Αλανίνη

Η αλανίνη (διεθνείς συντομογραφίες: Ala και ANomenclature and symbolism for amino acids and peptides (IUPAC-IUB Recommendations 1983)", Pure Appl. Chem. 56 (5): 595–624, 1984, doi:10.1351/pac198456050595., από την αγγλική λέξη alanine). Είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο, άζωτο και οξυγόνο, με μοριακό τύπο C3H7NO2 και ημισυντακτικό τύπο CH3CH(NH2)COOH. Ανήκει στα αμινοξέα. Η L-αλανίνη (S διαμόρφωση ως προς τον α-άνθρακα) είναι το δεύτερο απλούστερο πρωτεϊνικό αμινοξύ, μετά τη γλυκίνη.

Η χημικά καθαρή αλανίνη, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, είναι λευκό κρυσταλλικό στερεό, αρκετά ευδιάλυτο στο νερό (167,2 kg/m³). Κανονικά, η πλήρως συστηματική ονομασία κατά IUPAC θα ήταν: 2-αμινοπροπανικό οξύ, αλλά και το «αλανίνη» αποτελεί επίσης αποδεκτή ονομασία από την IUPAC.

Γενετικά, κωδικοποιείται με τα κωδώνια GCU, GCC, GCA και GCG). Το L-στερεοϊσομερές της είναι ένα από τα χρησιμοποιείται στη βιοσύνθεση των πρωτεϊνών. Το μόριό της περιέχει μια α-αμινομάδαΣημείωση: Το α- δηλώνει ότι η αμινομάδα συνδέεται στο #2 άτομο άνθρακα, δηλαδή σε αυτό που βρίσκεται αμέσως μετά το καρβοξύλιο. (-NH2), που πρωτονιώνεται (οπότε γίνεται -NH3+), υπό τις κανονικές βιολογικές συνθήκεςΣημείωση: Για την ακρίβεια πρωτονιώνεται για pH<6,11. To 6,11 αποτελεί το ισοηλεκτρικό σημείο (pH) της αλανίνης, όπου και οι δυο χαρακτηριστικές της ομάδες ιονίζονται., μια α-καρβοξυλομάδα (-COOH), που αποπρωτονιώνεται (οπότε γίνεται -COO-), υπό τις κανονικές βιολογικές συνθήκεςΣημείωση: Για την ακρίβεια αποπρωτονιώνεται για pH>6,11. To 6,11 αποτελεί το ισοηλεκτρικό σημείο (pH) της αλανίνης, όπου και οι δυο χαρακτηριστικές της ομάδες ιονίζονται., καθώς και μια α-μεθυλομάδα (CH3-). Ως αμινοξύ ταξινομείται στα «μη πολικά» ή «υδρόφοβα» αμινοξέα, ως προς τη διαλυτότητα της «πλευρικής αλυσίδας» της, καθώς και στα «μη απαραίτητα» για τους ανθρώπους, γιατί ο ανθρώπινος οργανισμός μπορεί ο ίδιος να τη συνθέσει, οπότε δεν είναι απαραίτητο να ληφθεί αυτούσια από την τροφή του. Η L-αλανίνη είναι ένα από τα 20 αμινοξέα που είναι κωδικοποιημένα για χρήση στις πρωτεΐνες από τον ανθρώπινο γενετικό κώδικα. Ακόμη, η L-αλανίνη είναι το δεύτερο αμινοξύ, μετά από μόνο τη L-λευκίνη, σε συχνότητα χρήσης της σε πρωτεΐνες, αφού αποτελεί (κατά μέσο όρο) το 7,8% της πρωτοταγούς δομής, σε δείγμα 1.150 πρωτεϊνών.

Η D-αλανίνη, γνωστή ως β-αλανίνη, υπάρχει σε βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα, καθώς και σε σε κάποια πεπτίδια αντιβιοτικών.

