Аминокислоты — это органические (карбоновые) кислоты, содержащие аминную (—NH2) группу. В зависимости от положения аминной группы относительно карбоксильной (у 2-го, 3-го, 4-го и т. д. атома углерода) различают соответственно α-аминокислоты, β-аминокислоты, ү-аминокислоты и т. д.
Аминокислоты содержатся во всех клетках организма как в свободном состоянии, так и в виде ряда соединений, главным образом в составе белков.
Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества. Большая часть их хорошо растворима в воде; тирозин, цистин, триптофан растворяются плохо. Глицин и аланин имеют сладкий вкус; лейцин, изолейцин, тирозин, триптофан, валин — горьковатый; глютаминовая кислота обладает характерным мясным вкусом. Все аминокислоты благодаря наличию кислотных (карбоксильных) и основных (гидратированных аминных) групп характеризуются амфотерными свойствами и находятся в растворе в виде биполярных ионов (амфионы или цвиттерионы):
При определенном рН, называемом изоэлектрической точкой (см. Амфолиты), не одинаковой для разных аминокислот, диссоциация карбоксильных групп равна диссоциации аминных групп и частица в целом электронейтральна.
Наибольшее биологическое значение имеют аминокислоты, входящие в состав белков. Таких аминокислот — свыше 20. Все они, кроме двух (содержащих иминную группу -NH-) — пролина и оксипролина, являются α-аминокислоты, т. е. содержат аминную группу у соседнего с карбоксильной группой атома углерода и имеют общую формулу:
где R — радикал, не одинаковый у разных аминокислот.
Все природные аминокислоты, за исключением глицина, оптически активны [асимметрический α-атом углерода обозначен в формуле (1) звездочкой] и, как правило, относятся к L-ряду (см. Изомерия). Тем не менее в составе некоторых природных продуктов, особенно бактериального происхождения, в том числе антибиотиков, встречаются аминокислоты D-ряда. Аминокислоты D-ряда и L-ряда почти не различимы по химическим и физико-химическим свойствам. Однако биологически по отношению к ферментам они ведут себя по-разному; как правило, аминокислоты D-ряда отличаются от аминокислот L-ряда более сладким вкусом.
Классификация аминокислот основана на составе и свойствах радикала В [см. формулу (1)]. Различают аминокислоты алифатические, ароматические и гетероциклические. Кроме того, различают моноаминомонокарбоновые аминокислоты, содержащие одну аминную и одну карбоксильную группы, моноаминодикарбоновые, содержащие одну аминную и две карбоксильные группы, и диаминомонокарбоновые, содержащие две аминные и одну карбоксильную группы. Моноамииномонокарбоновые аминокислоты имеют изоэлектрическую точку при рН около 6. У моноаминодикарбоновых аминокислот преобладает кислотная диссоциация. Диаминомонокарбоновые аминокислоты, напротив, отличаются преобладанием щелочных свойств. Диаминокислоты аргинин и лизин вместе с гетероциклической аминокислотой — гистидином, также имеющим основной характер, иногда называют гексоновыми основаниями (из-за основных свойств и наличия шести углеродных атомов у всех этих аминокислот).
В зависимости от наличия в радикале других групп или атомов, кроме аминных и карбоксильных, различают окси-аминокислоты, серусодержащие аминокислоты и амиды моноаминодикарбоновых кислот — глютамин и аспарагин. Классификация, химическое строение и важнейшие свойства 22 аминокислот, обычно встречающихся в белках, показаны в таблице.
