Классификация аминокислот по полярности радикала

Все двадцать протеиногенных аминокислот построены по одному плану: центральный атом углерода несёт аминогруппу, карбоксильную группу, водород и боковую цепь, которую обозначают буквой $R$. Именно радикал $R$ задаёт химическое лицо аминокислоты, а аминная и карбоксильная части у всех одинаковы. Поэтому классификация аминокислот по полярности радикала строится не на общем скелете, а на том, как боковая цепь ведёт себя в воде: притягивает ли она молекулы воды, несёт ли заряд, прячется ли от растворителя. Ниже разберём логику деления на четыре группы и научимся быстро относить незнакомую аминокислоту к нужному классу. А чтобы проверить себя на конкретном примере, соберите запрос в форме ниже.

Почему классифицируют именно по радикалу

Аминогруппа и карбоксильная группа есть у каждой аминокислоты и при физиологическом $pH \approx 7{,}4$ они почти всегда ионизованы: карбоксил отдаёт протон и несёт минус, аминогруппа присоединяет протон и несёт плюс. Эти заряды нейтрализуют друг друга и формируют цвиттер-ион. Различия между двадцатью аминокислотами целиком определяются радикалом. Поэтому когда говорят про полярность аминокислоты, имеют в виду полярность её боковой цепи $R$, а не всей молекулы.

Полярность радикала важна не сама по себе. От неё зависит, окажется ли остаток внутри свёрнутого белка или на его поверхности, будет ли он образовывать водородные связи, участвовать в активном центре фермента или удерживать ионы. По сути классификация аминокислот по полярности радикала это инструмент предсказания поведения остатка в трёхмерной структуре белка.

Рассчитать для своей задачи

Четыре класса: общая схема

Стандартное биохимическое деление выделяет четыре группы боковых цепей:

1. Неполярные (гидрофобные) радикалы.
2. Полярные незаряженные радикалы.
3. Полярные кислые (отрицательно заряженные) радикалы.
4. Полярные основные (положительно заряженные) радикалы.

Часто последние две группы объединяют под общим словом полярные заряженные, противопоставляя их полярным незаряженным. Поэтому в учебниках встречается и деление на три, и деление на четыре класса: разница только в том, выносят ли заряженные радикалы в отдельные подгруппы. Логика одна и та же, меняется лишь дробность.

Неполярные аминокислоты

Неполярные радикалы состоят преимущественно из углеводородных и неполярных групп: они не несут заряда и плохо образуют водородные связи с водой. В растворе такие остатки стремятся уйти от воды и собраться вместе, формируя гидрофобное ядро белка. Это и есть движущая сила сворачивания глобулярных белков.

К неполярным относят глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, метионин и триптофан. Глицин с радикалом из одного атома водорода стоит особняком: формально он неполярный, но настолько мал, что часто ведёт себя нейтрально и обеспечивает гибкость цепи. Фенилаланин и триптофан несут ароматические кольца, но за счёт большой неполярной поверхности всё равно гидрофобны.

Полярные незаряженные аминокислоты

Полярные незаряженные радикалы содержат группы, способные образовывать водородные связи с водой, но при нейтральном $pH$ не несущие заряда. Это гидроксильные, амидные, тиольные группы. К группе относят серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин и глутамин.

Серин и треонин несут гидроксил $-OH$, аспарагин и глутамин амидную группу $-CONH_2$, цистеин тиольную $-SH$, тирозин фенольный гидроксил. Эти остатки любят воду, охотно выходят на поверхность белка и часто участвуют в водородных связях и в катализе. Цистеин дополнительно умеет образовывать дисульфидные мостики $-S-S-$, которые сшивают цепь, а тирозин занимает промежуточное положение из-за крупного ароматического кольца.

Полярные незаряженные радикалы особенно важны для функции белков. Гидроксил серина и треонина это типичная мишень для фосфорилирования: к нему присоединяется фосфатная группа, и это включает или выключает активность фермента. Амидные группы аспарагина участвуют в гликозилировании, то есть в присоединении углеводных цепей. Получается, что нейтральность заряда не означает химическую пассивность: эти радикалы реакционноспособны и часто стоят в активных и регуляторных центрах. При сильном сдвиге $pH$ фенольный гидроксил тирозина и тиол цистеина способны отдавать протон, но при физиологических условиях они остаются незаряженными, поэтому их относят именно к полярной незаряженной группе.

Кислые аминокислоты

Кислые радикалы несут карбоксильную группу в боковой цепи, которая при физиологическом $pH$ отдаёт протон и остаётся в виде отрицательно заряженного карбоксилат-иона $-COO^-$. Таких аминокислот две: аспарагиновая кислота (аспартат) и глутаминовая кислота (глутамат). Их отрицательный заряд притягивает катионы и положительно заряженные радикалы, поэтому кислые остатки часто встречаются в местах связывания ионов металлов и в активных центрах ферментов.

