Образование гистидина. Формула гистидина структурная химическая

Гистидин: формула, химические реакции

Образование гистидина. Формула гистидина структурная химическая

Каждый из нас хоть раз в жизни задумывался о своём питании.

Вот, например, какая суточная норма различных необходимых организму веществ поступает к нам с пищей? Какие аминокислоты нам нужны и для чего? Сегодня мы, конечно, не будем говорить о правильном питании в целом, так как для этого мало одной и даже десятка статей.

Расскажем лишь об одном веществе, которое, несомненно, очень важно для организма. Это аминокислота гистидин. Химическое название ее звучит сложно – L-2-амино-3-(1H-имидазол-4-ил) пропановая кислота. Но обо всём по порядку.

Что такое аминокислота?

Прежде чем обсуждать свойства гистидина и его роль в организме, разберёмся с понятием “аминокислота”. Те, кто увлекался спортом, слышали об этих веществах. Аминокислота представляет собой органическое соединение, имеющее две основные функциональные группы, делающие её особенной: это аминогруппа -NH2 и так называемая карбоксильная группа -COOH.

Первая отвечает за основные свойства этого необычного класса соединений. Благодаря азоту и его паре электронов аминокислота может образовывать положительно заряженные ионы. При этом аминогруппа превращается вот в такой ион: -NH3+.

Вторая функциональная группа отвечает за кислотные свойства. Она способна отдавать протон, превращаясь в анион -COO-. Такое явление даёт возможность образовывать соли со стороны карбоксильной группы.

Таким образом, аминокислота имеет две части, каждая из которых способна образовать соли. Одна из них обеспечивает этим соединениям свойства кислот, а другая – оснований.

В общем виде аминокислоту можно представить так: NH2-CH(R)-COOH.

Букву R здесь следует понимать как “радикал”, то есть какую-либо органическую частицу, состоящую из функциональных групп и углеродного скелета и способную образовать связь (или связи) с основой молекулы аминокислоты.

Как правило, даже те, кто не знаком с фармакологией и не увлекался спортом, хоть раз слышали, хотя бы из рекламы, что аминокислоты нам нужны и очень полезны. Давайте разберёмся, какие функции они выполняют в организме и зачем нужно получать их в необходимой норме из пищи.

Функции аминокислот в организме

Как известно, все мы состоим из белков, жиров и углеводов. И их же мы потребляем в пищу для поддержания своей жизнеспособности. Но в теме данной статьи нам интересны лишь белки. Это огромные молекулы, выполняющие совершенно разные и очень важные функции в нашем организме: транспорт веществ, создание новых клеток, усиление связей между нейронами мозга.

Заговорили о белках мы не просто так. Дело в том, что все такие вещества состоят из аминокислот, в число которых входит и гистидин. Формула даже самого простого белка насчитывает по крайней мере десяток аминокислот, соединённых в полипептидную цепь.

Каждый из них имеет своё строение и форму, которая позволяет ему выполнять ту функцию, ради которой он и был создан природой.

Формула любой аминокислоты включает, как мы уже выяснили, как минимум две функциональные группы и углеродный скелет, соединяющий их. Именно поэтому различие между всеми аминокислотами (которых, кстати, найдено уже несколько миллионов) состоит в длине углеродного мостика между двумя группами и в структуре радикала, присоединённого к нему.

Тема нашей статьи – это одна из аминокислот – гистидин. Формула этой незаменимой кислоты непростая. В главной углеродной цепи между двумя функциональными группами мы видим всего один атом углерода.

На самом деле у всех незаменимых протеиногенных (способных создавать белки) аминокислот также всего один атом углерода в этой цепи. Кроме того, гистидин имеет сложную структуру радикала, включающую цикл. Выше вы можете увидеть, что представляет собой гистидин.

Формула, структурная особенность которой заключается в гетероцикле (включение каких-либо других атомов, кроме углерода), на самом деле представляет далеко не самое сложное вещество.

Итак, раз мы разобрали основные понятия, перейдём к реакциям, которые можно осуществить, имея при себе гистидин.

Химические свойства

Реакции, в которые вступает эта аминокислота, весьма немногочисленны. Кроме реакций с кислотами и основаниями, она вступает в биуретовую реакцию, образуя окрашенные продукты. Кроме того, гистидин, формула которого включает остатки имидазола, может взаимодействовать с сульфаниловой кислотой в реакции Паули.

Заключение

Пожалуй, все основные детали мы разобрали. Надеемся, что статья была полезной для вас и дала вам новые знания.

Источник: https://FB.ru/article/280506/gistidin-formula-himicheskie-reaktsii

Учебный сайт Заиры Сефербековой

Образование гистидина. Формула гистидина структурная химическая

Введение

Таблица 1.

Общая информация о гистидине

Тривиальное название Гистидин / Histidine
Трехбуквенный код His
Однобуквенный код H
Название по IUPAC L-α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота
Структурная формула
Брутто-формула C₆H₉N₃O₂
Молярная масса 155,16 г/моль
Химические характеристики гидрофильный, протонируемый, ароматический
PubChem CID 6274
Заменимость Незаменимая
Кодируется CAU и CAC
Изображение в шариково-стержневой модели с подписанными именами тяжелых атомов
Молекула гистидина

Вращение:
Тяжелые атомы:
Водород:

Гистидин представляет собой альфа-аминокислоту с имидазольной функциональной группой. Гистидин был открыт немецким врачом Косселем Альбрехтом в 1896 году.

Изначально полагалось, что эта аминокислота незаменима только для младенцев, однако в ходе долгосрочных исследований было установлено, что она также важна и для взрослых людей. Для человека суточная потребность в гистидине 12 мг на кг веса. Вместе с лизином и аргинином образует группу основных аминокислот.

Входит в состав многих ферментов, является предшественником в биосинтезе гистамина. В большом количестве содержится в гемоглобине. Кольцо имидазола у гистидина является ароматическим при всех значениях рН. Оно содержит шесть пи-электронов: четыре из двух двойных связей, и два из пары азота.

Оно может формировать пи-связи, однако это осложняется его положительным зарядом. При 280 нм оно не способно поглощать, однако в нижней части УФ-диапазона оно поглощает даже больше, чем некоторые аминокислоты.

Гистидином богаты такие продукты как тунец, лосось, свиная вырезка, говяжье филе, куриные грудки, соевые бобы, арахис, чечевица, сыр, рис, пшеница.

Было показано, что добавки гистидина вызывают быстрое выделение цинка у крыс при увеличении скорости экскреции от 3 до 6 раз[2].

Биохимия

Рисунок 1. Биосинтез гистидина

Предшественником гистидина, как и триптофана, является фосфорибозилпирофосфат. Путь синтеза гистидина пересекается с синтезом пуринов.

Имидазольная боковая цепь гистидина является общим координирующим лигандом в металлопротеинах и частью каталитических центров у определенных ферментов. В каталитических триадах основный азот гистидина используется для получения протона из серина, треонина или цистеина, и активации его в качестве нуклеофила.

Гистидин используется для быстрого трансфера протонов, абстрагируя протон с его основным азотом, и создавая положительно заряженные промежуточные вещества, а затем используя другую молекулу, буфер, чтобы извлечь протон из азотной кислоты.

В карбоангидразе гистидинный протонный трансфер используется для быстрого транспортирования протонов из цинк-связанной молекулы воды, чтобы быстро регенерировать активные формы фермента. Гистидин также присутствует в гемоглобиновых спиралях Е и F.

Гистидин помогает стабилизировать оксигемоглобин и дестабилизировать CO-связанный гемоглобин. В результате, в гемоглобине связывание окиси углерода сильнее только лишь в 200 раз, по сравнению с 20 000 раз в свободной геме. Некоторые аминокислоты могут быть превращены в промежуточные соединения в цикле Кребса.

Углероды из четырех групп аминокислот образуют промежуточные вещества цикла – альфа-кетоглютарат (альфа-КТ), сукцинил-КоА, фумарат и оксалоацетат. Аминокислоты, образующие альфа-КГ – глутамат, глутамин, пролин, аргинин и гистидин. Гистидин преобразуется в формиминоглютамат (FIGLU). Аминокислота является предшественником гистамина и биосинтеза карнозина.

Рисунок 2. Биосинтез гистамина

Гистидин входит в состав активных центров множества ферментов, является предшественником в биосинтезе гистамина (см. рис.2). Фермент гистидин аммиаклиазы преобразует гистидин в аммиак и уроканиновую кислоту.

Недостаток этого фермента наблюдается при редком метаболическом расстройстве гистидинемии. В антинобактерии и нитчатых грибах, таких как Neurospora сrаssа, гистидин может быть преобразован в антиоксидант эрготионеин[2].

Основные функции:

• синтез белков; • поглощение ультрафиолетовых лучей и радиации; • производство красных и белых кровяных телец; • выработка гистамина; • выделение эпинефрина; • секреция желудочного сока; • антиатеросклеротическое, • гиполипидемическое действие; • выведение солей тяжелых металлов; • здоровье суставов.

Системы и органы:

– органы ЖКТ; – печень; – надпочечники; – костно-мышечная система; – нервная система (миелиновые оболочки нервных клеток).

Последствия дефицита:

– ослабление слуха; – задержка умственного и физического развития; – фибромиалгия.

Болезни:

– гистидинемия.

Последствия избытка: Избыток гистидина может способствовать возникновению дефицита меди в организме.

Физико-химические свойства

Молекула гистидина при разных pKa

Вращение:
Тяжелые атомы:

Рисунок 3. Кривая титрования гистидина

Имидазольная боковая цепь гистидина имеет рКа около 6,0. Это означает, что при физиологически соответствующих значениях рН, относительно небольшие изменения в рН могут изменять средний заряд цепи. При рН ниже 6 имидазольное кольцо является в основном протонированным, как в уравнении Хендерсона-Хассельблаха.

При протонировании кольцо имидазола имеет две NH связи и положительный заряд. Положительный заряд равномерно распределяется между двумя атомами азота. На рис.3 представлена кривая титрования гистидина (файл Excel с вычислениями).

Из кривой титрования следует, что остовная карбоксильная группа имеет рКa1=1,82, протонированная аминогруппа амидазола — рКa2= 6,00, а остовная протонированная аминогруппа — рКa3=9,17. При рН = 7,58 гистидин существует в виде биполярного иона (цвиттер-иона), когда суммарный электрический заряд молекулы равен 0. При этом значении рН молекула гистидина электронейтральна.

Такое значение рН называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. Изоэлектрическая точка рассчитывается как среднее арифметическое двух соседних значений рКa.
Для гистидина: рI= ½ *c(рКa2 + рКa3) = ½ * (6,00 + 9,17) = 7,58.

Рисунок 4. Формы гистидина

На рис.4 показаны разные формы существования молекулы гистидина. Это стоит понимать так: при определенном рКa появляется соответствующая форма, и затем процент ее содержания постепенно увеличивается.

Белок-белковые контакты

Белок-белковые контакты

Вращение:Тяжелые атомы:
Измерения:
Скрипт

Вы увидите (по порядку): 1) шаро-стержневая модель гистидина (до нажатия каких-либо кнопок) 2) общий вид пептидной связи на примере гистидина и глицина (PDB ID:1W4S, [HIS]198 и [GLY]199)(после нажатия “Запустить”) 3) общий вид остовной водородной связи на примере гистидина и валина (PDB ID:1W4S, [HIS]974:A и [VAL]964:A) (после нажатия “Продолжить”) 4) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:5EC4, [HIS]119 и [GLN]100) (здесь и далее после следующих нажатий “Продолжить”) 5) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:5EC4, [HIS]93 и [GLU]72) 6) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:5HBS, [HIS]48 и [ASP]63) 7) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:5HBS, [HIS]137 и [HIS]135) 8) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:5E9N, [HIS]219 и [TYR]284) 9) водородная связь с участием боковой цепи (PDB ID:3X2M, [HIS]112 и [SER]14) 10) солевой мостик (PDB ID:1us0, [HIS]240 и [ASP]284) 11) солевой мостик (PDB ID:1US0, [HIS]187 и [GLU]185) 12) возможное стэкинг-взаимодействие (PDB ID:5E9N, [HIS]137 и [TYR]7) 13) возможное стэкинг-взаимодействие (PDB ID:5E9N, [HIS]10 и [PHE]50) Гистидин способен образовывать не только водородные связи с участием остова, но и с участием боковой цепи. Кроме того, из-за полярности молекулы возможно образование солевых мостиков с отрицательно заряженными аминокислотами (схематично показаны желтым). Также ароматический гистидин может вступать в стэкинг-взаимодействия с другими ароматическими аминокислотами. В гидрофобные взаимодействия гистидин не вступает из-за своей гидрофильности. Белок–белковые взаимодействия лежат в основе многих физиологических процессов, связанных с ферментативной активностью и ее регуляцией, электронным транспортом и др. Процесс образования комплекса двух белковых молекул в растворе можно условно разделить на несколько стадий: 1) свободная диффузия молекул в растворе на большом расстоянии от других макромолекул, 2) сближение макромолекул и их взаимная ориентация за счет дальнодействующих электростатических взаимодействий с образованием предварительного (диффузионно-столкновительного) комплекса, 3) трансформация предварительного комплекса в финальный, т. е. в такую конфигурацию, в которой осуществляется биологическая функция.

Альтернативно диффузионно-столкновительный комплекс может распасться без образования финального комплекса. При трансформации предварительного комплекса в финальный происходят вытеснение молекул растворителя из белок-белкового интерфейса и конформационные изменения самих макромолекул. Важную роль в этом процессе играют гидрофобные взаимодействия и образование водородных связей и солевых мостиков[3].

Факторы, регулирующие белок-белковые взаимодействия:

  • Концентрация белка, которая, в свою очередь, определяется уровнем экспрессии и скоростью деградации;
  • Аффиностью белка к другим белкам или лигандам;
  • Концентрация лигандов (субстраты, ионы, и т. д.);
  • Присутствие других белков, нуклеиновых кислот и ионов;
  • Электрическими полями вокруг белка;
  • Присутствие ковалентных модификаций[4].

ДНК-белковые контакты

Рисунок 5. Взаимодействие гистидина и ДНК (PDB ID: 5B24, [HIS]31:G.NE2 и [DT]112:I.OP2)

Устойчивость нуклеопротеидных комплексов обеспечивается нековалентным взаимодействием. У различных нуклеопротеидов в обеспечение стабильности комплекса вносят вклад различные типы взаимодействий.
На рис.

5 показано взаимодействие гистидина и фосфатной группы остова ДНК. Это взаимодействие обусловленно положительным зарядом гистидина.

Было найдено множество подобных взаимодействий (все образованы по единому принципу, поэтому смысла приводить их все нет).

Примечания и источники:

[1] Работа выполнялась вместе с Тепловой Анастасией // Ее сайт.
[2] Гистидин // LifeBio.wiki.
[3] Компьютерные исследования и моделирование, 2013, Т. 5 No 1 С. 47−64 // С.С.Хрущевa, А.М.

Абатурова и другие // Моделирование белок-белковых взаимодействий с применением программного комплекса многочастичной броуновской динамики ProKSim.
[4] Белок-белковые взаимодействия // Wikipedia.

[5] Нуклеопротеиды // Wikipedia.

Источник: https://kodomo.fbb.msu.ru/~seferbekova/term2/pr3/histidine/histidine_rus.html

Образование гистидина

Образование гистидина. Формула гистидина структурная химическая

Гистидин – условно-незаменимая аминокислота. В организме человека она синтезируется в количестве, недостаточном для обеспечения нормальной жизнедеятельности, поэтому обязательно должна поступать с пищей. Для детей данная аминокислота является незаменимой.

Аминокислота гистидин входит в состав белков, поэтому называется протеиногенной. Она необходима для роста и развития всех органов и тканей, играет важную роль в синтезе гемоглобина – переносчика кислорода в крови, входит в активный центр многих ферментов, является предшественников важных соединений: гистамина, карнозина, ансерина.

            Гистидин – гетероциклическая диаминомонокарбоновая аминокислота.

структурная формула гистидина

Молекула гистидина имеет один карбоксильный кислотный хвост, и две аминные головы, одна из которых включена в циклическое соединение. Имея две аминные головы, аминокислота обладает основными свойствами, т.е.

в водном растворе сдвигает водородный показатель (рН) в щелочную сторону (>7). Аминокислота обладает высокогидрофильными свойствами, т.е. хорошо растворяется в воде.

В глобулярных белках располагается преимущественно на поверхности.

Гистидин называют суперкатализатором по его значению в ферментативном катализе,  т.к. он входит в активный центр многих ферментов.

Биологическая потребность

Суточная потребность в гистидине составляет для взрослого человека 1,5-2 г., для грудных детей: 34 мг\кг. веса, т.е. 0,1 – 0,2 г.

Биосинтез гистидина

Биосинтез гистидина очень сложен, это каскад из 9 реакций, неудивительно, что организм предпочитает получить аминокислоту в готовом виде. Начальными соединениями для синтеза гистамина выступают: аденозин-трифосфорная кислота (АТФ) и 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ).

АТФ – это та горючка, на которой работает организм, соединение, поставляющее энергию. Она имеет сложное строение и состоит из пуринового основания аденина, пятичленного сахара рибозы и трех хвостов – остатков фосфорной кислоты.

5-фосфорибозил-1пирофосфат (ФРПФ) – соединение, образующееся из рибозо-5-фосфата, пятичленного сахара рибозы с присоединенным хвостом фосфорной кислоты. Рибоза-5-фосфат образуется, как конечный продукт пентозо-фосфатного цикла, каскада реакций превращения глюкозы – обычного сахара.

Рибозо-5-фосфат присоединяет к себе два фосфорных хвоста из молекулы АТФ и превращается в необходимый для синтеза гистидина 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ). Таким образом, начальными продуктами синтеза являются: сахар глюкоза и 2 молекулы АТФ.

