Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

Недостаток витаминов Е в организме приводит к наруше­ нию развития плода в организме матери, а также к развитию мышечной дистрофии, дегенерации спинного мозга, к парали­ чу конечностей, т. е. к общему заболеванию организма. В то же время витамины Е, функционируя как структурные ком ­ поненты биомембран, стабилизируют и защищают их от окис­ ления.

Источником витаминов Е для человека являются расти­ тельное масло, салат, капуста, зерновые продукты. Таким обра­ зом, жирорастворимые витамины А и Е, выступая восстанови­ телями, защищают липофильные фрагменты тканей от актив­ ных форм кислорода и свободных радикалов.

В и т а м и н ы г р у п п ы К - производные 2-метил-1,4-на- фтохинона, имеющие в положении 3 заместитель R, который у витамина Кг растений является насыщенным слегка разветвлен­ ным углеводородным радикалом, содержащим 20 углеродных атомов. У витамина К2 животных и бактерий заместитель R - ненасыщенный слегка разветвленный углеводородный радикал, содержащий от 30 до 45 углеродных атомов и несущий соответ­ ственно от 6 до 9 двойных связей.

Витамины К, являясь окислителями, способствуют мягкому окислению биосубстратов и способны связывать возникающие в клетках активные радикальные частицы:

Витамины К способствуют обеспечению нормальной свер­ тываемости крови и положительно влияют на состояние эндотолиольной оболочки кровеносных сосудов. Полагают, что ви­ тамины К принимают участие в синтезе протромбина и ряда других белковых факторов, необходимых для свертывания кро­ ви. В лечебной практике используется синтетический аналог витамина К - викасол, повышающий способность крови к свер­ тыванию.

В и т а м и н ы г р у п п ы ( ^ ( у б и х и н о н ы ) . Эти жирорас­ творимые витамины близки по строению к витаминам К, так как являются производными 2-метил-бензохинона, содержащи­ ми слегка разветвленный ненасыщенный углеводородный за­ меститель R с 30-50 углеродными атомами, несущий от 6 до 10 двойных связей.

526

В организме убихиноны могут легко и обратимо восстанавли­ ваться в убигидрохиноны, о чем свидетельствует значение нор­ мального восстановительного потенциала, близкое к 0 (разд. 9.2 и 9.3.3). Следовательно, убихиноны способны и окислять, и вос­ станавливать биосубстраты, а также связывать возникающие в клетках активные радикальные частицы.

Источником витаминов Q являются растительные и живот­ ные ткани, в которых интенсивно протекают окислительно-вос­ становительные процессы, например сердечная мышца, печень, бурая жировая ткань животных, впадающих в зимнюю спячку.

Все рассмотренные жирорастворимые витамины содержат длинные углеводородные цепи или, как в витаминах D, цепи замкнуты в циклы. Эти неомыляемые липиды, как и стероиды, относят к изопреноидам, т. е. терпенам.

Простагландины. Эти соединения впервые были обнаружены в семенной жидкости баранов и получили свое название как про­ дукты предстательной железы (простаты). В организмах простаг­ ландины образуются в результате мягкого окисления арахидоновой или других полненовых жирных кислот:

/===>хх^=^^^СООН мягкое окисление

арахидоновая кислота

В настоящее время известно свыше 30 простагландинов, сходных по строению с простагландином Е2, в молекулах которых есть раз­ ные кислородсодержащие группы. Концентрация простагландинов в тканях чрезвычайно мала (10~9-г 10~6 моль/л), они крайне нестойки. Простагландины обладают широким спектром биологической актив­ ности и присутствуют почти во всех тканях организма. В частности, они вызывают болевые ощущения, а действие анальгина, ослабляю­ щее боль, связано с тем, что он подавляет биосинтез простагланди­ нов. Простагландины расширяют кровеносные сосуды, стимулируют работу кишечника, печени, легких, влияют на процессы нервного возбуждения и на половой цикл у женщин. Их используют для ле­ чения сердечно-сосудистых заболеваний, облегчения родов, предот­ вращения и прерывания беременности. Считается, что простагланди­ ны способны изменять активность гормон-рецепторных ассоциатов.

