A M I N O K W A S Y i P E P T Y D Y
Aleksander Kołodziejczyk wrzesień 2007
AMINOKWASY
Jak wynika z nazwy, aminokwasy sÄ… zwiÄ…zkami organicznymi zawierajÄ…cymi przynajmniej jednÄ…
funkcję aminową i jedną karboksylową. Należą do najważniejszych związków organicznych z
uwagi na rolę, jaka pełnią w funkcjonowaniu organizmów żywych. To z nich zbudowane są
białka, one w chodzą w skład substancji biologicznie czynnych (np. enzymów, hormonów), z
nich powstaje wiele związków koniecznych do podtrzymywania życia, występują też w stanie
wolnym.
Z uwagi na wzajemne ułożenie grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej
rozróżniamy Ä…-, ²-, Å‚- i kolejne aminokwasy.
RCH (CH2)x COOH
x = 0, 1, 2, 3, .....
Ä…, ², Å‚, ´, .....
NH2
W zależności od liczby podstawników na atomie azotu aminokwasy dzielą się na takie, które
zawierają grupę aminową 1o, 2o, 3o i czwartorzędową amoniową; te ostatnie noszą nazwę betain.
Występowanie
Aminokwasy należą do najpopularniejszych związków naturalnych, są bowiem składnikami
białek  substancji stanowiących podstawowy budulec drobnoustrojów i organizmów
zwierzęcych. Wchodzą w skład peptydów, czyli kopolimerów aminokwasów o mniejszej masie
cząsteczkowej niż białka, pełnią również ważną rolę, jako wolne związki. Stanowią substraty
wielu innych związków biologicznie czynnych, w tym neuroprzekaz
ników i alkaloidów.
Organizm wykorzystuje jedynie 23 aminokwasy do syntezy białek; są to tzw. aminokwasy
kodowane, czyli rozpoznawalne przez kod genetyczny; najczęściej w białku występuje 20 z nich.
W białkach, obok aminokwasów kodowanych stwierdzono obecność jeszcze kilkudziesięciu
innych aminokwasów; razem nazwano je aminokwasami białkowymi. Aminokwasy białkowe,
inne niż aminokwasy kodowane powstają w wyniku procesów biochemicznych, tzw.
postrybosomalnej modyfikacji reszt aminokwasów kodowanych wbudowanych w łańcuch
białkowy. Pojawiają się one dopiero po utworzeniu białek na rybosomach w wyniku N-
alkilowania, C-hydroksylowania, halogenowania, redukcji, tworzenia wiązań
disulfidowych, wiązań amidowych i innych reakcji.
Dla ułatwienia zapisu długich wzorów peptydów i białek wprowadzono międzynarodowe kody
aminokwasów: kody trójliterowe i jednoliterowe (te drugie tylko dla aminokwasów
kodowanych).
Najpopularniejsze aminokwasy białkowe Tabela 21. 1
Kod Punkt izoelek-
Wzór Nazwa
tryczny (pHi)
trójliterowy jednoliterowy
aminokwasy alifatyczne
CH2COOH
glicyna Gly G 5,97
NH2
1
CH3CHCOOH
alanina Ala A 6,02
NH2
(CH3)2CHCHCOOH
walina Val V 5,97
NH2
(CH3)2CHCH2CHCOOH
leucyna Leu L 5,98
NH2
CH3CH2CHCHCOOH
izoleucyna Ile I 6,02
H3C NH2
prolina
COOH Pro P 6,10
N
H
hydroksyaminokwasy
CH2CHCOOH
seryna Ser S 5,68
HO NH2
CH3CHCHCOOH
treonina Thr T 6,53
HO NH2
HO
4-hydroksyprolina Hyp - 5,71
COOH
N
H
aminokwasy siarkowe
CH2CHCOOH
cysteina Cys C 5,02
HS NH2
CH3SCH2CH2CHCOOH
metionina Met M 5,75
NH2
HOOCCHCH2-S-S-CH2CHCOOH
cystyna (Cys)2 -
NH2 NH2
aminokwasy aromatyczne
CH2CHCOOH
fenyloalanina Phe F 5,98
NH2
HO CH2CHCOOH
tyrozyna Tyr Y 5,65
NH2
CH2CHCOOH
tryptofan Trp W 5,88
NH2
N
H
aminokwasy kwaśne i ich amidy
HOOCCH2CHCOOH
kwas asparaginowy Asp D 2,87
NH2
2
H2NOCCH2CHCOOH
asparagina Asn N 5,41
NH2
HOOCCH2CH2CHCOOH
kwas glutaminowy Glu E 3,22
NH2
H2NOCCH2CH2CHCOOH
glutamina Gln Q 5,65
NH2
aminokwasy zasadowe
CH2(CH2)3CHCOOH
lizyna Lys K 9,74
NH2 NH2
H2NCNH-(CH2)3CHCOOH
arginina Arg R 10,8
NH NH2
N
CH2CHCOOH
histydyna His H 7,64
N
H NH2
CH2CH(CH2)2CHCOOH
hydroksylizyna Hly -
NH2
OH
NH2
Oprócz glicyny wszystkie aminokwasy białkowe są chiralne i należą do L-aminokwasów, tzn.
przy Cą mają konfigurację L. W niektórych aminokwasach białkowych znajdują się dwa centra
chiralne.
Zadanie: wskaż, które aminokwasy zebrane w powyższej tabeli zawierają dwa centra chiralne.
Aminokwasy występujące w naturze, łącznie z aminokwasami białkowymi nazywane są
aminokwasami naturalnymi, w odróżnieniu od aminokwasów syntetycznych, które zostały
otrzymane na drodze syntezy chemicznej, a dotychczas nie znaleziono ich pośród produktów
naturalnych. Znanych jest ponad 1000 aminokwasów naturalnych. Aminokwasy naturalne
mogą być białkowe i niebiałkowe.
Pośród niebiałkowych aminokwasów naturalnych znajdują się aminokwasy zarówno o
konfiguracji L, jak i D, mogą one występować także w formie racemicznej.
Przykłady niebiałkowych aminokwasów naturalnych
H
H2NCH2CH2COOH
C
COOH
²-alanina
NH2 L-fenyloglicyna
²-Alanina jest skÅ‚adnikiem koenzymu A, zaÅ› L-fenyloglicyna wystÄ™puje w antybiotykach ²-
laktamowych. Homocysteina jest powszechnie spotykanym aminokwasem, służy jako
biosubstrat w syntezie metioniny. Produkowany przez rośliny kwas 1-
aminocyklopropanokarboksylowy jest prekursorem etenu, hormonu roślinnego,
przyspieszającego dojrzewanie owoców.
3
COOH
HSCH2CH2CHCOOH H2C
kwas 1-amino-
C
homo-
cyklopropano-
NH2
cysteina H2C NH2 karboksylowy
Znane są aminokwasy o szkodliwym działaniu, np. mimozyna ma właściwości depilatora;
powoduje wypadanie sierści zwierząt karmionych roślinami produkującymi ten związek, a
homarin wytwarzany przez niektóre ślimaki należy do najsilniejszych trucizn.
HO
-
O N CH2CHCOOH
N COO
+
mimozyna NH2
CH3 homarin
Toksyczny jest też kwas azetydyno-2-karboksylowy, występujący w konwaliach. Kod
genetyczny nie odróżnia go od proliny, przez co zostaje wbudowywany w łańcuch białkowy,
zmieniając funkcję takiego białka. Natomiast L-tyroksyna jest konieczna do prawidłowego
funkcjonowania organizmu człowieka, ułatwia wychwyt jodu przez tarczycę.
I I
COOH
HO O CH2CHCOOH
NH
NH2
I I
kwas azetydyno-2-karboksylowy L-tyroksyna
Nomenklatura
Aminokwasom białkowym zostały nadane nazwy zwyczajowe i są one w powszechnym użyciu.
Dla innych aminokwasów zaleca się stosowanie nazewnictwa wg uprzednio poznanych reguł
IUPAC, tzn. traktuje siÄ™ je jako kwasy z grupÄ… aminowÄ… i innymi jako podstawnikami.
Zadanie: nazwij systematycznie tyroksynÄ™.
