Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

очень необычное терапевтическое действие из-за его сходства с другими соединениями.

Кроме стерических факторов и структурного сходства, о котором только что упоминалось, важное значение отводится вкладу резонансных структур и индуктивному эффекту. Все эти факторы следует принимать во внимание при планировании любой молекулярной биомодели, которая должна обладать заранее заданными свойствами. Следовательно, небольшие направленные изменения могут придать биомолекуле новые важные свойства.

Именно с этих позиций рассмотрены в следующих главах многие фундаментальные основы биоорганической химии.

Глава 2

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ АМИНОКИСЛОТ

Воображение важнее, чем знание.

А. Эйнштейн

Биоорганическая химия сблизила и переплела практическую деятельность химика-органика и биохимика. В данной главе авторы постарались показать взаимосвязи между органической химией и биохимией, с одной стороны, и химией белка и медицинской химией (фармакологией) — с другой. Как основной используется химический подход, и механизм биохимических реакций описывается в сравнении с их синтетическими моделями. Органический синтез и биосинтез пептидной и фосфоэфирной связи (гл. 3) рассматриваются параллельно: таким образом выявляется удивительный ряд сходных закономерностей. Каждая аминокислота представлена как отдельное химическое соединение с уникальным набором свойств. Способность аминокислот к диссоциации обсуждается в терминах, принятых в органической химии для кислот и оснований, и фундаментальные свойства аминокислот подаются читателю так, чтобы не было впечатления, будто аминокислота — это нечто совершенно особенное. Химия аминокислот представлена как часть курса органической химии (реакции ал-килирования, ацилирования и т. п.), а сведения по биохимии рассмотрены с химической точки зрения.

2.1. Основные свойства аминокислот

Рассматривая белковый состав человеческого организма (включая волосы, ногти, мышцы, соединительные ткани), мы вправе предположить, что молекулы, составляющие сложный организм, имеют сложную природу. В таком случае необходимо исследовать природу этих «молекул жизни». При обработке белка раствором кислоты или основания вместо исходной молекулы белка возникает раствор, содержащий много более простых, гораздо меньших по размеру молекул — аминокислот. Молекула белка — высокомолекулярное соединение, или биополимер, в котором мономерные единицы — аминокислоты. Эти мономерные единицы содержат аминогруппу, карбоксильную группу и атом водорода, присоединенные к одному и тому же атому углерода. Однако в различных аминокислотах образующий четвертую связь с центральным атомом углерода атом (или группа атомов) не-

Биоорганическая химия аминокислот

27

одинаковы. Из этого следует, что мономерные единицы белка различны, а сами белки — сложные сополимеры. Напомним, что в состав большинства полимеров, созданных человеком, входят мономерные единицы лишь одного вида. Существует около двадцати аминокислот, из которых построены в природе все белковые макромолекулы. Две из них не содержат первичной аминогруппы и представляют собой, R таким образом, а-иминокислоты. Эти амино- с""н кислоты — пролин и оксипролин — содержат н n/ ^qoh вторичные аминогруппы.

Поскольку в аминокислотах заместители R, Общая формула а-

Т. е. боковые цепи, различны, можно выделить аминокислот; четвер-Г тыи (R) заместитель

три группы аминокислот в соответствии с их у тетраэдрического

полярностью. атома углерода обес-

Кислые аминокислоты можно узнать, на- печивает разнообра-

пример, по способности образовывать в спирте зне этих мономерных r r r - г единиц,

нерастворимые кальцевые или бариевые соли.

Боковые группы таких аминокислот несут карбоксильную группу, что обусловливает кислые свойства. К таким аминокислотам относятся две:

а) Аспарагиновая кислота (Asp)

R = — СН2СООН; рКа (В-С02Н) = 3,86

б) Глутаминовая кислота (Glu)

R = —СН2СН2СООН; рКа (уС02Н) = 4,25

Основные аминокислоты можно отличить, например, по их способности образовывать осадки с определенными кислотами. В эту группу входят:

а) Лизин (Lys)

R = —(СН2)4—NH2: vKa (e-NH2) = 10,53

Можно предположить, что четыре метилеиовые группы придают подвижность аминогруппе в белковой молекуле.

б) Оксилизин (Hylys)

R = —(СН2)2—CHOHCH2NH2; рКа (e-NH2) = 9,67

Эта аминокислота обнаружена только в структурном белке соединительных тканей — коллагене.

в) Аргинин (Arg)

R = —(СН2)3—NHCNH2; рКа = 12,48 II

NH

Гуанидиновая группировка этой аминокислоты придает ей сильноосновиые свойства. Действительно, гуанидии — одно из самых сильных известных органи-

28

Глава 2

ческих оснований *, он сравним по силе с гидроксидом натрия. Следовательно, при физиологических условиях (рН 7,35) эта группировка всегда ионизована. Очень вероятно, что ее присутствие в аминокислотах обусловлено способностью специфически взаимодействовать с фосфатными группами.