Η β-αλανίνη (το 3-αμινοπροπανικό οξύ, H2NCH2CH2COOH) δεν βρίσκεται στις πρωτεΐνες αλλά εμφανίζεται σε δύο φυσικά πολυπεπτίδια: καρνοσίνη και ανσερίνη, που βρίσκονται στο μαστοφόρο μυ. Είναι, ακόμη, ένα σημαντικό συστατικό του παντοθενικού οξέος (βιταμίνη B5).

 Ισομέρεια 

Με βάση το χημικό τύπο της, C3H7NO2, έχει τουλάχιστον 119 ισομερή θέσης, τα σημαντικότερα από τα οποία είναι τα ακόλουθα:
 β-αλανίνη, με ημισυντακτικό τύπο: H2NCH2CH2COOH.
 Σαρκοζίνη, με ημισυντακτικό τύπο: CH3NHCH2COOH.
 Αιθυλοκαρβαμίδιο, με ημισυντακτικό τύπο: CH3CH2OCONH2.
 Νιτρώδης προπυλεστέρας, με ημισυντακτικό τύπο: CH3CH2CH2ONO.
 Νιτρώδης ισοπροπυλεστέρας, με ημισυντακτικό τύπο: (CH3)2CHONO.
 Λακταμίδιο, με ημισυντακτικό τύπο: CH3CH(OH)CONH2, σε δύο (2) οπτικά ισομερή.
 1-νιτροπροπάνιο, με ημισυντακτικό τύπο: CH3CH2CH2NO2.
 2-νιτροπροπάνιο, με ημισυντακτικό τύπο: CH3CH(NO2)CH3.

 Δομή 

Είναι το απλούστερο πρωτεϊνικό αμινοξύ, μετά τη γλυκίνη. Το α-άτομο άνθρακα συνδέεται με μια μεθυλομάδα (-CH3). Με βάση το χαρακτηριστικό αυτό ταξινομείται στα «μη πολικά» ή «υδρόφοβα» αμινοξέαΟ χαρακτηρισμός αναφέρεται μόνο στο τμήμα του μορίου μετά το α-άτομο άνθρακα. Το υπόλοιπο μόριο, με δυο ιονιζόμενες ομάδες είναι υδρόφιλο. και «αλειφατικό» (δεν περιέχει κανένα δακτύλιο). Επίσης η μεθυλομάδα είναι (σχετικά) χημικά αδρανής, γεγονός που σημαίνει ότι η αλανίνη σχεδόν ποτέ δε μετέχει στη λειτουργικότητα των πρωτεϊνών στις οποίες συμμετέχει, δηλαδή αποτελεί (συνήθως) δομικό τμήμα τους χωρίς να αποτελεί μέρος του «ενεργού κέντρου»Είναι το τμήμα της πρωτεΐνης που εκτελεί τη βιολογική της λειτουργία, όταν βέβαια η πρωτεΐνη δεν είναι απλά «δομική». τους.
ΔεσμοίΤα δεδομένα προέρχονται εν μέρει από το «Table of periodic properties of thw Ellements», Sagrent-Welch Scientidic Company και Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982, Σελ. 34.Δεσμόςτύπος δεσμούηλεκτρονική δομήΜήκος δεσμούΙονισμόςC-Hσ2sp3-1s109 pm3% C- H+C#3-C#2σ2sp3-2sp3154 pmC#2-C#1σ2sp3-2sp2151 pmC-Nσ2sp3-2sp3152 pm6% C+ Ν-Ν-Hσ2sp3-1s101,7 pm17% N- H+C=Oσ2sp2-2sp2132 pm19% C+ O-π2p-2pC-Oσ2sp2-2sp3147 pm19% C+ O-O-Hσ2sp3-1s96 pm32% O- H+Κατανομή φορτίωνσε ουδέτερο μόριο -O-0,51 -N-0,40 =O-0,38 C#3-0,09 C#2+0,03 H(CH)+0,03 H(NH2)+0,17 H(OH)+0,32 C#1+0,57

 Παραγωγή αλανίνης 

 Απαιτείται ρύθμιση του pH στο pI = 6,11 για να επιτευχθεί η κρυστάλλωσή της σε καθαρή μορφή.