Aminokwasy chiralnie czyste powinny mieć zaznaczoną konfigurację. Dla aminokwasów
białkowych najczęściej podaje się symbole L i D. (rzadziej R czy S). Trójliterowe i jednoliterowe
kody nazw aminokwasów bez podania symbolu konfiguracji oznaczają konfiguracje naturalną
aminokwasów białkowych czyli L, np. Leu oznacza L-leucynę. Konfigurację D lub DL trzeba
zaznaczyć odpowiednim symbolem przed wzorem, np. D-Ala, czy DL-Val. Warto zauważyć, że
symbole D i L są pisane mniejszą czcionką niż inne litery tekstu. Przy pełnej nazwie aminokwasu
należy podać jego konfigurację.
Otrzymywanie
1. Z hydrolizatów białkowych
Wiele aminokwasów białkowych otrzymuje się z hydrolizatów białek. Jest to praktycznie
użyteczny sposób ich pozyskiwania jedynie w tych przypadkach, kiedy aminokwas jest łatwy do
wydzielenie z mieszaniny innych aminokwasów. Ten warunek spełnia, np. trudno rozpuszczalna
w wodzie cystyna, która krystalizuje z hydrolizatu włosów. Innym aminokwasem łatwo
krystalizującym jest tyrozyna. Aminokwasy kwaśne i zasadowe można izolować za pomocą
jonitów. Aminokwasy aromatyczne wyjątkowo mocno adsorbują się na węglu aktywnym. W ten
sposób usuwa się z fenyloalaninę hydrolizatu białkowego w procesie przygotowywania pożywek
dla dzieci cierpiÄ…cych na fenyloketonuriÄ™.
4
2. Synteza chemiczna
2.1 Amonoliza halogenokwasów
Najstarszy i nadal stosowany sposób otrzymywania aminokwasów polega na amonolizie
halogenokwasów, które są łatwo dostępne jako produkty reakcji Hella-Volharda-Zielinskiego.
2 NH3
Br2/P
CH3CHCOOH
CH3CHCOOH
CH3CH2COOH
- HBr - NH4Br
kwas propanowy
NH2
Br
kwas DL-2-bromopropanowy DL-alanina(62%)
W reakcji tej powstają recemiczne ą-aminokwasy. Nadmiar amoniaku służy nie tylko do
wiązania wydzielającego się bromowodoru, ale wielokrotny nadmiar amoniaku (powyżej 10x)
zmniejsza wydajność niepożądanych 2o i 3o amin. Ten sam problem występował w syntezie
amin poprzez alkilowanie amoniaku. Zamiast amoniaku można używać węglanu amonu,
mieszaniny węglanu amonu z amoniakiem lub karbaminianu amonu. Ten ostatni tworzy z
aminokwasem pochodne karbaminowe uniemożliwiające dalsze podstawianie.
2.2 Synteza Gabriela
Innym sposobem na niedopuszczenie do tworzenia siÄ™ 2o i 3o amin poprzez podstawianie
atomów wodoru w amoniaku jest synteza Gabriela, polegająca na alkilowaniu ftalimidku potasu.
Produktem tej reakcji jest aminokwas, który na grupie aminowej ma osłonę ftalilową. Można go
w tej postaci używać do dalszych reakcji lub usunąć resztę ftalilową, najlepiej za pomocą
hydrazynolizy.
O
NH
1.NH2NH2, -
CH2 CHCOOK
NH
O
O
"
N
O O
CH2CHCOOK
+ KN DL-Phe
- KBr 2. H+/HOH
Br DL-fenyloalanina
O
2-bromo-3-fenylo-
ftalimidek potasu
propanian potasu
2.3 Synteza malonowa
Z malonianu dietylu Å‚atwo otrzymuje siÄ™ chronionÄ… pochodnÄ… aminowÄ…, np.
acetyloaminomalonian etylu, do której można dołączyć resztę organiczną, tak jak w
niepodstawionym estrze malonowym. Można to osiągnąć poprzez alkilowanie pochodnej
sodowej lub w reakcji Michaela. Po rozbudowie szkieletu węglowego produkt poddaje się
hydrolizie i dekarboksylacji.
COOEt
COOEt COOEt
HNO2
Zn/AcOH
AcHNC H
H2C HON=C H
Ac2O
COOEt
COOEt
COOEt
malonian dietylu oksym oksomalonianu dietylu acetamidomalonian dietylu (60%)
(izonitrozomalonian dietylu)
CH3CH2CH2Br
1. H+/HOH
NaOEt
AcNHC(COOEt)2
AcNHCNa(COOEt)2 CH3CH2CH2CHCOOH
AcNHCH(COOEt)2
", - CO2
EtOH
CH2CH2CH3 2. NH3 NH2
acetamidomalonian dietylu
acetamidopropylomalonian dietylu kwas 2-aminopentanowy
5
Otrzymywanie kwasu asparaginowego
1. NaOEt/EtOH
AcNHC(COOEt)2 H+/HOH
HOOCCH2CHCOOH
AcNHCH(COOEt)2
2. BrCH2COOEt
", - CO2
CH2COOEt
NH2 kwas DL-asparaginowy
acetamidomalonian dietylu
Z acetamidomalonianu dietylu i metanalu można zsyntezować racemiczną serynę za pomocą
reakcji Michaela.
1. H+/HOH
", - CO2
NaOEt
CH2CHCOOH
AcNHC(COOEt)2
AcNHCH(COOEt)2 + CH2O
EtOH
OH NH2 (65%) DL-Ser
CH2OH 2. amberlit
acetamidomalonian
metanal
dietylu
2.4 Synteza Streckera
Synteza aminokwasów z aldehydów i cyjanku sodu lub potasu w obecności amoniaku, nosząca
nazwę syntezy Steckera, jest popularną metodą otrzymywania tych związków. Pośrednio tworzy
imina, z niej powstaje aminonitryl, który w wyniku hydrolizy przekształca się w aminokwas.
H+/HOH
- HOH
HCN NH3.aq
-
C O + NH3
C CN
C NH C COOH
C COO
zwiÄ…zek +
NH2 aminonitryl + NH3
NH3 aminokwas
karbonylowy
imina
Przykłady:
Fenyloglicyna jest ważnym surowcem w otrzymywaniu półsyntetycznych penicylin. Substratem
dla niej jest aldehyd benzoesowy.
CHCN
CHO H2N
1. HCl/HOH,tw
NaCN
CHCOOH
2. NH3.aq
NH4Cl NH2
aldehyd benzoesowy cyjanohydryna aldehydu benzoesowego DL-fenyloglicyna
Do syntezy tyrozyny potrzebny jest aldehyd p-metoksyfenylooctowy.
CH2CHO
CH2CHCN CH2CHCOOH
1. HBr/HOH,tw
NaCN
NH2 NH2
NH4Cl
2. NH3.aq
OMe
OMe OH
aldehyd p-metoksyfenylooctowy cyjanohydryna aldehydu p-metoksyfenylooctowego DL-tyrozyna
2.5 Redukcyjne aminowanie ą-oksokwasów
Oksokwasy redukowane w obecności amoniaku zostają przekształcone w aminokwasy. Jest to
reakcja analogiczna do otrzymywania amin z aldehydów lub ketonów.
H2/P
NH3
RCH2CCOOH RCH2CHCOOH
RCH2CCOOH
NH NH2
O
oksokwas iminokwas aminokwas
Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych
Aminokwasy otrzymywane na drodze chemicznej z achiralnych substratów, bez udziału
chiralnych czynników są racemiczne. Natomiast zarówno do celów farmakologicznych,
wzbogacania produktów żywnościowych, jak i do badań chemicznych zwykle potrzebne są
6
czyste stereoizomery. Otrzymuje się je w reakcjach z chiralnych substratów lub w obecności
chiralnych katalizatorów, w tym za pomocą enzymów i mikroorganizmów. Można również
rozdzielać racematy na składowe, czyli enancjomery.
Rozdzielanie racematów
Racematy można rozdzielić na enancjomery za pomocą soli diastereoizomerycznych, poprzez
diastereoizomeryczne pochodne, enzymatycznie, za pomocą mikroorganizmów, chromatografii
chiralnej lub krystalizacji spontanicznej. Rozdzielanie racematów na enancjomery wybieramy
zamiast syntezy chiralnej wówczas, kiedy
- potrzebne sÄ… oba enancjomery;
- drugi niepotrzebny enancjomer można łatwo zracemizować i racemat zawrócić do rozdzielania;
- lub sÄ… inne przyczyny uzasadniajÄ…ce tÄ™ drogÄ™.
Krystalizacja diastereoizomerycznych soli
Aminokwasy lub ich pochodne tworzÄ… z chiralnymi aminami lub chiralnymi kwasami
diastereoizomeryczne sole, które zwykle różnią się właściwościami, w tym rozpuszczalnością w
odpowiednim rozpuszczalniku, co sprzyja rozdzielaniu ich poprzez krystalizację. Pośród
chiralnych amin stosowanych do rozdzielania racemicznych aminokwasów stosuje się naturalne
alkaloidy (np. brucynÄ™, chininÄ™, efedrynÄ™, strychninÄ™) lub aminy syntetyczne [np. 1-
fenyloetyloaminÄ™, 1-(p-nitrofenylo)etyloaminÄ™, Ä…-ð- i ²-1-naftyloetyloaminÄ™], zaÅ› jako chiralne
kwasy używa się kwasy winowe, dibenzoilowinowe, glutaminowy, migdałowy,
kamforosulfonowe, jabłkowy i N-chronione aminokwasy.
Formylo-DL-fenyloalaninę rozdziela się na enancjomery poprzez jej sól z brucyną wg niżej
podane schematu.
MeOH
CHO-D-Phe.brucyna
brucyna krystalizuje z roztworu
CHO-DL-Phe
MeOH
formylo-DL-fenylo-
CHO-L-Phe.brucyna
alanina
krystalizuje z przesÄ…czu
podczas wolnego odparo-
wywania rozpuszczalnika
Rozdzielanie za pomocą enzymów
W tej metodzie stosuje siÄ™ takie enzymy, jak np. acylazy, proteazy, syntetazy czy oksydazy.
Enzymy te katalizują reakcję na określonym centrum sterycznym (najczęściej L), pozostawiając
drugie centrum bez zmian. Produkty tych reakcji zwykle różnią się znacznie właściwościami
fizycznymi i chemicznymi, co ułatwia ich separację.
Acylazy hydrolizujÄ… N-acylowane L-aminokwasy.
COOH
COOH
amidohydrolaza
RCHCOOH
C
C
+ NH2
R
H
H
N-acyloaminokwasowa
NHAc
R
AcHN
(acylaza nerkowa)
N-acetylo-DL-aminokwas
L-aminokwas
N-acetylo-D-aminokwas
Proteazy są w stanie stereoselektywnie hydrolizować ugrupowania estrowe. Za pomocą proteazy
w odpowiednio przygotowanej pochodnej kwasu diaminoheptadionowego
(diaminopimelinowego) można selektywnie zhydrolizować grupę estrową na centrum S.
7
COOMe COOMe
COOMe COOH
(R) (R)
(S) (S)
proteaza
C C
C C
H H
H H
NHZ NHZ
ZHN ZHN
N,N -di(benzyloksykarbonylo)-mezo- N,N -di(benzyloksykarbonylo)-(R,S)-
-2,6-diaminoheptadian dimetylu -2,6-diaminoheptadian-(R)-metylu
Syntezy chiralnych aminokwasów
Jest wiele sposobów na otrzymywanie aminokwasów o pożądanej chiralności. Dla aminokwasów
L najbardziej wydajne są metody wykorzystujące mikroorganizmy lub enzymy. Tak w przemyśle
na wielką skalę produkuje się aminokwasy służące jako dodatki podwyższające wartość
odżywczą produktów spożywczych (np. L-lizynę do mąki), polepszacze smaku (kwas L-
glutaminowy), Phe i Asp do wytwarzania Aspartanu  słodzika czy farmaceutyki (Arg, Leu,
Trp). Najczęściej stosowanym surowcem do ich produkcji jest glukoza lub cukry odpadowe (np.
melasa).
Lys, podobnie jak i kilka innych L-aminokwasów jest produkowana za pomocą bakterii
Corynebacterium glutamicum.
Corynebacterium
H2N COOH
D-glukoza
glutamicum
NH2
Lys
Kwas L-asparaginowy stosowany głównie do otrzymywania Aspartanu  peptydowego słodzika
 produkowany jest metodą enzymatyczną. Enzym aspartaza osadzony na specjalnym podłożu
jest bardzo trwały (półokres trwałości wynosi 2 lata) i zapewnia otrzymanie 220 ton aminokwasu
z 1 kg tego biokatalizatora.
aspartaza
COOH
HOOC
HOOC CH CH COOH
NH2 Asp
kwas fumarowy
Właściwości fizyczne i fizjologiczne
Aminokwasy jako sole wewnętrzne są związkami bardzo polarnymi. Podobnie jak zwykłe sole
charakteryzują się wysokimi temperaturami topnienia (200-300oC). Większość z nich rozpuszcza
się w wodzie, w kwaśnych roztworach (wodnych, alkoholowych, w kwasie mrówkowym i
octowym) i wodnych roztworach wodorotlenków alkalicznych. Spośród aminokwasów
białkowych jedynie prolina jest rozpuszczalna w etanolu. Inne rozpuszczalniki organiczne nie
rozpuszczają aminokwasów. Kilka aminokwasów białkowych należy do trudno rozpuszczalnych
nawet w wodzie. SÄ… to (Cys)2, Tyr, His, Asp i Glu. N-acylowane aminokwasy wykazujÄ…
podobne właściwości jak kwasy karboksylowe (np. są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach
organicznych), zaś estry aminokwasów stają się aminami.
Właściwości fizjologiczne
Większość aminokwasów białkowych nie ma zapachu. Aminokwasy siarkowe (Cys i Met)
charakteryzują się nieprzyjemną tiolową wonią. Kwas L-glutaminowy, aromatyczny składnik
przypraw do zup typu maggi czy sosu sojowego, ma zapach pobudzający apetyt, określany
zapachem rosołu (hydrolizatu białkowego). Monoglutaminian sodu jest znaną i ceniona
przyprawÄ… kuchennÄ…, typu polepszacza smaku (umami).
Smak większości aminokwasów białkowych jest określany jako słodki lub gorzki, ale występują
różnice w jego ocenie, z uwagi na subiektywne odczuwanie smaku. Słodkimi aminokwasami są
8
Gly (stąd jej nazwa), Ala, Ser i Thr. Natomiast Lys, Trp, Asp i Asn mają smak obojętny (są bez
smaku).
Niektóre aminokwasy spożywane w nadmiarze mogą powodować poważne dolegliwości.
Najbardziej niebezpieczne są aminokwasy hydrofobowe, a pośród nich Leu, Tyr, Phe i Trp.
Nadmiar Leu wywołuje pelagrę, Tyr jest neurotoksyczna, nadmiar Phe daje podobne objawy do
fenyloketonurii. Groz
ny jest także nadmiar Cys i Met  prowadzi on do nekrozy wątroby i nerek.
Aminokwasy hydrofilowe (Asp, Arg, Glu, Orn, i Lys) sÄ… nieszkodliwe nawet w
kilkugramowych dawkach. Znalazły zastosowanie w chemioterapii.
Chiralność
Wszystkie aminokwasy ą, oprócz glicyny i jej N-pochodnych są chiralne, przy czym
aminokwasy białkowe mają konfigurację L, inne aminokwasy naturalne występują w postaci L,
D lub racemicznej. Syntetycznie można otrzymać każdy stereoizomer. Aminokwasy zawierające
rozgałęzione łańcuchy lub dodatkowe grupy funkcyjne mogą mieć kilka centrów chiralnych.
COOH
COOH
COOH COOH
glicyna
HO C H
H2N C H H2N C H
H2N H
C
aldehyd jest achiralna
L-Ä…-aminokwas
L-alanina
CH2OH L-glicerynowy
R H
CH3
Wszystkie aminokwasy kodowane majÄ… konfiguracjÄ™ L na centrum Ä…, odpowiada ona
konfiguracji absolutnej S; L-cysteina z konfiguracjÄ… R na centrum Ä… stanowi wyjÄ…tek.
Przykłady:
L-walina L-metionina
COOH (S)-walina COOH (S)-metionina COOH
COOH
H2N C H
H2N C H C C
H H
NH2
CH2CH2SCH3
CH(CH3)2 (CH3)2HC CH3SCH2CH2 NH2
COOH
COOH
(R)-cysteina
C
L-cysteina H2N C H
H
NH2
HSH2C
CH2SH
Dwa aminokwasy kodowane zawierajÄ… po dwa centra chiralne: izoleucyna [kwas (2S,3S)-2-
amino-3-metylopentanowy] i treonina [kwas (2S,3R)-2-amino-3-hydroksybutanowy].
