Изомерия аминокислот: детали

Изомерия: общие понятия 

Изомерами называются вещества одинакового состава (т.е. имеющие одинаковую суммарную формулу), но обладающие различными физическими и химическими свойствами. Если изомеры различаются порядком связи атомов, говорят о структурной изомерии (например, цитрат и изоцитрат, лейцин и изолейцин). Причиной других форм изомерии является различное расположение заместителей при двойной связи или наличие в молекуле хирального центра. 

Цис-транс-изомеры. Вращение вокруг двойной связи невозможно; поэтому заместители при атомах, связанных двойной связью, могут принимать две возможные ориентации. Так, в фумаровой кислоте, промежуточном соединении цитратного цикла, карбоксильные группы располагаются по разные стороны от плоскости двойных связей (транс-положение). В изомере, малеиновой кислоте, не встречающейся в обмене веществ, карбоксильные группы расположены по одну сторону от плоскости (цис-положение). Цис-транс-изомеры различаются по физическим и химическим свойствам, например, они имеют разные температуры плавления и константы диссоциации (pKa). Переход от одного изомера к другому возможен лишь с помощью химических реакций. 

Цис-транс-изомерия важна в метаболизме липидов. Так, заместители при двойных связях в природных жирных кислотах всегда находятся в цис-положении. Напротив, ненасыщенные интермедиаты при бета-окислении занимают транс-положение. Это обстоятельство усложняет расщепление ненасыщенных жирных кислот. В механизме зрительного восприятия ключевой реакцией является светозависимая цис-транс-изомеризация ретиналя. 

Конформеры. Изомеры, образующиеся за счет свободного вращения вокруг простых связей, носят название конформеров. Небольшие молекулы могут принимать в растворе множество конформаций. В конформерах янтарной кислоты расположение атомов такое же, как в фумаровой и малеиновой кислотах. Возможно существование обеих форм. Конформация, в которой две COOH-группы расположены по разные стороны от C-C-связи, из-за сильного отталкивания COOH-групп является предпочтительной и поэтому встречается чаще. Макромолекулы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, имеют вполне определенные конформации, стабилизированные благодаря внутримолекулярным взаимодействиям. 

Оптические изомеры. Еще один вид изомерии возникает в том случае, когда в молекуле имеется хиральный центр или молекула в целом является хиральной. Хиральность (от греч. cheir – рука) служит причиной образования структур, которые нельзя совместить, поскольку они являются зеркальными изображениями друг друга (зеркальная изомерия). Наиболее частая причина хиральных свойств – присутствие асимметрического атома углерода, т.е. атома с четырьмя различными заместителями. В этом случае образуются две формы (энантиомеры) с различной конфигурацией. Чаще всего энантиомеры носят название L- и D-формы. Для указания абсолютной конфигурации асимметрического атома пользуются R/S-номенклатурой.

Энантиомеры имеют очень близкие химические свойства. Основное различие между ними состоит в том, что они вращают плоскость поляризованного света в противоположных направлениях (оптическая активность). Это справедливо и в отношении молочной кислоты. Правовращающая L-молочная кислота встречается в мышцах и крови животных, а продуцируемая микроорганизмами D-форма может быть обнаружена, например, в молочных продуктах. Соединения, имеющие хиральные центры, часто изображают с помощью фишеровских проекций. 

Реакция, катализируемая аконитазой. Как правило, ферментативные реакции протекают стереоспецифически. В случае хиральных субстратов ферменты используют только один из энантиомеров, а конечный продукт реакции чаще всего также бывает стерически однороден. Аконитаза (аконитат-гидратаза) катализирует преварщение цитрата в структурный изомер изоцитрат. Хотя лимонная кислота не относится к хиральным соединениям, в данном случае в качестве конечного продукта реакции образуется только одна из четырех возможных изомерных форм, 2R,3S-изолимонная кислота. Кажущаяся асимметрия молекулы цитрата связана с тем, что промежуточный продукт реакции, ненасыщенная трикарбоновая аконитовая кислота, вступает в реакцию только в цис-форме. Транс-аконитовая кислота встречается в некоторых растениях. 