д) Гистидин (His)

R=— СН2 рКд-6,00

N4^/N—Н

Эта аминокислота содержит гетероциклическое имидазольное кольцо и обладает уникальными химическими свойствами. Гистидин проявляет и слабокислые и слабоосновные свойства; он также хороший нуклеофил и единственная аминокислота, рКа которой близко к физиологическим значениям рН (7,35). Следовательно, она может служить и как донор, и как акцептор протонов в химической реакции, связывая протои одним атомом азота и отдавая протон от другого атома азота. Гистидин способен выполнять роль протонпереносящей системы (разд. 4.4.1).

-R

Нейтральные аминокислоты содержат органические радикалы, не способные ни принимать, ни отдавать протон. Простейшая и единственная оптически неактивная аминокислота этой группы

а) Глицин (Gly), R = —Н.

Очевидно, эта аминокислота не проявляет особенно интересных химических свойств, а ее биологическое значение сводится к роли структурного элемента в тех случаях, когда важно расположить структуру в небольшом объеме (компактно). Структурные белки (коллагеи, шелк, шерсть) содержат значительные количества глицина.

Некоторые нейтральные аминокислоты проявляют гидрофобные свойства, обусловленные углеводородными боковыми цепями:

б) Алании (Ala), R = —СН3.

* Сильноосновные свойства гуанидиновой группы объясняются тем, что протежирование иминогруппы (> C=NH) приводит к образованию более стабильного катиона, чем протонирование первичной аминогруппы.

NH н9 NH2 NH2

-HUT

[H2N-<

H2N—С—NH2 [H2N—С—NH2 H2N=C—NH2

гуаниЭин

NH2

I • H2N—C=NH2

NH, ~^-* NH?

аммиак

Биоорганическая химия аминокислот

29

в) Валин (Val), R =— СН(СН3)2.

г) Лейцин (Leu), R = —СН2СН(СН3)2.

д) Изолейцин (Не), R =—СНСН2СН3.

СН3

Боковые цепи в гидрофобных аминокислотах особым образом взаимодействуют с окружающими молекулами воды, такие соединения проявляют очень близкие свойства, которые лишь слабо зависят от строения боковых цепей.

е) К нейтральным аминокислотам относятся также содержащие ароматические радикалы в боковой цепи, например фенил-аланин (Phe)

R = —СН2—Xmm= 259 нм

Отметим наличие в этой молекуле поляризуемого облака п-электронов.

ж) Гидроксилирование ароматического остатка фенилаланина приводит к появлению еще одной функциональной группы — оксигруппы, т. е. образуется тирозин (Туг)

R = —СН2—ч^~^-ОН AmQx= 288 нм

Эта аминокислота содержит гидроксильную группу с рК — 10,07, способную к диссоциации. Близость строения фенилаланина и тирозина обусловливает способность первого превращаться во второй в организме. Отсюда следует, что именно фенилалаиин, а не тирозин, является незаменимой аминокислотой. Эти аминокислоты — предшественники в синтезе гормона адреналина.

К нейтральным гидроксилсодержащим аминокислотам относятся также:

з) Серии (Ser), R = —СН2ОН.

Оксиметильная группа (рКа «15) не диссоциирует при обычных физиологических условиях. Однако серии играет важную роль в ряде биохимических реакций благодаря способности своей первичной гидроксильной группы выступать при определенных условиях в роли нуклеофила.

и) Треонин (Thr), R = —СНОНСНз.

Насколько известно, вторичная гидроксильная группа не участвует ни в одной биохимической реакции.

Замена атома кислорода в серине на атом серы обусловливает диссоциацию протона; образуется аминокислота цистеин. к) Цистеин (Cys), R = CH2SH; рКа = 8,33.

Атом серы с его поляризуемым (т. е. деформируемым) электронным облаком — один из лучших иуклеофилов, которые только известны, и цистеин, подобно серину, может участвовать в некоторых биохимических реакциях. Кроме того, сульфгидрильная группа цистеина легко окисляется с образованием дисуль-Ишда — цистина.

\ к) Еще одна серосодержащая аминокислота — метионин (Met)

R = —(СН2)2—SCH3

30

Глава 2

В этой аминокислоте имеется высокополяризуемый центр в общем-то инертной боковой цепи. Нуклеофильная атака атома серы на переносчик биологической энергии — адеиозиитрифосфат (АТР) — приводит к образованию донора ме-тильиой группы катионной природы, играющего важную роль в биохимических процессах, — S-адеиозилметионина.

л) Другая аминокислота, содержащая индольную систему колец,— триптофан (Тгр)

-сн2

ъэ

4N" Н

Обычный бактериологический тест — определение способности некоторых бактерий образовывать индол из триптофана. Индольное кольцо — прекрасный донор п-электроиов. В присутствии акцепторов электронов оно способно образовывать комплекс с переносом зарядов, или электронное перекрывание (очень слабый вид связи с акцептором электронов).

В органической химии известно много примеров комплексов с переносом зарядов. Наиболее простой из них — образование комплекса (1:1) между хло-роводородом и бензолом при растворении НС1 в бензоле (так называемый п-ком-плекс). При этом протои хлороводорода слабо взаимодействует с я-электроиами бензольного кольца.

+ НС1 -> 1(^Ь Н_Cl

Заметим, что именно аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан обусловливают спектры поглощения белков в ультрафиолетовой области спектра. Обычно считают, что максимум поглощения белков соответствует 280 нм.

При образовании первичн

страница 5
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.07.2017)