Альфа и бета аминокислоты чем отличаются

Аминокислоты и биосинтез белка

АМИНОКИСЛОТЫ БЕЛКОВ

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА НА РИБОСОМЕ

Известно более 200 природных аминокислот, которые можно классифицировать по-разному. Структурная классификация исходит из положения функциональных групп на альфа-, бета-, гамма- или дельта- положении аминокислоты.

Кроме этой классификации, существуют еще и другие, например, классификация по полярности, рН уровню, а также типу группы боковой цепи (алифатические, ациклические, ароматические аминокислоты, аминокислоты, содержащие гидроксил или серу, и т.д.).

В виде белков аминокислоты являются вторым (после воды) компонентом мышц, клеток и других тканей человеческого организма. Аминокислоты играют решающую роль в таких процессах, как транспорт нейротрансмиттеров и биосинтезе.

Общая структура аминокислот. Альфа аминокислоты. Изомеризация аминокислот.

Аминокислоты – биологически важные органические соединения, состоящие из аминогруппы (-NH₂) и карбоновой кислоты (-СООН), и имеющие боковую цепь, специфичную для каждой аминокислоты. Ключевые элементы аминокислот – углерод, водород, кислород и азот. Прочие элементы находятся в боковой цепи определенных аминокислот.

В структуре аминокислот боковая цепь, специфичная для каждой аминокислоты, обозначается буквой R. Атом углерода, находящийся рядом с карбоксильной группой, называется альфа-углерод, и аминокислоты, боковая цепь которых связана с этим атомом, называются альфа-аминокислотами. Они представляют собой наиболее распространенную в природе форму аминокислот.

По свойствам боковых цепей аминокислоты подразделяются на четыре группы. Боковая цепь может делать аминокислоту слабой кислотой, слабым основанием, или эмульсоидом (если боковая цепь является полярной), или гидрофобным, плохо впитывающим воду, веществом (если боковая цепь неполярна).

АЛЬФА-АМИНОКИСЛОТЫ

Аминокислоты, имеющие как амин-, так и карбоксильную группу, прикрепляются к первому (альфа-) атому углерода имеют особое значение в биохимии. Они известны как 2-, альфа или альфа-аминокислоты (общая формула в большинстве случаев H₂NCHRCOOH, где R представляет собой органический заместитель, известный как «боковая цепь»); часто термин «аминокислота» относится именно к ним.

Это 22 протеиногенных (то есть «служащих для строительства белка») аминокислоты, которые сочетаются в пептидные цепи («полипептиды»), обеспечивая построение широкого спектра белков. Они являются L-стереоизомерами («левыми» изомерами), хотя у некоторых бактерий и в некоторых антибиотиках встречаются некоторые из D-аминокислот («правых» изомеров).

Рис. 2. Пептидная связь — вид амидной связи, возникающей при образовании белков и пептидов в результате взаимодействия α-аминогруппы (—NH₂) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислоты.

Из двух аминокислот (1) и (2) образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды. По этой же схеме рибосома генерирует и более длинные цепочки из аминокислот: полипептиды и белки. Разные аминокислоты, которые являются «строительными блоками» для белка, отличаются радикалом R.

ОПТИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ АМИНОКИСЛОТ

Рис. 3. Оптические изомеры аминокислоты аланина

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА НА РИБОСОМЕ

СТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ

(протеиногенные)

Прим.: В последнее время к протеиногенным аминокислотам иногда причисляют трансляционно включаемые селеноцистеин и пирролизин. Это так называемые 21-я и 22-я аминокислоты.

Аминокислоты являются структурными соединениями (мономерами), из которых состоят белки. Они объединяются между собой, формируя короткие полимерные цепи, называемые пептидами длинной цепи, полипептидами или белками. Эти полимеры являются линейными и неразветвленными, каждая аминокислота в цепи присоединяется к двум соседним аминокислотам.

Рис. 5. Рибосома в процессе трансляции (синтеза белка)

Рис. 6 Стадии элонгации полипептида.

Двадцать две аминокислоты естественно включены в полипептиды и называются протеиногенными, или природными, аминокислотами. Из них 20 кодируются с помощью универсального генетического кода.