Поляриметрия, мутаротация

Метод поляриметрии основан на свойстве оптически активных веществ взаимодействовать с поляризованным светом. В поляриметре луч от источника света проходит через два последовательно установленных фильтра – неподвижный, поляризатор, и вращаемый, анализатор. Оба поляризующих фильтра находятся в одной фазе и беспрепятственно пропускают поляризованный свет. Две части поля анализатора выглядят при этом максимально освещенными. Оптически активные вещества обладают свойством вращать плоскость поляризованного света вправо или влево на угол альфа. Если раствор такого вещества поместить между двумя фильтрами, рабочее поле анализатора темнеет. Вращением анализатора устанавливают равенство освещенности двух частей поля, угол поворота анализатора отсчитывают по лимбу. Измеряемый угол вращения альфа зависит от типа хирального соединения, его концентрации и толщины слоя раствора (длины поляриметрической трубки). Полученный при измерении угол альфа пересчитывается на удельное или на молекулярное вращение, соответственно [α] или [M].

Альфа- и бета-аномеры глюкозы могут быть получены в чистом виде. Угол вращения 1M раствора альфа-D-глюкозы составляет +112°, тогда как для 1M раствора бета-D-глюкозы он равен +19°. В растворе эти величины изменяются самопроизвольно до конечного значения +52°, т.е. в растворе за счет мутаротации достигается равновесие между альфа- и бета-формой. Независимо от исходного состава образца в равновесном состоянии содержание бета-формы составляет 62%, а альфа-формы – 38%.

Стереохимия аминокислот

Природные аминокислоты являются 2-аминокарбоновыми кислотами (или альфа-аминокислотами, в отличие от бета-аминокислот, таких, как бета-аланин и таурин). У альфа-аминокислот при атоме C-2 (Cα) имеются четыре различных заместителя: карбоксильная группа, аминогруппа, водородный атом и боковая цепь R. Таким образом, все альфа-аминокислоты, кроме глицина, имеют ассиметрический (хиральный) альфа-углеродный атом и существуют в виде двух энантиомеров (L- и D-аминокислот). Протеиногенные аминокислоты относятся к L-ряду. D-аминокислоты встречаются в бактериях, например в составе муреинов, и в пептидных антибиотиках.

На плоскости хиральные центры принято изображать с помощью проекционных формул, предложенных Фишером. Проекционные формулы выводятся из трехмерной структуры следующим образом: тетраэдр поворачивают таким образом, чтобы наиболее окисленная группа (в случае аминокислот карбоксильная) была ориентирована вверх. Затем вращают до тех пор, пока линия, соединяющая COO- и R, не окажется в плоскости стола. В этом положении у L-аминокислот NH3+-группа будет направлена влево, а у D-аминокислот – вправо.

Живые организмы различают L- и D-формы аминокислот. Показано, что дрожжи и плесневый гриб Penicillium glaucum используют L-глутаминовую кислоту и L-лейцин, но не усваивают D-формы этих аминокислот. Большинство D-изомеров обладают сладким вкусом, а L-формы аминокислот безвкусные или горькие.

В составе белков обнаруживаются только L-аминокислоты. Если гидролиз белков проводят в мягких условиях, то аминокислоты сохраняют свою оптическую активность. В процессе химического синтеза аминокислот или при их кипячении в присутствие сильных оснований происходит рацемация и образуется D,L-смесь аминокислот, не обладающая оптической активностью. 

D-формы аминокислот в природе встречаются редко. Они входят, например, в состав клеточных стенок некоторых микроорганизмов, являются компонентом пептидных антибиотиков (грамицидин, актиномицин D); очень редко обнаруживаются у растений. 

Анисимов А.А. Основы биохимии. 

Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия.