Anna Pioruńska-Mikołajczak
AMINOKWASY
Aminokwasy są prostymi związkami organicznymi. Właściwości chemiczne i fizyczne
aminokwasów oraz różnorodność reakcji chemicznych, którym ulegają, związane są z
obecnością w cząsteczce jednocześnie
zasadowej grupy aminowej -NH2 oraz kwasowej grupy karboksylowej
-COOH. Można je traktować jako pochodne kwasów monokarboksylowych (octowego,
propionowego, masłowego, walerianowego i kapronowego) oraz dikarboksylowych
(bursztynowego i glutarowego) z grupÄ… aminowÄ… w pozycji 2 (Ä…), rzadziej w innych
pozycjach.
W zależności od położenia grupy aminowej w łańcuchu węglowym rozróżnia się ą-
aminokwasy, w których grupa -NH2 związana jest z tym samym atomem węgla co grupa -
COOH oraz aminokwasy, w których grupa aminowa i karboksylowa znajdują się w większej
odlegÅ‚oÅ›ci od siebie, czyli ², Å‚, ´, µ, itd. W przyrodzie wystÄ™pujÄ… przede wszystkim
Ä…-aminokwasy, oprócz nich czÄ™sto spotykane sÄ… ²- i Å‚- aminokwasy:
CH3-CH-COOH
NH2 kwas Ä…-aminopropionowy
H2N CH2 CH2 COOH kwas ²-aminopropionowy
H2N CH2 CH2 CH2 COOH kwas ł-aminomasłowy
H2N CH2 CH2 CH2 CH2 COOH kwas ´-aminokapronowy
Z ogólnego wzoru wynika, że związki te różnią się jedynie łańcuchem bocznym oznaczanym
literÄ… R:
H
H3N+ CÄ… COO-
R
Aminokwasy
Aminokwasy jako składniki białek biorą udział we wszystkich procesach życiowych. Oprócz
aminokwasów występujących w białkach istnieje
w tkankach i płynach wszystkich komórek żywego organizmu stały zasób wolnych
aminokwasów znajdujący się w równowadze dynamicznej w wielu reakcjach przemiany
materii. Poza biosyntezą polipeptydów i białek aminokwasy wykorzystywane są przede
wszystkim w syntezie fosfatydów, porfiryn i nukleotydów. Głównymi produktami degradacji
aminokwasów są amoniak i mocznik. Straty aminokwasów wyrównywane są przede
wszystkim dzięki degradacji białek, transaminacji ą-ketokwasów, a także dzięki transformacji
aminokwasów.
1. PODZIAA
AMINOKWASÓW
1.1. Aminokwasy białkowe
Aminokwasy wchodzące w skład białek można podzielić na podstawie różnych kryteriów.
Wysoce przydatnym wydaje się być podział uwzględniający właściwości łańcuchów
bocznych aminokwasów (R), które różnią się wielkością, kształtem, ładunkiem
elementarnym, zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych oraz reaktywnością chemiczną.
Wzory 20 aminokwasów białkowych wraz z ich skrótami literowymi (pochodzącymi z języka
angielskiego) podano poniżej. Stanowią one uzupełnienie do tabeli ilustrującej ich podział ze
względu na łańcuchy boczne.
Aminokwasy
Ryc. 1. Wzory aminokwasów białkowych
Aminokwasy
Tabela 1. Podział aminokwasów uwzględniający charakter łańcuchów bocznych
Reszty aminokwasowe
Aminokwasy łańcuchowe pierścieniowe
aromatyczne heterocykliczne
APOLARNE
Obojętne glicyna, alanina fenyloalanina prolina
walina, leucyna tryptofan
izoleucyna, metionina
POLARNE
Obojętne
-OH seryna, treonina tyrozyna hydroksyprolin
a
-NH2 asparagina
glutamina
-SH cysteina
Kwaśne kwas asparaginowy
kwas glutaminowy
Zasadowe arginina, lizyna histydyna
Obecność aminokwasów polarnych w peptydach i białkach zapewnia ich rozpuszczalność w
układach wodnych, podczas gdy aminokwasy polarne nie wykazujące ładunku
odpowiedzialne są przede wszystkim za aktywność katalityczną białek enzymatycznych.
Aminokwasy
Ze względu na strukturę związków powstałych w wyniku zmian szkieletu węglowego
aminokwasów białkowych, dzieli się je na aminokwasy:
" glukogenne,
" ketogenne.
Część lub wszystkie atomy węgla rozkładanych 20 aminokwasów może być przekształcana
do glukozy lub utleniana w tzw. cyklu kwasu cytrynowego (cyklu Krebsa). Aminokwasy
ulegające rozkładowi do pirogronianu, ą-ketoglutaranu, bursztynylo-CoA, fumaranu lub
szczawiooctanu określa się jako glukogenne, ponieważ produkty pośrednie cyklu kwasu
cytrynowego oraz pirogronian mogą być przekształcone w fosfoenolopirogronian, a ten z
kolei w glukozę (glukoneogeneza). Natomiast aminokwasy, których rozkład prowadzi do
acetylo-CoA lub acetoacetylo-CoA nazywa się ketogenne, gdyż powstają z nich związki
(ciała) ketonowe. Spośród 20 aminokwasów białkowych całkowicie ketogenne są leucyna
i lizyna, podczas gdy fenyloalanina, izoleucyna, tryptofan i tyrozyna są zarówno glukogenne,
jak i ketogenne. Pozostałe 14 aminokwasów to związki typowo glukogenne.
Na podstawie zasady podziału wg Rose a rozróżnia się aminokwasy:
" endogenne, wytwarzane przez organizm,
" egzogenne, które należy wprowadzić z dietą, ponieważ organizm nie ma zdolności ich
syntezy.
Organizm zwierzęcy jest zdolny do syntezy jedynie 10 aminokwasów białkowych. Pozostałe
10 aminokwasów musi być dostarczone w pożywieniu o odpowiednim składzie, ponieważ w
przypadku ich braku może dojść do niebezpiecznych dla życia symptomów chorobowych
(opóz
nienie wzrostu, ujemny bilans azotowy, zakłócenie biosyntezy białek, itp.).