Белки имеют 4 уровня своей структурной организации: первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичную структуру белка, как правило, описывают, используя однобуквенные или трёхбуквенные обозначения для аминокислотных остатков.Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями.Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

Рис. 8. Структурная организация белков

НЕСТАНДАРТНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ

(Не-протеиногенные)

Функции аминокислот

БЕЛКОВЫЕ И НЕ БЕЛКОВЫЕ ФУНКЦИИ

Из-за своей биологической значимости аминокислоты играют важную роль в питании и обычно используются в пищевых добавках, удобрениях и пищевых технологиях. В промышленности аминокислоты используются при производстве лекарств, биоразлагаемого пластика и хиральных катализаторов.

1. Аминокислоты, белки и питание

О биологической роли и последствиях дефицита аминокислот в организме человека см. информацию в таблицах незаменимых и заменимых аминокислот.

При введении в организм человека с пищей, 20 стандартных аминокислот либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются в мочевину и углекислый газ в качестве источника энергии. Окисление начинается с удаления аминогруппы через трансаминазу, а затем аминогруппа включается в цикл мочевины. Другой продукт трансамидирования – кетокислота, которая входит в цикл лимонной кислоты. Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза.

БЕЛКИ

Рис. 9. Белки не только пища. Типы белковых соединений.

Каждый живой организм состоит из белков. Различные формы белков принимают участие во всех процессах, происходящих в живых организмах. В теле человека из белков формируются мышцы, связки, сухожилия, все органы и железы, волосы, ногти; белки входят в состав жидкостей и костей. Ферменты и гормоны, катализирующие и регулирующие все процессы в организме, также являются белками. Дефицит белков в организме опасен для здоровья. Каждый белок уникален и существует для специальных целей.

ПИТАНИЕ И БЕЛКИ

Белки — важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Стоит подчеркнть, что современная наука о питании утверждает, что белок должен удовлетворять потребности организма в аминокислотах не только по количеству. Данные вещества должны поступать в организм человека в определенных соотношениях между собой.

2. Небелковые функции аминокислот

Нейромедиатор аминокислоты

Прим.: Нейромедиаторы (нейротрансмиттеры, посредники) — биологически активные химические вещества, посредством которых осуществляется передача электрохимического импульса от нервной клетки через синаптическое пространство между нейронами, а также, например, от нейронов к мышечной ткани или железистым клеткам. Для получения информации от собственных тканей и органов организм человека синтезирует особые химические вещества – нейромедиаторы. Все внутренние ткани и органы тела человека, «подчиненные» вегетативной нервной системе (ВНС), снабжены нервами (иннервированы), т. е. функциями организма управляют нервные клетки. Они как датчики собирают информацию о состоянии организма и передают ее в соответствующие центры, а от них корректирующие воздействия идут к периферии. Любое нарушение вегетативной регуляции приводит к сбоям в работе внутренних органов. Передача информации, или управление, осуществляется с помощью специальных химических веществ-посредников, которые называются медиаторами (от лат. mediator – посредник) или нейромедиаторами. По своей химической природе медиаторы относятся к различным группам: биогенным аминам, аминокислотам, нейропептидам и т. д. В настоящее время изучено более 50 соединений, относящихся к медиаторам.

В организме человека многие аминокислоты используются для синтеза других молекул, например:

Тем не менее, все еще известны не все функции других многочисленных нестандартных аминокислот. Некоторые нестандартные аминокислоты используются растениями для защиты от травоядных животных. Например, канаванин является аналогом аргинина, который содержится во многих бобовых, и в особо крупных количествах в Canavalia gladiata (канавалия мечевидная). Эта аминокислота защищает растения от хищников, например насекомых, и при употреблении некоторых необработанных бобовых может вызывать заболевания у людей.

Классификация протеиногенных аминокислот

Рассмотрим классификацию на примере 20 протеиногенных α-аминокислот, необходимых для синтеза белка

Среди многообразия аминокислот только 20 участвует во внутриклеточном синтезе белков (протеиногенные аминокислоты). Также в организме человека обнаружено еще около 40 непротеиногенных аминокислот. Все протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами. На их примере можно показать дополнительные способы классификации. Названия аминокислот обычно сокращаются до 3-х буквенного обозначения (см. рис. полипептидной цепи вверху страницы). Профессионалы в молекулярной биологии также используют однобуквенные символы для каждой аминокислоты.

1. По строению бокового радикала выделяют:

Ароматические соединения (арены)

— циклические органические соединения, которые имеют в своём составе ароматическую систему. Основными отличительными свойствами являются повышенная устойчивость ароматической системы и, несмотря на ненасыщенность, склонность к реакциям замещения, а не присоединения.

Различают бензоидные (арены и структурные производные аренов, содержат бензольные ядра) и небензоидные (все остальные) ароматические соединения.

Ароматичность — особое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженное кольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность;

2. По полярности бокового радикала

Существуют неполярные аминокислоты (ароматические, алифатические) и полярные (незаряженные, отрицательно и положительно заряженные).

3. По кислотно-основным свойствам

По кислотно-основным свойствам подразделяют нейтральные (большинство), кислые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и основные (лизин, аргинин, гистидин) аминокислоты.

4. По незаменимости

По необходимости для организма выделяют такие, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей – незаменимые аминокислоты (лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин, триптофан, треонин, лизин, метионин). К заменимым относят такие аминокислоты, углеродный скелет которых образуется в реакциях метаболизма и способен каким-либо образом получить аминогруппу с образованием сответствующей аминокислоты. Две аминокислоты являются условно незаменимыми (аргинин, гистидин), т.е.их синтез происходит в недостаточном количестве, особенно это касается детей.

Источник

Альфа и бета аминокислоты чем отличаются

Органические соединения, находящиеся в цитоплазме живой клетки, представлены, в основном, белками. На их долю приходится более 50 % сухого веса клетки. Главными структурными компонентами белков, являются аминокислоты, определяющие важнейшие свойства и функции белков, в том числе и энзимов. История выделения отдельных аминокислот из гидролизата белка восходит к XIX веку, когда впервые был выделен глицин. С тех пор были выделены и описаны двадцать аминокислот, с наибольшей частотой встречающихся в белковых молекулах. Последним был открыт треонин, впервые выделенный W. Rose в 193 5г. из гидролизатов фибрина [34]. Позднее в отдельных молекулах были обнаружены некоторые редко встречающиеся аминокислоты. Роль двадцати аминокислот в определении конформации белков, их свойств в приложении к процессам биохимизма миокарда и сосудистой стенки является предметом настоящего обзора.

Каждая молекула аминокислоты содержит амино – и карбоксильную группы (– NH2 и – COOH соответственно). Все известные аминокислоты, кроме глицина и таурина, имеют асимметрию, в зависимости от стороны молекулы, к которой прикреплена аминогруппа, обозначаемую «L» или «D». В нативных белковых молекулах аминокислотные остатки имеют конфигурацию «L». Аминокислоты с конфигурацией «D» образуются некоторыми штаммами бактерий, не участвуют в синтезе белков и пептидов и обладают способностью угнетать активность ферментов.

Отдельные аминокислоты не синтезируются эндогенным путем и для удовлетворения анаболических потребностей организма должны поступать извне. Такие аминокислоты обозначаются как незаменимые, и к ним относятся лейцин, изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин.

К полузаменимым аминокислотам относятся те, которые образуются в организме, однако, в количествах, недостаточных для удовлетворения естественных потребностей: аргинин, гистидин, цистеин и таурин (в детском возрасте).

Некоторые аминокислоты обладают полифункциональностью за счет своего участия в конформации белков, полипептидов, влиянии на активность ферментов, гормонов и потому их роли в организме до настоящего времени считаются ключевыми. К этим аминокислотам относят метионин, таурин, цистеин, лизин, аргинин, триптофан и глутамин.

К настоящему времени, в связи с использованием новых методов хроматографии высоких разрешений, появились сведения о дисбалансе аминокислот и их связи с клинической симптоматикой при различных заболеваниях и воздействиях ксенобиотиков. Нарушения в обмене аминокислот описаны при железодефицитных анемиях [1], заболеваниях кожи [4], при воздействии на организм цианидов [46], сероуглерода [3], остром и хроническом поступлении в организм алкоголя [7].

Обмен аминокислот при ишемической болезни сердца изучается с начала пятидесятых годов XX столетия. В экспериментальных условиях в зоне инфаркта миокарда, развившемся у собак после пережатия коронарной артерии, наблюдалось выраженное снижение спектра свободных аминокислот крови [42]. При выраженном, прогрессирующем, кардиосклерозе в миокарде кроликов повышалось содержание фенилаланина и тирозина [2], что было в последующем установлено в клинике у больных ишемической болезнью сердца, причем степень повышения уровня аминокислот изменялась в зависимости от клинических форм коронарного атеросклероза (стенокардия различных функциональных классов, инфаркт миокарда) [5].

При анализе содержания свободных аминокислот в сыворотке крови, выявляемых при помощи нисходящей бумажной хроматографии, у больных коронарной недостаточностью концентрации аланина, аспарагиновой кислоты, валина, глутаминовой кислоты, лейцина, изолейцина, серина, треонина, фенилаланина были выше в сравнении с показателями здоровых лиц. В острую стадию инфаркта миокарда в сыворотке крови больных снижалось содержание аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, а также треонина и валина, в подостром периоде и на стадии реабилитации пациентов в сыворотке повышалась концентрация аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, а также серина, треонина, фенилаланина, изолейцина и лейцина [6].

С унификацией методов анализа аминокислот в крови и моче здоровых и больных лиц была утрачена разноречивость в результатах ранних исследований, установлены популяционные уровни нормальных значений содержания аминокислот в зависимости от пола и возраста, были опубликованы таблицы потребностей в аминокислотах и разработаны качественные и количественные критерии необходимых аминокислотных добавок к пищевым продуктам Национальным исследовательским советом по аминокислотным потребностям США. Далее будет описана роль аминокислот и промежуточных продуктов их обмена у здоровых и пациентов с различными заболеваниями, учитывая их ключевую роль в организме. Речь пойдет о метионине, таурине, цистеине, лизине, аргинине и триптофане.

Метионин является ключевой незаменимой аминокислотой, донатором метильных групп и серы. Принимает активное участие в формировании всех тканей организма, обмене углеводов, жиров и аминокислот, в активации антиоксидантных и детоксицирующих систем. Метионин служит эссенциальным предшественником цистеина, трипептидаглутатиона, таурина и посредством цистеина участвует в образовании инсулина и коэнзима А. Процессы метилирования (через S – аденозилметионин) необходимы для экспрессии генов, равновесия симпато – адреналовой системы, образования холина и ацетилхолина. Нарушения активности ферментов, участвующих в метаболизме метионина, приводят в клинике к проявлениям остеопороза и нейропсихической патологии [15, 35].

В отношении ишемической болезни сердца особую роль играют нарушения образования метионина, приводящие к накоплению в крови и моче его предшественника гомоцистеина.

При обследовании и лечении пациентов с гомоцистеинурией было обнаружено раннее и бурное развитие атеросклероза у молодых лиц [11, 20, 21, 37, 43]. В 1969г. впервые было опубликовано предположение, что гипергомоцист(е)инемия является существенным фактором риска развития атеросклероза и ишемической болезни сердца [33].

Клинические исследования, проведенные в течение сорока последующих лет выявили существенное его влияние на разрастание клеток гладкой мускулатуры с последующей эндотелиальной дисфункцией сосудов и развитием артериальной гипертонией с высоким риском тромбозов [31, 51, 54]. Когортные исследования подтвердили описанные результаты, более того, было установлено, что даже умеренное повышение концентрации гомоцист(е)ина в плазме является фактором риска раннего атеросклероза [10, 16, 19, 56].

Термином «гомоцистеин» в биохимии обозначают общую концентрацию свободного и связанного с белком гомоцистеина, гомоцистина (дисульфид гомоцистеина) и тионолактонагомоцистеина. Этот пул измеряется доступными и распространенными анализами [38]. В основе этих методов «золотым стандартом» остается высокоэффективная жидкостная хроматография с коэффициентом разброса результатов от 1,1 до 2,8 % в индивидуальных замерах и от 2,1 до 11,4 % в замерах партии образцов [28, 45].

В исследовательских центрах США было установлено, что повышенные уровни гомоцистеина могут быть снижены путем добавок в пищевые продукты фолиевой кислоты и витаминов группы В. В девяти рандомизированных контролируемых клинических исследованиях установлены клинические эффекты снижения уровня гомоцист(е)ина в плазме – смертность от ИБС у мужчин снизилась более, чем на 15 %, у женщин на 8 % [10, 12, 25, 40, 41, 44].

Причины гипергомоцистеинемии могут быть условно разделены на врожденные (ферментная недостаточность) и приобретенные (факторы риска).

К врожденным причинам относится генетически обусловленная недостаточность ряда ферментов, блокирующих превращение гомоцистеина в метионин. К упомянутым энзимам относятся цистатион – β – синтаза, метилтетрафолатредуктаза, метионин – синтаза. У пациентов с дефицитом отдельных энзимов из перечисленных в раннем возрасте наблюдаются вегето – сосудистые и нейропсихические девиации [22].

