Аминокислоты

Общая структура α-аминокислот, составляющих белки (кроме пролина). Составные части молекулы аминокислоты — аминогруппа NH₂, карбоксильная группа COOH, радикал (различается у всех α-аминокислот), α-атом углерода (в центре)

Аминокисло́ты — это класс органических соединений, молекулы которых содержат как карбоксильную (—COOH), так и аминную (—NH2) функциональные группы. В состав аминокислот входят четыре основных химических элемента: углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N), однако в радикалах некоторых аминокислот могут присутствовать и другие элементы. На данный момент известно около 500 природных аминокислот, но лишь 21 из них используется в генетическом коде живых организмов. По своей структуре аминокислоты можно рассматривать как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода замещены на аминогруппы.

История

В период после 1953 года было обнаружено большинство из приблизительно 500 ныне известных аминокислот. Их поиск и открытие происходили в ходе исследований новых антибиотиков, продуцируемых различными микроорганизмами, грибами, а также содержащихся в семенах, растениях, плодах и жидкостях животного происхождения. Из всех идентифицированных аминокислот около 240 встречаются в природе в свободном виде, тогда как остальные присутствуют лишь в качестве промежуточных продуктов метаболизма.

Открытие аминокислот в составе белков

История открытия аминокислот в составе белковых молекул прослеживается с начала XIX века.

Незаменимые аминокислоты, которые не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать с пищей, выделены жирным шрифтом в таблице.

Аминокислота	Аббревиатура	Год	Источник	Впервые выделен
Глицин	Gly, G	1820	Желатин	А. Браконно
Лейцин	Leu, L	1820	Мышечные волокна	А. Браконно
Тирозин	Tyr, Y	1848	Казеин	Ю. фон Либих
Серин	Ser, S	1865	Шёлк	Э. Крамер
Глутаминовая кислота	Glu, E	1866	Растительные белки	Г. Риттхаузен[нем.]
Глутамин	Gln, Q	1877	Пшеничная мука	Э. Шулце
Аспарагиновая кислота	Asp, D	1868	Конглутин, легумин (ростки спаржи)	Г. Риттхаузен[англ.]
Аспарагин	Asn, N	1806	Сок спаржи	Л.-Н. Воклен и П. Ж. Робике
Фенилаланин	Phe, F	1881	Ростки люпина	Э. Шульце, Й. Барбьери
Аланин	Ala, A	1888	Фиброин шёлка	А. Штреккер, Т. Вейль
Лизин	Lys, K	1889	Казеин	Э. Дрексель
Аргинин	Arg, R	1895	Вещество рога	С. Гедин
Гистидин	His, H	1896	Стурин, гистоны	А. Коссель, С. Гедин
Цистеин	Cys, C	1899	Вещество рога	К. Мёрнер
Валин	Val, V	1901	Казеин	Э. Фишер
Пролин	Pro, P	1901	Казеин	Э. Фишер
Гидроксипролин	Hyp, hP	1902	Желатин	Э. Фишер
Триптофан	Trp, W	1902	Казеин	Ф. Хопкинс, Д. Кол
Изолейцин	Ile, I	1904	Фибрин	Ф. Эрлих
Метионин	Met, M	1922	Казеин	Д. Мёллер
Треонин	Thr, T	1925	Белки овса	С. Шрайвер и другие
Гидроксилизин	Hyl, hK	1925	Белки рыб	С. Шрайвер и другие

Физические свойства

Аминокислоты демонстрируют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств соответствующих кислот и оснований. Эти соединения представляют собой кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Они характеризуются повышенной растворимостью в воде по сравнению с органическими растворителями. Многим аминокислотам присущ сладкий вкус.

Указанные характеристики свидетельствуют о солеподобной природе аминокислот. Их уникальные физико-химические свойства обусловлены специфической структурой молекул, содержащих одновременно кислотную и основную функциональные группы с противоположными свойствами.

Химические свойства

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, что обусловлено особенностями их структуры. Наличие карбоксильной группы (—COOH) в молекулах аминокислот определяет их способность проявлять кислотные свойства, в то время как присутствие аминогруппы (—NH2) обусловливает их основные свойства. Благодаря этой уникальной особенности строения аминокислоты способны вступать в реакции как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии с кислотами аминогруппа аминокислот протонируется, образуя катион аммония, тогда как при реакции со щелочами происходит депротонирование карбоксильной группы с образованием карбоксилат-аниона.