Wyznaczone na podstawie bilansu azotowego ogólne zapotrzebowanie na egzogenne
aminokwasy jest różne i jest ono zależne od stopnia rozwoju fizjologicznego organizmu. Np.
potrzebne młodym organizmom w okresie wzrostu takie aminokwasy jak arginina i histydyna
przestają być egzogenne dla dorosłych. Oba te aminokwasy między innymi są częścią
składową centrum aktywnego licznych enzymów. W okresie ciąży wzrasta zapotrzebowanie
na tryptofan i lizynę, w okresie zaś niemowlęcym na tryptofan i izoleucynę. Po utracie dużej
ilości krwi, po oparzeniach i innych rozległych uszkodzeniach ciała, zapotrzebowanie na
aminokwasy egzogenne jest szczególnie duże z powodu konieczności regeneracji tkanek.
Aminokwasy
Dzienne zapotrzebowanie człowieka na aminokwasy egzogenne w gramach (w nawiasach
podano minimum) jest następujące:
leucyna ok. 12 (1,2)
lizyna 5,2 (ok. 1,0)
fenyloalanina 4,7 (1,1)
metionina 4,1 (1,1)
walina 3,9 (0,8)
izoleucyna 3,7 (0,7)
treonina 3,6 (0,5)
tryptofan 1,1 (0,25)
1.2. Aminokwasy rzadko występujące w białkach
W hydrolizatach określonych białek oprócz aminokwasów białkowych znajdują się inne
aminokwasy, których utworzenie wynika ze zmian
w strukturze łańcuchów bocznych następujące po biosyntezie białek. Przykładami takich
aminokwasów są: 4-hydroksyprolina i 5-hydroksy-lizyna obecne w kolagenie,
pirydoaminokwasy (desmozyna i izodesmozyna elastyny) oraz N-metylowe pochodne lizyny
niektórych białek mięśniowych.
1.3. Aminokwasy niebiałkowe
Oprócz 20 aminokwasów powszechnie występujących w białkach oraz kilku rzadkich,
znanych jest jeszcze około 200 aminokwasów nie wykrywanych w białkach, a występujących
w różnych komórkach i tkankach
w stanie wolnym lub związanym. Niektóre aminokwasy niebiałkowe pełnią ważną funkcję
prekursorów lub metabolitów pośrednich.
²-Alanina jest np. prekursorem jednej z witamin - kwasu pantotenowego. Cytrulina i ornityna
są pośrednimi związkami w syntezie argininy, a kwas ł-amino-masłowy (GABA) pełni rolę
neuromediatora w przekazywaniu bodz
ców nerwowych.
Aminokwasy
NH2-CO-NH-CH2-CH2-CH-COOH
NH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH
NH2
NH2
ornityna
cytrulina
NH2-CH2-CH2-COOH NH2-CH2-CH2-CH2-COOH
²-alanina
kwas ł-aminomasłowy (GABA)
Tauryna - powstaje z cysteiny przez utlenienie grupy -SH oraz dekarboksylacjÄ™:
NH2-CH2-CH2-SO3H
Homocysteina (Hcy) jest aminokwasem siarkowym powstającym przejściowo w wyniku
przemian na szlaku metabolicznym metionina - cystationina - cysteina. Enzym syntaza
cystationowa katalizuje kondensacjÄ™ seryny z homocysteinÄ… dajÄ…c cystationinÄ™. Cystationina
ulega następnie deaminacji przy udziale cystationazy (ł-liazy cystationowej) i rozpada się na
cysteinę i ą-ketomaślan. Na katabolizm homocysteiny wpływają trzy witaminy: pirydoksyna,
kwas foliowy i kobalamina. Niedobór tych witamin prowadzi do hiperhomocysteinemii, która
jest uważana za niezależny czynnik ryzyka choroby niedokrwiennej serca.
SH-CH2-CH2-CH-COOH
H2N
Homocysteina
2. Stereoizomeria aminokwasów
Stereoizomeria aminokwasów
Aminokwasy występujące powszechnie w białkach (z wyjątkiem glicyny) są związkami
ące powszechnie w białkach (z wyj cyny) s
optycznie czynnymi, gdyż mają asymetryczny (chiralny) atom węgla ą z tetraedrycznym
ż mają ą
ułożeniem wokół niego czterech różnych podstawników. Przyjmując zgodnie z projekcją
eniem wokół niego czterech ró ąc zgodnie z projekcj
Fischera jako wzorzec
Fischera jako wzorzec
Fischera jako wzorzec
aldehyd L- i D-glicerynowy, antypody optyczne aminokwasów (ryc. 1),
glicerynowy, antypody optyczne
Aminokwasy
majÄ…ce siÄ™ do siebie jak przedmiot i jego lustrzane odbicie nazwano o powiednio izom
do siebie jak przedmiot i jego lustrzane odbicie nazwano odpowiednio izomerami
L i D (enancjomery).
Ryc. 1. Struktura przestrzenna alaniny: a) tetraedr i jego lustrzane odb cie, b) stereoizomery,
Ryc. 1. Struktura przestrzenna alaniny: a) tetraedr i jego lustrzane odbicie, b) stereoizomery,
c) wzory planarne D- i L-alaniny.
alaniny.
W takich aminokwasach jak treonina, izoleucyna i hydroksyprolina występują dwa centra
W takich aminokwasach jak treonina, izoleucyna i hydroksyprolina wy
chiralności. W przypadku, gdy aminokwas ma więcej
Aminokwasy
niż jeden asymetryczny atom węgla, podstawą do określenia jego konfiguracji jest
konfiguracja przy ą-atomie węgla. Odpowiednie diastereoizomery oznaczane są jako L-allo
albo D-allo (ryc. 2). Cystyna zawierająca dwa asymetryczne atomy węgla, ale po jednym w
każdej połowie cząsteczki, może także przyjąć taką formę, w której para asymetrycznych
atomów węgla stanowi ich odbicie lustrzane. W takim przypadku izomer jest wewnętrznie
skompensowany i stanowi formÄ™ mezo.