К приобретенным причинам, т.е. факторам риска гипергомоцистеинемии, относится недостаточность питания, курение сигарет, прием некоторых лекарств, принадлежность к мужскому полу, сахарный диабет, хроническая почечная недостаточность, злокачественные новообразования молочной железы, придатков и поджелудочной железы [8, 26, 32, 50].

Нутрициальная недостаточность фолиевой кислоты и витаминов группы В, эфиров – кофакторов в метаболизме гомоцистеина является причиной умеренного повышения уровня последнего в плазме у населения США в целом [44] и признаны самым сильным предиктором повышенного уровня гомоцистеина. Компоненты табачного дыма, поступая в организм, тормозят синтез пиридоксина и тем самым снижают в плазме концентрацию витамина В6, что в свою очередь приводит к гипергомоцистеинемии [39].

Прием метотрексата, эуфиллина также приводит к повышению уровня гомоцистеина, когда дальнейшее превращение последнего тормозится при процессах метаболического распада этих лекарств [51].

Патогенетическая роль гомоцистеина в развитии ишемической болезни сердца

Основные факторы участия гомоцистеина в генезе ИБС установлены экспериментально. Высокое содержание гомоцистеина в плазме ускоряет окисление липопротеидов низкой и очень низкой плотности, тем самым усиливает развитие атеросклероза, изменяет коагуляционный каскад и повышает тромбогенность крови [23, 24]. Гомоцистеин с участием гомоцистеинтиололактона оказывает invitro и invivo прямое повреждающее воздействие на эндотелиальные клетки, приводя к нарушениям эндотелиального фактора вазодилатации, повышению давления крови на стенки сосудов и усилению имбибиции их липопротеидами [29, 47]. Повышенные уровни гомоцистеина усиливают перекисное окисление липидов через генерацию перекиси водорода и супероксидных радикалов [55]. Помимо перечисленных факторов, повышение уровня гомоцистеина стимулирует разрастание гладкомышечных клеток сосудистой стенки, усугубляя сужение кровеносного русла [48, 49].

Проведенные популяционные исследования показали, что связь между гипергомоцистеинемией и риском развития ИБС носит линейный характер с относительным риском увеличения уровня гомоцистеина в 1,3–1,4 на 5 мкмоль/л [10, 16, 41].

Другие аминокислоты влияющие на состояние сосудистой стенки.

Говоря о роли лизина в патогенезе атеросклеротического повреждения артериальных сосудов, необходимо начать с аскорбата, называемого также витамином С, который необходим для выработки коллагена, главного компонента соединительной ткани, наиболее широко представленного в организме. Витамин С участвует в анаболизме энзима лизилгидроксилазы, обеспечивающего связь лизина с полосками коллагена в структуре соединительной ткани. Недостаточность витамина С приводит к ослаблению коллагеновых нитей за счет разрыва лизиновых связей. В свою очередь ослабление коллагена приводит к поражению соединительной ткани, кожи, зубов, волос, стенок артерий. Крайняя степень выраженности недостаточности витамина С в клинике обозначается как цинга, при которой невозможно восстановление коллагена, в результате чего стенки артерий покрываются трещинами с последующими разрывами и кровотечениями, приводящими к фатальному исходу [13, 14, 30].

Лизин формирует связи между трансаминазами и пиридоксальфосфатом, так как несет в своем составе две аминогруппы: одна влияет на пептидную связь с белками трансаминаз, другая сохраняет резервы и целостность пиридоксальфосфата. Лизин участвует в образовании коллагена, укреплении сосудистой стенки, в формировании карнитина, способствует утилизации жирных кислот для энергетического потенциала клеток и сохранения иммунной реактивности организма [36, 53].

Аргинин. Потребности организма в аргинине превышают способности к его эндогенному синтезу, в связи с этим аргинин рассматривается как полузаменимая аминокислота. Аргинин служит предшественником оксида азота, влияющего на агрегацию и адгезивную способность тромбоцитов, снижая способность к тромбообразованию и уменьшая сосудистую реактивность атеросклеротически измененных артерий и способствует формированию коллагена в стенках сосудов [17, 18, 27].

В отношении двух последних аминокислот необходимы дальнейшие исследования для уточнения их изменений у больных ИБС.

Источник