22. Aminokwasy i peptydy.pdf

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 są związkami organicznymi zawierającymi przynajmniej jedną

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 α-, β-, γ- i kolejne aminokwasy .

(CH 2 )x COOH

RCH

x = 0, 1, 2, 3, .....

α , β , γ , δ , .....

NH 2

W zależności od liczby podstawników na atomie azotu aminokwasy dzielą się na takie, które

zawierają grupę aminową 1 o , 2 o , 3 o 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 neuroprzekaźników 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

Wzór

Nazwa

Kod

Punkt izoelek-

tryczny (pH i )

trójliterowy

jednoliterowy

aminokwasy alifatyczne

CH 2 COOH

glicyna

Gly

5,97

NH 2

CH 3 CHCOOH

alanina

Ala

6,02

NH 2

(CH 3 ) 2 CHCHCOOH

walina

Val

5,97

NH 2

(CH 3 ) 2 CHCH 2 CHCOOH

leucyna

Leu

5,98

NH 2

CH 3 CH 2 CHCHCOOH

H 3 C

NH 2

izoleucyna

Ile

6,02

COOH

prolina

Pro

6,10

hydroksyaminokwasy

CH 2 CHCOOH

NH 2

seryna

Ser

5,68

CH 3 CHCHCOOH

treonina

Thr

6,53

NH 2

Hyp

5,71

4-hydroksyprolina

COOH

aminokwasy siarkowe

CH 2 CHCOOH

Cys

5,02

cysteina

NH 2

CH 3 SCH 2 CH 2 CHCOOH

Met

5,75

metionina

NH 2

HOOCCHCH 2 -S-S-CH 2 CHCOOH

(Cys) 2

NH 2

cystyna

aminokwasy aromatyczne

CH 2 CHCOOH

NH 2

fenyloalanina

Phe

5,98

CH 2 CHCOOH

tyrozyna

Tyr

5,65

NH 2

CH 2 CHCOOH

NH 2

tryptofan

Trp

5,88

aminokwasy kwaśne i ich amidy

HOOCCH 2 CHCOOH

Asp

2,87

kwas asparaginowy

NH 2

H 2 NOCCH 2 CHCOOH

Asn

5,41

asparagina

NH 2

HOOCCH 2 CH 2 CHCOOH

Glu

3,22

kwas glutaminowy

NH 2

H 2 NOCCH 2 CH 2 CHCOOH

Gln

5,65

glutamina

NH 2

aminokwasy zasadowe

CH 2 (CH 2 ) 3 CHCOOH

Lys

9,74

lizyna

NH 2

H 2 NCNH-(CH 2 ) 3 CHCOOH

Arg

10,8

arginina

NH 2

CH 2 CHCOOH

NH 2

His

7,64

histydyna

CH 2 CH(CH 2 ) 2 CHCOOH

Hly

NH 2 OH

NH 2

hydroksylizyna

Oprócz glicyny wszystkie aminokwasy białkowe są chiralne i należą do L - aminokwasów , tzn.

przy C α 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 2 NCH 2 CH 2 COOH

COOH

β -alanina

NH 2

L -fenyloglicyna

β-Alanina jest składnikiem koenzymu A , zaś L -fenyloglicyna występuje w antybiotykach β-

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.

kwas 1-amino-

cyklopropano-

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.

HSCH 2 CH 2 CHCOOH

H 2 C

COOH

homo-

cysteina

NH 2

H 2 C

NH 2

CH 2 CHCOOH

NH 2

N COO

CH 3

mimozyna

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.

COOH

CH 2 CHCOOH

NH 2

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 się je jako kwasy z grupą aminową i innymi jako podstawnikami.

Zadanie : nazwij systematycznie tyroksynę .

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 cierpiących na fenyloketonurię .

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 .

Br 2 /P

- HBr

CH 3 CHCOOH

2 NH 3

CH 3 CHCOOH

CH 3 CH 2 COOH

- NH 4 Br

kwas propanowy

NH 2

kwas DL- 2-bromopropanowy DL- alanina (62%)

W reakcji tej powstają recemiczne α -aminokwasy . Nadmiar amoniaku służy nie tylko do

wiązania wydzielającego się bromowodoru, ale wielokrotny nadmiar amoniaku (powyżej 10x)

zmniejsza wydajność niepożądanych 2 o i 3 o 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 się 2 o i 3 o 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 .

CHCOOK

CH 2

1. NH 2 NH 2 , -

CH 2 CHCOOK

∆

- KBr

DL -Phe

2. H + /HOH

DL -fenyloalanina

2-bromo-3-fenylo-

propanian potasu

ftalimidek potasu

2.3 Synteza malonowa

Z malonianu dietylu łatwo otrzymuje się chronioną pochodną aminową, 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

HNO 2

COOEt

Zn/AcO H

COOEt

H 2 C

HON=C

AcHNC

Ac 2 O

COOEt

malonian dietylu oksym oksomalonianu dietylu acetamidomalonian dietylu (60%)

( izonitrozomalonian dietylu )

COOEt

NaOE t

CH 3 CH 2 CH 2 Br

1. H + /HOH

AcNHCNa(COOEt) 2

AcNHC(COOEt) 2

CH 3 CH 2 CH 2 CHCOOH

AcNHCH(COOEt) 2

∆ , - CO 2

EtOH

CH 2 CH 2 CH 3

NH 2

acetamidomalonian dietylu

2. NH 3

acetamidopropylomalonian dietylu kwas 2-aminopentanowy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: