (в белках цистеин может присутствовать в виде димера - цистина). Правда, в некоторых белках присутствуют и другие аминокислоты, помимо регулярно встречающихся двадцати, но они образуются в результате модификации какой-нибудь из двадцати перечисленных уже после того, как она включилась в белок. Оптическая активность. У всех аминокислот, за исключением глицина, к a-атому углерода присоединены четыре разные группы. С точки зрения геометрии, четыре разные группы могут быть присоединены двумя способами, и соответственно есть две возможные конфигурации, или два изомера, относящиеся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению, т.е. как левая рука к правой. Одну конфигурацию называют левой, или левовращающей (L), а другую - правой, или правовращающей (D), поскольку два таких изомера различаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В белках встречаются только L-аминокислоты (исключение составляет глицин; он может быть представлен лишь одной формой, поскольку у него две из четырех групп одинаковы), и все они обладают оптической активностью (поскольку имеется только один изомер). D-аминокислоты в природе редки; они встречаются в некоторых антибиотиках и клеточной оболочке бактерий.

АСИММЕТРИЧЕСКИЙ АТОМ УГЛЕРОДА в молекуле аминокислоты изображен здесь в виде шарика, помещенного в центр тетраэдра. Представленное расположение четырех замещающих групп соответствует L-конфигурации, характерной для всех природных аминокислот.

Последовательность аминокислот. Аминокислоты в полипептидной цепи располагаются не случайным образом, а в определенном фиксированном порядке, и именно этот порядок определяет функции и свойства белка. Варьируя порядок расположения 20 видов аминокислот, можно получить огромное число разных белков, точно так же, как из букв алфавита можно составить множество разных текстов. В прошлом на определение аминокислотной последовательности какого-нибудь белка уходило нередко несколько лет. Прямое определение и теперь достаточно трудоемкое дело, хотя созданы приборы, позволяющие вести его автоматически. Обычно проще бывает определить нуклеотидную последовательность соответствующего гена и вывести из нее аминокислотную последовательность белка. К настоящему времени уже определены аминокислотные последовательности многих сотен белков. Функции расшифрованных белков, как правило, известны, и это помогает представить себе возможные функции сходных белков, образующихся, например, при злокачественных новообразованиях. Сложные белки. Белки, состоящие из одних только аминокислот, называют простыми. Часто, однако, к полипептидной цепи бывают присоединены атом металла или какое-нибудь химическое соединение, не являющееся аминокислотой. Такие белки называются сложными. Примером может служить гемоглобин: он содержит железопорфирин, который определяет его красный цвет и позволяет ему играть роль переносчика кислорода. В названиях большинства сложных белков содержится указание на природу присоединенных групп: в гликопротеинах присутствуют сахара, в липопротеинах - жиры. Если от присоединенной группы зависит каталитическая активность фермента, то ее называют простетической группой. Нередко какой-нибудь витамин играет роль простетической группы или входит в ее состав. Витамин А, например, присоединенный к одному из белков сетчатки, определяет ее чувствительность к свету. Третичная структура. Важна не столько сама аминокислотная последовательность белка (первичная структура), сколько способ ее укладки в пространстве. По всей длине полипептидной цепи ионы водорода образуют регулярные водородные связи, которые придают ей форму спирали либо слоя (вторичная структура). Из комбинации таких спиралей и слоев возникает компактная форма следующего порядка - третичная структура белка. Вокруг связей, удерживающих мономерные звенья цепи, возможны повороты на небольшие углы. Поэтому с чисто геометрической точки зрения число возможных конфигураций для любой полипептидной цепи бесконечно велико. В действительности же каждый белок существует в норме только в одной конфигурации, определяемой его аминокислотной последовательностью. Структура эта не жесткая, она как бы "дышит" - колеблется вокруг некой средней конфигурации. Цепь складывается в такую конфигурацию, при которой свободная энергия (способность производить работу) минимальна, подобно тому как отпущенная пружина сжимается лишь до состояния, соответствующего минимуму свободной энергии. Нередко