NH2 —CH2 —COOH + HCl → HCl · NH2 —CH2 —COOH (Хлороводородная соль глицина)

NH2 —CH2 —COOH + NaOH → H2O + NH2 —CH2 —COONa (натриевая соль глицина)

Водные растворы аминокислот проявляют характерные свойства буферных систем благодаря своей способности образовывать цвиттер-ионы. Эти молекулы существуют в форме внутренних солей, где положительно заряженная аминогруппа и отрицательно заряженная карбоксильная группа нейтрализуют друг друга в пределах одной молекулы. Такая особенность позволяет аминокислотам противостоять резким изменениям pH среды, что является ключевой характеристикой буферных растворов.

NH2 —CH2COOH N+H3 —CH2COO-

В особых условиях некоторые аминокислоты, такие как гистидин, способны нести заряд на всех трёх ионогенных группах одновременно. В этом случае они формируют более сложные структуры, известные как двойные соли.

Что касается реакционной способности, аминокислоты демонстрируют универсальность. Они обладают химическими свойствами, характерными как для карбоновых кислот, так и для аминов. Это двойственное поведение открывает широкий спектр возможных химических превращений, делая аминокислоты важнейшими строительными блоками в биохимических процессах и перспективными соединениями для синтетической химии.

Этерификация:

NH2 —CH2 —COOH + CH3OH → H2O + NH2 —CH2 —COOCH3 (метиловый эфир глицина)

Ключевое свойство аминокислот — склонность к реакции поликонденсации. Данный процесс приводит к формированию полиамидных соединений. К продуктам такого синтеза относятся:

• пептиды;
• белковые молекулы;
• синтетические полимеры (нейлон, капрон).

Реакция образования пептидов:

HOOC —CH2 —NH —H + HOOC —CH2 —NH2 → HOOC —CH2 —NH —CO —CH2 —NH2 + H2O

Изоэлектрическая точка аминокислоты — это показатель pH среды, при котором наибольшее число молекул данного соединения приобретает электронейтральное состояние. В этих условиях аминокислота демонстрирует минимальную электрофоретическую подвижность. Данный феномен используется в методиках разделения аминокислот, пептидов и белковых структур.

Молекула аминокислоты, содержащая протонированную аминогруппу (—NH3+) и депротонированную карбоксильную группу (—COO−), определяется как цвиттер-ион. Такая форма характеризуется существенным дипольным моментом при общем нулевом заряде. Цвиттер-ионы формируют основу кристаллической структуры большей части аминокислот.

В случае аминокислот с множественными амино- и карбоксильными группами концепция единого цвиттер-иона утрачивает четкость .

20 стандартных аминокислот. R-группы выделены красным цветом.

Получение

Методы получения аминокислот включают:

• гидролитическое расщепление белковых структур;
• синтетические химические процессы.

Эти подходы позволяют выделить или синтезировать большую часть известных аминокислот. Гидролиз белков представляет собой биохимический метод, в то время как химический синтез охватывает ряд различных реакций, специфичных для каждой конкретной аминокислоты.

Оптическая изомерия

α-Аминокислоты, за исключением глицина, характеризуются наличием хирального α-углеродного атома. Треонин и изолейцин отличаются присутствием двух асимметрических центров. Данная структурная особенность обуславливает оптическую активность этих соединений.

В биологических системах преобладают α-аминокислоты L-ряда. Именно эти изомеры участвуют в рибосомальном биосинтезе белковых молекул. D-изомеры в данном процессе не задействованы.

D-аминокислоты в живых организмах

Специфическая рацемизация аспарагиновых остатков

В структурных белках с низкой метаболической активностью происходит спонтанная неферментативная рацемизация аспарагиновых остатков. В дентине и эмали зубов L-аспартат трансформируется в D-форму со скоростью приблизительно 0,1% ежегодно. Это явление применяется для определения возраста млекопитающих. Аналогичный процесс наблюдается при старении коллагена. Механизм рацемизации предположительно включает формирование сукцинимидного цикла путём внутримолекулярного ацилирования азота пептидной связи свободной карбоксильной группой аспарагиновой кислоты.

Распространение D-аминокислот

Развитие методов следового аминокислотного анализа позволило обнаружить D-аминокислоты в клеточных стенках некоторых бактерий (1966 г.), а позднее — в тканях высших организмов. D-аспартат и D-метионин, вероятно, выполняют функцию нейромедиаторов у млекопитающих.

D-аминокислоты в пептидах

Некоторые пептиды содержат D-аминокислоты, образующиеся в результате посттрансляционной модификации. Примером служат опиоидные гептапептиды кожи южноамериканских амфибий филломедуз, включающие D-метионин и D-аланин. Присутствие D-аминокислот обуславливает высокую анальгетическую активность этих пептидов.