 Από α-αλοπροπανικό οξύ 

1.. Με επίδραση αμμωνίας«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 243, §10.2Α.:

2. Μέσω οργανομαγνησιακών ενώσεων και αλαμίνης με εστεροποίηση για «προστασία»Προσωρινή κάλυψη χαρακτηριστικής ομάδας για την αποφυγή παραγωγής ανεπιθύμητων παραπροϊόντων. της καρβοξυλομάδας«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 298, §13.3Α1, σελ. 243, §10.2B4 και σελ. 301. §13.4.αII.:

3. Με φθαλιμιδικό κάλιο (σύνθεση Gabriel)«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 329, §14.2.1.:
100 px 140 px  100 px

 Αντίδραση Strecker 

Με επίδραση υδροκυανίου (HCN) και αμμωνίας (NH3) σε αιθανάλη (CH3CHO). Ενδιάμεσα σχηματίζεται 2-αμινοπροπανονιτρίλιο, το οποίο στη συνέχεια υδρολύεται σε αλανίνη«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 329, §14.2.2.:

 Με αναγωγική αμμωνίωση πυροσταφυλικού οξέος 

Με αναγωγική αμμωνίωση πυροσταφυλικού οξέος«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 329, §14.2.3.::

 Επειδή οι αντιδράσεις τρανσαμίνωσης είναι εύκολα αντιστρέψιμες και το πυροσταφυλικό οξύ πρωτογενές, η αλανίνη μπορεί εύκολα να σχηματιστεί έτσι και βιοχημικά, από τις μεταβολικές οδούς της γλυκόλυσης γλυκονεογένεσης και του κύκλου του κιτρικού οξέος.

 Με αναγωγή α-νιτροπροπανικού οξέος 

Από α-νιτροπροπανικό οξύ με αναγωγή«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 243, §10.2B2α.:

 Το α-νιτροαιθανικό οξύ παράγεται από α-αλοπροπανικό οξύ:

 Από μεθυλομηλονικό οξύ 

Από μεθυλομηλονικό οξύ με μετροπή σε μονοαμίδιο και αποικοδόμηση-μετάθεση Hofmann«Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982, σελ. 298, §13.3Α1, σελ. 296, §13.2Αα, §13.2Γ1, σελ. 243, §10.2B3 και σελ. 301. §13.4.αII.:


 Από α-αμινοπροπανονιτρίλιο 

Από α-αμινοπροπανονιτρίλιο με υδρόλυση:

 Το α-αμινοπροπανονιτρίλιο παράγεται από αιθανάλη με επίδραση χλωριούχου αμμωνίου και κυανιούχου νατρίουΣύνθεση Streckel

 Χημικές ιδιότητες και παράγωγα 

 Αμφολυτική αυμπεριφορά 

1. Η πιο χαρακτηριστική είναι η αμφολυτική διάστασή της:

 Η κεντρική πάνω κατάσταση ισχύει για αδιάλυτη (ή διαλυτή σε απρωτικούς διαλύτες) αλανίνη.
 Σε υδατικά διαλύματα:
 Για pH<pK1 ιονίζεται μόνο η αμινομάδα (δεξιά).
 Για pH=pI ιονίζονται και η αμινομάδα και η καρβοξυλομάδα (κένρο κάτω).
 Για pH>pK2 ιονίζεται μόνο η καρβοξυλομάδα (αριστερά).

2. Παραγωγή αλάτων με οξέα και βάσεις. Π.χ.:
και 

 Εστεροποίηση 

Αντιδρά με αλκοόλες σχηματίζοντας αμινεστέρες. Αποτελεί και μέθοδο «προστασίας»Προστασία ονομάζεται η προσωρινή δέσμευση μιας χαρακτηριστικής ενεργής ομάδας, ώστε αυτή να μη δώσει ανεπιθύμητες αντιδράσεις και παράγωγα με την επίδραση αντιδραστηρίων που σκοπεύουμε να χρησιμοποιήσουμε πάνω στην ένωση με σκοπό να αξιοποιήσουμε μια άλλη ομάδα και να πάρουμε τα επιθυμητά αποτελέσματα-παράγωγα. Μετά απελευθερώνουμε ή αποπροστατεύουμε την αρχική ομάδα, δηλαδή φροντίζουμε να απομακρυνθεί η ομάδα που την προστάτεψε προσωρινά. της καρβοξυλομάδας.

