Аминокислоты - общая формула, классификация и основные свойства соединений

Структура аминокислот

В биологии аминокислоты относятся к органическим соединениям. Основными элементами, из которых состоит АМК, являются: углерод, водород, кислород, азот. Существуют некоторые соединения, в формулу которых входят и другие химические компоненты. В структуру мономеров одновременно входят:

• карбоксилы — COOH;
• аминогруппы — NO₂.

Из имеющихся 500 видов АМК, встречающихся в природе, существует 20 типов аминокислот, которые являются мономерами белка. Простейшее строение молекулы аминокислоты получается в результате соединения карбоксила и аминогруппы с атомом углерода и радикалом водорода.

От девятнадцати остальных мономеров белка строением отличается аминокислота пролин, в которой водород связан как с углеродом, так и с аминогруппой, поэтому молекула имеет циклическую форму. Остальные аминокислоты обладают асимметричным атомом углерода, с которым соединены четыре разные группы, замещающие друг друга.

В природе существуют две формы изомерных соединений L и D. Исключением считается глицин, структурная конфигурация которого отличается отсутствием α-углерода, а в качестве радикала присутствует только водород. В течение длительного времени чистые L- и D-изомеры могут не ферментативно преобразовываться в их самостоятельную эквимолярную смесь.

В биологии этот процесс носит название рацемизации. При конкретной температуре в присутствии катализатора превращение любой L-аминокислоты протекает с определенной скоростью. Такой факт можно использовать для определения возраста людей и животных.

Например, в эмали зубов находится белковое вещество дентин, в котором со скоростью 0,01% L-аспартат переходит в D-изомер. Когда зубы начинают только формироваться, то в эмали присутствует только L-аминокислота, поэтому через некоторое время, посчитав процент D-изомеров, можно узнать возраст человека.

Основные свойства и характеристики

Все 20 видов АМК, которые являются мономерами в биологических полимерах белках, различаются по структуре, размерам и химическим свойствам радикалов, связанных с атомом углерода. В отличие от растений, где синтезируются все типы аминокислот, в организме человека и животных насчитывается всего два вида. К ним относятся:

1. Заменимые аминокислоты — поддаются синтезированию.
2. Незаменимые — синтезу не подвергаются.

Второй тип АМК попадает в организм человека вместе с пищей. Кроме того, белки могут быть полноценными и неполноценными, в зависимости от состава мономеров. В первом виде органических соединений наблюдается полный комплект аминокислот, а во втором — некоторые компоненты отсутствуют.

Простые биологические полимеры состоят только из АМК, а в сложных еще присутствует простетическая группа, которая не относится к аминокислотам. В такую группу могут входить: металлопротеины, гликопротеины, липопротеины, нуклеотиды. Последние являются одной из составляющих единиц нуклеиновой кислоты и молекулы ДНК. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксилов, аминокислоты бывают:

1. Нейтральными, имеющими по одной амино- и карбоксильной группе.
2. Основными, в состав которых входит несколько аминогрупп.
3. Кислыми, которые обладают несколькими карбоксильными группами.

В растворах мономеры могут быть кислотами и основаниями, поэтому они относятся к амфотерным соединениям. Благодаря внутримолекулярному взаимодействию цепи из полипептидов образуют пространственные конформации белков. На их конкретном участке формируется центр, который соединяется с молекулами-лигандами.

Первичная структура белка, так называется последовательность мономеров, изменяясь, может привести к преобразованию структуры, функций органического соединения и привести к появлению заболеваний. Белки представляют собой некую закодированную информацию, где ее исходными данными служат мономеры. Эти сведения сообщают о пространственном строении и функциях органического соединения.

Классификация мономеров

Классификация мономеров белка довольно разнообразна, а зависит она от множества видов структур и свойств. По строению молекулы в клетке различают D- и L-формы. Отличаются они друг от друга расположением четырех замещающих групп, связанных центральным атомом углерода.

В зависимости от расположения аминогруппы, существуют α, β, γ и другие мономеры. В организмах животных и человека в основном присутствуют α-аминокислоты. По оптической активности мономеры разделяются на лево- и правовращающие.

Аминокислоты совершают поворот на определенный угол, который можно измерить поляриметром. По участию органических соединений в синтезе белка их делят на протеиногенные и непротеиногенные. К первому классу относятся α-аминокислоты, которые, в свою очередь, классифицируются:

1. По строению бокового радикала — на неполярные и полярные.
2. По электрохимическим свойствам — на нейтральные, кислые и основные.

Биологический синтез протеиногенных АМК происходит разными путями, поэтому выделяют несколько биосинтетических семейств: аспартата, глутамата, серина, пирувата, пентоз. Аминокислотная классификация мономеров базируется на химической структуре радикалов, хотя сейчас в основном во внимание принимается их полярность. По этому параметру существует четыре класса АМК:

• неполярные;
• полярные;
• отрицательно заряженные;
• положительно заряженные.

В свою очередь, неполярные мономеры разделяются: на алифатические (аланин, лейцин, валин), ароматические (фенилаланин, триптофан), серосодержащие (метионин). В полярные АМК входят: оксиаминокислоты (серин, треонин), амидная группа (глутамин, аспарагин), глицин. К отрицательно заряженным соединениям относятся кислоты: аспарагиновая, глутаминовая.

В положительно заряженные органические соединения входят: лизин, гистидин, аргинин. Биологический распад аминокислот происходит разными способами. По свойствам остатков продуктов после катаболизма у животных протеиногенные АМК делятся:

• На глюкогенные — в результате распада образуются метаболиты, которые не повышают число кетоновых тел.
• Кетогенные — распадаются на составляющие, которые увеличивают количество кетоновых тел в организме животного и человека.
• Глюко-кетогенные — образуются метаболиты обоих видов.

К кетоновым телам относятся: ацетон, ацетоуксусная кислота.

Значение АМК для человека

Исследования показали, что аминокислоты играют важную роль в работе мозга и нервной системы человека. Их малое количество в клетках центральной нервной системы приводит к депрессивному состоянию, бессоннице и усталости. Для предотвращения такой патологии особенно подходят:

• глицин;
• триптофан;
• теанин.

Глицин в основном поступает в организм с пищей, но частично может синтезироваться в организме. Он считается важным элементом для клеток головного мозга, так как улучшает обмен веществ и укрепляет стенки кровеносных сосудов. Нехватка этого вида АМК приводит к эмоциональному напряжению и повышает артериальное давление.

На нервную систему также благотворно влияет триптофан, который в организме трансформируется в серотонин — «гормон радости». Но особый интерес представляет танин, так как между ним и предыдущими видами есть некоторые отличия. Кроме того, что этот мономер активизирует работу головного мозга, он не оказывает никакого отрицательного влияния на нервную систему.

Серосодержащий метионин принимает непосредственное участие в выработке холина, адреналина и креатина. Он способствует формированию фосфолипидов, которые считаются основными компонентами клеточных оболочек печени. Органическое соединение карнитин держит ответ за общую работоспособность всего организма, особенно у людей пенсионного возраста.

Во время интенсивных занятий спортом он обеспечивает снижение веса за счет уменьшения содержания жиров в мышечных тканях. Карнитин обеспечивает органы тела энергией, значительно повышая выносливость организма к физическим нагрузкам. Появление любого заболевания указывает на то, что в организме нарушен дисбаланс аминокислот.