Aminokwasy.doc

Aminokwasy

Wyodrębniając grupę związków zwanych aminokwasami mamy na myśli przede wszystkim aminokwasy tworzące białka - a więc a-aminokwasy. Biorąc pod uwagę kryteria czysto chemiczne, do aminokwasów zaliczamy wszystkie związki posiadające w swojej strukturze zarówno grupę aminową jak i karboksylową. Konsekwencją tego faktu jest możliwość oddziaływań, czy wręcz reakcji zachodzących w obrębie jednej cząsteczki, posiadającej kwasowa grupę karboksylową i zasadową grupę aminową. Możliwe są oczywiście także oddziaływania międzycząsteczkowe tych grup, pochodzących z różnych cząsteczek.

Reakcje chemiczne, jakim ulegają aminokwasy są zgodne z oczekiwaniami dla związku zawierającego karboksyl, jak również dla aminy. Właściwości fizyczne i fizykochemiczne już jednak zaskakują. Aminokwasy są krystalicznymi ciałami stałymi, choć oczekiwalibyśmy raczej cieczy. Dość dobrze rozpuszczają się w wodzie, nie rozpuszczając się prawie w rozpuszczalnikach niepolarnych. Wyznaczona kwasowość jest wielokrotnie słabsza od mocy innych kwasów karboksylowych choć ze względu na obecność grupy aminowej w pozycji a do karboksylu oczekiwać raczej należało zwiększenia kwasowości. Wszystkie te i inne właściwości są wynikiem oddziaływania chemicznego między zasadową grupą aminową i kwasową grupą karboksylową.

Najbardziej spektakularnym objawem posiadania przez cząsteczkę aminokwasu dwóch grup o przeciwstawnym działaniu jest występowanie tzw. punktu izoelektrycznego. Cząsteczka aminokwasu w środowisku silnie kwaśnym (niskie pH) będzie występować jako sól amonowa (NH3+), zaś dysocjacja grupy karboksylowej w tych warunkach będzie całkowicie cofnięta. Na przykład kwas o stałej dysocjacji 10-7 w środowisku o pH=2 będzie zdysocjowany zaledwie w 0,00001%. W tych warunkach natomiast nastąpi silne protonowanie grupy aminowej do NH3+, co pozwala uznać, że w środowisku silnie kwaśnym cząsteczki aminokwasu występują w postaci dodatniego jonu. 

W przypadku, gdy aminokwas znajdzie się w roztworze o charakterze silnie zasadowym (wysoka wartość pH, np. pH=12), dysocjacja kwasowa dla tego samego kwasu będzie niemal całkowita. Zatem w tych warunkach aminokwas będzie występował w postaci anionu reszty kwasowej.

Jest rzeczą oczywistą, że istnieje między tymi skrajnymi wartościami pH taka wartość, przy której dysocjacja grupy karboksylowej i protonowanie grupy aminowej będzie identyczne. W roztworze o takim pH aminokwas będzie występował głównie w postaci jonu obojnaczego - cząsteczka będzie miała ładunek ujemny na tlenie zdysocjowanego karboksylu (–COO-) i dodatni na protonowanej grupie aminowej (NH3+). W konkretnym momencie w takim roztworze będą istniały  głównie jony obojnacze i pewna ilość cząsteczki obojętnych, niezdysocjowanych i roztwór będzie zachowywał się tak, jakby wszystkie cząsteczki były elektrycznie obojętne. Takie pH roztworu nazywamy punktem izoelektrycznym danego aminokwasu (ogólnie cząsteczki o charakterze kwasowo-zasadowym) a wartość tego pH wyznacza stosunek wartości stałej dysocjacji karboksylu i stałej dysocjacji grupy aminowej danego związku.

W roztworach o pH niższym (bardziej kwaśnych) zaczyna przeważać protonowanie aminy, przewagę zyskują jony dodatnie (amoniowe), zaś w roztworach o pH wyższym niż punkt izoelektryczny (roztwory bardziej zasadowe) przewagę zyskuje dysocjacja grupy karboksylowej i jony ujemne.

Ta właściwość uzyskiwania w zależności od pH środowiska ładunku dodatniego lub ujemnego przez cząsteczki aminokwasu (a także białek z aminokwasów zbudowanych)  legła u podstaw metody rozdzielania i identyfikacji polegającej na wywołaniu migracji cząsteczek w polu elektrycznym. Masa cząsteczki (lub cząstki), jej ładunek i struktura powodują w polu elektrycznym ruch w różnych kierunkach i z różną prędkością. Metoda taka nosi nazwę elektroforezy.

Aminokwasy syntetyczne otrzymywać można każdą skuteczna metodą, najczęstszym sposobem jest amonoliza a-chlorowcopodstawionych kwasów lub ich estrów.

Aminokwasy otrzymane syntetycznie są oczywiście racematami i dla uzyskania wzorców aminokwasów naturalnych lub substratów do syntezy peptydów należy rozdzielić je na  enancjomery - co nie jest sprawą łatwa ani tanią. 