 Αλκυλίωση 

Με επίδραση αλκυλοαλογονιδίων σχηματίζονται δευτεροταγή αμινοξέα:

 Ακυλίωαη 

Με επίδραση ακυλοαλογονιδίων σχηματίζονται δευτεροταγή αμιδοξέα. Αποτελεί και μέθοδο «προστασίας» της αμινομάδας, αφού τα αμίδια υδρολύονται.

 Απαζώτωση 

Με επίδραση νιτρώδους οξέος πρακτικά αντικαθίστανται η αμινομάδα με υδροξυλομάδα. Παράγεται γαλακτικό οξύ:

 Επίδραση καρβενίων 

Με επίδραση καρβενίων παράγεται ένα μίγμα προϊόντων. Π.χ. με μεθυλένιο έχουμε περίπου την παρακάτω στοιχειομετρική εξίσωση:
 100 px
 Η παραπάνω στοιχειομετρική εξίσωση είναι άθροισμα κατά μέλη των ακόλουθων δράσεων:
 Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C#3-H. Παράγεται 2-αμινοβουτανικό οξύ, ένα μη πρωτεϊνικό πρωτοταγές α-αμινοξύ.
 Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς N-H. Παράγεται 2-(μεθυλαμινο)προπανικό οξύ, ένα μη πρωτεϊνικό δευτεροταγές α-αμινοξύ.
 Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό C#2-H. Παράγεται 2-αμινο-2-μεθυλοπροπανικό οξύ, ένα μη πρωτεϊνικό πρωτοταγές α-αμινοξύ.
 Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό O-H. Παράγεται 2-αμινοπροπανικός μεθυλεστέρας, ο μεθυλεστέρας της αλανίνης.
 Προσθήκη στον ένα (1) δεσμό C=O. Παράγεται 1-(1'-αμινοαιθυλο)-1-υδροξυοξιράνιο, μια ετεροκυκλική αμιναλκοόλη.
 Συνολικά δηλαδή οκτώ (8) παράγωγα προϊόντα, που είναι πρακτικά ισοδύναμα (σ' αυτήν την περίπτωση) σε παραγωγή, εξαιτίας της μεγάλης δραστικότητας του μεθυλενίου, που ως δίριζα κάνει σχεδόν απόλυτα κινητικές (δηλαδή όχι εκλεκτικές) τις αντιδράσεις του.

 Η αλανίνη ως βιολογικό μόριο 

Η L-αλανίνη είναι δεύτερη σε συχνότητα εμφάνισης στις πρωτεΐνες (μετά από μόνο τη λευκίνη) και αποτελεί το 7,8% της πρωτοταγούς δομής σε ένα δείγμα 1.150 πρωτεϊνώνDoolittle, R. F. (1989), "Redundancies in protein sequences", in Fasman, G. D., Prediction of Protein Structures and the Principles of Protein Conformation, New York: Plenum, pp. 599–623, ISBN 0-306-43131-9.. Οι κωδικόνια της είναι: GCU, GCC, GCA και GCG.

Μια ιδιαίτερα πλούσια πηγή α-αλανίνης είναι η ινοΐνη (πρωτεΐνη) μεταξιού, από την οποία απομονώθηκε αρχικά η αλανίνη το 1879. Είναι ένα από τα μη απαραίτητα αμινοξέα καθώς μπορούν να τη συνθέσουν τα πουλιά και τα θηλαστικά από το μεταβολισμό σακχάρων και δεν απαιτείται η άμεση διατροφική λήψη της. Ωστόσο καλή πηγή αλανίνης αποτελούν οι ακόλουθες τροφές: κρέας, θαλασσινά, γαλακτοκομικά, αυγά, ζελατίνη, φασόλια, καρύδια, σπόροι, ρύζι, καλαμπόκι, σιτάρι, κ.ά.

