Главная | Обратная связь

Основные аминокислоты.

УДК: 547

© Домбровский В.А., Аксёнов В.Н. Учебно-практическое пособие – М., МГУТУ, 2004.

Учебно – практическое пособие предназначено для более глубокого изучения раздела «Аминокислоты» в органической химии. Материал данного раздела изложен на современном научном уровне.

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей 2 и 3 курса всех форм обучения.

 

Авторы: Домбровский Владимир Андреевич, Аксёнов Виктор Николаевич.

Рецензенты: Профессор, д.х.н. «Синтез полимеров» МГАТХТ ми. М.В. Ломоносова Грицкова И.А.

Доцент, к.х.н. каф. «Органической химии» МГУПБ Фонский Д.Ю.

Редактор: Свешникова Н.И.

 

© Московский государственный университет технологий и управления, 2004

109004, Москва, Земляной вал, 73.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ……………………………………………………………………..4

 

1.Понятие об аминокислотах…………………………………………………5

 

2.Методы получения аминокислот……………………………………..…..14

 

3.Биологическое значение аминокислот……………………………………17

 

4.Физические и химические свойства аминокислот…………...………….19

 

5. Пептиды ………………………………………………………..………… 25

 

6.Оптическая изомерия аминокислот……………………………………….27

 

7. Номенклатура оптически активных соединений в применении

к аминокислотам…………………………………………….…………….30

8. Задачи для самостоятельного решения…………………………………..33

 

9. Тестовые задачи для самостоятельного решения……………….……….34

 

10. Тестовые задачи для самостоятельного решения с ответом…….…….37

 

9. Литература……………………………………………………….……….39

 

 

Введение.

 

Известно, что форма белка определяет его функции. Предсказание, какая молекула получиться из последовательности конкретного гена - одна из важных задач, встающих после определения генома человека и геномов других животных.

Белки состоят из небольших молекул, называемых аминокислотами. Каждая конкрет­ная аминокислота кодируется определённой последовательностью (триплетом) ДНК. Однако до сих пор не известно, почему конкретные белки выглядят именно так, а не иначе.

Белковая молекула приобретает собственную конфигурацию после "сворачивания" аминокислотной цепи в трёхмерную структуру. В настоящее время для определения пространственной структуры белков исследователи используют технологии, которые основаны на определении положения каждого атома в данном конкретном белке. В первую очередь это методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и кристаллографии. Но, принимая во внимание громадное количество атомов даже в простейшей белковой молекуле, очевидно, что такие методы очень трудоемки, длительны и в ряде случаев малоэффективны.

Ученые заинтересовались поэтому, возможно ли предсказывать трёхмерную струк­туру белка, основываясь лишь на известной последовательности его аминокислот (или генетического кода, который определяет последовательность аминокислот). Зная свойства аминокислот притягиваться или отталкиваться друг от друга и применив ком­пьютерное моделирование, теоретически можно спрогнозировать и их расположение в пространстве. Но это пока только теория. Так как многие белки содержат тысячи ами­нокислот, подобная задача остаётся до сих пор сложно разрешимой.

Оценивая пищевую ценность аминокислот, мы часто одни из них называем "неза­менимыми", а другие - "заменимыми". Хотя с точки зрения питания все это верно, не следует упускать из виду общую биологическую значимость и незаменимость всех 20 аминокислот. Более того, можно даже заключить, что как раз "заменимые" аминокис­лоты более важны для клетки, чем "незаменимые", поскольку утрата способности орга­низма (например, организма человека) синтезировать определенные аминокислоты пред­ставляется в эволюционном отношении более естественной в отношении менее важных аминокислот. Пищевые потребности в тех или иных соединениях свидетельст­вуют о том, что зависимость от внешнего источника метаболитов может оказаться бо­лее благоприятной для выживания организма, чем способность организма синтезиро­вать эти соединения. Если специфический интермедиат присутствует в пище, то орга­низм, сохраняющий способность синтезировать это соединение, передает будущим по­колениям соответствующую генетическую информацию отрицательной ценности. Это свойство для организма не просто бесполезно, но даже вредно, поскольку приходится дополнительно затрачивать питательные вещества и АТР на синтез "лишних" фрагмен­тов ДНК . В клетках прокариот число ферментов, необходимых для синтеза не­заменимых аминокислот, существенно больше числа ферментов, необходимых для синтеза заменимых аминокислот. Следовательно, сохранение возможности синтезиро­вать "легкие" аминокислоты и утрата способности к синтезу "трудных" имеют опреде­ленные биологические преимущества.