  Naturalne aminokwasy to a-aminokwasy, a więc wszystkie - z wyjątkiem glicyny - posiadają centrum asymetrii przy węglu a i wszystkie charakteryzują się konfiguracją L. Organizm ludzki nie potrafi syntezować niektórych aminokwasów i muszą być one dostarczane do organizmu w pożywieniu, aby organizm mógł wytworzyć potrzebne białko. Są to tzw. aminokwasy egzogenne, w poniższym zestawieniu zaznaczone kolorem czerwonym.

Dwie cząsteczki aminokwasu mogą w reakcji kondensacji wytworzyć dipeptyd, łącząc się wiązaniem peptydowym i wydzielając cząsteczkę wody. 

Jeżeli do reakcji weźmiemy dwa różne aminokwasy, otrzymamy mieszaninę peptydów. Powstaną dipeptydy R'R', R"R", R'R" i R"R', a ponadto reakcja nie zatrzyma się na dipeptydach i powstaną dłuższe łańcuchy peptydowe. 

W celu prowadzenia syntezy peptydów w pożądanym kierunku, wydłużanie łańcucha peptydowego prowadzi się etapami, blokując grupę aminową, która nie ma brać udziału w danym etapie syntezy. Najczęściej przeprowadza się ją w ugrupowanie amidowe stosując taki kwas blokujący, który później można odłączyć od aminy bez zniszczenia nowopowstałego wiązania peptydowego. Acylowanie grupy aminowej najczęściej prowadzi się odpowiednim chlorkiem kwasowym.

Otrzymana pochodna zostaje poddana reakcji kondensacji z następnym aminokwasem

dając pochodną, która po hydrolizie przechodzi w pożądany peptyd

Postępując analogicznie możemy do powstałego peptydu dołączać następne aminokwasy, tworząc polipeptyd o założonej z góry sekwencji aminokwasów.

Peptydy, białka, a ogólniej wiązanie peptydowe HOOC-C-NH-(C=O)-C-NH ulegają barwnej reakcji biuretowej

Białka są naturalnymi produktami zbudowanymi z reszt aminokwasowych, połączonych w łańcuchy polipeptydowe o masie (umownie) powyżej 10 000. Podstawowa struktura cząsteczki białka, nazywana strukturą pierwszorzędową określona jest sekwencją aminokwasów tworzących łańcuch polipeptydowy o podstawowym schemacie:

Jest rzeczą oczywistą, że podany powyżej schemat nie odzwierciedla rzeczywistej struktury łańcucha polipeptydowego. Po pierwsze nie uwzględnia naturalnych kątów między wiązaniami w cząsteczce, a po drugie nie bierze pod uwagę wielkości i charakteru chemicznego podstawników R - podstawowej struktury aminokwasów składających się na polipeptyd, a dalej cząsteczkę białka. Ponieważ struktura pierwszorzędowa białek wyznacza sekwencję aminokwasów, a więc również sąsiedztwo podstawników R i możliwości ich oddziaływań (wiązania wodorowe) czy wręcz reakcji między nimi (np. kwas asparginowy i seryna, która jest alkoholem morgą teoretycznie wytworzyć ester), pośrednio wyznacza także strukturę drugorzędową. Struktura drugorzędowa opisuje ułożenie łańcucha polipeptydowego w przestrzeni oraz łańcuchów względem siebie. Stopień skomplikowania i wręcz nieskończona (w praktycznym rozumieniu tego słowa) ilość możliwych kombinacji w pierwszo- i drugorzędowej strukturze białka powoduje, że precyzyjne opisanie cząsteczki białka wymagać będzie tworzenia pojęć rzędowości wyższych stopni. 

Struktura białek warunkuje ich fizyczne, chemiczne, a co z tym ściśle związane, biologiczne właściwości poszczególnych białek. Generalnie można białka podzielić na dwie duże grupy - białka fibrylarne ("włókniste", nie rozpuszczalne w wodzie) i białka globularne ("kłębuszkowate", rozpuszczalne w wodzie). Ze względu na wielkość molekuły białka, roztwory wodne białek są roztworami koloidalnymi. Pod wpływem temperatury, silnych elektrolitów, stężonych alkoholi itp. następuje nieodwracalne zniszczenie struktury białka czyli denaturacja.  Ogólnie można przyjąć, że właściwości - szczególnie biologiczne - białek są bardzo wrażliwe na stosunkowo nawet niewielkie zmiany w środowisku w którym występują.

Podstawowe struktury aminokwasów tworzących białko zawierają różne grupy funkcyjne - kwasowe, zasadowe, pierścienie aromatyczne, grupy alkoholowe, atomy siarki itp., stąd w zależności od pH roztworu w jakim się znajdą przybierają, jako całość, ładunek ujemny lub dodatni. Jedynie przy pewnym, charakterystycznym dla danego białka, pH ich cząsteczki są obojętne i nie ulegają migracji w polu elektrycznym. Punkt ten, podobnie jak w przypadku aminokwasów, to punkt izoelektryczny. Związana z tym zjawiskiem elektroforeza należy do jednej z głównych metod rozdzielania i identyfikacji białek.