одна часть цепи бывает жестко сцеплена с другой дисульфидными (-S-S-) связями между двумя остатками цистеина. Отчасти именно поэтому цистеин среди аминокислот играет особо важную роль. Сложность строения белков столь велика, что пока еще невозможно вычислить третичную структуру белка, если даже известна его аминокислотная последовательность. Но если удается получить кристаллы белка, то его третичную структуру можно определить по дифракции рентгеновских лучей. У структурных, сократительных и некоторых других белков цепи вытянуты и несколько лежащих рядом слегка свернутых цепей образуют фибриллы; фибриллы, в свою очередь, складываются в более крупные образования - волокна. Однако большинство белков в растворе имеет глобулярную форму: цепи свернуты в глобуле, как пряжа в клубке. Свободная энергия при такой конфигурации минимальна, поскольку гидрофобные ("отталкивающие воду") аминокислоты скрыты внутри глобулы, а гидрофильные ("притягивающие воду") находятся на ее поверхности. Многие белки - это комплексы из нескольких полипептидных цепей. Такое строение называется четвертичной структурой белка. Молекула гемоглобина, например, состоит из четырех субъединиц, каждая из которых представляет собой глобулярный белок. Структурные белки благодаря своей линейной конфигурации образуют волокна, у которых предел прочности на разрыв очень высок, глобулярная же конфигурация позволяет белкам вступать в специфические взаимодействия с другими соединениями. На поверхности глобулы при правильной укладке цепей возникают определенной формы полости, в которых размещены реакционноспособные химические группы. Если данный белок - фермент, то другая, обычно меньшая, молекула какого-то вещества входит в такую полость подобно тому, как ключ входит в замок; при этом меняется конфигурация электронного облака молекулы под влиянием находящихся в полости химических групп, и это вынуждает ее определенным образом реагировать. Таким способом фермент катализирует реакцию. В молекулах антител тоже имеются полости, в которых различные чужеродные вещества связываются и тем самым обезвреживаются. Модель "ключа и замка", объясняющая взаимодействие белков с другими соединениями, позволяет понять специфичность ферментов и антител, т.е. их способность реагировать только с определенными соединениями. Белки у разных видов организмов. Белки, выполняющие одну и ту же функцию у разных видов растений и животных и потому носящие одно и то же название, имеют и сходную конфигурацию. Они, однако, несколько различаются по своей аминокислотной последовательности. По мере того как виды дивергируют от общего предка, некоторые аминокислоты в определенных положениях замещаются в результате мутаций другими. Вредные мутации, являющиеся причиной наследственных болезней, выбраковываются естественным отбором, но полезные или по крайней мере нейтральные могут сохраняться. Чем ближе друг к другу два каких-нибудь биологических вида, тем меньше различий обнаруживается в их белках. Некоторые белки меняются относительно быстро, другие весьма консервативны. К последним принадлежит, например, цитохром с - дыхательный фермент, имеющийся у большинства живых организмов. У человека и шимпанзе его аминокислотные последовательности идентичны, а в цитохроме с пшеницы иными оказались лишь 38% аминокислот. Даже сравнивая человека и бактерии, сходство цитохромов с (различия затрагивают здесь 65% аминокислот) все еще можно заметить, хотя общий предок бактерии и человека жил на Земле около двух миллиардов лет назад. В наше время сравнение аминокислотных последовательностей часто используют для построения филогенетического (генеалогического) древа, отражающего эволюционные связи между разными организмами. Денатурация. Синтезированная молекула белка, складываясь, приобретает свойственную ей конфигурацию. Эта конфигурация, однако, может разрушиться при нагревании, при изменении рН, под действием органических растворителей и даже при простом взбалтывании раствора до появления на его поверхности пузырьков. Измененный таким образом белок называют денатурированным; он утрачивает свою биологическую активность и обычно становится нерастворимым. Хорошо знакомые всем примеры денатурированного белка - вареные яйца или взбитые сливки. Небольшие белки, содержащие всего лишь около сотни аминокислот, способны ренатурировать, т.