Роль аминокислот в строении и свойствах растительных белков

Пептидная связь и основа структуры α-аминокислот

Все растительные белки строятся из аминокислот — универсальных структурных единиц, способных полимеризоваться и формировать устойчивые молекулярные цепи. В основе этого процесса лежит реакция между аминогруппой (–NH2) и карбоксильной группой (–СООН) с отщеплением молекулы воды. В результате образуется прочная пептидная (амидная) связь, формирующая каркас белкового полимера.

Молекула любой аминокислоты строится вокруг центрального атома углерода, с которым связаны четыре элемента: атом водорода (–Н), карбоксильная группа (–СООН), аминогруппа (–NH2) и боковая цепь (радикал R). Именно радикал R определяет индивидуальные химические свойства соединения. В зависимости от степени удаленности аминогруппы от карбоксильной выделяют несколько типов структур:

• α-аминокислоты — аминогруппа находится у ближайшего (α) атома углерода (например, аланин с метильной группой –СН3 или глицин с атомом водорода –Н);
• β-аминокислоты — аминогруппа расположена у второго (β) атома углерода (β-аминопропионовая кислота);
• γ-аминокислоты — аминогруппа у третьего (γ) атома углерода (γ-аминомасляная кислота);
• δ-аминокислоты — аминогруппа у четвертого (δ) атома углерода (δ-аминовалериановая кислота).

Хиральность и пространственная изомерия аминокислот

За исключением глицина, все α-аминокислоты обладают свойством хиральности (дисимметрии). Их молекулы содержат асимметричный атом (хиральный центр), соединенный с четырьмя разными функциональными группами. В роли такого центра чаще всего выступает углерод, но им также могут быть атомы кремния, азота, фосфора или магния. Это явление было открыто в 1848 году.

Хиральные соединения существуют в виде двух зеркальных форм (энантиомеров) — D и L. Если на проекционном изображении аминогруппа расположена справа от оси СООН–R, соединение относят к D-форме, если слева — к L-форме. Энантиомеры имеют одинаковые химические и физические свойства, но различаются по оптической активности — направлению вращения плоскости поляризованного света.

• Стандартная концентрация вещества — 1 г/мл
• Толщина измерительного слоя — 1 дм
• Длина волны света (D-линия натрия) — 546 нм

Форма, вращающая плоскость поляризации по часовой стрелке, обозначается знаком «+» (правовращающая), а против часовой стрелки — знаком «–» (левовращающая). Принадлежность к D- или L-ряду указывает исключительно на пространственное расположение атомов вокруг α-углерода и может не совпадать с направлением вращения луча. Поэтому существуют изомеры L(+), L(–), D(+) и D(–), при этом само направление вращения зависит от растворителя и pH среды.

Смесь равных количеств правых и левых энантиомеров образует рацемат, который оптической активностью не обладает. В растительном организме биохимические процессы строго избирательны: в построении функциональных белков участвуют только L-аминокислоты, что необходимо учитывать при оценке биологической активности агрохимикатов.

Растения по-разному относятся к D- и L-формам аминокислот, и если L-формы легко включаются в различные процессы обмена веществ, то D-формы растениями не ассимилируются, а иногда даже ингибируют процессы обмена. Это объясняется тем, что ферментативные системы организмов специфически приспособлены к L-аминокислотам. Большинство аминокислот D-ряда имеет сладкий вкус, а природные L-формы – горькие или безвкусные. Для разделения аминокислот на оптические антиподы пользуются химическими, микробиологическими и ферментативными методами. Синтетические аминокислоты являются рацематами, т. е. смесями D- и L-форм.

По внешнему виду аминокислоты – белые кристаллические порошки, большинство которых хорошо растворимы в воде при обычной температуре. Водные растворы аминокислот стабильны, и их можно автоклавировать при температуре 100–120°С.

Как было уже отмечено, аминокислоты содержат одновременно основную аминную и кислую карбоксильную группы. Поэтому они, как и другие амфотерные соединения, могут диссоциировать с образованием Н+– и ОН––ионов.

Все α-аминокислоты существуют в водной среде живых клеток преимущественно в виде биполярных ионов или цвиттер-ионов* с диссоциированной карбоксильной группой и протонированной аминогруппой:

NH3 2 NH2 + H+

Поэтому большинство аминокислот, будучи моноаминомонокарбоновыми, не обладают вблизи нейтральных значений рН сколько-нибудь выраженным зарядом.

Биполярность структур молекул аминокислот обусловливает целый ряд их свойств, в частности, хорошую растворимость большинства аминокислот в воде и сравнительно низкую – в органических растворителях, большие дипольные моменты их молекул, высокие значения диэлектрических постоянных и температуры плавления. В зависимости от рН среды аминокислоты могут быть в форме анионов, катионов, электронейтральных биполярных ионов или в виде смеси этих форм с доминированием одной из них. В сильнокислых растворах аминокис-

Цвиттер-ион – нейтральные молекулы, в которых одновременно присутствуют пространственно разделенные противоположные заряды.

лоты присутствуют в виде положительных ионов, а в щелочных – в виде отрицательных ионов, т. е. аминокислоты представляют собой амфотерные электролиты:

R –– С ОН  R –– С 2O

|  Н |

R –– С С