Аналогичным образом формируются пептидные антибиотики бактериального происхождения, эффективные против грамположительных бактерий — низин, субтилин и эпидермин.

D-аминокислоты чаще встречаются в пептидах и их производных, синтезируемых нерибосомным путём в клетках грибов и бактерий. Вероятно, исходным материалом служат L-аминокислоты, изомеризуемые одной из субъединиц ферментного комплекса, осуществляющего синтез пептида.

Протеиногенные аминокислоты

Двадцать α-аминокислот, закодированных в геноме, инкорпорируются в полипептидные цепи при биосинтезе белка. Эти соединения именуются протеиногенными или стандартными аминокислотами. В некоторых белках обнаруживаются нестандартные аминокислоты — продукты посттрансляционной модификации стандартных.

В последние годы к протеиногенным аминокислотам стали относить селеноцистеин (Sec, U) и пирролизин (Pyl, O), включаемые в белки при трансляции. Их называют 21-й и 22-й аминокислотами соответственно.

Причины эволюционного отбора именно этих 20 аминокислот остаются неясными. Например, гомосерин — ключевой метаболит в биосинтезе треонина, изолейцина и метионина — не имеет собственной аминоацил-тРНК-синтетазы и тРНК, в отличие от упомянутых аминокислот.

Структурные формулы протеиногенных аминокислот традиционно представляют в виде специальной таблицы.

20 стандартных аминокислот. R-группы выделены красным.

Классификация аминокислот

Аминокислота	3-буквы	1-буква	Генетический код	Мнемоническое правило	Полярность	Класс по радикалу	Mr	Vw (Å3)	pI	Гидрофобность	Частота в белках (%)
Глицин	Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG	Glycine	Неполярные	Алифатические	75,067	48	6,06	−0,4	7,03
Аланин	Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG	Alanine	Неполярные	Алифатические	89,094	67	6,01	1,8	8,76
Валин	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG	Valine	Неполярные	Алифатические	117,148	105	6,00	4,2	6,73
Изолейцин	Ile	I	AUU, AUC, AUA	Isoleucine	Неполярные	Алифатические	131,175	124	6,05	4,5	5,49
Лейцин	Leu	L	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG	Leucine	Неполярные	Алифатические	131,175	124	6,01	3,8	9,68
Пролин	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG	Proline	Неполярные	Гетероциклические	115.132	90	6,30	−1,6	5,02
Серин	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC	Serine	Полярные	Оксимоноаминокарбоновые	105,093	73	5,68	−0,8	7,14
Треонин	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG	Threonine	Полярные	Оксимоноаминокарбоновые	119,119	93	5,60	−0,7	5,53
Цистеин	Cys	C	UGU, UGC	Cysteine	Полярные	Серосодержащие	121,154	86	5,05	2,5	1,38
Метионин	Met	M	AUG	Methionine	Неполярные	Серосодержащие	149,208	124	5,74	1,9	2,32
Аспарагиновая кислота	Asp	D	GAU, GAC	asparDic acid	Полярные	заряженные отрицательно	133,104	91	2,85	−3,5	5,49
Аспарагин	Asn	N	AAU, AAC	asparagiNe	Полярные	Амиды	132,119	96	5,41	−3,5	3,93
Глутаминовая кислота	Glu	E	GAA, GAG	gluEtamic acid	Полярные	заряженные отрицательно	147,131	109	3,15	−3,5	6,32
Глутамин	Gln	Q	CAA, CAG	Q-tamine	Полярные	Амиды	146,146	114	5,65	−3,5	3,9
Лизин	Lys	K	AAA, AAG	before L	Полярные	заряженные положительно	146,189	135	9,60	−3,9	5,19
Аргинин	Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	aRginine	Полярные	заряженные положительно	174.203	148	10,76	−4,5	5,78
Гистидин	His	H	CAU, CAC	Histidine	Полярные заряженные положительно	Гетероциклические	155,156	118	7,60	−3,2	2,26
Фенилаланин	Phe	F	UUU, UUC	Fenylalanine	Неполярные	Ароматические	165,192	135	5,49	2,8	3,87
Тирозин	Tyr	Y	UAU, UAC	tYrosine	Полярные	Ароматические	181,191	141	5,64	−1,3	2,91
Триптофан	Trp	W	UGG	tWo rings	Неполярные	Ароматические, Гетероциклические	204,228	163	5,89	−0,9	6,73

По радикалу:

• неполярные: глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин;
• полярные незаряженные (заряды скомпенсированы) при pH=7: серин, треонин, цистеин, метионин, аспарагин, глутамин;
• ароматические: фенилаланин, триптофан, тирозин;
• полярные заряженные отрицательно при pH=7: аспартат, глутамат;
• полярные заряженные положительно при pH=7: лизин, аргинин, гистидинт

По функциональным группам:

• алифатические;
• моноаминомонокарбоновые: глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин;
• оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин;
• моноаминодикарбоновые: аспартат, глутамат, за счёт второй карбоксильной группы несут в растворе отрицательный заряд;
• амиды моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин;
• диаминомонокарбоновые: лизин, аргинин, несут в растворе положительный заряд;
• серосодержащие: цистеин, метионин.
• ароматические: фенилаланин, тирозин, триптофан;
• гетероциклические: триптофан, гистидин, пролин;
• аминокислоты: пролинт.