HO
H3C
H H
COOH
H3C COOH
H3C
L-treonina
H
L-izoleucyna H2N H
H2N
Właściwości chemiczne aminokwasów
1. Właściwości kwasowo-zasadowe
Obie główne grupy funkcyjne aminokwasów aminowa (zasadowa) i karbosylowa (kwasowa)
reagują z sobą wewnątrzcząsteczkowo, dlatego aminokwasy występują w formie soli
wewnętrznej, zwanej jonem obojnaczym (niem. zwitterionem).
-
RCH COOH
RCH COO sól wewnętrzna
+NH
NH2
(jon obojnaczy)
3
9
Jon obojnaczy w zależności od pH środowiska może przyjmować proton i przekształcać się w
kation lub odszczepiać proton z grupy NH3+ by stać się anionem.
-
-
+ -OH
+ -OH
RCH COO
RCH COOH RCH COO
+NH
+
+ H+
NH2
+ H+
NH3
3
K2
K1 jon obojnaczy
W środowisku silnie kwaśnym aminokwas występuje w postaci kationu, a w silnie zasadowym
jako anion, w pośrednim natomiast tworzy sól wewnętrzną. Wartość pH, przy którym w
roztworze aminokwasu stężenie kationów jest takie same jak anionów nazywa się punktem
izoelektrycznym; nadano mu symbol pHi. Punkt ten wyznacza siÄ™ za pomocÄ… miareczkowania.
Wartość pHi dla aminokwasów obojętnych i kwaśnych równa się średniej arytmetycznej
wartości pK1 i pK2, które opisują o stałe równowagi przejścia jonu obojnaczego dpowiedniow
kation i anion.
[H2N-CHR-COO-][H+] [H2N-CHR-COO-]
[H3N+-CHR-COO-]
[H3N+-CHR-COO-][H+]
=pH - log
pK1 pK2=pH - log
=
K1 K2=
[H3N+-CHR-COOH]
[H3N+-CHR-COOH] [H3N+-CHR-COO-]
[H3N+-CHR-COO-]
Dla aminokwasów trójfunkcyjnych podawane jest jeszcze stała K3. Opisuje ona dysocjację przy
najwyższych wartościach pH, tzn. tworzenie anionu karboksylanowego. Dla aminokwasów
kwaśnych K1 i K2 są to stałe równowagi dysocjacji grup karboksylowych, a dla cysteiny K2 jest
stałą dysocjacji grupy -SH, zaś dla aminokwasów zasadowych K2 jest stałą odszczepienia
protonu z jednej z protonowanych grup zasadowych.
Schemat dysocjacji aminokwasu zasadowego:
+ -OH
+ H+
- + H+
- -
H2C (CH2)3 H2C (CH2)3 H2C (CH2)3 H2C (CH2)3
CHCOOH CHCOO CHCOO CHCOO
+ H+
+
+
NH3 + NH3 NH3 + NH3 + -OH + NH2
NH3 NH2 + -OH NH2
K3
K1
K2
Stałe dysocjacji kilku wybranych aminokwasów kodowanych Tabela 21.2
Aminokwas pK1 pK2 pK3 pHi
Gly 2.3 9,6 - 5,97
Ala 2,3 9,7 - 6,01
Ser 2,2 9,2 - 5,68
Cys 1,7 8,3 10,8 5,02
Lys 2,2 9,1 10,5 9,82
Arg 2,2 9,0 12,8 10,8
Asp 1,9 3,7 9,6 2,77
Glu 2,2 4,3 10,0 3,24
Dla aminokwasów obojętnych wartość pHi zawarta jest w granicach 6, np. dla Gly = 5,97, a dla
Ala = 6,01. Dla aminokwasów kwaśnych jest niższa (dla Asp wynosi 2,77, a Glu 3,24), zaś dla
aminokwasów zasadowych jest wyższa, odpowiednio  9,82 dla Lys i 10,76 dla Arg.
W stanie krystalicznym aminokwasy występują w formie jonów obojnaczych.
Reakcja aminokwasów z kwasami
Z silnymi kwasami aminokwasy tworzą sole amoniowe. Kwasy słabe i średniej mocy nie reagują
z aminokwasami.
10
R
R
- +
+ -
H3N CH COO + HCl Cl H3N CH COOH
aminokwas chlorowodorek aminokwasu
Z silnymi zasadami aminokwasy tworzÄ… sole karboksylanowe. Amoniak i aminy nie reagujÄ… z
aminokwasami.
R
R
-
+ - +
H3N CH COO + KOH H2N CH COO K
aminokwas sól karboksylanowa
2. Reakcja z kwasem azotowym (III)
Kwas azotawy przekształca aminokwasy w hydroksykwasy. Reakcja ta została wykorzystana w
ustalaniu korelacji konfiguracji względem aldehydu glicerynowego.
COO- COOH
NaNO2
+
C H C H
H3N HO
R R
L-aminokwas L-hydroksykwas
3. Acylowanie aminokwasów
Grupa aminowa aminokwasów ulega acylowaniu pod wpływem halogenków kwasowych lub
bezwodników. Powstają N-acyloaminokwasy. Acylowanie prowadzi się najczęściej w
środowisku zasadowym.
R R
Ac2O/-OH
- -
AcNH CH
H2N CH COO COO
- AcO-/- HOH
sól aminokwasu sól N-acetyloaminokwasu
Formylowe pochodne aminokwasów powstają pod wpływem kwasu mrówkowego.
L-alanina Ala + HCOOH CHO-Ala formylo-L-alanina (81%)
Acylowane aminokwasy tracą zdolności tworzenia soli wewnętrznej, stają się typowymi
kwasami karboksylowymi. Ze względu na obecność grupy amidowej w położeniu ą ich moc jest
zwykle większa niż, np. kwasu octowego.
Estryfikacja grupy karboksylowej
Grupę karboksylową aminokwasu można estryfikować typowymi metodami, np. działając na nie
w środowisku bezwodnym alkoholami w obecności kwasów. Produktami są sole amoniowe
aminoestrów. Chlorowodorki aminoestrów są zwykle nierozpuszczalne w alkoholu.
R
R
CH3OH/HCl
- + - +
Cl H3N CH COOCH3
Cl H3N CH COOH
- HOH
chlorowodorek
chlorowodorek aminokwasu
metylowego aminoestru
Dogodnym sposobem wytwarzania bezwodnego chlorowodoru in situ jest reakcja chlorku tionylu
z alkoholem.
ROH
HCl + SO2 + RCl
SOCl2
Chlorowodorki estrów metylowych lub etylowych aminokwasów otrzymuje się przez ostrożne
wkroplenie chlorku tionylu do zimnego alkoholu. Następnie do tak otrzymanego roztworu
11
chlorowodoru dodaje siÄ™ aminokwas i pozostawia mieszaninÄ™ w niskiej temperaturze. EW trakcie
reakcji obserwuje się następujące zmiany: nierozpuszczalny w alkoholu aminokwas przechodzi
w rozpuszczalny chlorowodorek aminokwasu, po czym zwykle po chwili zaczyna krystalizować
trudno rozpuszczalny chlorowodorek estru.
EtOH/SOCl2 chlorowodorek estru
L-leucyna Leu HCl.LeuOEt
(85%)
etylowego L-leucyny
Warto zdawać sobie sprawę z tego, że większość wolnych aminoestrów należy do związków
nietrwałych. Szybko ulegają międzycząsteczkowej aminolizie do cyklicznych dioksopirerazyn.
O
O
RHC OR'
aminoester
NH2 - 2 R'OH
RHC NH
..
..
HN CHR
NH2
+
dioksopiperazyna
aminoester
R'O CHR
O
O
Jedynie estry t-butylowe są trwałe z uwagi na rozbudowaną przestrzennie grupę R reszty
alkoksylowej, która utrudnia aminolizę.
PEPTYDY
Amidy powstałe z aminokwasów noszą nazwą peptydów. Peptydy powstają w wyniku
utworzenia wiÄ…zania amidowego, zwanego w tym przypadku wiÄ…zaniem peptydowym,
pomiędzy grupą karboksylową jednego aminokwasu, a grupą aminową drugiego aminokwasu.
Peptydy mogą zawierać reszty tych samych aminokwasów (tzw. homopeptydy), np. polilizyna.
Częściej spotyka się jednak peptydy zbudowane z reszt różnych aminokwasów.
Peptyd złożony z dwóch reszt aminokwasów nazywa się dipeptydem, z trzech tripeptydem i tak
dalej. Peptydy, w których liczba reszt aminokwasowych nie przekracza 10 określane są
oligopeptydami, a powyżej 100 reszt to są białka. Dla ułatwienia określenia wielkości
peptydów zawierających ponad 10 reszt aminokwasowych podaje się tę informację używając
polskich liczebników, np. mówi się jedenastopeptyd, dwudziestopeptyd,
piędziesięciojedenpeptyd, a zapisuje odpowiednio 11-peptyd, 20-peptyd czy 51-peptyd.
WiÄ…zanie peptydowe
Za wiązanie peptydowe uważa się wiązanie utworzone przez grupę ą-karboksylową z grupą ą-
aminową. Jeżeli przynajmniej jedna z tych grup nie jest ą, to takie wiązanie nazywa się
izopeptydowym.
wiÄ…zania peptydowe
O R'
O
O R'
H
C
CH OH
C C
CH N
CH N C
OH
R
CH
CH N C
R
O tripeptyd
NH2 H
O
dipeptyd R''
NH2 H
wiÄ…zanie peptydowe
aminokwas C-terminalny
aminokwas N-terminalny
(C-końcowy)
(N-końcowy)
12
wiÄ…zania peptydowe (Ä…)
H2N-CH-CO-NH-CH-COOH
CH2OH NH2
CH3 CH2-CO-NH-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-(CH2)3-CH-COOH
wiÄ…zanie ²-karboksy- wiÄ…zanie ´-amino-
peptydowe (izo)
peptydowe (izo)
Zadanie: zidentyfikuj aminokwasy tworzące powyższy peptyd.
W peptydach ważna jest sekwencja, tzn. kolejność powiązania ze sobą aminokwasów. Z trzech
aminokwasów, np. Gly, Val i Tyr można utworzyć kilka izomerycznych tripeptydów, różniących
się właściwościami fizykochemicznymi, chemicznymi i co bardzo ważne biologicznymi: Gly-
Val-Tyr, Gly-Tyr-Val, Val-Gly-Tyr, Val-Tyr-Gly, Tyr-Gly-Val i Try-Val-Gly. Warto
zwrócić uwagę, że trójliterowe symbole tworzące zapis peptydu mają różne znaczenie w
zależności od miejsca, jakie zajmują w peptydzie. Wszystkie symbole aminokwasów nie będące
aminokwasami N- ani C-terminalnymi oznaczajÄ… resztÄ™ pozbawionÄ… jednego atomu wodoru przy
grupie aminowej i funkcji -OH przy grupie karboksylowej, czyli symbolizują następujące
ugupowanie: -HN-CHR-CO-. Symbol reszty N-terminalnego aminokwasu to H2N-CHR-CO-
(aminokwas pozbawiony -OH), w C-końcowym aminokwasie brakuje jedynie jednego wodoru: -
HN-CHR-COOH.
H2N-CHR-CO- -HN-CHR-CO- -HN-CHR-COOH
Tripeptyd Gly-Val-Tyr można zapisać też jako H-Gly-Val-Tyr-OH. Wówczas trójliterowe
symbole oznaczają to samo  reszty aminokwasów bez atomu wodoru przy grupie aminowej i
bez -OH przy grupie karboksylowej. Najczęściej dla uproszczenia przy zapisie peptydu
symbolami pomijamy atom wodoru przy aminokwasie N-terminalnym i -OH przy aminokwasie
C-terminalnym.
Tylko w wyjątkowych wypadkach peptyd zapisujemy całym wzorem strukturalnym. Tripeptyd
Gly-Val-Tyr w takim zapisie wygląda następująco:
OH
OH
Val Val
CH2 CH2
O O
H H
-
OH
C CH + O
C CH
CH2 N CH2 N
C C
C CH N N
C CH
H2N H3N
H O O
H
O O
CH CH
H3C CH3 Tyr H3C CH3 Tyr
Gly Gly
Warto też sobie uzmysłowić, że peptyd zawierający wolną grupę aminową na N-końcu i wolną
grupę karboksylową na C-końcu tworzy, podobnie jak aminokwas sól wewnętrzną. W praktyce,
dla uproszczenia, rzadko zapisujemy peptyd z rozdzielonymi Å‚adunkami.
Nazwa peptydów zawiera nazwy reszt aminokwasów, z jakich jest zbudowany. Tworzymy ją w
ten sposób, że aminokwas poprzedzający traktowany jako reszta acylująca, a nazwa C-
końcowego aminokwasu pozostaje bez zmian. W ten sposób tripeptyd Gly-Val-Tyr nazywa się:
13
glicylowalilotyrozyna, zaÅ› Val-Gly-Tyr to waliloglicylotyrozyna, a Tyr-Val-Gly 
tyrozylowaliloglicyna, itp.
Peptydy można też zapisywać symbolami jednoliterowymi, np: GVT, VGT czy TVG. Taki zapis
preferują biochemicy i biolodzy do przedstawiania cząsteczek dużych peptydów i białek.
Sposób oznaczania aminokwasu N-terminalnego w peptydach i białkach
Jedną z pierwszych czynności rozpoczynających procedurę poznawania nieznanego białka jest
oznaczenie aminokwasów końcowych. Aminokwas N-końcowy określa się poprzez N-
arylowanie niepodstawionej grupy aminowej końcowego aminokwasu, najczęściej za pomocą
2,4-dinitrofluorobenzenu. Reszta 2,4-dinitrofenylowa przyłącza się do grupy aminowej
aminokwasu N-terminalnego, podobnie jak i do innych wolnych grup aminowych łańcuchów
bocznych aminokwasów zasadowych. Następnie arylowany peptyd poddaje się hydrolizie i za
pomocÄ… HPLC (wysokosprawnej chromatografii cieczowej) poszukuje siÄ™ aminokwasu
zawierającego resztę arylowa na grupie ą-aminowej. Reszta arylowa nie tylko ułatwia
zidentyfikowanie N-końcowego aminokwasu, ale również obniża jego próg wykrywalności przy
użyciu detektora UV.
Val
Gly
O C(CH3)2 CH2 OH
Tyr
NH
H2N CH2C CHC NH CHCOOH
..
O
F
O2N
KHCO3
arylowanie
- HF
NO2 hydroliza
HN CH2COOH
1. H+/HOH, "
NO2
O C(CH3)2 CH2 OH
Val + Tyr
+
2. NH3
NH
HN CH2C CHC
NH CHCOOH
NO2
NO2
O
arylowana glicyna
NO2
Za pomocą wzorców lub porównania widm UV można zidentyfikować aminokwas z arylowaną
grupą aminową ą (czyli N-terminalny) od aminokwasów wolnych i arylowanych w łańcuchu
bocznym.
Sposób oznaczania aminokwasu C-terminalnego w peptydach i białkach
Najprostszym sposobem zidentyfikowania aminokwasu C-terminalnego jest poddanie peptydu
(białka) hydrazynolizie. W wyniku tej reakcji wszystkie reszty aminokwasów tworzących
łańcuch peptydowy, oprócz aminokwasu C-terminalnego, zostaną przekształcone w hydrazydy,
a aminokwas z wolna grupą karboksylową utworzy z nią sól.
1. H2NNH2
O CH2 OH
C(CH3)2
Tyr
GlyNHNH2 + ValNHNH2 +
H2N CH2C NH C NH CHCOOH 2. NH3
CH
Tyr
Gly Val O
Za pomocą HPLC nietrudno odróżnić wolny aminokwas od hydrazydów aminokwasów.
14
Skład aminokwasowy i sekwencja aminokwasów w peptydach i białkach
Skład aminokwasowy peptydów i białek oznacza się za pomocą HPLC po hydrolizie
wszystkich wiązań peptydowych. Hydrolizę prowadzi się najczęściej 6N kwasem solnym w
temperaturze 120oC przez 12 godzin. W tych warunkach niektóre aminokwasy, przede
wszystkim Cys ulegają rozkładowi. Następuje również hydroliza Asn i Gln do Asp i Glu.
Wykrycie aminokwasów ulegających rozkładowi ułatwiają inne sposoby hydrolizy, np.
enzymatyczna.
Sekwencję, czyli kolejność ułożenia aminokwasów w łańcuchu peptydowym najlepiej określić
za pomocą degradacji Edmana. Pod wpływem fenyloizotiocyjanianu N-końcowy aminokwas
ulega odszczepieniu i przekształceniu w odpowiednią pochodną 3-fenylo-2-tiohydantoiny, którą
można zidentyfikować chromatograficznie. Następna porcja fenyloizotiocyjanianu odszczepia
drugi aminokwas od N-końca, który stał się aminokwasem N-terminalnym po odszczepieniu
pierwszego aminokwasu.
Postępując w ten sposób można poznać sekwencję peptydu zawierającego do 10 reszt
aminokwasowych. Sekwencja dłuższych peptydów jest trudna do wykonania tym sposobem,
ponieważ reakcje odszczepienia aminokwasów nie biegną ze 100% wydajnością i po kilku
operacjach wynik staje się niepewny. Sekwencję dużych peptydów i białek oznaczało się na
podstawie sekwencji ich fragmentów otrzymanych za pomocą częściowej hydrolizy chemicznej
lub enzymatycznej. Zastosowanie automatycznych sekwentatorów umożliwia zrobienie
sekwencji nawet 100-peptydu.
Sekwencję aminokwasów w białkach można też określić po oznaczeniu sekwencji nukleotydów
genu kodującego dane białko. Jest to jednak sekwencja białka  surowego , to znaczy takiego,
jakie powstało w trakcie jego syntezie na rybosomach, bez póz
niejszych modyfikacji.
Synteza peptydów
Synteza peptydów sprawiała chemikom poważne trudności przez długi czas, ponieważ
zmieszanie dwóch aminokwasów i doprowadzenie jakimś sposobem do utworzenia wiązania
peptydowego prowadzi do powstania mieszaniny wielu produktów: dipeptydów, tripeptydów i
wyższych peptydów. Dzieje się tak, dlatego iż w obu aminokwasach obie grupy są reaktywne
(aminowa i karboksylowa), a także tworzące się peptydy wchodzą w dalsze reakcje.
O O
Gly Ala
- HOH
Gly-Gly + Ala-Ala + Gly-Gly-Ala-Ala
+ Ala-Ala-Gly-Gly
+
H2N CH2C C OH H2N CH2C C OH Gly-Ala + Ala-Gly +
.. ..
Dipeptydy Gly-Ala i Ala-Gly, a także Gly-Gly i Ala-Ala reagują zarówno między sobą tworząc
tetratpeptydy, jak i z aminokwasami dajÄ…c tripeptydy.
Ala-Gly-Ala Ala-Ala-Gly
Gly-Ala + Gly Gly-Ala-Gly Gly-Gly-Ala Ala-Gly + Ala +
+
Tripeptydy i tetrapeptydy mogą dalej reagować zarówno z sobą, jak i z wszystkimi innymi
peptydami oraz aminokwasami znajdującymi się w środowisku reakcji. W rezultacie powstaje
skomplikowana mieszanina, z której trudno wydobyć poszczególne składniki. W celu otrzymania
jednorodnego produktu, należy czasowo osłonić funkcję aminową aminokwasu acylującego i
karboksylowÄ… aminokwasu acylowanego.
15
Do osłony funkcji aminowej najczęściej stosuje się osłonę benzyloksykarbonylową (w skrócie
Z) lub t-butoksyksykarbonylową (w skrócie Boc). Z-aminokwasy otrzymuje się w reakcji
aminokwasu z chloromrówczanem benzylu, a Boc-aminokwasy powstają pod wpływem
działania pirowęglanu t-butylu.
NaOH
O (CH3)3C-O-C-O-C-O-C(CH3)3 + Gly
CH2 COCl + H2N-CH2COOH Z-Gly Boc-Gly
chloromrówczan glicyna benzyloksykar-
t-butyloksykar-
glicyna
pirowęglan di-t-butylu
benzylu bonyloglicyna
bonyloglicyna
Funkcję karboksylową aminokwasu acylowanego chroni się najczęściej za pomocą estrów:
metylowego, etylowego, benzylowego lub t-butylowego.
alkohol
CH2OH
CH3
benzylowy
tosylan estru
Tos.Ala-OBz
H2N-CH-COOH
benzylowego
TosOH
alaniny
alanina
kwas p-toluenosulfonowy
W celu połączenia tak chronionych aminokwasów i otrzymania dipeptydu potrzebny jest
odczynnik aktywujący grupę karboksylową aminokwasu acylującego. Do tego celu często
stosuje się DCC (dicykloheksylokarbodiid), można też przeprowadzić aminokwas acylujący w
bezwodnik lub zastosować inną metodę aktywacji. Zasada (B), np. trietyloamina jest dodawana w
celu uwolnienia aminoestru, np. Ala-OBz z jego soli.
aminokwas aminokwas
acylujÄ…cy acylowany
DCC
Z-Gly + Tos.AlaOBz
Z-Gly-Ala-OBz
B, - TosO-, - HOH
chroniony dipeptyd
chronione aminokwasy
Mechanizm aktywacji grupy karboksylowej za pomocÄ… DCC
W reakcji kwasu (w tym N-chronionego aminokwasu) z DCC powstaje O-acyloizomocznik,
który ma właściwości acylujące   aktywny ester . Powstający ubocznie jego izomer N-
acylomocznik jest nieaktywny i obniża wydajność reakcji.
O-acyloizomocznik
O
C
Z-NH-CH2COOH N N Z-Gly-Ala-OBz C
+ N C N + N N
CH3
O
Z-Gly H O H
H
DCC ester benzylowy
..
H2N-CH-C-OBz
N-benzyloksykar-
Z-NH2-CH2 C O
dicykloheksylomocznik
Z-Gly
bonyloglicyloalaniny
Ala-OBz
Zadanie: napisz wzór strukturalny N-acylomocznika.
Aktywacja grupy karboksylowej za pomocÄ… utworzenia mieszanego bezwodnika
Synteza peptydów za pomocą mieszanych bezwodników polega na reakcji N-chronionego
aminokwasu z chloromrówczanem, najlepiej s-butylu. Tworzy się mieszany bezwodnik 
aminokwasowo-węglanowy, który częścią aminokwasową acyluje aminy, w tym aminoestry.
Część węglanowa jest w nim mniej aktywna z uwagi na mniejszy ładunek dodatni na
karbonylowym atomie węgla i zawadę przestrzenną tworzoną przez resztę s-butylową.
Reakcję tworzenia mieszanego bezwodnika prowadzi się w temperaturze poniżej -10oC przez
kilkanaście minut, po czym dodaje się substratu przeznaczonego do acylowania (w powyższym
przykładzie estru fenyloalaniny).
16
O O
O
O
NEt3
Boc-NH-CH-C -O-C-O-CH2CH(CH3)2
Boc-NH-CH-C-OH Cl-C-O-CH2CH(CH3)2
+
(CH3)2CHCH2
(CH3)2CHCH2
chloromrówczan s-butylu bezwodnik mieszany
część
O
Boc-Leu ..
węglanowa
H2N-CH-C-OBz
część aminokwasowa
CH2
Phe-OBz
CO2 + s-BuOH
Boc-Leu-Phe-OBz +
Metoda estrów aktywnych
Niektóre estry aktywne popularnych N-chronionych aminokwasów są odczynnikami
komercyjnymi, a przez to wygodnymi do stosowania. Inne przyrządza się in situ w prosty sposób.
Rozpuszcza siÄ™ N-chroniony aminokwas w odpowiednim rozpuszczalniku, dodaje siÄ™ substratu,
z którego ma powstać ester i DCC. Po 2-3 godzinach aktywny ester jest gotowy do użycia. Bez
wyodrębniania miesza się go z aminoestrem i pozostawia do utworzenia peptydu.
- HO NO2
DCC
Boc-Val + HO NO2 Boc-Val-ONp Boc-Val-Gln-OBz
Gln-OBz
p-nitrofenol ester p-nitrofenylowy Boc-Val
Tripeptyd zwykle otrzymuje się z dipeptydu poprzez usunięcie osłony grupy aminowej
aminokwasu N-terminalnego i acylowanie go kolejnym N-chronionym aminokwasem.
Czynności powtarza się aż do uzyskania peptydu o zaplanowanej sekwencji. Taki sposób
otrzymywania peptydów, nazywany krok po kroku (ang. step by step) jest bardzo pracochłonny.
Dodatkowo czas się zużywa na oczyszczanie i identyfikowanie każdego pośredniego peptydu.
Syntezę można usprawnić poprzez łączenie gotowych fragmentów, np. w celu uzyskania 10-
peptydu poddaje siÄ™ kondensacji 6-peptyd z 4-peptydem. Jednak te fragmenty trzeba uprzednio
także przygotować. Daje się jednak syntezować je równocześnie i wtedy oszczędność w czasie
jest istotna. Oba te sposoby należą do tzw. klasycznej metody syntezy peptydów w roztworze.
Duże peptydy najłatwiej otrzymuje się na fazie stałej, tzw. metodą Merifielda. Polega ona na
tym, że C-końcowy aminokwas przytwierdza się do polimeru, który stanowi zarazem osłonę
grupy karboksylowej. Następnie przyłącza się kolejne aminokwasy, aż do pożądanej wielkości
łańcucha. Usprawnienie polega na tym, że rosnący peptyd jest cały czas w jednym i tym samym
naczyniu. Do tego reaktora wprowadza się roztwory odpowiednich reagentów, a po reakcji
rozpuszczalniki w celu wymycia nadmiaru reagentów i produktów ubocznych oraz
towarzyszących. Po zakończeniu syntezy peptydu zdejmuje się go z polimerycznego nośnika i
przerabia wg potrzeb. Wszystkie czynności otrzymywania peptydu na fazie stałej można
zautomatyzować i prowadzić syntezę za pomocą automatycznego syntezatora. Za opracowanie
tej metody Meriefield otrzymał nagrodę Nobla.
Zdejmowanie osłon z grup funkcyjnych
Osłony grup funkcyjnych aminokwasów należy tak dobierać, żeby można je było usuwać
selektywnie lub równocześnie. Taka możliwość istnieje, ponieważ różne grupy usuwa się w
różnych warunkach. Obie grupy zastosowane do syntezy powyższego peptydu, a więc Z i Bz
można usunąć poprzez hydrogenolizę, czyli działanie wodorem w obecności katalizatora (Pd lub
Pt).
17
H2/Pd
(100%)
Gly-Ala
Z-Gly-Ala-OBz
- toluen, - CO2
glicyloalanina
Na uwagę zasługuje nie tylko wysoka wydajność powyższej reakcji, ale i to, że obie osłony
zostają zredukowane do niekłopotliwych produktów  toluenu i ditlenku węgla.
Odczynnikiem usuwającym większość osłon peptydowych jest ciekły fluorowodór.
Osłonę Z daje się usunąć selektywnie w obecności estru benzylowego poprzez acydolizę
bromowodorem w kwasie octowym.
Br2/AcOH
HBr.Gly-Ala-OBz
Z-Gly-Ala-OBz
- PhCH2Br, - CO2
bromowodorek estru benzylowego glicyloalaniny
Estry metylowe, etylowe i benzylowe usuwa siÄ™ poprzez hydrolizÄ™ zasadowÄ… w niskiej
temperaturze. Nieostrożnie prowadzone hydrolityczne odszczepienie grup estrowych może
spowodować reakcje uboczne, w tym racemizację.
1. NaOH/HOH, 2. H+/HOH
Z-Gly-Ala-OBz Z-Gly-Ala
- PhCH2OH
benzyloksykarbonyloglicyloalanina
W najłagodniejszych warunkach usuwa się osłony zawierające ugrupowanie t-butylowe: Boc i
ester t-butylowy; zostają one odszczepione na zimno już pod wpływem kwasu średniej mocy,
jakim jest kwas trifluorooctowy.
Tfa
Tfa.Val-Gln
Boc-Val-Gln-O-t-Bu
0oC
Tfa: kwas trifluorooctowy
Peptydy naturalne
Organizmy żywe wytwarzają różnorodne związki organiczne, w tym wiele peptydów. Pośród
naturalnych peptydów znajdują się krótkie oligopeptydy, dłuższe zawierające kilkanaście reszt
aminokwasowych, a także takie, w których liczba reszt aminokwasowych dochodzi do 100, czyli
stają się podobne do białek. Peptydy naturalne zbudowane są zarówno z aminokwasów
białkowych, jak i niebiałkowych. Mikroorganizmy wytwarzają peptydy, w których występują
również D-aminokwasy. Znane są peptydy zbudowane nie tylko z aminokwasów, ale także z
reszt innych związków, np. hydroksykwasów (takie peptydy nazywane są depsipeptydami),
cukrów (glikopeptydy), lipidów (lipopeptydy); mogą być estryfikowane kwasem fosforowym 
fosfopeptydy. Znane są peptydy nierozgałęzione, rozgałęzione i cykliczne.
Przykłady naturalnych peptydów
1. Glutation (GSH)
Glutation występuje prawie we wszystkich komórkach żywych organizmów. Jest tripeptydem, w
którym aminokwas N-terminalny  kwas L-glutaminowy przyłączony jest do Cys grupą ł-
karboksylowÄ…:
Glu Gly
Cys
H2NCHCH2CH2CO-NHCHCO-NHCH2COOH
CH2SH Å‚-Glu-Cys-Gly
COOH
18
Glutation bierze udział w reakcjach redoks, przechodząc przy tym w dimer. Jest
antyutleniaczem, aktywatorem pewnych enzymów, pełni rolę koenzymu.
[O]
2 GSH GS-SG
[H]
Pomimo, prostej budowy (tripeptyd) chemiczna synteza glutationu z uwagi na jego skład
aminokwasowy jest trudna. Szczególnej osłony wymaga funkcja tiolowa, a acylowanie grupą ł-
karboksylową kwasu glutaminowego biegnie wolniej niż grupą ą. Dlatego glutation pozyskuje
się z materiałów biologicznych, najczęściej z drożdży. Natomiast często nowe odczynniki
kondensujÄ…ce, jak i nowe grupy ochronne testuje siÄ™ w reakcjach otrzymywania glutationu.
Panuje opinia, że jeżeli sprawdzą się w syntezie glutationu, to będą przydatne i w otrzymywaniu
innych peptydów.
Dotychczas zsyntezowano wiele peptydów podobnych do glutationu (analogów glutationu), ale
żaden z nich nie okazał się aktywniejszy od peptydu natywnego (naturalnego). Natomiast
znanych jest kilka naturalnych analogów glutationu.
2. Tyreoliberyna (TRF)
Tyreoliberyna, tripeptyd występujący w mózgu (w podwzgórzu) uwalnia tyreotropinę  hormon
regulujący czynność tarczycy, w tym wychwyt jodu. Stymuluje on też aktywność innych
hormonów, np. prolaktyny, hormonu wzrostu, wazopresyny, insuliny, a także
neuroprzekaz
ników. Jeden spośród syntetycznych analogów TRF  [1-Me-His2]TRF (dawniej
[3-Me-His2]TRF)  jest aktywniejszy od peptydu natywnego. Oba te tripeptydy znalazły
zastosowanie w diagnostyce medycznej i w terapii uaktywniania tarczycy.
1-Me-His CH3
N
CH2
pGlu-His-Pro-NH2 O
NH
N
C
N C
TRF
O
pGlu C
H
O
N
CONH2
[1-Me-His2]TRF
Pro-NH2
Symbol pGlu jest oznaczeniem kwasu piroglutaminowego; powstaje on przez cyklizacjÄ™ (w tym
termicznÄ…) kwasu glutaminowego.
Zadanie: napisz schemat przemiany Glu çÅ‚ pGlu.
3. Peptydy opioidowe
Nazwa peptydów opioidowych pochodzi od opium i oznacza, że ich aktywność biologiczna jest
podobna do właściwości opium (opioidowe). Mają zbliżone właściwości biologiczne pomimo
istotnej różnicy w budowie chemicznej. Z produktów naturalnych wyizolowano kilkanaście
peptydów opioidowych i otrzymano kilka tysięcy ich analogów syntetycznych. To
zainteresowanie syntezą nowych analogów peptydów opioidowych wynika z tego, że istniała
uzasadniona nadzieja, iż uda się otrzymać peptyd opioidowy o działaniu przeciwbólowym, który
byłby pozbawiony niekorzystnych cech morfiny. Jak na razie nie osiągnięto tego celu, pomimo
że niektóre analogi enkefalin są znacznie aktywniejsze od morfiny w działaniu przeciwbólowym,
ale równocześnie wykazują właściwości narkotyczne, uszkadzają organy wewnętrzne, szkodliwie
działają na układ oddechowy i krążenia, tak jak morfina.
19
Pośród naturalnych peptydów opioidowych do najbardziej znanych należą enkefaliny i
endorfiny.
Enkefaliny
Obie naturalne enkefaliny są pentapeptydami, różnią się resztą aminokwasu C-terminalnego,
jedna na C-końcu ma L-leucynę (Leu-enkefalina), a druga zawiera L-metioninę (Met-enkefalina).
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Leu-enkefalina Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Met-enkefalina
Enkefaliny odkryto początkowo w mózgu, stąd ich nazwa (gr. enkephalos = mózg), póz
niej
okazało się, że występują prawie we wszystkich tkankach).
Endorfiny
Nazwa endorfiny wywodzi się od wyrażenia endogenne morfiny, co oznacza morfinopodobne
substancje wytwarzane przez własny organizm. Występują w wielu tkankach, np. w mózgu,
płynie mózgowo-rdzeniowym, nerkach, we krwi, w żołądku, jelitach, a nawet w łożysku.
Poznano kilka enodrfin: Ä…, ², Å‚ i ´; różniÄ… siÄ™ one dÅ‚ugoÅ›ciÄ… Å‚aÅ„cucha peptydowego (okoÅ‚o 30
AA) i nieznacznie skÅ‚adem aminokwasowym. Sekwencja ²-endorfiny czÅ‚owieka:
1 5 10 15
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-
20 25 30
Thr-Leu-Phe-Lys-Asn-Ala-Ile-Ile-Lys-Asn-Ala-Tyr-Lys-Lys-Gly-Glu
Zadanie: co przypomina fragment 1-5 ²-endorfiny czÅ‚owieka?
Wysiłek fizyczny, zadowolenie z osiągniętego sukcesu, akupunktura i stres zwiększają stężenie
endorfin w organizmie, co wpływa na polepszenie samopoczucia.
Przyjmowanie egzogennnych endorfin prowadzi do uzależnienia.
Neuropeptydy
Neropetydami nazywane są peptydy wytwarzane w tkance nerwowej, w tym w mózgu. Oprócz
nich są jeszcze peptydowe hormony tkankowe (wytwarzane przez tkanki pełniące inne funkcje,
znane np. w żołądku wydzielana jest gastryna) i hormony gruczołowe (produkowane przez
specjalne gruczoły dokrewne, np. androgeny, estrogeny czy kortykosteroidy).
Do hormonów neuropeptydowych zaliczane są cykliczne nonapeptydy: oksytocyna i
wazopresyna.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2
Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH2
wazopresyna
oksytocyna
Oba peptydy różnią się nieznacznie składem aminokwasowym. Oksytocyna jest jednakowa u
wszystkich ssaków, natomiast skład wazopresyny jest nieznacznie gatunkowo zmienny. U ludzi
w położeniu 8 zawiera argininę i dlatego często nazywana jest argininowazopresyną.
20
Oksytocyna wywołuje skurcze mięśni gładkich ciężarnej macicy, a wraz z prolatyną stymuluje
laktację. Natomiast najważniejszym zadaniem wazopresyny jest regulowanie stężenia moczu.
Brak lub zbyt mały poziom wazopresyny jest przyczyną moczówki prostej, dolegliwości
polegającej na wydalaniu zbyt dużej ilości rozcieńczonego moczu. W czasie snu poziom
wazopresyny rośnie, dzięki temu można przespać 8 i więcej godzin bez potrzeby opróżniania
pęcherza.
Syntetyczne analogi zarówno oksytocyny, jak i wazopresyny znalazły zastosowanie w terapii.
Oksytocyna i jej analogi służą w wspomaganiu akcji porodowej oraz do stymulowania laktacji, a
analogi wazopresyny stosuje się w leczeniu niektórych nieprawidłowości układu moczowego.
Adrenokortykotropina (ACTH)
Adrenokortykotropina jest 39-peptydem produkowanym przez przedni płat przysadki mózgowej,
a działa w nadnerczach jako stymulator syntezy kortykosterydów. Była jednym z najdawniej
poznanych hormonów peptydowych i dzięki temu przeprowadzono z nią wiele badań. Odkryto, a
póz
niej potwierdzono i na innych biologicznie czynnych peptydach, że w łańcuchu peptydowym
znajduję się fragmenty pełniące różne funkcje. Jest grupa aminokwasów odpowiedzialnych za
połączenie się z receptorem, jest miejsce aktywne, w którym dochodzi do reakcji biochemicznej,
jest adres, czyli miejsce w organizmie, do którego hormon ma trafić, jest także fragment
decydujący o specyficzności gatunkowej. Syntetyczny fragment ACTH (1-24) wykazuje pełną
aktywność biologiczną peptydu natywnego (naturalnego). Znalazł on zastosowanie kliniczne.
Insulina
Insulina, 51-peptyd wytwarzany w trzustce należy do jednych z najlepiej znanych peptydów,
ponieważ jest powszechnie stosowanym lekiem przez diabetyków. Wielu badaczy zalicza ją do
białek, ponieważ zwykle występuje w postaci dimeru, czyli agregatu zawierającego ponad 100
reszt aminokwasowych. Została odkryta w 1921 r. a jej odkrywcy otrzymali nagrodę Nobla już w
1923 r.
Insulina zbudowana jest z dwóch łańcuchów: A, w którym jest 21 reszt aminokwasów i B,
zawierającym 30 takich reszt. Oba łańcuchy połączone są dwoma mostkami disilfidowymi, a
ponadto w łańcuchu A znajduje się trzeci mostek disulfidowy.
S
S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
S-S
S-S
Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg 22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
23
Gly
Thr Tyr Phe Phe
Lys Pro Thr
30 29 28 27 26 25 24
Do niedawna insulinę, lek ratujący życie, ekstrahowano z trzustek zwierząt rzez
nych, głównie z
trzustek wołowych i wieprzowych. Insulina zarówno wołowa jak wieprzowa różnią się
nieznacznie składem aminokwasowym w porównaniu z insuliną ludzką (HI), ale ich aktywność
w stosunku do ludzi jest podobna jak oryginalnej HI. Jednak insulina pochodzenia zwierzęcego
21
może być przyczyną poważnych reakcji alergicznych. Dlatego, dla ludzi uczulonych na insulinę
zwierzęcą podawanie HI jest sprawą życia i śmierci. Problemem było z
ródło insuliny ludzkiej.
Nie można jej pozyskiwać z trzustek ludzkich, a produkcja tak dużego peptydu na drodze syntezy
chemicznej jest nieopłacalna ekonomicznie. Pod koniec XX w. opracowano metodę syntezy HI
w oparciu o inżynierię genetyczną. Bakterie E. coli, którym wszczepiono zrekombinowany gen
odpowiedzialny za syntezę HI u ludzi wytwarzają ten peptyd na skalę przemysłową.
Ostatnio insulina stała się popularnym, acz niedozwolonym środkiem dopingującym. Jest
szczególnie trudna do wykrycia, ponieważ występuje naturalnie w organizmie, a czas jej
połowicznego rozkładu wynosi tylko kilka minut. Przyjmowana przez ludzi zdrowych powoduje
poważne uszkodzenie organizmu. Daje jednak doraz
ne korzyści dla uprawiających sport.
Przyspiesza rozrost mięśni, a przyjęta razem z glukozą bezpośrednio przed samymi zawodami
znacznie zwiększa wydolność zawodników. Jest tania i ogólnie dostępna. To wszystko czyni z
niej nadzwyczaj atrakcyjny środek dopingujący i zarazem bardzo niebezpieczny.
Peptydy toksyczne
Bardzo wiele niezwykle groz
nych toksyn naturalnych ma budowę peptydów. Należą do nich
między innymi toksyny grzybów, jady węży, a także niektóre antybiotyki. Zawierają często D-
aminokwasy i ą-rozgałęzione aminokwasy, co utrudnia biodegradację i przez to przedłuża ich
szkodliwe działanie. Na rysunku poniżej przedstawiona jest struktura amatoksyny, toksycznego
peptydu muchomora sromotnikowego.
RCHR
CHCH3
NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-CO
CO
CH3
H NH
HC
N
OH
OS
CH-CH-CH2-CH3
CH2 N R''
H
CH3
CO-CH-NH-CO-CH-NH-CO-CH2-NCO
H2C-COOR'''
22