Аминокислоты

Терминология 

 Какая химическая структура аминокислот? 

Аминокислоты представляют собой органические соединения , содержащие функциональные группы амина   (-NH 2 ) и карбоксильную группу   (-COOH) , а также  боковую цепь   (группу R), специфичную для каждой аминокислоты.  Ключевыми элементами аминокислоты являются углерод  (C),  водород  (H), кислород  (O) и азот  (N), хотя другие элементы находятся в боковых цепях некоторых аминокислот.  

Какое на сегодня известно количество аминокислот? 

Известно около 500 естественных аминокислот (но, в генетическом коде  -  только 20). 

История

Когда и кем были открыты первые аминокислоты? 

Первые несколько аминокислот были обнаружены в начале XIX века. В 1806 году французские химики Луи-Николя Воклен и Пьер Жан Роби выделили соединение в спарже, которое впоследствии было названо аспарагином, то есть, первой открытой аминокислотой. 

Когда были открыты цистин, глицин и лейцин?

Цистин был открыт в 1810 году, но его мономер, цистеин , оставался неизвестным до 1884 года. Глицин и лейцин были обнаружены в 1820 году. 

Кем были идентифицированы незаменивым аминокислоты? 

Последний из 20 распространенных аминокислот был обнаружены (треонин)  в 1935 году Уильям Каммингом Роуз , который также идентифицировал незаменимые аминокислоты и установил минимальные суточные потребности всех аминокислот, необходимые для оптимального роста.

Когда появился термин "аминокислоты"?

Единство химической категории этих веществ было признано Вюрцем в 1865 году, но он не дал ей конкретного названия. Использование термина «аминокислота» в английском языке относится к 1898 году,   в то время как немецкий термин Aminosäure использовался ранее. Было обнаружено, что белки дают аминокислоты после ферментативного расщепления или кислотного гидролиза . 

Когда был открыт механизм синтеза аминокислот? 

В 1902 году Эмиль Фишер и Франц Хофмайстер независимо друг от друга предположили, что белки образуются из многих аминокислот, в результате чего между аминогруппой одной аминокислоты образуется связь с карбоксильной группой другой, что приводит к линейной структуре, которую Фишер назвал « пептидом ».

Классификация аминокислот 

Какие критерии лежат в основе классификаций аминокислот? 

Аминокислоты могут быть классифицированы разными способами. 

В соответствии с расположением основных структурных функциональных групп как:

• альфа- (α-) , бета- (β-) , гамма- (γ-) или дельта- (δ-) аминокислоты

 Другие классификации касаются:

• полярности 
• уровню pH
• типу группы боковых цепей ( алифатические , ациклические  , ароматические , содержащие гидроксил или серу и др.).  аминокислот 

В форме белков аминокислотные остатки образуют второй по величине компонент ( вода является самым большим) мышц и других тканей организма человека

В каких физиологических процессах принимают участие аминокислоты? 

Помимо своей роли остатков в белках, аминокислоты участвуют в ряде процессов, таких как транспорт трансмиттеров нервной системы и биосинтез .

Какие аминокислоты особенно важны в биохимии? 

 В биохимии особое значение имеют аминокислоты, имеющие как аминогруппу, так и группы карбоновой кислоты, присоединенные к первому (альфа-) атому углерода . Они известны как 2-, альфа- или α-аминокислоты (общая формула H 2 NCHRCOOH в большинстве случаев, где R представляет собой органический  заместитель, известный как « боковая цепь »);  часто термин «аминокислота» используется для того, чтобы относиться конкретно к ним.  

В чем заключается особенность тех аминокислот , которые принимают участие в строительстве белков? 

α-аминокислоты включают 22 "строящих белки" аминокислоты, которые объединяются в пептид цепи («полипептиды»), чтобы сформировать строительные блоки огромного множества белков .  Все они -  L - стереоизомеры ( « левые „ изомеры ), (некоторые D - аминокислота - “правые») могут входить в состав бактерий, выступать как модуляторы трансмиттеров ( D - серин, глицин ). Некоторые антибиотики являются производными аминокислот , в частности, класс аминогликозидов. 