Η αλανίνη μπορεί να βιοσυντεθεί από πυροσταφυλικό οξύ και διακλαδισμένα αμινοξέα όπως η βαλίνη, η λευκίνη και η ισολευκίνη. Επίσης, κατά την αποικοδόμηση της θρυπτοφάνης τρία μόρια άνθρακα αυτής αποβάλλονται ως αλανίνη.

 Καταβολισμός της αλανίνης 

Η L-αλανίνη χαρακτηρίζεται ως αμιγώς γλυκογενετικό αμινοξύ καθώς κατά τον καταβολισμό της αποδίδει πυροσταφυλικό το οποίο μπορεί να εισέλθει στην γλυκονεογενετική πορεία και να αποδώσει γλυκόζη. Η μετατροπή της αλανίνης σε πυροσταφυλικό επιτελείται από το ένζυμο αμινομεταφοράση της αλανίνης. Κατά την αντίδραση αυτή η αμινομάδα της αλανίνης μεταφέρεται στο α-κετογλουταρικό οξύ με αποτέλεσμα το σχηματισμό γλουταμινικού. Ο εναπομένων ανθρακικός σκελετός της απαμινωμένης αλανίνης αποτελεί το πυροσταφυλικό οξύ. Κατά το πρώτα βήματα της γλυκονεογένεσης το πυροσταφυλικό που προκύπτει από την αλανίνη καρβοξυλιώνεται σε οξαλοξικό οξύ με την ανάλωση ενός μορίου τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) και το οξαλοξικό με τη σειρά του αποκαρβοξυλιώνεται και φωσφορυλιώνεται για να αποδώσει φωσφοενολοπυροσταφυλικό (PEP) με ανάλωση ενός μορίου τριφωσφορικής γουανοσίνης (GTP).

 Κύκλος της αλανίνης 

Η L-αλανίνη χρησιμοποιείται από τους μύες για τη μεταφορά του αζώτου, που προκύπτει από τον καταβολισμό των αμινοξέων ως καυσίμων, κατά τη διάρκεια παρατεταμένης άσκησης ή ασιτίας, προς το ήπαρ. Αρχικά το άζωτο εναποτίθεται στο α-κετογλουταρικό προς σχηματισμό γλουταμινικού αλλά οι μύες στερούνται των ενζύμων του κύκλου της ουρίας που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην απέκκριση του αζώτου. Επομένως θα πρέπει με κάποιον τρόπο το προκύπτον άζωτο να μεταφερθεί από τους μύες στο ήπαρ. Ο τρόπος είναι μέσω της μεταφοράς της αμινομάδας από το γλουταμινικό στο πυροσταφυλικό με αποτέλεσμα το σχηματισμό α-κετογλουταρικού και αλανίνης η οποία φέρει το «υπό διωγμόν» άζωτο. Η αλανίνη τότε μεταφέρεται μέσω του αίματος προς το ήπαρ όπου εκεί τρανσαμινώνεται σχηματίζοντας πυροσταφυλικό και γλουταμινικό. Το γλουταμινικό που φέρει το «υπό διωγμόν» άζωτο μετέχει του κύκλου της ουρίας με τελικό αποτέλεσμα την απέκκριση του αζώτου μέσω των ούρων.

 Αναφορές και σημειώσεις 

 Πηγές πληροφόρησης 

 Britanica 2004 Ultimate Reference DVD Suite.
 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
 «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
 Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
 Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ ΈκδοσηΘεσσαλονίκη 1991
 Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
 Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
 Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
 Διαδικτυακοί τόποι που αναφέρονται στις «Αναφορές και παρατηρήσεις».

Κατηγορία:Πρωτεϊνικά αμινοξέα
Κατηγορία:C3
Κατηγορία:Χειρομορφία (χημεία)