Помимо перечисленных в таблице, в организмах обнаружены другие аминокислоты, встречающиеся в составе лишь некоторых белков или других природных соединений или же играющие роль в обмене веществ. Так, производное лизина — оксилизин
СН2 (NH2) СН (ОН)·СН2·СН2·СН (NH2)·COOH
выделен из гидролизатов желатины. N-ацетиллизин и N-метиллизин недавно обнаружены в составе ядерных белков — гистонов. Из соевой муки получен канаванин (α-амино-ү-гуанидин-окси-Н-масляная кислота). Канаванин сходен по свойствам с аргинином и расщепляется ферментом аргиназой с образованием мочевины. При расщеплении аргинина наряду с мочевиной образуется орнитин. Орнитин, присоединяя одноуглеродный остаток и аминогруппу, образует другую диаминомонокарбоновую кислоту — цитруллин, который далее превращается в аргинин. Эти превращения, называемые орнитиновым циклом, играют важнейшую роль в образовании мочевины в организме человека и млекопитающих. В свободном состоянии и в составе некоторых природных продуктов встречаются аминокислоты, содержащие метильную группу, присоединенную к аминному азоту. Среди них известны саркозин (N-метилглицин), метилгистидин, метилтриптофан, метиллизин. Такие аминокислоты, как норвалин и норлейцин, получены синтетически, но не встречаются в белках. Из гидролизатов шерсти и из антибиотика субтилина выделена серусодержащая аминокислота лантионин [β, β'-тиоди-(α-аминопропионовая) кислота]:
HOOCCH-CH2-S-CH2·CH·COOH
| |
NH2 NH2
Аминокислоты реагируют с азотистой кислотой, выделяя свободный азот и образуя соответствующую оксикислоту. Эта реакция применяется для количественного определения азота аминокислот (амино-азота) в крови и других биологических жидкостях. Другой важный реактив на аминокислоты — нингидрин (см.) — дает при нагревании с аминокислотой синее окрашивание.
Оттенок окраски зависит от природы аминокислот и колеблется от голубого до фиолетового. Аминокислоты дают желтое окрашивание. Реакция с нингидрином весьма чувствительна и позволяет определять аминокислоты не только качественно, но и количественно. Эта реакция широко используется для определения аминокислотного состава белков и свободных аминокислот в биологическом материале методами хроматографии на бумаге или на колонке с синтетическими смолами. Для анализа аминокислот применяется также метод газовой хроматографии — разделение производных аминокислот в виде газообразных продуктов.
Отдельные аминокислоты дают характерные реакции, обусловленные содержащимися в них радикалами. Некоторые из этих реакций используются для обнаружения белков. Такова, например, реакция Адамкевича на триптофан (фиолетовая окраска при нагревании с концентрированной серной кислотой в присутствии уксусной кислоты). В этой реакции действует альдегидная группа глиоксиловой кислоты, находящейся в уксусной кислоте в виде примеси.
Очень чувствительна реакция Сакагучи на аргинин (красное окрашивание в щелочной среде с гипобромитом или гипохлоритом и α-нафтолом).
Фенольная группировка тирозина дает красную окраску при нагревании с солями ртути в присутствии азотистой кислоты (реакция Миллона).
В организме аминокислоты занимают центральное положение в азотистом обмене (см.) и подвергаются многим превращениям, связанным с их распадом и использованием для синтеза белков и других веществ. Аминокислоты подвергаются дезаминированию (см.), отщепляя аминную группу, и декарбоксилированию (см.), образуя соответствующие амины (см.).
Очень важную роль в обмене аминокислот играет реакция переаминирования (открытая А. Е. Браунштейном), заключающаяся в переносе аминной группы с аминокислоты на кетокислоту, в результате чего получается другая аминокислота. Необходимым компонентом реакции переаминирования, происходящей под действием ферментов аминотрансфе-раз (аминофераз), являются дикарбоновые аминокислоты. Благодаря этой реакции дикарбоновые аминокислоты и их амиды активно участвуют в обмене аминокислот и образуют связующее звено между обменом аминокислот и окислительными превращениями углеводов и жиров. Так, аспарагиновая кислота под действием аспартазы отщепляет аммиак и образует фумаровую кислоту.
Эти же аминокислоты и их амиды являются важнейшими источниками азота в синтезе ряда биологически важных веществ и в образовании конечных продуктов азотистого обмена, в частности мочевины.
Серусодержащие аминокислоты в своем обмене тесно связаны с окси-аминокислотами. Сульфгидрильные группы обмениваются с о к си группами в процессе пересульфирования. Так, реагируя с ү-окси-α-аминомасляной кислотой (гомосерином), цистеин передает свою сульфгидрильную группу, в результате чего образуется гомоцистеин (ү-тио-α-аминомасляная кислота):
В качестве промежуточного продукта реакции образуется цистатионин. Гомоцистеин далее присоединяет метальную группу и образует метионин. Реакция идет в обоих направлениях, причем метионин является главным источником метальных групп в процессах метилирования в организме.
Часть аминокислот может синтезироваться в организме, используя азот других аминокислот. Такие аминокислоты называют заменимыми. Аминокислоты, которые не синтезируются в организме и для поддержания жизни обязательно должны поступать с пищей, называют незаменимыми. Для человека незаменимы валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Потребность в каждой из этих аминокислот неодинакова, но в среднем составляет для взрослого человека около 1 г каждой незаменимой аминокислоты в сутки. Понятие незаменимости аминокислот до некоторой степени условно. Так, например, тирозин образуется в организме только из фенилаланина и поэтому становится незаменимым при недостатке фенилаланина. С другой стороны, наличие тирозина в диете снижает потребность в фенилаланине. Такие же взаимоотношения имеют место между метионином и цистеином (цистином).
Поскольку основным источником аминокислот в питании являются белки, азотистый баланс и поступление незаменимых аминокислот в пищу определяются количеством (3) и аминокислотным составом пищевых белков. Практически наиболее часто встречается недостаток в пище трех незаменимых аминокислот — триптофана, лизина и метионина. Потребность в пищевом белке может быть полностью покрыта за счет смеси аминокислот. В лечебной практике это имеет большое значение при парэнтеральном питании. Наряду с общим влиянием на рост и состояние здоровья недостаток отдельных аминокислот может давать специфические симптомы. Так, недостаток метионина вызывает ожирение и циррозы печени, недостаток триптофана при низком содержании в пище никотиновой кислоты (поскольку триптофан способен превращаться в последнюю) ведет к пеллагре. Недостаток валина у животных вызывает невротические симптомы, повышенную чувствительность к прикосновению.
Многие аминокислоты применяются в ветеринарии, в технике, в медицине и в научно-исследовательской работе. Промышленное получение аминокислот основано на их химическом синтезе, выделении из гидролизатов белков и получении их при помощи микроорганизмов.
Добавление аминокислот к пище улучшает ее качество, усвояемость и вкусовые свойства. Особенно часто применяют глютаминовую кислоту, придающую пище приятный мясной вкус.
В крови количество аминоазота (азота аминогрупп, свободных аминокислот) довольно постоянно и составляет у человека в норме около 6—8 мг%. В эритроцитах содержание аминоазота выше и колеблется в более широких пределах. В плазме крови оно не превышает 4—6 мг%. Определение аминоазота крови используется в клинической практике. Содержание аминоазота в крови повышено при нарушениях функции печении почек. Резкое его нарастание (гипераминоацидемия) наблюдается при токсикозах беременности и при повышенном распаде белков (кахексия). Благодаря способности клеток активно концентрировать аминокислоты. содержание их в тканях иногда в несколько раз выше, чем в крови. Плазма крови почти не содержит пептидов. Из свободных аминокислот в ней преобладают глютамин, аланин, валин, лейцин, глицин, тирозин, а также пролин, триптофан и тирозин.
С мочой человек выделяет в норме около 1 г свободных аминокислот в сутки. Большие количества аминокислоты в моче (аминоацидурия) могут наблюдаться при гипераминоацидемиях, а также при некоторых (обычно обусловленных наследственностью) нарушениях превращений отдельных аминокислот. Так, при цистинурии плохо растворимый цистин выпадает в моче в виде кристаллов. Со специфическим нарушением превращения фенилаланина в тирозин связано слабоумие (фенилпировиноградная олигофрения). До недавнего времени эта наследственная болезнь считалась неизлечимой. Однако если с младенческого возраста в пищу регулярно добавлять тирозин, то недостаток обмена полностью компенсируется и пациенты вырастают нормальными. Повышенное выделение гистидина с мочой (гистидинурия) нередко наблюдается при беременности. Глютаминовую кислоту применяют для лечебных целей в психиатрии. Ее терапевтическое действие основано на усилении обмена и главным образом на обезвреживании аммиака благодаря связыванию его и образованию глютамина. Метионин оказывает хороший эффект при ожирениях, циррозах и других заболеваниях печени. Гистидин применяется при язвах желудка и других заболеваниях желудочно-кишечного тракта.
Избыток некоторых аминокислот при недостатке других аминокислот может давать токсические явления из-за несбалансированности белкового питания. См. также Белки.