е. вновь приобретать исходную конфигурацию. Но большинство белков превращается при этом просто в массу спутанных полипептидных цепей и прежнюю конфигурацию не восстанавливает. Одна из главных трудностей при выделении активных белков связана с их крайней чувствительностью к денатурации. Полезное применение это свойство белков находит при консервировании пищевых продуктов: высокая температура необратимо денатурирует ферменты микроорганизмов, и микроорганизмы погибают. СИНТЕЗ БЕЛКОВ Для синтеза белка живой организм должен располагать системой ферментов, способных присоединять одну аминокислоту к другой. Необходим также источник информации, которая бы определяла, какие именно аминокислоты следует соединять. Поскольку в организме имеются тысячи видов белков и каждый из них состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот, необходимая информация должна быть поистине огромной. Хранится она (подобно тому, как хранится запись на магнитной ленте) в молекулах нуклеиновых кислот, из которых состоят гены. См. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Активация ферментов. Синтезированная из аминокислот полипептидная цепь - это далеко не всегда белок в его окончательной форме. Многие ферменты синтезируются сначала в виде неактивных предшественников и переходят в активную форму лишь после того, как другой фермент удалит на одном из концов цепи несколько аминокислот. В такой неактивной форме синтезируются некоторые из пищеварительных ферментов, например трипсин; эти ферменты активируются в пищеварительном тракте в результате удаления концевого фрагмента цепи. Гормон инсулин, молекула которого в активной форме состоит из двух коротких цепей, синтезируется в виде одной цепи, т.н. проинсулина. Затем средняя часть этой цепи удаляется, а оставшиеся фрагменты связываются друг с другом, образуя активную молекулу гормона. Сложные белки образуются лишь после того, как к белку будет присоединена определенная химическая группа, а для этого присоединения часто тоже требуется фермент. Метаболический кругооборот. После скармливания животному аминокислот, меченных радиоактивными изотопами углерода, азота или водорода, метка быстро включается в его белки. Если меченые аминокислоты перестают поступать в организм, то количество метки в белках начинает снижаться. Эти эксперименты показывают, что образовавшиеся белки не сохраняются в организме до конца жизни. Все они, за немногими исключениями, находятся в динамичном состоянии, постоянно распадаются до аминокислот, а затем вновь синтезируются. Некоторые белки распадаются, когда гибнут и разрушаются клетки. Это постоянно происходит, например, с эритроцитами и клетками эпителия, выстилающего внутреннюю поверхность кишечника. Кроме того, распад и ресинтез белков протекают и в живых клетках. Как ни странно, о распаде белков известно меньше, чем об их синтезе. Ясно, однако, что в распаде участвуют протеолитические ферменты, сходные с теми, которые расщепляют белки до аминокислот в пищеварительном тракте. Период полураспада у разных белков различен - от нескольких часов до многих месяцев. Единственное исключение - молекулы коллагена. Однажды образовавшись, они остаются стабильными, не обновляются и не замещаются. Со временем, однако, меняются некоторые их свойства, в частности эластичность, а поскольку они не обновляются, следствием этого оказываются определенные возрастные изменения, например появление морщин на коже. Синтетические белки. Химики давно уже научились полимеризовать аминокислоты, но аминокислоты соединяются при этом неупорядоченно, так что продукты такой полимеризации мало похожи на природные. Правда, имеется возможность соединять аминокислоты в заданном порядке, что позволяет получать некоторые биологически активные белки, в частности инсулин. Процесс достаточно сложен, и таким способом удается получать лишь те белки, в молекулах которых содержится около сотни аминокислот. Предпочтительнее вместо этого синтезировать или выделить нуклеотидную последовательность гена, соответствующую желаемой аминокислотной последовательности, а затем ввести этот ген в бактерию, которая и будет вырабатывать путем репликации большое количество нужного продукта. У этого метода, впрочем, тоже есть свои недостатки. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. БЕЛКИ И ПИТАНИЕ Когда белки в организме распадаются до аминокислот, эти аминокислоты могут быть снова использованы для синтеза белков. В то же время и сами аминокислоты подвержены распаду, так что они реутилизируются не полностью. Ясно также, что в период роста, при беременности и заживлении ран синтез белков должен превышать распад. Некоторые же белки организм непрерывно теряет; это белки волос, ногтей и поверхностного слоя кожи. Поэтому для синтеза белков каждый организм должен получать аминокислоты с пищей. Источники аминокислот. Зеленые растения синтезируют из СО2, воды и аммиака или нитратов все 20 аминокислот, встречающихся в белках. Многие бактерии тоже способны синтезировать аминокислоты при наличии сахара (или какого-нибудь его эквивалента) и фиксированного азота, но и сахар, в конечном счете, поставляется зелеными растениями. У животных способность к синтезу аминокислот ограниченна; они получают аминокислоты, поедая зеленые растения или других животных. В пищеварительном тракте поглощенные белки расщепляются до аминокислот, последние всасываются, и уже из них строятся белки, характерные для данного организма. Ни один поглощенный белок не включается в структуры тела как таковой. Единственное исключение заключается в том, что у многих млекопитающих часть материнских антител может в интактном виде попасть через плаценту в кровоток плода, а через материнское молоко (особенно у жвачных) быть передано новорожденному сразу же после его появления на свет. Потребность в белках. Ясно, что для поддержания жизни организм должен получать с пищей некоторое количество белков. Однако размеры этой потребности зависят от ряда факторов. Организму необходима пища и как источник энергии (калорий), и как материал для построения его структур. На первом месте стоит потребность в энергии. Это значит, что, когда углеводов и жиров в рационе мало, пищевые белки используются не для синтеза собственных белков, а в качестве источника калорий. При длительном голодании даже собственные белки расходуются на удовлетворение энергетических нужд. Если же углеводов в рационе достаточно, то потребление белков может быть снижено. Азотистый баланс. В среднем ок. 16% всей массы белка составляет азот. Когда входившие в состав белков аминокислоты расщепляются, содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой и (в меньшей мере) с калом в виде различных азотистых соединений. Удобно поэтому для оценки качества белкового питания использовать такой показатель, как азотистый баланс, т.е. разность (в граммах) между количеством азота, поступившего в организм, и количеством выведенного азота за сутки. При нормальном питании у взрослого эти количества равны. У растущего организма количество выведенного азота меньше количества поступившего, т.е. баланс положителен. При нехватке белков в рационе баланс отрицателен. Если калорий в рационе достаточно, но белки в нем полностью отсутствуют, организм сберегает белки. Белковый обмен при этом замедляется, и повторная утилизация аминокислот в синтезе белка идет с максимально возможной эффективностью. Однако потери неизбежны, и азотистые соединения все же выводятся с мочой и частично с калом. Количество азота, выведенного из организма за сутки при белковом голодании, может служить мерой суточной нехватки белка. Естественно предположить, что, введя в рацион количество белка, эквивалентное этому дефициту, можно восстановить азотистый баланс. Однако это не так. Получив такое количество белка, организм начинает использовать аминокислоты менее эффективно, так что для восстановления азотистого баланса требуется некоторое дополнительное количество белка. Если количество белка в рационе превышает необходимое для поддержания азотистого баланса, то вреда от этого, по-видимому, нет. Избыток аминокислот просто используется как источник энергии. В качестве особенно яркого примера можно сослаться на эскимосов, которые потребляют мало углеводов и примерно в десять раз больше белка, чем требуется для поддержания азотистого баланса. В большинстве случаев, однако, использование белка в качестве источника энергии невыгодно, поскольку из определенного количества углеводов можно получить намного больше калорий, чем из такого же количества белка. В бедных странах население получает необходимые калории за счет углеводов и потребляет минимальное количество белка. Если необходимое число калорий организм получает в форме небелковых продуктов, то минимальное количество белка, обеспечивающее поддержание азотистого баланса, составляет для взрослого человека ок. 30 г в день. Примерно столько белка содержится в четырех ломтиках хлеба или 0,5 л молока. Оптимальным считают обычно несколько большее количество; рекомендуется от 50 до 70 г. Незаменимые аминокислоты. До сих пор белок рассматривался как нечто целое. Между тем для того, чтобы мог идти синтез белка, в организме должны присутствовать все необходимые аминокислоты. Некоторые из аминокислот организм животного сам способен синтезировать. Их называют заменимыми, поскольку они не обязательно должны присутствовать в рационе, - важно лишь, чтобы в целом поступление белка как источника азота было достаточным; тогда при нехватке заменимых аминокислот организм может синтезировать их за счет тех, что присутствуют в избытке. Остальные, "незаменимые", аминокислоты не могут быть синтезированы и должны поступать в организм с пищей. Для человека незаменимыми являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, гистидин, лизин и аргинин. (Хотя аргинин и может синтезироваться в организме, его относят к незаменимым аминокислотам, поскольку у новорожденных и растущих детей он образуется в недостаточном количестве. С другой стороны, для человека зрелого возраста поступление некоторых из этих аминокислот с пищей может стать необязательным.) Этот список незаменимых аминокислот приблизительно одинаков также и у других позвоночных и даже у насекомых. Питательную ценность белков обычно определяют, скармливая их растущим крысам и следя за прибавкой веса животных. Питательная ценность белков. Питательную ценность белка определяют по той незаменимой аминокислоте, которой более всего не хватает. Проиллюстрируем это на примере. В белках нашего тела содержится в среднем ок. 2% триптофана (по весу). Допустим, что в рацион входит 10 г белка, содержащего 1% триптофана, и что других незаменимых аминокислот в нем достаточно. В нашем случае 10 г этого неполноценного белка по сути эквивалентны 5 г полноценного; остальные 5 г могут послужить только источником энергии. Отметим, что, поскольку аминокислоты в организме практически не запасаются, а для того чтобы мог идти синтез белка, должны одновременно присутствовать все аминокислоты, эффект от поступления незаменимых аминокислот можно обнаружить лишь в том случае, если все они поступят в организм одновременно. Усредненный состав большей части животных белков близок к усредненному составу белков человеческого тела, так что аминокислотная недостаточность нам вряд ли грозит, если наш рацион богат такими продуктами, как мясо, яйца, молоко и сыр. Однако есть белки, например желатин (продукт денатурации коллагена), которые содержат очень мало незаменимых аминокислот. Растительные белки, хотя они в этом смысле и лучше желатина, тоже бедны незаменимыми аминокислотами; особенно мало в них лизина и триптофана. Тем не менее и чисто вегетарианскую диету вовсе нельзя считать вредной, если только при этом потребляется несколько большее количество растительных белков, достаточное для того, чтобы обеспечить организм незаменимыми аминокислотами. Больше всего белка содержится у растений в семенах, особенно в семенах пшеницы и различных бобовых культур. Богаты белком также и молодые побеги, например у спаржи. Синтетические белки в рационе. Добавляя небольшие количества синтетических незаменимых аминокислот или богатых ими белков к неполноценным белкам, например к белкам кукурузы, можно значительно повысить питательную ценность последних, т.е. тем самым как бы увеличить количество потребляемого белка. Другая возможность состоит в выращивании бактерий или дрожжей на углеводородах нефти с добавлением нитратов или аммиака в качестве источника азота. Полученный таким путем микробный белок может служить кормом для домашней птицы или скота, а может и непосредственно потребляться человеком. Третий, широко применяющийся, метод использует особенности физиологии жвачных животных. У жвачных в начальном отделе желудка, т.н. рубце, обитают особые формы бактерий и простейших, которые превращают неполноценные растительные белки в более полноценные микробные белки, а эти, в свою очередь, - после переваривания и всасывания - превращаются в животные белки. К корму скота можно добавить мочевину - дешевое синтетическое азотсодержащее соединение. Обитающие в рубце микроорганизмы используют азот мочевины для превращения углеводов (которых в корме значительно больше) в белок. Около трети всего азота в корме скота может поступать в виде мочевины, что по сути и означает в определенной мере химический синтез белка. В США этот метод играет важную роль как один из способов получения белка. ЛИТЕРАТУРА