Некоторые злаки относительно бедны триптофаном и лизином, и в тех районах, где основным источником пищевого белка служат именно эти растения, а другие источники белка (молоко, рыба или мясо) в пище отсутствуют, у населения часто наблюдаются случаи тяжелой недостаточности аминокислот. В ряде районов Западной Африки ши­роко распространены детская дистрофия ( квашиоркор ) и кахексия . Квашиоркор разви­вается в тех случаях, когда ребенок после отнятия от груди переводится на обед­ненную белком крахмальную диету. Кахексия является следствием малокалорийной диеты, обедненной специфическими аминокислотами.

Аминокислоты – это бесцветные кристаллические твердые вещества. Обычно они растворимы в воде и не растворимы в органических растворителях. В нейтральных водных растворах аминокислоты существуют в виде биполярных ионов (цвиттерионов) и ведут себя как амфотерные соединения, т.е. проявляются свойства и кислот, и осно­ваний.

Каждая аминокислота характеризуется определенным значением рН, при котором она существует в нейтральной цвиттерионной форме в виде четко выраженного диполя (рис.4). Если при этом значении рН поместить аминокислоту в электрическое поле, то она не будет перемещаться ни к катоду, ни к аноду.

Амфотерная природа аминокислот существенна в биологическом отношении, т.к. она означает, что аминокислоты способны в растворах действовать как буферы – препят­ствовать изменениям рН.

 

 

I. Понятие об аминокислотах.

Номенклатура и изомерия

 

Аминокислоты - замещенные карбоновые кислоты, содержащие в радикале одну или несколько аминогрупп. В состав аминокислот, кроме карбоксильной и аминогрупп, могут входить другие группы, например - OH, -SH, = NН, арильные, азотсодержащие гетероциклы. Особенно важное значение имеют аминокислоты, которые представлены в таблице I.

Названия аминокислот общей формулы Н₂N - (СН_2n)_n -СООН (n =1, 2, 3..) по систематической номенклатуре образуются от названия соответствующего углеводорода, к которому добавляются приставка амино- , окончание – овая и слово кислота. Нумерацию углеродной цепочки начинают с углерода карбоксильной группы, например:

 

2 - аминопропановая кислота

β α

3 2 1

H₃C — CH — COOH (α -аминопропионовая кислота, α - аланин)

 

NН₂

 

 

Для аминокислот характерна изомерия, причиной которой является изомерия углеродной цепочки или различное расположение аминогрупп в углеродной цепочке. Например, изомерами являются:

Аминокислоты

 

γ β α CH₃

4 3 2 1 3 2 1

H₃C — CH₂ — СН — COOH _βСH — C_α — COOH

 

NH₂ NH₂

2- Аминобутановая кислота 2- Амино 2-метилпропановая кислота

( α - аминомасляная кислота) (α -аминоизомасляная кислота)

 

В химии аминокислот широко используются тривиальные назва­ния. В зависимости от нахождения аминогрупп по отношению к карбок­сильной группе аминокислоты подразделяются на γ -, β -, α – и т.д. аминокислоты. В практику органической химии, биохимии и химии белка вошли также исторические названия аминокислот, которые связаны или с их свойствами, или способом получения. Такие названия происходят обычно от греческих слов. Так, сладковатую на вкус аминоуксусную кислоту называют глицин или гликокол (глюко - сладкий); цистеин был выделен из камня желчного пузыря (цисти - пузырь); лейцин - из белка казеина (лейкос - белый);

аспарагиновая кислота - из спаржи (аспарагус - спаржа); орнитин - из птичьего помета (орнитус - птица).