COOH COOH COOH
COOH
H-C-NH2
H2N-C-H
H-C-NH2 H2N-C-H
H-C-OH
H-C-OH HO-C-H
HO-C-H
CH3
CH3 CH3
CH3
L-treonina
D-treonina D-allo-treonina L-allo-treonina
COOH COOH COOH COOH
H2N-C-H H2N-C-H
H-C-NH2 H-C-NH2
H3C-C-H
H3C-C-H H-C-CH3 H-C-CH3
C2H5
C2H5 C2H5 C2H5
D-izoleucyna L-izoleucyna D-allo-izoleucyna L-allo-izoleucyna
COOH COOH
COOH COOH COOH COOH
H2N-C-H
H-C-NH2
H2N-C-H H2N-C-H
H-C-NH2 H-C-NH2
H2C S S CH2
H2C S S CH2 H2C S S CH2
mezocystyna
D-cystyna L-cystyna
Ryc. 2. Stereoizomery treoniny, izoleucyny i cystyny.
Białka są zbudowane wyłącznie z L-aminokwasów, a więc związków należących do szeregu
stereochemicznego L, tj. aldehydu L-glicerynowego. Jedynie w przemianie materii niektórych
mikroorganizmów biorą udział D-aminokwasy.
Ze względu na chiralną strukturę cząsteczek wszystkie aminokwasy,
z wyjątkiem glicyny, są optycznie czynne. Jako enancjomery (stereoizomery) skręcają one
płaszczyznę polaryzacji liniowo spolaryzowanego
Aminokwasy
światła o ten sam kąt, ale w przeciwnych kierunkach. Pewne aminokwasy izolowane z białek
są prawoskrętne (np. alanina, izoleucyna, glutamina), podczas gdy inne są lewoskrętne
(treonina, leucyna, fenyloalanina). Związki prawoskrętne oznacza się symbolem (+), a
lewoskrętne (-). Skręcalność właściwa aminokwasów zmienia się w zależności od wartości
pH, przy której dokonywany jest pomiar. Ogólnie, aminokwasy jednoaminokarboksylowe
stają się najsilniej lewoskrętne, jeżeli znajdują się
w formie izoelektrycznej.
3. Kwasowo-zasadowe właściwości aminokwasów
Z uwagi na obecność w cząsteczce zarówno grupy kwasowej, jak i zasadowej, aminokwasy
ulegajÄ… wewnÄ…trzczÄ…steczkowej reakcji kwas-zasada
i występują głównie w formie jonu dipolowego albo obojnaczego (zwitterjonu):
H2N-CH-COOH H3N+-CH-COO-
R R
Jony obojnacze aminokwasów są rodzajem wewnętrznych soli, a więc posiadają właściwości
fizyczne typowe dla soli. Mają duży moment dipolowy, poza kilkoma wyjątkami są dobrze
rozpuszczalne w wodzie, wodorotlenku amonu i innych rozpuszczalnikach polarnych; w
niepolarnych lub mniej polarnych rozpuszczalnikach takich jak etanol i aceton, są słabo
rozpuszczalne.
Aminokwasy są amfoteryczne: mogą reagować jak kwasy lub zasady, zależnie od warunków.
W wodnym roztworze kwaśnym aminokwas przyłącza proton i staje się kationem (wędruje w
polu elektrycznym do katody). Natomiast w roztworze zasadowym oddaje proton i zachowuje
się jak anion (wędruje w polu elektrycznym do anody). Ze względu na charakter
dwubiegunowy aminokwasów ich właściwości kwasowo-zasadowe zależą w dużym stopniu
od pH środowiska. W zakresie pH od 4 do 9 wszystkie aminokwasy mogą występować albo
jako kwasy (protonodonory):
Aminokwasy
H3N+-CH-COO- H+ + H2N-CH-COO-
R
R
albo jako zasady (protonoakceptory):
H3N+-CH-COO- +H+ H3N+-CH-COOH
R R
W środowisku silnie kwasowym przeważają kationy:
H3N+-CH-COOH
R
a w silnie zasadowym przeważają aniony:
H2N-CH2-COO-
R
Dysocjacja grup funkcyjnych aminokwasu zależy od odczynu środowiska. Zależność między
pH środowiska i pK (ujemny logarytm dziesiętny z wartości stałej dysocjacji grupy
funkcyjnej) wyraża równanie Hendersona-Hasselbalcha:
[akceptor protonów]
pH=pK+log
[donor protonów]
Gdy stężenie molowe akceptora protonów jest równe stężeniu donora, wówczas mierzona
wartość pH odpowiada wartości pK danego stopnia dysocjacji.
Charakter amfoteryczny aminokwasów ujmuje krzywa miareczkowania wodnych roztworów
aminokwasów mocnymi kwasami lub zasadami
(ryc. 3). Wiekość K1 przedstawia stałą dysocjacji grupy karboksylowej,
-
a K2 stałą dysocjacji grupy  +NH3 . Dla pK1 akceptorem protonu jest forma -COO , a
donorem protonu forma -COOH. Dla pK2 sÄ… to odpowiednio -NH2 i  +NH3 .
Aminokwasy
Ryc. 3. Krzywa miareczkowania wodnego roztworu glicyny mocnÄ… zasadÄ….
+
Z krzywej miareczkowania glicyny wynika, że dla pK1=2,34 stężenie H3N -CH2-COOH jest
+ - + -
równe stężeniu H3N -CH2-COO , podczas gdy dla pK2=9,60 stężenie H3N -CH2 -COO jest
-
równe stężeniu H2N-CH2 -COO Odpowiadające grupie karboksylowej i aminowej wartości
pK1 i pK2 są punktami przegięcia odpowiedniej części krzywej miareczkowania.
W pH=5,97 występuje centralny punkt przegięcia między dwoma ramionami krzywej
miareczkowania. Przy tej wartości pH ładunek wypadkowy cząsteczki jest równy zeru, a
cząsteczka taka nie porusza się w polu elektrycznym. Jest to wartość pH zwana punktem
izoelektrycznym (pI), charakterystyczna dla każdego aminokwasu. W przypadku
aminokwasów
z jednÄ… grupÄ… aminowÄ… i jednÄ… karboksylowÄ… punkt ten odpowiada
średniej arytmetycznej wartości pK1 i pK2; jest to wartość pH, przy której
Aminokwasy
prawie cała cząsteczka aminokwasu znajduje się w postaci jonu obojnaczego. Punkt
izoelektryczny aminokwasu zależy od jego struktury. Piętnaście aminokwasów o obojętnych
łańcuchach bocznych ma punkty izoelektryczne w zakresie pH 5,0-6,5 (wartości te nie
pokrywają się dokładnie z obojętnym pH=7, ponieważ grupy karboksylowe są w roztworze
wodnym silniejszymi kwasami niż grupy aminowe zasadami). Dwa aminokwasy kwasowe
mają punkt izoelektryczny przy niższym pH (Asp 2,8, Glu 3,2), które tłumi dysocjację
dodatkowej grupy -COOH. Trzy zasadowe aminokwasy charakteryzujÄ… siÄ™ punktem
izoelektrycznym przy wyższym pH (Arg 10,8, His 7,6, Lys 9,7), które zapobiega
protonowaniu dodatkowych grup aminowych. Różnice w wartości punktów izoelektrycznych
wykorzystuje się do rozdziału zarówno aminokwasów, jak i białek metodą elektroforezy.
Pojemność buforowa osiąga przy wartościach pK wielkości optymalne,
a następnie maleje w obu kierunkach skali pH. Histydyna jako jedyny aminokwas jest
aktywna w fizjologicznym zakresie pH od 6 do 8, ma to istotne znaczenie biologiczne.
4. Reakcje chemiczne aminokwasów
Reakcje chemiczne aminokwasów zależne są od obecności w nich charakterystycznych grup
funkcyjnych. Przykłady niektórych z nich podano poniżej.
4.1. Reakcje grupy karboksylowej
4.1.1. Aminokwasy tworzÄ… sole z zasadami zgodnie z reakcjÄ…:
H2NCH2COOH + NaOH H2NCH2COONa + H2O
4.1.2. Aminokwasy tworzą z jonami metali ciężkich związki kompleksowe typu
chelatowego (najbardziej znane z jonami miedzi).
Analizy rentgenograficzne wykazały, że kompleksom typu chelatowego należy przypisać
strukturÄ™ oktaedrycznÄ…. W strukturach tych dwie reszty aminokwasowe zwiÄ…zane sÄ… z
centralnym jonem metalu poprzez swoje grupy aminowe i karboksylowe, a wolne miejsca
koordynacji wysycone
Aminokwasy
są czasteczkami wody. Szczególnie stabilne kompleksy tworzą aminokwasy zawierające w
łańcuchu bocznym polarne grupy funkcyjne, np. histydyna, która z atomem centralnym
połączona jest dodatkowo poprzez azot pierścienia imidazolowego:
4.1.3. Dekarboksylacja
Reakcja dekarboksylacji aminokwasów obojętnych i zasadowych prowadzi do powstania
amin biogennych, zgodnie z równaniami:
Biochemiczna dekarboksylacja aminokwasów katalizowana jest przez specyficzne
dekarboksylazy z fosforanem pirydoksalu jako kofaktorem. Stanowi ona ważny element
przemiany aminokwasów w organizmie. Powstałe po dekarboksylacji aminy biogenne
spełniają wiele ważnych funkcji, np. tryptamina i serotonina, produkty dekarboksylacji
odpowiednio tryptofanu i 5-hydroksytryptofanu,sÄ… hormonami tkankowymi regulujÄ…cymi
ciśnienie krwi. Cysteamina (powstała z cysteiny) jest elementem koenzymu A, a
propanolamina (powstała z treoniny) jest elementem witaminy B12.
Aminokwasy
4.1.4. Estryfikacja
Najczęściej stosowaną metodą estryfikacji aminokwasów jest reakcja
z bezwodnymi alkoholami w obecności katalizatorów (chlorowodór, silnie kwasowe
wymieniacze jonowe):
HCl
-HCl
H2N-CH-COOH + R1OH (H3N+-CH-COOR1)Cl- H2N-CH-COOR1
-
H2O
R R R
4.2. Reakcje grupy -NH2
4.2.1. Tworzenie soli amoniowych z kwasami
Wodne roztwory soli amoniowych mają odczyn kwaśny, ponieważ zasadowość grupy -NH2
została zobojętniona, przez co uwydatnił się charakter kwasowy grupy -COOH:
H2N-CH-COOH+ HCl [H3N-CH-COOH]+ Cl-
R R
4.2.2. Reakcja z kwasem azotawym (metoda van Slyke`a)
Wolne aminokwasy, podobnie jak I-rzędowe aminy, reagują z HNO2
z wydzieleniem azotu, przy czym następuje zamiana grupy aminowej na hydroksylową.
Pomiar objętości wydzielonego azotu jest podstawą do ilościowego oznaczania
aminokwasów:
H2N-CH-COOH + HNO2 HO-CH-COOH + H2O + N2
R R
4.2.3. N-acylowanie
Podczas ogrzewania w środowisku alkalicznym z chlorkami kwasowymi lub bezwodnikami
kwasowymi grupa aminowa zostaje zamieniona
w amidową, co pociąga za sobą utratę zasadowości aminokwasu:
(R1CO)2O+H2N-CH-COOH R1CO-NH-CH-COOH+R1COOH
R
R
Aminokwasy
Chlorek benzoilu i glicyna tworzÄ… benzoiloglicynÄ™ (kwas hipurowy obecny w moczu):
C6H5COCl + H3N+-CH2COO- C6H5CONH-CH2COOH + HCL
4.2.4. Reakcje z aldehydami
Grupy ą-aminowe aminokwasów reagują z aldehydami w reakcjach odwracalnych tworząc
nietrwałe związki  zasady Schiffa. Zasady Schiffa tworzą się między innymi jako związki
pośrednie w niektórych reakcjach enzymatycznych - szczególna rola w reakcjach
transaminacji i dekarboksylacji aminokwasów przy współudziale fosforanu pirydoksalu
(PLP):
4.2.5. Oksydacyjna deaminacja
Biochemiczna deaminacja u ssaków odbywa się z udziałem enzymów -oksydaz L-
aminokwasów oraz akceptorów wodoru - dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD+),
dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD) lub mononukleotydu flawinowego (FMN). W
pierwszym etapie powstaje iminokwas, który następnie ulega hydrolizie do ketokwasu i
amoniaku. PowstajÄ…ce w roztworze wodnym jony amonowe (NH4+) ulegajÄ… dalszym
przemianom i zostajÄ… wydalane w postaci mocznika.