Что понимается под термином "стандартные аминокислоты"? 

 Двадцать протеиногенных аминокислот кодируются непосредственно триплетными кодонами в генетическом коде и известны как «стандартные» аминокислоты. Двумя другими («нестандартными» или «неканоническими») являются селеноцистеин (присутствует во многих прокариотах, а также в большинстве эукариот , но не кодируется непосредственно ДНК ) и пирролизин (встречается только у некоторых архей и одной бактерии ). 

Каким образом происходит кодирование пирролизина? 

Пирролизин и селеноцистеин кодируются с помощью различных кодонов; например, селеноцистеин кодируется стоп-кодоном и элементом SECIS . N-формилметионин (который часто является исходной аминокислотой белков в бактериях, митохондриях и хлоропластах ) обычно рассматривается как форма метионина, а не как отдельная протеиногенная аминокислота. Комбинации кодон- тРНК, которых нет в природе, также можно использовать для «расширения» генетического кода и образования новых белков, известных как аллопротеины, включающие небелиногенные аминокислоты. 

Аминокислоты в разных органах 

Какие аминокислоты наиболее распространены в тканях мозга? 

 Многие важные протеиногенные и небелиногенные аминокислоты реализуют биологические функции. Например, в мозге человека глутамат (стандартная глутаминовая кислота ) и гамма-аминомасляная кислота («ГАМК», нестандартная гамма-аминокислота) являются, соответственно, основными возбуждающими и ингибирующими трансмиттерами . Гидроксипролин , основной компонент коллагена соединительной ткани , синтезируется из пролина . Глицин является биосинтетическим предшественником порфиринов, используемых в эритроцитах . Карнитин используется в транспорте липидов .

Сколько аминокислот можно отнести к группе незаменимых? 

 Девять протеиногенных аминокислот называют « незаменимыми » для человека, потому что они не могут быть получены организмом из других соединений и поэтому должны приниматься в пищу. Другие могут быть условно необходимы для определенных возрастов или заболеваний. Незаменимые аминокислоты также могут различаться у разных видов . Из-за своего биологического значения аминокислоты важны в питании и обычно используются в пищевых добавках , удобрениях , кормах и пищевых технологиях. Промышленное использование включает производство лекарств , биоразлагаемых пластиков и хиральных катализаторов .

Структура

            В структуре аминокислот ,  R представляет боковую цепь,специфичную для каждой аминокислоты. Углерода атом рядом с карбоксильной группой (которая , следовательно , пронумерованной 2 в углеродной цепи , начиная с этой функциональной группой) называется α-углерода . Аминокислоты, содержащие аминогруппу, связанную непосредственно с альфа-углеродом, называют альфа-аминокислотами . К ним относятся такие аминокислоты, как пролин, которые содержат вторичные амины , которые часто называют «иминокислотами».

Изомерия

          Альфа-аминокислоты являются наиболее распространенной формой, встречающейся в природе, но только в том случае, если они встречаются в L- изомере. Альфа-углерод представляет собой хиральный атом углерода, за исключением глицина, который имеет два неразличимых атома водорода на альфа-углероде. Следовательно, все альфа-аминокислоты, кроме глицина, могут существовать в любом из двух энантиомеров , называемых L или D- аминокислотами, которые являются зеркальным отображением друг друга. В то время как L- аминокислоты представляют все аминокислоты, обнаруженные в белках во время трансляции в рибосоме, D-аминокислоты обнаруживаются в некоторых белках, продуцируемых ферментативными посттрансляционными модификациями после трансляции и транслокации в эндоплазматический ретикулум , как в экзотических морских организмах, таких как конусные улитки . Они также являются богатыми компонентами пептидогликановых клеточных стенок бактерий, и D -серин может действовать как нейротрансмиттер в мозге. D- Аминокислоты используются в рацемической кристаллографии.для создания центросимметричных кристаллов, которые (в зависимости от белка) могут позволить более легкое и надежное определение структуры. Соглашение L и D для конфигурации аминокислот относится не к оптической активности самой аминокислоты, а скорее к оптической активности изомера глицеральдегида, из которого эта аминокислота теоретически может быть синтезирована ( D- глицеральдегид). правовращающий; L- глицеральдегид левовращающий). В альтернативной моде, (S) и (R) десигнатор используются для обозначения абсолютной стереохимии, Почти все аминокислоты в белках находятся (S) на α-углероде, причем цистеин (R) и глицин нехиральны .  Цистеин имеет свою боковую цепь в том же геометрическом положении, что и другие аминокислоты, но терминология R / S обратная, поскольку более высокое атомное число серы по сравнению с карбоксильным кислородом придает боковой цепи более высокий приоритет, тогда как атомы в большинстве других боковых цепей дают им более низкий приоритет.