Глава 21

АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ

После изучения этой главы вы должны знать:

-строение, прототропную таутомерию, классификацию а-ам ино-

кислот;

-кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно-ну­

клеофильные и окислительно-восстановительные свойства а-ам инокислот;

-строение, структуру и свойства пептидов;

-строение, структуру, свойства белков и их водных растворов.

Аминокислоты - органические соединения, содержащие два ти­ па функциональных групп с противоположными свойствами: ами­ ногруппу (—NH2) и карбоксильную группу (—СООН). Они играют исключительно важную роль в жизни животных и растительных организмов. Замечательным свойством живого является способ­ ность соединять аминокислоты друг с другом в различных комбина­ циях и последовательностях с образованием различных полиами­ дов: пептидов и белков, проявляющих совершенно разные свойст­ ва. Условно считают, что пептиды содержат до 100, а белки - свыше 100 аминокислотных остатков. Молекулярная масса пепти­ дов до 10 000, а у белков - от 10 000 до нескольких миллионов.

21.1.СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ

ИФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА а-АМИНОКИСЛОТ

Аминокислоты рассматриваются как производные карбоно­ вых кислот, в которых положение аминогруппы относительно карбоксильной принято указывать буквами а, р, у и т. д., что

528

равносильно цифрам 2, 3, 4 и т. д. соответственно. Хотя в природ­ ных объектах и обнаружено около 300 разных аминокислот, но в состав большинства пептидов и белков входят 20 наиболее часто встречающихся и поэтому важных аминокислот, причем все они а-аминокислоты. В а-аминокислотах карбоксильная и амино­ группы связаны с одним и тем же углеродным атомом (Са), у ко­ торого кроме того имеется заместитель R.

Молекулы а-аминокислот содержат две различные кислотно­ основные группы, т. е. являются амфолитами (разд. 8.2). Вслед­ ствие этого в их молекулах происходит перенос протона с кар­ боксильной группы на аминогруппу, т. е. прототропная таутоме­ рия между таутомером, имеющим неионизованную структуру (ТНС), и таутомером с биполярно-ионной структурой (ТБИ).

Поскольку кислотные свойства ТБИ в 105+106 раз слабее, чем у ТНС, то в водных растворах и кристаллах это прототропное равновесие для молекул а-аминокислот практически полностью смещено в сторону ТБИ. Поэтому а-аминокислоты следует изо­ бражать в виде таутомера с биполярно-ионной структурой, так как он правильно отображает не только их структуру, но и ки­ слотно-основные и другие свойства (разд. 8.2, 21.2.1). ТБИ а- аминокислоты, хотя и имеет группы, несущие заряды с проти­ воположными знаками, в целом электронейтрален. В соответст­ вии с этим молекула а-аминокислоты в растворе не смещается под действием электрического поля, т. е. при электрофорезе.

Рассмотрим строение 20 важнейших аминокислот, которые можно сгруппировать на основе свойств заместителя R (табл. 21.1). При этом обратим внимание на сродство заместителя к воде, а именно на его полярность и неполярностъ, т. е. гидрофильные и гидрофобные свойства заместителя. В зависимости от свойств заместителя R существует четыре группы а-аминокислот.

Таблица 21.1

529

П р о д о л ж е н и е

а-Аминокислоты с полярным (гидрофильным) заместителем R

530

531

аминокислот: аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фе­ нилаланин, триптофан и метионин, труднорастворимые в воде.

R — н еи он и зую щ и й ся полярны й зам еститель, п роявляю щ и й гидроф и льн ы е свой ства . Это пять а-аминокислот, которые луч­ ше растворяются в воде: глицин, серин, треонин, аспарагин и глутамин.

R — п ол я р н ы й зам ести тел ь, п р оя в л я ю щ и й ги дроф и л ьн ы е и к и сл отн ы е св ой ств а . Это четыре а-аминокислоты: аспараги­ новая и глутаминовые кислоты, цистеин и тирозин. В аспара­ гиновой и глутаминовой кислотах заместитель полностью отда­ ет протон своей карбоксильной группы в растворах с pH = 7 и поэтому в этих условиях несет отрицательный заряд. Полная ионизация группы —SH в цистеине и группы —ОН в тирозине происходит в растворах с большим значением pH. Перечислен­ ные аминокислоты обычно называют кислотными.

R — п олярн ы й зам еститель, п роявляю щ и й осн овн ы е св о й ­ ства. Это три аминокислоты: лизин и аргинин, в которых замес­ титель в растворах с pH = 7 протонирован и несет положитель­ ный заряд, а также гистидин, проявляющий слабые основные свойства благодаря присутствию имидазольного цикла в замести­ теле. Перечисленные аминокислоты обычно называют основными.

Биполярно-ионная структура молекул а-аминокислот прояв­ ляется в их физических свойствах: аминокислоты - бесцветные кристаллические вещества с высокими температурами плавле­ ния, нелетучи, большинство их растворимы в воде и практиче­ ски совсем нерастворимы в неполярных органических раство­ рителях. Кристаллическая решетка аминокислот - ионная, так как она стабилизирована электростатическими силами притя­ жения между противоположно заряженными ионизованными группами соседних молекул.

Во всех (кроме глицина) природных а-аминокислотах а-угле- родный атом асимметрический, причем у большинства этих со­ единений (кроме изолейцина и треонина) имеется только один хиральный центр. Поэтому они существуют в виде двух оптиче­ ских изомеров (L- и D-энантиомеров) (разд. 15.2). Почти все при­ родные а-аминокислоты имеют L-форму, а D-аминокислоты, как правило, не усваиваются живыми организмами. Интересно, что большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а амино­ кислоты D-ряда - горькие или безвкусные.

Основным источником а-аминокислот для живых систем служат пищевые белки. Многие а-аминокислоты синтезируются в организме животных, но некоторые не синтезируются и долж­ ны поступать с пищей. Это незаменимые аминокислоты: валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, трип­ тофан, фенилаланин. Остальные аминокислоты могут синтезиро­ ваться в организме животных, их называют заменимыми: ала­

532

нин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин, глута­ мин, глутаминовая кислота, пролин, серин, цистеин, тирозин. Интересный факт подметил Ю. А. Жданов (1968): у большинства незаменимых кислот сумма степеней окисления углеродных атомов положительная, а у большинства заменимых - отрица­ тельная. Это, по-видимому, указывает на то, что заменимые аминокислоты, по сравнению с незаменимыми, эволюционно более молоды, т. е. что они возникли уже в окислительной ат­ мосфере и поэтому содержат больше атомов электроотрицатель­ ных элементов (О, N, S).

21.2. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА сс-АМИНОКИСЛОТ

Своеобразие химических свойств а-аминокислот заключает­ ся в том, что их молекулы содержат две функциональные груп­ пы с явно противоположными свойствами, и только совокуп­ ность этих противоположностей с учетом их взаимного влияния и взаимодействия позволяет полностью описать химию этих соединений.

21.2.1.КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ИПРОТОТРОПНАЯ ТАУТОМЕРИЯ

Наличие в молекулах а-аминокислот одновременно и ки­ слотной, и основной групп (разд. 8.2) приводит не только к то­ му, что они амфолиты и могут существовать в виде двух прототропных таутомеров ТБИ и ТНС, но и к тому, что наиболее термодинамически устойчивым таутомером оказывается тот, в котором его функциональные группы, перейдя в заряженные формы, проявляют не прямые, а сопряженные, т. е. противопо­ ложные свойства. Поэтому в молекулах а-аминокислот из-за их биполярно-ионной структуры отрицательно заряженная карбок­ сильная группа проявляет основные свойства, а положительно заряженная аммонийная группа - кислотные свойства. Вслед­ ствие этого а-аминокислоты взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами, образуя разные типы солей, в которых аминокис­ лоты выступают в виде или катиона, или аниона.

H3N -CRH -COO - + НС1 — [H3N-CRH-COOH]Cr

соль катиона аминокислоты

H3N-CRH-COO~ + NaOH —► H2N—CRH—COONa + H20

соль аниона аминокислоты

Аминокислоты, которые могут существовать только в трех формах: молекула, катион и анион, - называются нейтральны­ ми. Из 20 природных аминокислот 13 - нейтральные: аланин, аспарагин, валин, глицин, глутамин, изолейцин, лейцин, метио­ нин, пролин, серин, треонин, триптофан, фенилаланин. Каждая

533

из перечисленных аминокислот в водных растворах по мере уве­ личения значения pH может находиться в сильнокислой среде

[pH < р2*Га(С00Н) - 2] в виде катиона, при pH = рI - молекулы, а

+

в щелочной среде [pH > pKa(NH.^) + 2] - аниона. В растворах с pH между указанными значениями аминокислоты находятся в слабокислой среде в виде смеси катиона и молекулы, а в слабо­

= 9,0 -г 10,5, причем рI вычисляется по формуле рI = V 2 [pKJCOOH) +

+ рйГ^Шз)].

Как видно из схемы, по значениям кислотно-основных ха­ рактеристик нейтральных аминокислот можно установить, в виде каких частиц находится любая из этих кислот при данном значении pH ее водного раствора. Это чрезвычайно важно, так как каждая из указанных частиц: молекула, катион или анион аминокислоты - имеет не только отличные от других химиче­ ские свойства, но и свое специфическое влияние на биологиче­ ские и физиологические функции данной аминокислоты в жи­ вых системах. Кроме этого, знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет исключительно важное значение для пони­ мания многих свойств и функций пептидов и белков.

Своеобразие кислотно-основных свойств аминокислот прояв­ ляется и при изучении этих свойств с помощью потенциометри­ ческого титрования щелочью. Прежде всего для этого нужно брать соль катиона аминокислоты, например глицингидрохло­ рид. Эта соль при титровании щелочью выступает донором двух протонов.

Получаемая при этом кривая титрования (рис. 21.1) внеш­ не очень похож а на кривые титрования обычных кислот (см. рис. 8 .2 ), но интерпретация ее иная, так как она результат нейтрализации двух протонов, а не одного, как в случаях, про­ иллюстрированных на рис. 8.2. Поэтому имеющаяся на кривой

534

Рис. 21.1. Кривая титрования глицингидрохлорида [H3NCH2COOHJCl

титрования точка перегиба соответствует состоянию эквива­ лентности, достигаемому при добавлении 1 экв. щелочи, когда катион аминокислоты, отдав протон от карбоксильной группы, полностью перешел в молекулу. Поэтому pH системы в точке эквивалентности, где аминокислота находится только как мо­ лекула, соответствует изоэлектрической точке (рI) этой амино­ кислоты. Кривая титрования после точки эквивалентности ха­ рактеризует процесс связывания второго протона, отрываемого от аммонийной группы аминокислоты.

С учетом перечисленных особенностей кривая титрования со­

ли аминокислоты кроме определения ее рI позволяет определить

+

значения ее р2Га(СООН) и р2Га(]МНз). Значение piiTa(COOH) уста­ навливают по кривой титрования по величине pH системы, со­ держащей 0,5 экв. щелочи, так как в этот момент в растворе

находится 50 % катионов и 50 % молекул аминокислоты. Зна-

+

чение рКа(Ш1з) также устанавливают на основании кривой тит­ рования, но по величине pH системы, содержащей 1,5 экв. ще­ лочи, так как в этот момент в растворе находится 50 % молекул и 50 % анионов титруемой аминокислоты. Начальный и конеч­

535