Aminokwasy
NAD/FAD,FMN/ H2O
H2N-CH-COOH R-C-COOH R-C-COOH + NH3
-2H
O
NH
R
Deaminacja oksydacyjna za pomocÄ… ninhydryny ma znaczenie analityczne.
4.2.6. Reakcje transaminacji
Transaminacja stanowi decydujący etap w biosyntezie aminokwasów endogennych. W reakcji
tej grupy ą-aminowe wielu aminokwasów są przenoszone na ą-ketoglutaran, co prowadzi do
otrzymania glutaminianu, który z kolei ulega deaminacji oksydacyjnej dając amoniak:
H3N+-CH2-COO- H3N+-CH-CH2-CH2-COO- NH4+
COO-
R
Przeniesienie grup Ä…-aminowych z Ä…-aminokwasu na Ä…-ketokwas odbywa siÄ™ przy
współudziale aminotransferaz (transaminaz) oraz fosforanu pirydoksalu jako koenzymu.
Grupa -NH2 aminokwasów może zostać przeniesiona w reakcji odwracalnej na ketokwas z
utworzeniem nowego aminokwasu i nowego ketokwasu:
O O
H3N+-CH-COO- + R1-C-COO- H3N+-CH-COO- + R-C-COO-
R R1
Transaminacji ulegają szczególnie łatwo kwasy asparaginowy i glutaminowy przy udziale
odpowiednich aminotransferaz: asparaginianowej i alaninowej:
Asparaginian + Ä…-ketoglutaran Ô! szczawiooctan + glutaminian
Alanina + Ä…-ketoglutaran Ô! pirogronian + glutaminian
(powyższe reakcje przedstawiają uproszczony przebieg transaminacji).
Aminokwasy
4.3. Reakcje grupy R
Grupa -SH (sulfhydrylowa, tiolowa) cysteiny, szczególnie w obecności soli żelaza (III), łatwo
ulega utlenieniu do grupy dwusiarczkowej:
COOH COOH COOH
COOH
H2N-C-H H2N-C-H H2N-C-H
H2N-C-H
+
CH2
CH2
CH2
CH2
S
S
SH
SH
Cysteina Cystyna
Cysteina
4.4. Oznaczanie sekwencji aminokwasów w peptydach
4.4.1. Reakcja Sangera
W słabo zasadowym roztworze N-końcowa wolna grupa  NH2 w łańcuchu peptydowym
reaguje z 2,4-dinitrofluorobenzenem dajÄ…c barwnÄ… pochodnÄ… 2,4-dinitrofenylowÄ…
aminokwasu, którą oznacza się spektrofotometrycznie. W produkcie reakcji nowo powstałe
wiązanie między pierścieniem benzenowym a grupą aminową jest odporne na działanie
czynników hydrolizujących wiązanie peptydowe. Reakcja Sangera znalazła zastosowanie w
ilościowym oznaczaniu grup aminowych w aminokwasach i peptydach. Dzięki zastosowaniu
tej reakcji udało się Sangerowi określić po raz pierwszy sekwencję białka  insuliny
zbudowanej z łańcucha A (21 aminokwasów) i łańcucha B (30 aminokwasów) (1958 r.-
nagroda Nobla). Metoda Sangera była pierwszym dowodem, że białka mają ściśle
zdefiniowaną strukturę chemiczną i umożliwiła rozszyfrowanie struktury pierwszorzędowej
kolejnych białek, co pozwoliło zrozumieć funkcjonowanie tych cząsteczek, w tym aktywności
enzymów.
Aminokwasy
NO2
NO2
HF
H
+ H-N-CH-COOH
NO2
NO2
R
H-N-CH-COOH
F
R
4.4.2. Degradacja Edmana
Sekwencjonowanie peptydów wykonuje się obecnie głównie metodą analizy N-końcowej
Edmana. Degradacja Edmana polega na traktowaniu peptydu izotiocyjaninem fenylu C6H5-
N=C=S. W pierwszym etapie izotiocyjanin fenylu przyłącza się do grupy  NH2 N-końcowego
aminokwasu, a następnie w wyniku łagodnej kwasowej hydrolizy odłącza się N-końcowa
jednostka od łańcucha, dając peptyd o skróconym łańcuchu
i pochodnÄ… fenylohydantoiny. W dalszym etapie hydantoinÄ™ identyfikuje siÄ™
chromatograficznie przez porównanie ze znanymi pochodnymi typowych aminokwasów.
Pochodna hydantoiny
Aminokwasy
4.6. Tworzenie wewnętrznych diamidów
Kondensacja estrów aminokwasów prowadzi do powstania cyklicznych
diamidów - 2,5-diketopiperazyn:
Diketopiperazyny są metabolitami przemiany materii mikroorganizmów
i w chemii aminokwasów oraz peptydów odgrywają niewielką rolę.
5. Aminokwasy stosowane w lecznictwie
L-DOPA,, czyli (3,4-dihydroksyfenylo)-L-alanina, jest lekiem zwiększającym stężenie
dopaminy. W obwodowym i ośrodkowym układzie nerwowym następuje szybka przemiana
L-DOPA w dopaminę pod wpływem dekarboksylazy aromatycznych L-aminokwasów. Od
wielu lat jest lekiem stosowanym w chorobie Parkinsona, ponieważ ma zdolność łatwego
przenikania przez barierę krew-mózg. W terapii choroby Parkinsona stosuje się tylko izomer
L-DOPA, a produktem jego dekarboksylacji jest aminokwas  dopamina, posiadajÄ…cy takÄ…
samą skręcalność optyczną, co warunkuje właściwy efekt farmakologiczny.
H
COOH
NH2
OH
OH
Sarkozyna - wywodzi się z glicyny, jest produktem przemiany aminokwasów oraz
składnikiem aktynomycyn:
CH3-NH-CH2-COOH
Aminokwasy
Analogi GABA
Z analogów GABA w leczeniu padaczki stosowane są m.in. wigabatryna
i gabapentyna.
Wigabatryna zwiększa stężenie GABA w zakończeniach presynaptycznych poprzez
nieodwracalną blokadę GABA-aminotransferazy, enzymu odpowiedzialnego za rozkład
GABA do semialdehydu kwasu bursztynowego i glutaminianu.
Gabapentyna, jest lekiem przeciwpadaczkowym działającym na układ GABA-ergiczny. Jej
mechanizm działania nie jest do dzisiaj określony. Uważa się, że działa pośrednio przez
zwiększenie wydzielania GABA
z zakończeń presynaptycznych. Nie jest natomiast GABA-mimetykiem, nie wykazuje
bowiem bezpośredniego działania na receptory GABA-ergiczne w mózgu.
Aminokwasy
Pytania
1. Dokonaj podziału aminokwasów uwzględniając charakter łańcuchów bocznych tych
zwiąków organicznych.
2. Co rozumiesz pod pojęciem aminokwasy glukogenne i ketogenne? Podaj wzory
aminokwasów ketogennych i pięciu glukogennych.
3. Wyjaśnij pojęcie aminokwasy endogenne, egzogenne i względnie egzogenne. Podaj
wzory sześciu aminokwasów egzogennych i względnie egzogennych.
4. Napisz wzory sześciu aminokwasów niebiałkowych niebiałkowych omów ich rolę.
5. Napisz wzory izomerów treoniny zgodnie z projekcją Fischera.
6. Omów zachowanie się aminokwasów w zależności od pH środowiska.
7. Co to jest punkt izoelektryczny (pI) aminokwasu i jak siÄ™ go wyznacza?
8. Napisz reakcjÄ™ prowadzÄ…cÄ… do powstania kompleksu typu chelatu histydyny z jonami
miedzi (II).
9. Co to jest zasada Schiffa? Napisz reakcjÄ™ enzymatycznÄ… prowadzÄ…cÄ… do jej powstania.
10. Napisz reakcję enzymatycznej transaminacji i omów jej rolę.
11. Na czym polega reakcja Sangera i degradacja Edmana  opisz jednÄ…
z nich stosujÄ…c odpowiedniÄ… reakcjÄ™.
Literatura
1. Murray R.K. D.K.Granner, P.A.Mayes, V.W.Rodwell, Biochemia Harpera, PZWL,
Warszawa, 1994
2. Stryer L. Biochemia, PWN, Warszawa 1999
Peptydy i białka
Anna Pioruńska-Mikołajczak
PEPTYDY I BIAA
KA
1. Konformacja wiÄ…zania peptydowego
Peptydy i białka są to liniowe produkty kondensacji różnych L-amino-kwasów połączonych
wiÄ…zaniem amidowym, zwanym wiÄ…zaniem peptydowym.
Wiązania peptydowego nie można przedstawić za pomocą jednego wzoru, gdyż elektrony
wiÄ…zania C=O oraz wolnej pary elektronowej przy atomie azotu (N:) nie sÄ… zlokalizowane.
Delokalizacja elektronów
w obrębie wiązania peptydowego powoduje, że staje się ono polarne
i może występować w dwóch odmianach tautomerycznych:
Powtarza się ono regularnie wzdłuż całego łańcucha i ma w ok. 40% charakter wiązania
podwójnego uniemożliwiającego rotację. Natomiast wiązania po obu stronach wiązania
peptydowego pozwalają na swobodną rotację (w tych miejscach łańcuch peptydowy może się
zginać lub zwijać). Energia rezonansu tych dwóch struktur wynosi około 84 kJ/mol. Brak
możliwości rotacji wokół wiązania peptydowego powoduje jego znaczną sztywność oraz
sprawia, że wszystkie cztery atomy (CO i NH) leżą
w jednej płaszczyz
nie (ryc. 1.).
Peptydy i białka
Ryc. 1. Budowa przestrzenna wiÄ…zania peptydowego
Zasadniczymi konformacyjnymi parametrami są kąty skręcenia (torsyjne) wokół wiązania
przy ą atomie węgla i azotu grupy >N-H oznaczane symbolem Ć (fi) oraz węglem ą i
wÄ™glem grupy >C=O symbolem È (psi). WielkoÅ›ci kÄ…tów torsyjnych sÄ… jednym z głównych
czynników kształtujących przestrzenną strukturę łańcucha polipeptydowego i są jednakowe
w przypadku wiązań peptydowych tworzonych przez różne aminokwasy. Konformacja
głównego Å‚aÅ„cucha polipeptydowego jest dokÅ‚adnie zdefiniowana, gdy znane sÄ… kÄ…ty Ć i È dla
każdej reszty aminokwasowej.
Planarność wiązania peptydowego stwarza możliwość występowania zarówno konfiguracji
cis, jak i trans (ryc.2.), niemniej w peptydach i białkach pochodzenia naturalnego dominuje
wiÄ…zanie peptydowe o konfiguracji trans jako bardziej korzystne energetycznie.
Ugrupowania wchodzące w skład wiązania peptydowego na skutek rezonansu łatwo tworzą
wiÄ…zania wodorowe, z uwagi na polarny charakter grup >N-H i >C=O.
Zgodnie z umową we wzorach peptydów liniowych aminokwas z wolną grupą ą-aminową
nazwany jest N-końcowym aminokwasem i znajduje się zawsze po lewej stronie w
zapisywanym łańcuchu peptydowym, nato-
Peptydy i białka
miast aminokwas z wolną grupą karboksylową na przeciwległym końcu łańcucha, nazywany
jest C-końcowym.
Ryc. 2. Konfiguracja cis oraz trans wiÄ…zania peptydowego .
Oprócz przeważającej grupy peptydów liniowych istnieją również peptydy cykliczne, w
których wiązanie peptydowe powstaje między grupą aminową i karboksylową N- i C-
końcowego aminokwasu peptydu liniowego (np.walinomycyna).
Do celów systematycznego nazewnictwa chemicznego peptydy traktuje się jako
acyloaminokwasy, a więc do rdzenia aminokwasu, którego grupa karboksylowa bierze udział
w tworzeniu wiÄ…zania peptydowego dodaje siÄ™ przyrostek -ylo. Nie zmienionÄ… nazwÄ™
zachowuje jedynie aminokwas C-końcowy danego peptydu liniowego (np. peptyd składajacy
siÄ™ z alaniny, seryny, glicyny i tryptofanu ma nazwÄ™ alanyloseryloglicylotryptofan lub Ala-
Ser-Gly-Phe z języka angielskiego). W zależności od zawartej
w danym peptydzie liczby aminokwasów, rozróżnia się di-, tri-, tetra-,..., dekapeptydy itd.