 Боковые цепи

            В аминокислотах, которые имеют углеродную цепь, присоединенную к α-углероду (например, лизин), атомы углерода помечены по порядку как α, β, γ, δ и так далее. В некоторых аминокислотах аминогруппа связана с β- или γ-углеродом, и поэтому их называют бета- или гамма-аминокислотами .

          Аминокислоты обычно классифицируются по свойствам их боковой цепи на четыре группы. Боковая цепь может сделать аминокислоту слабой кислотой или слабым основанием и гидрофилом, если боковая цепь полярная, или гидрофобной, если она неполярная . В химических структуры из 22 стандартных аминокислот, наряду с их химическими свойствами, требуют особого описания

           Фраза « аминокислоты с разветвленной цепью » или BCAA относится к аминокислотам, имеющим алифатические боковые цепи, которые являются нелинейными; это лейцин , изолейцин и валин . Пролин является единственной протеиногенной аминокислотой, боковая группа которой связана с α-аминогруппой, и, таким образом, также является единственной протеиногенной аминокислотой, содержащей вторичный амин в этом положении. Таким образом, существует иминокислота , поскольку в нем отсутствует первичная аминогруппа , , хотя он по - прежнему классифицируются как аминокислоты в текущей биохимической номенклатуре, и может также называться «N-алкилированная альфа-аминокислота».

Цвиттерионы

          Группа аминокислот α- карбоновой кислоты является слабой кислотой , что означает, что она высвобождает гидрон (такой как протон ) при умеренных значениях рН. Другими словами, группы карбоновых кислот (-CO 2 H) могут быть депротонированы с образованием отрицательно заряженных карбоксилатов (-CO 2 - ). Отрицательно заряженный карбоксилат-ион преобладает при значениях pH, превышающих pKa группы карбоновой кислоты (обычно около 2,2 для 20 обычных аминокислот;). В дополнение к этому, α- амин аминокислот является слабым основанием.. Это означает, что он принимает протон при умеренных значениях рН. Другими словами, α-аминогруппы (NH 2 -) могут быть протонированы, чтобы стать положительно заряженными α-аммониевыми группами ( + H 3 N-). Положительно заряженная α-аммониевая группа преобладает при значениях pH, меньших, чем pKa α-аммониевой группы (среднее значение для 20 распространенных α-аминокислот составляет около 9,4).

          Поскольку все аминокислоты содержат функциональные группы амина и карбоновой кислоты, они обладают амфипротическими свойствами.  При pH ниже 2,2 преобладающая форма будет иметь нейтральную группу карбоновой кислоты и положительный ион α-аммония (суммарный заряд +1), а при pH выше 9,4 отрицательный карбоксилат и нейтральную α-аминогруппу (чистый заряд -1) ). При рН между 2,2 и 9,4 аминокислота обычно содержит как отрицательный карбоксилат, так и положительную α-аммониевую группу,  и показывает чистый нулевой заряд. Это молекулярное состояние известно как цвиттерион , от немецкого цвиттера означает «гермафродит» или «гибрид». Полностью нейтральная форма (структура (1) слева) является очень незначительным видом в водном растворе во всем диапазоне рН (менее 1 части на 10 7 ). В целом аминокислоты существуют в цвиттерионах в твердой фазе и кристаллизуются с солеобразными свойствами в отличие от типичных органических кислот или аминов.