По классам аминоацил-тРНК-синтетаз:

• Класс I: валин, изолейцин, лейцин, цистеин, метионин, глутамат, глутамин, аргинин, тирозин, триптофан.
• Класс II: глицин, аланин, пролин, серин, треонин, аспартат, аспарагин, гистидин, фенилаланинт

Для лизина существуют аминоацил-тРНК-синтетазы обоих классов.

По путям биосинтеза

Биосинтез протеиногенных аминокислот характеризуется многообразием и вариативностью. Синтез одной аминокислоты может осуществляться различными путями, при этом разные пути могут иметь сходные этапы. Несмотря на сложность, предпринимаются попытки систематизации аминокислот по их биосинтетическим путямт

Выделяют следующие биосинтетические семейства аминокислот:

• Семейство аспартата: аспартат, аспарагин, треонин, изолейцин, метионин, лизин.
• Семейство глутамата: глутамат, глутамин, аргинин, пролин.
• Семейство пирувата: аланин, валин, лейцин.
• Семейство серина: серин, цистеин, глицин.
• Семейство пентоз: гистидин, фенилаланин, тирозин, триптофан.

Отнесение аминокислоты к определённому семейству не всегда однозначно и может варьировать в зависимости от организма и преобладающего пути синтеза. Распределение аминокислот по семействам обычно осуществляется с учётом этих факторов.

По способности организма синтезировать аминокислоты из предшественников:

• Незаменимые. Для большинства животных и человека незаменимыми аминокислотами являются: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан.
• Заменимые. Для большинства животных и человека заменимыми аминокислотами являются: глицин, аланин, пролин, серин, цистеин, аспартат, аспарагин, глутамат, глутамин, тирозинт

Разделение аминокислот на заменимые и незаменимые имеет определённые ограничения. Статус аминокислоты может изменяться в зависимости от физиологических условий:

• Тирозин: заменим при достаточном поступлении фенилаланина. У пациентов с фенилкетонурией приобретает статус незаменимой аминокислоты.
• Аргинин: синтезируется в организме человека, но при определённых физиологических состояниях может рассматриваться как незаменимая аминокислота.
• Гистидин: эндогенный синтез не всегда обеспечивает потребности организма, что обусловливает необходимость его поступления с пищей.

По характеру катаболизма у животных:

• Глюкогенные — при распаде дают метаболиты, не повышающие уровень кетоновых тел, способные относительно легко становиться субстратом для глюконеогенеза: пируват, α-кетоглутарат, сукцинил-KoA, фумарат, оксалоацетат.
• Кетогенные — распадаются до ацетил-KoA и ацетоацетил-KoA, повышающие уровень кетоновых тел в крови животных и человека и преобразующиеся в первую очередь в липиды.
• Глюко-кетогенные — при распаде образуются метаболиты обоих типовт

Аминокислоты:

• Глюкогенные: глицин, аланин, валин, пролин, серин, треонин, цистеин, метионин, аспартат, аспарагин, глутамат, глутамин, аргинин, гистидин.
• Кетогенные: лейцин, лизин.
• Глюко-кетогенные (смешанные): изолейцин, фенилаланин, тирозин, триптофан.

«Миллеровские» аминокислоты

Термин «миллеровские» аминокислоты обозначает соединения, синтезируемые в условиях, аналогичных эксперименту Стенли Л. Миллера 1953 г. В ходе подобных экспериментов образуются рацемические смеси различных аминокислот, включая аланин, глицин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, пролин, серин, аспартат, глутамат.

Родственные соединения

Некоторые вещества, способные выполнять определённые биологические функции аминокислот, в медицинской практике также именуются аминокислотами. К ним относится, например, таурин.

Практическое применение

Способность аминокислот к поликонденсации используется для получения полиамидов — пептидов, белков, а также синтетических полимеров (нейлон, капрон, энант).

Аминокислоты входят в состав спортивного питания и комбикормов. В пищевой промышленности применяются как вкусовые добавки, например, глутамат натрия.