Рассчитать для своей задачи

Важно не путать название и заряд. Аспарагиновая кислота при $pH \approx 7$ заряжена отрицательно, потому что отдала протон. Слово кислая указывает на способность отдавать протон, а не на знак заряда в нейтральной среде.

Основные аминокислоты

Основные радикалы содержат азотистые группы, которые при нейтральном $pH$ присоединяют протон и несут положительный заряд. Это лизин с аминогруппой $-NH_3^+$, аргинин с гуанидиновой группой и гистидин с имидазольным кольцом. Аргинин самый сильноосновный и почти всегда заряжен, лизин тоже заряжен при физиологическом $pH$.

Гистидин стоит особняком: его имидазол имеет $pK_a$ около $6$, поэтому при $pH \approx 7$ часть молекул заряжена, а часть нет. Именно эта чувствительность к малым сдвигам $pH$ делает гистидин незаменимым в активных центрах ферментов, где он работает как переключатель протонов. О том, как такие остатки участвуют в превращениях, можно почитать в разборе механизма трансаминирования аминокислот.

Как пользоваться классификацией на практике

Когда нужно отнести аминокислоту к классу, действуйте по шагам. Сначала посмотрите, есть ли в радикале заряженная группа при $pH \approx 7$: карбоксил это кислая, аминная или гуанидиновая это основная. Если заряда нет, проверьте наличие полярных групп, способных к водородным связям: гидроксил, амид, тиол это полярная незаряженная. Если радикал состоит из углеводородов без полярных групп, это неполярная аминокислота.

Эта же логика помогает предсказывать, где остаток окажется в белке. Неполярные прячутся в ядро, полярные и заряженные выходят на поверхность к воде. Знание классов подсказывает и тип взаимодействий: кислый радикал может образовать солевой мостик с основным, полярные незаряженные тянут водородные связи, а неполярные удерживаются гидрофобными контактами. Если в задаче нужно объяснить, почему мутация одного остатка нарушила структуру белка, начинают именно с того, поменялся ли при замене класс полярности радикала.

Полезно держать в голове и реперные примеры из каждого класса: аланин как образец неполярного, серин как образец полярного незаряженного, аспартат как образец кислого, лизин как образец основного. Сравнивая незнакомый радикал с этими эталонами, легко не запутаться. Понимание полярности радикала пригодится и при анализе качественных реакций на белок, например в разборе биуретовой и ксантопротеиновой реакций, где важна природа боковых цепей.

Частые ошибки

• Путают полярность всей молекулы и полярность радикала. Классифицируют только боковую цепь $R$, общий амино-карбоксильный скелет в счёт не идёт.
• Считают, что кислая аминокислота заряжена положительно. Наоборот: кислый радикал отдаёт протон и при нейтральном $pH$ несёт минус.
• Относят глицин к полярным. Его радикал это один водород, формально он неполярный и нейтральный.
• Забывают про гистидин. При $pH \approx 7$ он частично заряжен, его нельзя однозначно отнести к всегда заряженным основным.
• Путают цистеин и цистин или причисляют серу к неполярным группам автоматически. Тиол $-SH$ цистеина это полярная незаряженная группа, а тиоэфир метионина неполярная.

FAQ

Сколько групп аминокислот выделяют по полярности радикала? Чаще всего четыре: неполярные, полярные незаряженные, кислые и основные. Иногда две заряженные группы объединяют, и тогда говорят о трёх классах: неполярные, полярные незаряженные и полярные заряженные. Суть деления при этом не меняется.

Какие аминокислоты заряжены при физиологическом pH? Отрицательно заряжены аспартат и глутамат, положительно лизин и аргинин. Гистидин заряжен частично из-за $pK_a$ имидазола около $6$. Остальные остатки при $pH \approx 7$ по радикалу нейтральны.

Почему неполярные аминокислоты прячутся внутри белка? Их гидрофобные радикалы не образуют выгодных связей с водой, поэтому термодинамически выгоднее собрать их вместе в ядре белка, изолировав от растворителя. Это явление называют гидрофобным эффектом, и оно во многом определяет сворачивание глобулярных белков.

Коротко

Классификация аминокислот по полярности радикала опирается на свойства боковой цепи $R$, а не на общий скелет. Четыре класса это неполярные (гидрофобные, прячутся в ядро), полярные незаряженные (образуют водородные связи, выходят на поверхность), кислые (карбоксил, отрицательный заряд) и основные (азотистые группы, положительный заряд). Главные ловушки: путаница знака заряда у кислых радикалов и неоднозначное положение глицина и гистидина.