Х.-Д. Якубке, Х. Ешкайт - Аминокислоты, пептиды, белки

1.АминокислотыАминокислоты существуют на нашей планете более трех миллиардов лет.Это доказано исследованием ископаемых микроорганизмов углеродсодержащих кремниевых остатков из докембрийского геологического периода спомощью рубидиево-цезиевого метода датирования. Существуют они и внеЗемли, что показано хроматографическим анализом органических частейметеоритов. В водных экстрактах лунных пород найдены следы глицина иаланина.Аминокислоты — это органические соединения, физико-химическое поведение и разнообразные реакции которых объясняются одновременнымприсутствием в молекуле основной аминогруппы N H 2 — и кислой карбоксильной группы —СООН.Различают а-аминокислоты, у которых амино- и карбоксильная группысоединены с одним и тем же атомом углерода, и /3-, у-, 6-аминокислоты,функциональные группы которых разделены несколькими атомами углерода:СН,-СН-СООНо-аминопропионовая кислотаР-аминолропионовая кислотаHJN-CHJ-CHJ-CHJ-COOHу-аминомасляная кислотаH2N-(CHj),-COOHе-амимокапроновая кислотаВ природе встречаются главным образом а-аминокислоты.

Они имеют общую формулусоонHjN-C-HRи различаются только по остаткам R боковой цепи. Все эти соединения содержат по крайней мере один центр хиральности (за исключением глицина,у которого R = Н). Вследствие этого следует различать оптически активные энантиомеры и оптически неактивные (рацемические) формы а-аминокислот. Встречающиеся в природе а-аминокислоты имеют ь-конфигурацию. Лишь некоторые продукты метаболизма низших организмов содержат D-аминокислоты.10Номенклатура аминокислотбепкиполипептиды<•*• /«t\.• [ аминокислотный jа-кетокиспоты*аминокислоты«г\/*- ^ ^ ^ ^*fаммиакмочевиная. порфирины, гемины» фосфатидыкреатинпиримидиновыеоснованияпуриновыеоснованияIIмочевая кислотаРис.

1-1. Схематическое представление превращений аминокислот.Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всехжизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. Кроме аминокислот, входящих в состав белков, живые организмыобладают постоянным резервом «свободных» аминокислот, содержащихсяв тканях и в клеточном соке. Они находятся в динамическом равновесиипри многочисленных обменных реакциях. Аминокислоты используются вбиосинтезе полипептидов и белков, а также в синтезе фосфатидов, порфиринов и нуклеотидов.Свободные аминокислоты нужны в живом организме и для выполненияспецифических задач. Так, глутаминовая кислота выполняет особую функцию переноса при переаминировании, метионин — при переметилировании.Главными продуктами разложения аминокислот являются аммиак, мочеви-.на и мочевая кислота. Восполнение потерь аминокислот происходит в основном в результате расщепления белков, а также переаминированияа-кетокислот и взаимных превращений аминокислот.Далее, после обсуждения номенклатуры дается краткий обзор важнейших аминокислот, встречающихся в природе.

Затем рассматриваются стереохимия, химические реакции, а также синтез и анализ аминокислот.1.1.Номенклатура аминокислотНазвания аминокислот произошли в основном от исходных материалов, изКоторых они были впервые выделены; например, аспарагин (от лат.asparagus — спаржа) получен из сока спаржи, цистеин и цистин (от греч.cystis — мочевой пузырь) — из камней мочевого пузыря, глутамин и глутаминовая кислота (от нем. das Gluten — клейковина) — из клейковины пшеницы, серии (от греч. serös — шелковичный червь) — из шелка и тирозин(от греч. tyros — сыр) — из сыра.

Другие названия связаны с методами выделения. Так, аргинин (от лат. argentum — серебро) был впервые получен ввиде серебряной соли, триптофан выделен при расщеплении белка с по-Аминокислоты11мощью трипсина. Структурные связи с другими природными соединениями также внесли вклад в названия некоторых аминокислот. Так, валин назван как производное валериановой кислоты, треонин структурно связан смоносахаридом треозой. Название «пролин» происходит от рациональногообозначения пирролидин-2-карбоновой кислоты.За исключением триптофана и аминодикарбоновых кислот, названияаминокислот имеют окончания -ин, что подчеркивает их принадлежность каминам.

Аминоацильные остатки общей формулы NH2-CHR-CO- называют, добавляя к корню слова окончание -ил. Поскольку у аспарагиновой иглутаминовой кислот и их полуамидов одинаковые корневые слова, остатки глутамина и аспарагина называют обычно «глутаминил» и «аспарагинил», остатки же глутаминовой и аспарагиновой кислот получили названия«глутамил» и «аспарагил».Для удобства написания пептидных фрагментов предложено пользоваться сокращенными названиями аминокислотных остатков, которые состоят из первых трех букв тривиального названия аминокислоты, например Ala для L-аланина и Met для L-метионина (сокращения для других аминокислот см.

в табл. 1-1). Оптическая конфигурация аминокислоты указывается символами, причем специально отмечаются только D- И DL-аминокислоты, например о-Ala и DL-Met. алло-Соединения обозначаются символом «а», например alle для алло-ь-изолейцина.У гидроксиаминокислот после первых двух букв Ну от латинского словаhydro следует первая буква названия аминокислоты, например длягидроксилизина — Hyl или для гидроксипролина — Hyp. Однако более удобен пятибуквенный символ: Hylys и Нурго соответственно. Для аминокислот небелкового происхождения также введены сокращения.

Для нораминокислот, которые имеют нормальную углеродную цепь, для различия сразветвленными изосоединениями перед символом ставят букву N, например для норлейцина Nie, для норвалина Nva. В случае высших неразветвленных аминокислот в начале символа ставят букву А, обозначающуюфункциональную аминогруппу, например для а-аминомасляной кислотыAbu и для а-аминоадипиновой кислоты Aad.

В том случае, если молекулаимеет две аминогруппы, символ начинается с буквы D, например для а, удиаминомасляной кислоты Dbu. а- и w-положения аминогрупп специальноне обозначают, во всех других случаях положение аминогруппы обозначается буквами греческого алфавита, например для /3-аланина /3-А1а.

В случаеN-алкиламинокислот, часто встречающихся в депсипептидах, сокращенноеназвание алкила Me или Et пишут перед символом аминокислоты, например для N-метилвалина MeVal и для N-этилглицина EtGly.Обозначение аминокислотных остатков и производных аминокислот.Принято обозначать замещения атома водорода в амино-, имино-,гуанидино-, окси- или тиольной группе, а также замещения -ОН в карбоксильной группе с помощью свободной связи (черточки): в случае замещенияводорода а-аминогруппы ее ставят слева от символа аминокислоты, в случае замещения в гидроксильной группе ск-карбоксила — справа, если же замещение имеется в боковой цепи, то проставляется свободная связь сверхуили снизу:12Номенклатура аминокислотсн,СН,-HN-CH-COOHА1а-HjN-CH-CO-сн,-Ab--HN-CH-CO-Lyt или lytIH^J-CH-COOHСН,Су» или Cys1HjN-CH-COOHCH 2 -S-сн,сн,CH,-NHДля производных аминокислот в соответствующих местах через связи записываются символы заместителей:N-трифторацетилглицинCFj-CO-NH-CH a -COOHTta-Glyэтиловый эфир глицинаH^I-CHg-COOCjH,Giy-oeN-a-ацетиплиэинCH,-CO-NH-CH-COOHAc4ysfrCHj-NH,N-E -ацетиллизинH/i-CH-COOHtилиСНд-МН-СО-СН,AcилиIf* (Ac)а-бвнзил-Э-трвт-бутиповый эфир N-бвнзипоксикарбониласпарагиновой кислотыС,Н,-СМ,О-СОNH^СНН^СCOOC(CH,)jS-бензипциствинCJHJ-CH,- S-CHj- СН-СООНNH,Z-Ajp-OM2-Aip-OMoiu«Bxlor»илиCys(M)иэоаспарагинН0ОС- CHfCH-CONH,NU,.N-CHj-COOHсн,Asp-NH,ElMe-GlyАминокислотыGt,AUMMУМUtt13g-с5:II*Sm -•оIhrAsp«оm^оGluOnMl* ««»»ВArgHis~вИмРтеH»p•joс».MatmviHytС>Puc.

7-Z Структурные символы аминокислот по Веллнеру и Мейстеру.Принятая система сокращений помогает наглядно изображать схемы пептидных синтезов.Рассмотренные сокращения (и сокращения, которые будут употребляться в дальнейшем) соответствуют правилам, принятым Международным союзом по чистой иприкладной химии (IUPAC) и Международным союзом по биохимии (ШВ). Крометого, введены также однобуквенные символы, которые применяются для изображения структур белков и длинных пептидных последовательностей, а также для расчетов с помощью ЭВМ.Первая система сокращений для аминокислот и пептидов была опубликованаБранном и Эдсалом в 1947 г.

Система графического изображения аминокислот,предложенная Веллнером и Мейстером, учитывает структурные особенности аминокислотных цепей (рис. 1-2).1.2.Природные аминокислотыВ настоящее время известно около 180 различных природных аминокислот.Особенно много аминокислот выделено за последние годы после того, какблагодаря развитию методов очистки и успехам аминокислотного анализабыли предприняты систематические исследования животного и растительного материала.Аминокислоты17Первой выделенной природной аминокислотой был аспарагин. Он былизолирован в 1806 г.

Вокелином и Робике из сока спаржи. Эта аминокислота относится к 20 аминокислотам, являющимся основными составными частями животных и растительных белков, причем их встраивание в молекулу белка регулируется информацией генетического кода. Этим так называемым «протеиногенным» аминокислотам посвящен следующий раздел.1.2.1.Протеиногенные аминокислотыАминокислоты, участвующие в образовании белков, можно классифицировать по разным признакам. По положению изоэлектрической точки различают кислые, основные и нейтральные аминокислоты, по строению боковой цепи R — алифатические, ароматические и гетероциклические.

Гидроксиаминокислоты содержат дополнительно ОН-группы, серусодержащиеаминокислоты имеют в боковой цепи тиольные или тиоэфирные группы.Самостоятельную группу образуют иминокислоты пролин и гидроксипролин, у которых вторичная аминогруппа -NH- входит в состав пирролидинового кольца.По полярности боковой цепи R различают полярные и неполярные аминокислоты. К неполярным аминокислотам относятся глицин и аланин, атакже гидрофобные аминокислоты — валин, лейцин, изолейцин, пролин,метионин и фенил аланин.

К полярным аминокислотам причисляют серии,треонин, цистеин, аспарагин, глутамин и триптофан (нейтральные соединения), аспарагиновую и глутаминовую кислоты и тирозин (кислые гидрофильные аминокислоты), а также лизин, аргинин и гистидин (основныегидрофильные аминокислоты). Гидрофильные полярные соединения увеличивают растворимость пептидов и белков в водных системах, в то времякак цейтрально-полярные аминокислоты ответственны за каталитическуюактивность ферментов. В противоположность неполярным гидрофобнымаминокислотам полярные аминокислоты обычно находятся на поверхностимолекулы белка.По строению соединений, получающихся при расщеплении углероднойцепи протеиногенных аминокислот, различают глюкопластичные (глюкогенные) и кетопластичные (кетогенные) аминокислоты. Глюкопластичные аминокислоты — глицин, аланин, серии, треонин, валин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аргинин, гистидин, метионин и пролин.