4. Аминокислоты, пептиды и белки

4.1. Аминокислоты

Всё разнообразие веществ пептидной природы основано на 20 амино-кислотах, называемых белковыми аминокислотами. Обязательным струк-турным элементом у них является атом углерода, к которому присоедине-на аминогруппа и карбоксильная группа, т.е. они являются -аминокисло-тами. У 19 аминокислот несущий аминогруппу и карбоксильную группу атом углерода замещён ещё одним радикалом, из-за чего этот атом стано-вится асимметрическим. Среди белковых аминокислот есть как левовраща-ющие (гистидин, пролин, серин, треонин, фенилаланин), так и право-вращающие (аланин, аргинин, глютаминовая кислота, изолейцин, лизин), но все белковые аминокислоты имеют одинаковую пространственную конфигурацию по этому асимметрическому атому углерода. Величина и знак удельного вращения используются в аналитических целях, но при изучении строения производных хиральных молекул гораздо важнее их абсолютная конфигурация.

При рассмотрении пространственной конфигурации углеводов были представлены фишеровские плоскостные структуры стереоизомеров гли-церинового альдегида. Методом рентгеноструктурного анализа установ-лено, что у тетраэдрического sp³-гибридизованного атома углерода при левом расположении гидроксильной группы у левовращающего глицери-нового альдегида формильная группа и гидроксиметильная группа распо-ложены за плоскостью, проходящей через асимметрический атом углерода, а атом водорода и гидроксильная группа направлены вперёд.

От глицеринового альдегида можно без обращения конфигурации, окислив альдегидную группу до карбоксильной, восстановив гидроксиме-тильную группу до метильной и заменив гидроксигруппу на аминогруппу, перейти к простейшей аминокислоте с асимметрическим атомом углерода – аланину. При таком превращении оказывается, что выделяемый из бел-ков аланин соответствует по конфигурации L‑глицериновому альдегиду. То же самое получится и для 18 других оптически активных аминокислот. Две белковые аминокислоты – треонин и изолейцин – имеют ещё один асимметрический атом углерода, но и здесь в живой природе встречается только один диастереомер, хотя обычный синтез приводит с равной веро-ятностью к образованию четырёх изомеров, представляющих собой две пары диастереомеров.

В химии аминокислот более удобно изображать их пространственное строение, помещая в одну плоскость аминогруппу и карбоксильную груп-пу. Тогда атом водорода у L‑аминокислот будет расположен за этой плос-костью, а группа R перед ней:

или

Существуют различные классификации белковых аминокислот по за-местителям в радикале R, но проще всего различать аминокислоты с нейт-ральными, кислыми и основными группами в остатках, соединённых с атомом углерода, несущим аминогруппу и карбоксильную группу. К ами-нокислотам с нейтральными радикалами R относятся глицин (Гли, Gly, G), аланин (Ала, Ala, A), валин (Вал, Val, V), лейцин (Лей, Leu, L), изолейцин (Иле, Ile, I), метионин (Мет, Met, M), серин (Сер, Ser, S), треонин (Тре, Thr, T), цистеин (Цис, Cys, C), фенилаланин (Фен, Phe, F), тирозин (Тир, Tyr, Y), триптофан (Трп, Trp, W), аспарагин (Асн, Asn, N), глютамин (Глн, Gln, Q), пролин (Про, Pro, P). В некоторых классификациях перечисленные аминокислоты подразделяют на полярные и неполярные, но такое выделе-ние неизбежно будет носить субъективный характер. Аминокислоты с карбоксильными группами в радикале R (кислые аминокислоты) – это аспарагиновая кислота (Асп, Asp, D) и глютаминовая кислота (Глу, Glu, E). И, наконец, аминокислоты с основными группами в радикале R – это гис-тидин (Гис, His, H), лизин (Лиз, Lys, K) и аргинин (Арг, Arg, R).

Обозначения аминокислот трёхбуквенными символами используются для краткого изображения олигопептидов, а для полипептидов и белков даже такие символы оказались слишком длинными и сейчас чаще всего используют однобуквенные символы.

Названия аминокислот сложились исторически от греческих корней. Так, глицин, выделенный из продуктов гидролиза желатина, имеет сладкий вкус (гликос); лейцин (лейкос – белый) из мышечной ткани, тирозин (тирос – сыр) из казеина, цистин – продукт окисления цистеина – был выделен из камней мочевого пузыря (кистос – пузырь) и т.д.

Понятно, что большие молекулы пептидов и белков могут сворачи-ваться в компактные образования, стабилизированные солевыми связями, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Роль амино-кислот с алифатическими неполярными группами сводится к образованию гидрофобных зон и гидрофобных «карманов» в молекулах белков. Слабые гидрофобные взаимодействия между алифатическими группами позволяют белковым молекулам с минимальным изменением энергии перестраивать третичную структуры в ответ на связывание функциональных групп на поверхности белковой молекулы с соответствующими субстратами или на изменение рН среды. Такие структурные перестройки лежат в основе функционирования рецепторных участков сенсорных клеток, транспорт-ных белков, ферментов и вообще всех проявлений роли белков в живой природе. Аминокислоты аланин (R = CH₃), валин (R = (CH₃)₂CH), лейцин (R = (CH₃)₂CHCH₂) и изолейцин (R = C₂H₅CH(CH₃)CH):

могут быть использованы организмом в качестве источника энергии, но в первую очередь это основной материал для построения белков мышечной ткани.

Остаток R метионина (R = СH₃SCH₂CH₂) также может исполнять роль гидрофобного фрагмента. Так, например, есть две различающиеся только одной аминокислотой молекулы нейропептида энкефалина (пента-пептид, участвующий в работе центральной нервной системы) – Мет-энкефалин (Тир-Гли-Гли-Фен-Мет) и Лей-энкефалин (Тир-Гли-Гли-Фен-Лей), из чего следует, что остатки R метионина и лейцина при всем их химическом различии в этом случае играют всего лишь роль гидрофобного фрагмента. Кроме того, метионин входит в состав многих белков с катали-тическими функциями. В частности, он служит донором метильных групп при биохимическом метилировании, например, аминогрупп. При этом промежуточным продуктом является S-аденозилметионин с сульфониевой группой:

При взаимодействии с нуклеофильной молекулой S-аденозилметио-нин деметилируется и разлагается на аденозин и гомоцистеин (небелковая аминокислота, гомолог цистеина). В растениях S-аденозилметионин пре-вращается в циклопропанаминокарбоновую кислоту, которая служит источником этилена, регулирующего процесс созревания плодов и листо-пада. Метилирование метионина по атому серы приводит к сульфониевому соединению:

,

которое может быть использовано в лечении язвы желудка, его даже называют витамин U от латинского названия язвы (ulcer). В общем случае метионин – это источник сернистых соединений для организма. Очень мало этой аминокислоты в белках сои, поэтому при составлении комби-кормов на основе сои добавляют метионин. Метионин – это единственная аминокислота, для которой существует многотоннажное синтетическое производство. Кстати, у метионина нет необходимости в выделении L‑изомера, поскольку его D‑изомер нетоксичен.

Триптофан также может выполнять роль аминокислоты с гидрофоб-ным остатком, но его роль далеко выходит за эти рамки. Индольная гетеро-циклическая система триптофана представляет собой донор электронов для образования комплексов с переносом заряда.

Кроме того, из триптофана образуется переносчик сигналов в ЦНС (нейромедиатор) серотонин и регулирующий сон гормон мелатонин. Экзо-генный триптофан можно было бы использовать в качестве пищевой до-бавки со свойствами успокаивающего средства (транквилизатора), которое из-за его естественного характера, конечно, было бы безопаснее синтети-ческих препаратов. На рынке лекарственных средств триптофан вытеснял обычные транквилизаторы, и фармацевтические фирмы развернули против него широкую кампанию, собрав статистику сомнительного характера о повышенной частоте заболеваний крови у тех, кто употреблял его. Тем не менее, на основании этих данных FDA (Food and Drug Administration, США) запретила использование триптофана в качестве пищевой добавки, и этот запрет действует до сих пор, хотя позже было установлено, что выявленные противопоказания были связаны с употреблением триптофана, произведенного по упрощенной технологии одной японской компанией.

Ароматический цикл фенилаланина (R = С₆Н₅СН₂) также поставляет ‑электроны для образования комплексов с переносом заряда, но в этом он уступает триптофану. Важно, что фенилаланин – это предшественник практически всех биогенных веществ с бензольным циклом. В растениях эта аминокислота служит источником многих окрашенных веществ – анто-цианов, флаваноидов. Кроме того, из фенилаланина в клетках растений образуется лигнин – важная составляющая древесины. У животных из фенилаланина через тирозин образуются такие регуляторные вещества, как адреналин и дофамин, гормоны щитовидной железы и другие вещества, например, меланин, окрашивающий кожу и волосы.

В состав многих пептидов с регуляторной и нейромедиаторной ак-тивностью входит аминокислота тирозин

Тирозин образуется при ферментативном окислении фенилаланина, поэтому всё, что было сказано выше о фенилаланине, относится и к тирозину.

Амидные группы аспарагина (R = H₂NCOCH₂) и глютамина (R = H₂NCOCH₂CH₂) играют важную роль в образовании водородных связей в белковых молекулах. Кроме того, амидная группа свободного (т.е. не включённого в белковую молекулу глютамина) участвует в детоксика-ции аммиака, образующегося при дезаминировании аминокислот.

Очень важна гидроксильная группа серина (R = CH₂OH). В фермен-тах с гидролазной активностью она находится в каталитическом центре и принимает на себя ацильный остаток гидролизуемого амида или сложного эфира, а сам серин – это исходный продукт для образования глицина, кото-рый не только участвует в образовании белков, но и выполняет функцию нейромедиатора торможения в нейронах спинного мозга.

Участие в каталитических процессах гидроксильной группы трео-нина (R = СН₃CHOH), входящего в состав белковой молекулы фермента, пока не подтверждено, поэтому её роль, очевидно, заключается только в образовании водородных связей и в гидрофилизации белка.

Аспарагиновая (R = HOOCCH₂) и глютаминовая (R = HOOCCH₂CH₂) кислоты имеют карбоксильные группы, которые не участвуют в образовании пептидных связей. Эти карбоксильные группы предоставляют белкам возможность образования солей с основными группами других фрагментов аминокислот, а также для связывания с основными группами субстратов в активных центрах ферментов. -Карб-оксильная группа глютаминовой кислоты участвует в детоксикации эндогенного аммиака, превращаясь в амидную (глютаминовая кислота превращается в глютамин), кроме того, аминная функция глютаминовой кислоты также включена в процесс обмена аммиака через кетоглутаровую кислоту. Глютаминовая кислота – это исходный продукт для образования -аминомасляной кислоты, выступающей в роли нейромедиатора тормо-жения, а сама глютаминовая кислота – это нейромедиатор возбуждения в центральной нервной системе (ЦНС): до 70% контактов между нейронами ЦНС обеспечиваются этой аминокислотой. Глютаминовая и аспарагиновая кислоты при дезаминировании превращаются в кетоглутаровую и, соот-ветственно, щавелевоуксусную кислоту, которые являются промежуточ-ными продуктами в циклическом превращении лимонной кислоты (цикл Кребса), обеспечивающем энергетику аэробных клеток.

В составе белков аргинин предоставляет для образования солевых связей сильное органическое основание – гуанидиновую группу:

В свободном виде аргинин участвует в циклическом процессе, пред-назначенном для перевода образующегося в метаболических превраще-ниях аминокислот токсичного аммиака в нетоксичную мочевину. Кроме того, гуанидиновая группа аргинина является единственным эндогенным источником монооксида азота. Исследования последних лет (монооксиду азота присвоено звание молекулы 1992 года) показали, что монооксид азота участвует в регуляции тонуса кровеносных сосудов (лекарства на основе нитроглицерина и других нитратов). Отмечен положительный эффект диеты с повышенным содержанием аргинина на иммунитет и на состав липопротеинов крови, которые переносят холестерин. Диета для снижения веса также должна содержать повышенные количества аргинина, иначе уменьшение объёма жировой ткани будет сопровождаться деграда-цией мышечной ткани.

В образовании солевых связей в белках участвует ещё одна амино-кислота лизин (R = H₂NCH₂CH₂СH₂СH₂), но в некоторых ферментах её аминогруппа служит для присоединения простетических групп, выполня-ющих каталитическую функцию. В качестве пищевой добавки лизин используется для профилактики остеопороза и катаракты. Диета с повы-шенным содержанием лизина позволяет преодолеть отрицательные воздействия стресса на мышечную ткань, а в количестве 1-3 г в день лизин значительно облегчает течение герпесных инфекций. Лизин, как и метио-нин, производится в промышленном масштабе для введения в состав комбикормов (очень мало этой аминокислоты в составе белка зерен пшеницы глиадина), но получают его микробиологическим путем.

Аминокислота с самой слабой основной группой гистидин играет важную роль в функционировании ферментов. С участием имидазольного фрагмента гистидина идёт перенос протонов, например, по схеме

Гистидин относится к незаменимым аминокислотам, однако обычно недостаток в этой аминокислоте не ощущается, в полноценной белковой пище её вполне достаточно.

К аминокислотам, которые выполняют особую роль в организации структуры белков, можно отнести глицин, пролин и цистеин.

У глицина отсутствует боковой радикал (R = H), и поэтому в белках он обычно играет роль вставки между аминокислотами с объёмными ради-калами. Что касается пролина, то его пятичленный пирролидиновый цикл имеет углы связей, отличающиеся от углов в молекулах с ациклическими sp³-гибридизованными атомами углерода. Поэтому остаток пролина в молекуле белка всегда находится в точке изгиба, поворота в её вторичной структуре. Очень важна в организации третичной структуры белка роль цистеина. Тиольные группы двух фрагментов этой аминокислоты в составе белка легко окисляются с образованием дисульфидных связей (две моле-кулы цистеина, соединённые дисульфидной связью – это аминокислота цистин). Дисульфидные связи образуют поперечные сшивки между далеко отстоящими друг от друга фрагментами цистеина в пептидной цепи, фик-сирующие её в определённом положении. Этот эффект проще всего де-монстрируется на химической завивке волос. Обработка белка волос кера-тина восстановителем (тиогликолевая кислота) приводит к разрыву ди-сульфидных связей, что позволяет белковым молекулам скользить относи-тельно друг друга. Затем действие окислителя восстанавливает дисульфид-ные связи, но после смещения молекул эти мостики возникают уже в других точках, фиксируя новое положение этих молекул, т.е. такая завивка обеспечивается новым положением химических связей.

Очень важна лекарственная роль цистеина. N-Ацетилцистеин исполь-зуется в качестве средства от кашля (препарат АСС), цистеином лечат ко-литы и потерю волос у женщин. В основе андрогенного облысения лежат мужские гормоны, а у женщин потеря волос чаще всего связана с недостат-ком серы в пище (диеты!). Однако гораздо важнее участие цистеина в образовании трипептида глютатиона (γГлу-Цис-Гли) – регулятора окисли-тельно-восстановительных процессов, антиоксиданта и нейтрализатора попадающих в организм алкилаторов (здесь используется высокая нуклео-фильность атома серы в тиольной группе). Недостаток глютатиона в орга-низме приводит к возникновению злокачественных опухолей, к обостре-нию сердечно-сосудистых заболеваний, диабету и артритам. Есть данные о применении глютатиона в терапии ВИЧ-инфекций. Очень важно, что N‑ацетил-цистеин повышает уровень глютатиона больше, чем приём более дорогого глютатиона. Одно из современных средств для лечения злока-чественных новообразований – реканкостат – представляет собой компози-цию из цистеина, глютатиона и антоциановых красителей (черника).

Цистеин является также исходным продуктом для образования небел-ковой аминокислоты таурина (Н₂NCH₂CH₂SO₃H), который регулирует транспорт субстратов через клеточные мембраны. Недостаток таурина вызывает болезни сердца, судорожные припадки и нарушения зрения.

Кроме приведённых двадцати аминокислот белки могут также содер-жать и некоторые другие аминокислоты. Так, например, в состав белка соединительной ткани коллагена входят 5-гидроксилизин и 4‑гидрокси-пролин (в их образовании из лизина и пролина участвует аскорбиновая кислота). Одним из факторов свертывания крови является гликропротеин протромбин, содержащий ‑карбоксиглютаминовую кислоту. Необычные аминокислоты могут входить в состав пептидов: антибиотик – цикличес-кий декапептид грамицидин С (S) – включает две молекулы орнитина (эта аминокислота образуется при гидролитическом отщеплении мочевины от аргинина) и две молекулы D-фенилаланина. В составе многих антибио-тиков есть ‑аминоизомасляная кислота. В состав витамина фолиевой кислоты входит 4-аминобензойная кислота, а другой витамин – пантоте-новая кислота – содержит ‑аланин (H₂NCH₂CH₂COOH).

Многие небелковые аминокислоты (их известно около 300) токсичны. Чаще всего их токсичность основана на подобии белковым аминокисло-там. Системы биосинтеза встраивают их в пептидную цепь вместо соответ-ствующих белковых аминокислот, что приводит к образованию аномаль-ных белков. Таковы, например, пары азетидин-2-карбоновая кислота и пролин, цианаланин и серин:

В организме человека отсутствуют биохимические системы, синтези-рующие аргинин, гистидин, валин, лейцин, изолейцин, лизин, метио-нин, фенилаланин, треонин, триптофан. Эти аминокислоты обязательно должны поступать с пищей и их называют незаменимыми, т.е. их недо-статок не может покрываться другими белковыми аминокислотами. При поступлении в организм достаточного количества фенилаланина он может превращаться в тирозин и покрывать потребность и в этой аминокислоте, а цистеин можно относить к заменимым аминокислотам только в том слу-чае, когда пища содержит избыточное количество метионина.

С учётом этого условия к заменимым аминокислотам относятся аланин, аспарагиновая кислота, аспарагин, глютаминовая кислота, глютамин, цистеин, глицин, пролин, серин и тирозин, которые могут образовываться в организме человека из других (незаменимых) амино-кислот или из других продуктов метаболических превращений.

Недостаток аминокислот в пище и дефицит даже по одной незамени-мой аминокислоте приводит к снижению уровня белков в крови, что сопровождается замедлением образования белков в организме. Интересно, что при этом перестают вырабатываться и пищеварительные ферменты (они ведь тоже имеют белковую природу) и тогда нарушается течение пищеварительных процессов, т.е. недостаток аминокислот приводит к сокращению их поступления даже в тех случаях, когда они есть в пище, но в неполноценном составе или в дефиците. Недостаток цистеина, особенно на фоне алкогольной интоксикации, вызывает некроз печени, при недоста-точном поступлении гистидина и триптофана развивается катаракта, а дефицит по лизину и метионину приводит к анемии. Отёчные явления наблюдаются при недостатке треонина (человек «пухнет» от голода). При исключении белков из рациона организм человека начинает терять до 25 г аминокислот в день. Это означает, что замена белковых компонент орга-низма новыми (разбор белков на запчасти) идёт так, что остаются «лиш-ние» детали. Дефицитной по отдельным аминокислотам может быть пища растительного происхождения (вегетерианская диета), тогда как белки животного происхождения обычно покрывают потребность в незаменимых аминокислотах, хотя в отдельных случаях, как отмечалось выше, их поступление в организм должно быть повышено.

Если в пище мало даже одной какой-либо незаменимой аминокисло-ты, то остальные аминокислоты не могут быть ассимилированы в полном объёме и тогда они идут на обеспечение энергетических потребностей или превращаются в жиры. При составлении комбикормов для скота это при-водит к непроизводительному расходованию белковой компоненты. Стоит восполнить недостаток в корме несколькими граммами такой дефицитной аминокислоты и привесы откармливаемого скота заметно возрастают.

Что касается питания человека, то здесь следует принимать во внима-ние, что наиболее чувствительны к дефициту незаменимых аминокислот дети (болезнь квашиоркор – из африканского языка суахили – является следствием недостатка белковой пищи у детей), но для нормального обмена веществ и взрослые должны получать с пищей немного менее 1 г белков с оптимальным составом аминокислот на 1 кг веса тела в день. Более всего близки к оптимальному составу аминокислот белки яиц и молока. В растительной пище и в соединительной ткани животных чаще всего отсутствуют триптофан, лизин и метионин. Так, например, в карто-феле понижено содержание триптофана и метионина, и для покрытия дефицита по этим аминокислотам человеку весом около 70 кг приходилось бы съедать 6 кг картофеля в день. Очень богаты белками семена бобовых, но они дефицитны по лизину, а кукуруза содержит сравнительно много лизина и мало триптофана. Комбинирование бобов и кукурузной муки (индейское блюдо суккоташ) позволяет резко сократить общее потреб-ление этих продуктов питания, поскольку аминокислотный состав комби-нированной смеси более близок к идеальному, а энергетические потреб-ности покрываются углеводными составляющими продукта.