Синтез молекулы гистидина начался. Конвейер заработал. К молекуле 5-фосфорибозил -1- пирофосфата (ФРПФ) присоединяется молекула АТФ.

При этом от молекулы ФРПФ отрывается пирофосфатный хвост, а пуриновое ядро азотистого основания АТФ присоединяется к углероду пятичленного сахара рибозы в молекуле ФРПФ.

На втором этапе от образовавшегося монстра отщепляются еще два фосфорных остатка, которые на начальном этапе принадлежали АТФ.

Образуется соединение фосфорибозилАМФ.

Третий этап. Гидролиз, т.е. присоединение воды к пуриновому ядру, принадлежащему изначально молекуле АТФ. Углеродное кольцо разрывается, кислород воды присоединяется к углероду, а пара водородов отходит к соседним азотам, каждому по водороду, чтобы никому обидно не было.

Четвертый этап. Кольцо пятичленного сахара рибозы размыкается, колечко рибозы разворачивается, при этом отщепляется молекула воды.

На пятом этапе происходит метаморфоза. В реакцию вступает глутамин, который отдает азотистый остаток, а забирает гидроксильный остаток — ОН, превращаясь в глутаминовую кислоту (глутамат).

Глутаминовая кислота и глутамин – два соединения, постоянно обменивающиеся азотными головами. Аммиак, образующийся при работе, захватывается глутаминовой кислотой, которая превращается в глутамин – транспортную форму переноса азотистой группы. Глутамин используется в разнообразных реакциях синтеза,  вот и для образования имидазольного кольца гистидина пригодился.

Реакция обмена азотистой головой глутамина с глутаминовой кислотой выглядят так:

 Соединение, идущее на синтез гистидина, перегруппировывается, от него отщепляется корона – рибонуклеотид — 5-аминоимидазол-4-карбоксамид – промежуточный продукт синтеза АТФ. На синтез АТФ оно и направится.

Другой продукт расщепления содержит пять атомов углерода из первоначального скелета сахара рибозы, один атом углерода и один атом азота, отщепленные от первоначально вступившей в реакцию молекулы АТФ, и один атом азота, принесенный глутамином. Одновременно замыкается имидазольное кольцо.

В результате получается заготовка для гистидина.

На шестом этапе отщепляется еще одна молекула воды

Седьмой этап:  молекула глутаминовой кислоты жертвует свою аминную голову, превращаясь в α-кетоглутарат. Аминная голова глутаминовой кислоты (глутамата) приращивается к заготовке гистидина.

Соединение теряет фосфорный хвост, превращаясь в спирт

На заключительном этапе образовавшийся спирт окисляется молекулой НАД, и спирт превращается в аминокислоту.

Весь цикл превращения выглядит так:

Веществами – предшественниками для синтеза гистидина выступают:

  1. Глюкоза, которая в пентозо-фосфатном цикле превращается в фосфорибозил-пирофосфат (ФРПФ). Углеродный скелет сахара станет углеродным скелетом аминокислоты
  2. Две молекулы АТФ, одна жертвует фосфорным хвостом для синтеза ФРПФ, другая отдает пуриновое основание для синтеза имидазольного кольца гистидина
  3. Глутаминовая кислота, которая расходуется очень экономно: первоначально молекула глутаминовой кислоты захватывает аммиак, превращаясь в глутамин, необходимый для синтеза гистидина. В ходе реакции глутамин отдает азотную группу, вновь превращаясь в глутаминовую кислоту, которая может быть использована для дезаминирования, дабы отдать азотную группу заготовке гистидина.
  4. Две молекулы НАД для окисления спирта в аминокислоту.

Другая схема того же каскада реакций:

На всех этапах синтеза задействованы ферменты:

  1. АТФ-фосфорибозил трансфераза
  2. Пирофосфогидролаза
  3. Фосфорибозил АМФ циклогидролаза
  4. Фосфорибозил формимино-5-аминоимидазол-4-карбоксамид рибонуклеотид изомераза
  5. Глутамин амидо трансфераза
  6. Имидазолглицерол – 3 – фосфатдегидратаза
  7. Гистидинол фосфат амино трансфераза
  8. Гистидинол фосфат фосфатаза
  9. Гистидинол дегидрогеназа

Синтезировать самостоятельно гистидин – трудно и энергозатратно. Куда проще получить его в готовом виде из продуктов питания.  А надобность в гистидине велика. О биологической роли аминокислоты читайте далее: http://zaryad-zhizni.ru/biologicheskaya-rol-gistidina/

Источник: https://zaryad-zhizni.ru/obrazovanie-gistidina/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.