Peptydy zawierające mniej niż 10 aminokwasów określane są jako oligopeptydy, zawierające
do ok. 100 aminokwasów jako polipeptydy, powyżej tej liczby, związki o masach
cząsteczkowych powyżej 10 000 Da to białka (makropeptydy). Podział ten oparty jest na
kryterium przenikania przez błony dializacyjne.
Peptydy i białka
Przeważająca część wiązań peptydowych w peptydach i białkach utworzona jest między
grupami aminowymi i karboksylowymi zwiÄ…zanymi
z węglami ą, przez co cząsteczka jest nierozgałęziona. W bardzo ważnym w biochemii
tripeptydzie, glutationie, spotyka się obok wiązania ą-pepty-dowego również wiązanie ł-
peptydowe. WiÄ…zanie peptydowe miÄ™dzy grupÄ… µ-aminowÄ… lizyny oraz znajdujÄ…cÄ… siÄ™ w
łańcuchu bocznym grupą karboksylową kwasów asparaginowego lub glutaminowego
nazywane jest wiÄ…zaniem izopeptydowym.
2. Peptydy
2.1. Glutation (Å‚-glutamylocysteinyloglicyna)
Glutation występuje we wszystkich komórkach wyższych zwierząt, jest prostym tripeptydem
z N-końcową resztą kwasu glutaminowego związanego z następnym aminokwasem
wiÄ…zaniem Å‚-peptydowym. Biosynteza tego peptydu przebiega w dwustopniowej reacji
katalizowanej enzymatycznie i wymagajÄ…cej dostarczenia energii w postaci ATP:
Glutaminian + cysteina + ATP E1 Å‚-glutamylocysteina + ADP + Pnieorg.
Å‚-glutamylocysteina + glicyna + ATP E2 glutation + ADP + Pnieorg.
(E1 = syntetaza Å‚-glutamylocysteinowa; E2 = syntetaza glutationowa)
W komórce glutation występuje w dwóch formach: zredukowanej
(w przewadze) i utlenionej, będąc ważnym układem oksydoredukcyjnym:
Peptydy i białka
Przejście jednej formy w drugą odbywa się przy współudziale enzymu reduktazy
glutationowej. Glutation jest aktywatorem lub inhibitorem róż-
nych enzymów. Wraz z enzymem reduktazą glutationową bierze udział
w powstawaniu prawidłowych wiązań dwusiarczkowych w wielu białkach i hormonach
peptydowych. Peptyd ten bierze również udział w pro-
cesie transportu aminokwasów przez błony. Ponadto wraz z dysmutazą ponadtlenkową i
katalazÄ… chroni czerwone krwinki przed utlenieniem.
W formie zredukowanej glutation jest niezbędny do utrzymania prawidłowej budowy krwinek
czerwonych (przy jego niedoborze spowodowanym np. niepożądanym działaniem leków
dochodzi do hemolizy erytrocytów).
2.2. Peptydy o działaniu hormonów
Peptydy są w przyrodzie szeroko rozpowszechnione, występują niemal we wszystkich
elementach komórek (pula peptydowa). W przypadku biologicznie czynnego peptydu duże
znaczenie ma jego sposób działania oraz efekt biologiczny, ale dopiero dzięki zmianom
strukturalnym obserwuje się istotne zależności między strukturą a aktywnością biologiczną.
Hormony są to związki organiczne, wytwarzane w gruczołach lub wyspecjalizowanych
komórkach, przenoszone za pomocą systemu transportowego (układ krwionośny) do jednego
lub kilku miejsc oddziaływania, gdzie dzięki wiązaniu z określonym receptorem wywołują
specyficzną aktywność, charakterystyczną dla danej komórki. Tabela 1 przedstawia niektóre
biologicznie czynne peptydy o działaniu hormonów
Tabela 1. Niektóre biologicznie czynne peptydy o działaniu hormonów
Nazwa i miejsce Działanie Klasyfikacja
powstawania chemiczna
Oksytocyna, Stymuluje wytrysk mleka Peptyd cykliczny:
podwzgórze, i skurcz mięśni macicy 9 aminokwasów
magazynowana w
przysadce (płat tylny)
Wazopresyna, Podwyższa ciśnienie krwi Peptyd cykliczny:
podwzgórze, i działa antydiuretycznie 9 aminokwasów
magazyno-wana w
przysadce (płat tylny)
Glukagon Podwyższa poziom cukru Peptyd liniowy:
we krwi w wyniku 29 aminokwasów,
stymulacji glikogenolizy w
wÄ…trobie
Insulina, Obniża poziom cukru we Peptyd cykliczny
trzustka krwi, reguluje przemianę (łańcuch A:
węglowodanów, wpływa na 21 aminokwasów,
przemianę tłuszczów i łańcuch B:
białek 30 aminokwasów)
Kalcytonina, Obniża poziom wapnia we Peptyd cykliczny:
tarczyca krwi 32 aminokwasy
Gastryna, Stymuluje wydzielanie Peptyd liniowy:
błona śluzowa rejonu kwasu w żołądku oraz 17 aminokwasów
odz
wiernika żołądka wytwarzanie enzymów w
trzustce
Sekretyna, Stymuluje wytwarzanie Peptyd liniowy:
śluzowa dwunastnicy i wydzielanie soku 27 aminokwasów
trzustkowego
Parathormon, Utrzymuje normalny Peptyd liniowy:
przytarczyczka poziom wapnia w osoczu 84 aminokwasy
krwi
Angiotensyna II, Podwyższa ciśnienie krwi; Peptyd liniowy:
stymuluje korę nadnerczy 8 aminokwasów
frakcja Ä…2-globulin
do wytwarzania aldosteronu
osocza
2.3. Antybiotyki peptydowe oddziałujące na błonę komórkową
bakterii
Produktami przemiany materii bakterii i grzybów są antybiotyki, które hamują wzrost lub
rozmnażanie innych drobnoustrojów. Część antybiotyków peptydowych to peptydy liniowe
(np. gramicydyny).
Wyizolowano i ustalono strukturę wielu antybiotyków peptydowych, które oddziałują w
określony sposób na błony. Ze względu na różnorodne oddziaływanie rozróżnia się jonofory i
antybiotyki uszkadzające błony.
Najważniejszymi przedstawicielami jonoforów są gramicydyna i walinomycyna (indukują
przejście jonów przez błony biologiczne). Gramicydyny A i C umożliwiają transport jonów
K+, Na+ i innych jednowartościowych kationów przez błony mitochondriów i erytrocytów
(stosowane są głównie do miejscowego leczenia zakażeń bakteriami Gram-dodatnimi).
Peptydy i białka
W gamicydynach, na przykład w gramicydynie A, podkreślić należy naprzemienne
występowanie L- i D-aminokwasów:
L L D L D L D L D L
H-CO-NH-Val- -Trp-
-Gly-Ala-Leu-Ala-Val-Val-Val-Trp-Leu-
D L D L
D L D L
-Leu
Leu-Trp-Leu-Trp-NH-CH2- CH2 -OH
Walinomycyna, cykliczny peptyd, zbudowana jest z trzech jednakowy sekwencji
, cykliczny peptyd, zbudowana jest z trzech jedn kowych
czÄ…stkowych:
Dzięki hydrofobowym właściwo łańcuchów bocznych kompleks walinomycyna-K+
ściwościom cuchów bocznych kompleks walinomycyna
łatwo rozpuszcza się w niepolarnej warstwie węglowodorowej błony, umożliwiając w ten
ę w niepolarnej warstwie w wodorowej błony, umo
sposób transport jonów K+ przez błonę. Transport jonów przez gramicydyn natomiast
amicydynÄ™
odbywa siÄ™ zgodnie z mechani
izmem kanalikowym.
Większość antybiotyków peptydowych ma strukturę cykliczną, w której obok wiązań
antybiotyków peptydowych ma struktur ą, w której obok wi
peptydowych mogą występować zania estrowe i inne. Budowa cykliczna, występowanie
ępować wiązania estrowe i inne. Budowa cykliczna, wyst
D-aminokwasów oraz innych elementów struktury nie występujących w białkach powoduje,
aminokwasów oraz innych ących w białkach powoduje,
że są one odporne na działanie enzymów proteolitycznych.
porne na działanie enzymów proteolitycznych.
Osobną grupę antybiotyków stanowią antybiotyki blokujące funkcję
antybiotyków stanowi antybiotyki blokuj
matrycową DNA, do których należą aktynomycyny i chinoksaliny. Wytwarzane przez szczepy
DNA, do których nale twarzane p
Streptomycetes aktynomycyny są chromopeptydami, działającymi jako silne cytostatyki i
aktynomycyny s cymi jako silne cytostatyki i
antybiotyki. Hamują one wzrost bakterii Gram-dodatnich nawet przy stężeniach mniejszych
one wzrost bakt dodatnich nawet przy stęż
niż
0,1 µg/cm3 i wykazujÄ… tym samym skuteczno
ą tym samym skuteczność działania odpowiadającą
Peptydy i białka
penicylinom. Działanie biologiczne aktynomycyn polega na tworzeniu kompleksów z
penicylinom. Działanie biologiczne aktynomycyn polega na tworzeniu kompleksów z
penicylinom. Działanie biologiczne aktynomycyn polega na tworzeniu kompleksów z
kwasami deoksyrybonukleinowymi, co powoduje zah żnej od DNA syntezy
kwasami deoksyrybonukleinowymi, co powoduje zahamowanie zależnej od DNA syntezy
RNA (transkrypcja).
Ważnym przedstawicielem antybiotyków peptydowych hamu syntezę bakteryjnych
nym przedstawicielem antybiotyków peptydowych hamujących biosyntez
ścian komórkowych jest bacytracyna i wankomyc . Szczególnie wankomycyna jest obecnie
bacytracyna i wankomycyna. Szczególnie wankomycyna jest obecnie
często stosowanym lekiem przeciwko szczepom Staphyloccocus aureus i epidermidis,
sto stosowanym lekiem przeciwko szczepom Staphyloccocus aureus
opornym na działanie innych antybiotyków.
opornym na działanie innych antybiotyków.
2.4. Endogenne peptydy opioidowe
ne peptydy opioidowe
Endogenne peptydy opioidowe to peptydy wytwarzane w org
Endogenne peptydy opioidowe sÄ… to peptydy wytwarzane w organizmie
o działaniu podobnym do morfiny, a stanowi sny organizm ligandy
o działaniu podobnym do morfiny, a stanowiące wytwarzane przez własny organizm ligandy
receptorów opioidowych (µ, ´, º). Dotychczas wykryto obecność trzech głównych grup tych
´ ść trzech głównych gr
peptydów, do których należą: endorfiny, enkefaliny i dynorfiny. Obecność ich stwierdzono w
żą: ść ich stwierdzono w
wielu tkankach, m.in. w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym, pł
środkowym i obwodowym układzie nerwowym, płynie mózgowo-
rodkowym i obwodowym układzie nerwowym, pł
rdzeniowym, nerkach, krwi, łożysku. Zidentyfikowano cztery grupy endorfin:
rdzeniowym, nerkach, krwi, Å‚ożysku. Zidentyfikowano cztery grupy endorfin: Ä… ,², Ç, ´
zawierające odpowiednio 16, 31, 17 i 27 aminokwasów w łańcuchu peptydowym.
nio 16, 31, 17 i 27 aminokwasów w łańcuchu peptydowym.
Endorfinom przypisuje się neuromodulującą funkcję m.in. przy sterowaniu uczuciem bólu
(np. leczeniu bólu metodą akupunktury towarzyszy wzrost ich stężenia w płynie mózgowo-
rdzeniowym). Enkefaliny (pentapeptydy), oprócz uczestniczenia w mechanizmach
odczuwania bólu, biorą udział również w regulacji stanów drgawkowych. Dynorfiny
natomiast, jak się wydaje, są peptydami regulującymi aktywność przeciwbólową endorfin i
enkefalin i działają
w sposób odmienny, np. wyłączają aktywność przeciwbólową powyższych peptydów
opioidowych.
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-OH
Przykłady enkefalin:
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-OH
Przykład endorfiny ą:
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Glu-Thr-Pro-Leu-Val-Thr
Peptydy i białka