Лекция 6
Аминокислоты
Аминокислоты - производные кислот жирного и ароматического ряда, содержащие одновременно аминогруппу (NH2) и карбоксильную группу - СООН. Большинство аминокислот имеет формулу:
Природные аминокислоты в своем большинстве являются a-аминокислотами.
Установлено. Что АК не содержат ни свободной карбоксильной группы, ни аминогруппы, а представляют собой внутреннюю соль, у которой карбоксильная группа находится в ионной связи с аммонийным азотом:
Солеобразный характер аминокислот проявляется в их физических свойствах (температура плавления - 300 0С, нелетучи, плохо растворимы в воде. В водных растворах в зависимости от рН среды диссоциация карбоксильной или аминогруппы подавляется и аминокислоты обнаруживают то свойства щелочи, то кислоты. В кислой среде, при наличии избытка ионов Н+ диссоциация карбоксильной группы подавляется и молекула становится заряженной положительно, ведет себя как катион и в электрическом поле движется к катоду.
В щелочной среде под действием ОН- ионов диссоциация аминогруппы подавляется, а карбоксильные группы остаются диссоциированными и молекула аминокислоты становится заряженной отрицательно:
В изоэлектрической точке молекула аминокислоты электронейтральна и не передвигается в электрическом поле. Напоминаю, что изоэлектрической точкой является значение рН среды. при котором молекула не несет суммарного электрического заряда и не перемещается в электрическом поле (рНI).
Аминокислоты могут содержать 2 и более аминогрупп, а также 2 карбоксильные группы. В зависимости от числа амино- и карбоксильных групп изоэлектрические точки отдельных аминокислот различны. Дикарбоновые кислоты (2 карбоксильные группы) имеют изоэлектрическую точку в кислой среде. Аминокислоты, имеющие 2 аминогруппы (диаминокарбоновые кислоты) имеют ИЭТ в щелочной среде. (Раскроем учебник на стр. 249)
Классификация аминокислот
Аминокислоты
Ациклические (алифатические) циклические (ароматические)
1) Моноаминомонокарбоновые (нейтральные) - (содержат 1 аминогруппу,
1карбоксильную группу,
ИЭТ=5-6,5);
2) Моноаминодикарбоновые (кислые) - (содержат 2 карбоксильные группы,
ИЭТ=3-5,6);
3) Диаминомонокарбоновые (2 амино-, 1 карбоксильная группа, ИЭТ=9-11).
Обмен аминокислот
Человек и животные не могут синтезировать аминокислоты и должны получать их с пищей. Растительные организмы способны синтезировать все необходимые азотистые соединения из аммиака. Основной путь превращения аммиачного азота в органические соединения - синтез аминокислот.
Восстановление нитратов
Основным источником азота для растений являются нитраты. В тканях растений нитраты восстанавливаются до аммиака. Схематически этот процесс можно изобразить так:
НNO3 + 8H+ + 8e- ® NH3 + 3H2O
Для восстановления азотной кислоты до аммиака требуется 8 протонов и 8 электронов. Этот процесс идет ступенчато через ряд промежуточных соединений.
На первой стадии нитраты с помощью фермента нитратредуктазы восстанавливаются до нитритов
НNO3 + НАДФ Н + Н+® НNO2 +Н2О+ НАДФ+
Фермент нитратредуктаза представляет собой металлофлавопротеид, содержащий молибден, а в качестве простетической группы ФАД.
На второй стадии нитрит восстанавливается до гипонитрита. Реакция катализируется нитритредуктазой, которая тоже представляет металлофлавопротеид. Донором протонов и электронов является восстановленный НАД Н или НАДФН. Для активации фермента необходимо участие железа, меди и магния.
2НNO2 + 2НАДН + 2Н+ ® Н2N2O2 + 2 H2O + 2 НАД+
На третьей стадии присоединение еще 2 атомов водорода образует гидроксиламин (NH2OH). Катализирует эту реакцию фермент гипонитритредуктаза. Это флавопротеид, для активирования которого требуется медь, железо и магний, а донором протонов и электронов является НАДН
Н2N2O2 + 2НАДН + 2Н+® 2NH2OH + 2НАД+
На последнем этапе под действием гидроксиламиноредуктазы из гидроксиламина образуется аммиак. Здесь тоже участвуют флавопротеиды, активируемые магнием и марганцем, а доноров водорода является НАДН
NH2OH + НАДН + Н+®NH3+ H2O+ НАД+
Таким образом, общая схема восстановления нитратов представляется в следующем виде:
Необходимые 4 пары протонов и электронов поставляются НАДН или НАДФН с участием флавиновых ферментов, для активирования которых необходимы металлы. При недостаточном питании этими элементами восстановление нитратов идет медленно, и они накапливаются в надземных органах растений. Накопление нитратов может происходить и при избыточных дозах нитратных удобрений. Если растение обеспечено достаточным количеством углеводов (идет активный фотосинтез и дыхание), то нитраты восстанавливаются в основном в корневой системе при участии НАД и НАДФ, образовавшихся в результате распада углеводов в цикле Кребса и в пентозофосфатном цикле. Если интенсивность фотосинтеза ослаблена, растение испытывает недостаток углеводов, часть нитритов не успевает восстановиться в корнях и поступает в надземные органы, где восстанавливается НАД, образующемся при фотосинтезе.
Синтез аминокислот
После восстановления нитратов образуется аммиак, который используется для синтеза аминокислот. Аммиак чаще всего реагирует с кетокислотами. Реакция прямого аминирования кетокислот аммиаком - основной путь синтеза аминокислот растениями.
На первой фазе кетокислота, присоединяя аммиак, образует иминокислоту.
На второй фазе иминокислота восстанавливается и дает аминокислоту. Реакция идет под действием восстанавливающего агента (НАДН или НАДФН).
Таким образом, для синтеза аминокислот необходим аммиак и кетокислоты. Кетокислоты образуются в цикле Кребса и в реакции гликолиза.
Известно, что аммиак является ядом и накоплени его в большом количестве в растении может неблагоприятно сказаться на растении. Часто количество образующегося аммиака оказывается большим, чем его требуется для синтеза аминокислот. Поэтому для его связывания выработались другие механизмы. У большинства растений избыточный аммиак обезвреживается при образовании амидов - аспарагина и глутамина. При хорошем обеспечении растений углеводами в растении в большем количестве накапливается глутамин, а при недостатке углеводов - аспарагин. Исходными в-вами для синтеза аспарагина и глутамина являются аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Синтез идет при участии АТФ и катализируется глутаминсинтетазой.
Аналогично происходит и синез аспарагина при участии фермента аспарагинсинтетазы.
Синтез аминокислот прямым аминированием происходит лишь для небольшого количества кислот, у которых в растении имеются соответствующие кетоаналоги. Образование большинства аминокислот происходит в реакции переаминирования. Эта реакция катализируется аминотрансферазами. Их активной группой является фосфорилированное производное пиридоксина (витамина В6) - пиридоксальфосфат. Пиридоксальфосфат, связанный с белковой частью молекулы фермента, выполняет роль переносчика аминных групп
аминокислота1 + пиридоксальфосфат ® пиридоксаминофосфат (комплексное соединение)
пиридоксаинфосфат + кетокислота 2® пиридоксальфосфат + аминокислота 2
Благодаря этим реакциям синтезируются самые разнообразные аминокислоты.
Пути превращения аминокислот
Аминокислоты, образовавшиеся путем восстановительного аминирования, переаминирования подвергаются непрерывному обмену.