 

Все природные аминокислоты, кроме аминоуксусной кислоты, содержат асимметрические атомы углерода и поэтому они существуют в виде оптически активных D - и L - изомеров и рацематов,

 

например:

 

СООН СООН

 

H NH₂ H₂N H

 

 

CH₃ CH₃

 

α – D (-)-Аланин α- L (+)-Аланин

 

Оптическую активность обычно выражают в виде удельного вращения, которое определяется уравнением

 

[ α]_λ^t = α/ ℓc

 

где α- угол вращения плоскости поляризации изучаемым веществом; С - объемная концентрация в г/см³ (количество грам­мов оптически активного вещества в 100 мл раствора); ℓ - длина (в дециметрах) пути, пройденного светом в веществе; t - темпе­ратура раствора; λ - длина волны света, которая была исполь­зована при измерении.

 

Таблица1

 

Наиболее важные представители аминокислот.

Самая простая аминокислота

 

Глицин (Gly, G) аминоэтановая , аминоуксусная, гликоколь. Т_пл. ^оС=292.

Обеспечивает минимальные стерические препятствия для соседних аминокислотных остатков.

 

 

Алкильные боковые цепи

Аланин (Ala, A) 2-аминопропановая к-та, a-аминопропановая к-та. [a]_D = +2,7,

Т_пл. ^оС=297

Валин (Val, V) Незаменимая аминокислота. 2-амино-3-метилбутановая к-та,

[a]_D = -28,8, Т_пл. ^оС= 315

 

 

Лейцин (Leu, L) Незаменимая аминокислота. 2-амино-4-метилпентановая [a]_D = -10,35

Т_пл. ^оС= 337

 

Изолейцин (Ile, I) Незаменимая аминокислота. 2-амин-3-метилпентановая к-та. В излейцине имеется помимо С_ атома еще один хиральный центр. [a]_D = +14,8 Т_пл.^оС= 284

 

 

Боковые радикалы с карбоксильными группами
(«аминодикислоты»)

 

Аспарагиновая кислота (Asp, D) Аминоянтарная к-та. Карбоксильная группа боковой цепи при физиологических значениях pH диссоциирована (pK_a ~ 4.3-4.7) Депротонированная форма называется аспартат. [a]_D = +4,36 Т_пл. ^оС= 251

 

Глутаминовая кислота (Glu, E) a -аминоглутаровая. Депротонированная форма называется глутамат. Амиды аспарагиновой и глутаминовой кислот. [a]_D = +31,7 Т_пл.^оС= 248

 

 

Аспарагин (Asn, N) Аминоянтарная.Амидная группа полярна, но кислотными свойствами не обладает. Может участвовать в образовании водородных связей. Общее обозначение для аспарагиновой кислоты или ее амида Asx, а в однобуквенном коде B. [a]_D = +4,36 Т_пл. ^оС= 251

 

 

Глутамин (Gln, Q) Общее обозначение для аспарагиновой кислоты или ее амида Glx, а в однобуквенном коде Z.

Основные аминокислоты.

 

Лизин (Lys, K) 2,6- диаминогексановая к-та. Незаменимая аминокислота. Аминогруппа

+

при С_ атоме в нейтральных растворах протонирована (-NH₃) pK_a~ 10.5 [a]_D = +25,9 Т_пл. ^оС= 224

 

 

Аргинин (Arg, R) pK_a гуанидиновой группы ~ 12.5 и в большинстве растворов она протонирована и стабилизирована резонансом. В ряде случаев она выступает как центр связывания фосфатных групп.

 

 

Гистидин (His, H) 2-амино-3-(3^¢-имидазолил) пропановая,

Имидазольная группа боковой цепи входит в состав активных центров ряда ферментов. Атом азота в третьем положении имидазольного кольца (N-) служит акцептором и/или донором протонов pK_a ~ 6.4-7.0, попеременно выступая в качестве основного или кислотного катализатора. [a]_D = -39,74

 

Аминокислоты с гидроксильной группой

 

Серин (Ser, S) Гидроксильная группа способна образовывать эфиры фосфорной и органических кислот, служит местом присоединения углеводов в гликопротеидах. Серин присутствует в активных центрах ряда ферментов.

Треонин (Thr, T) 2-амино-3-оксибутановая к-та. Незаменимая аминокислота. Имеется второй хиральный центр. [a]_D = -30 Т_пл. ^оС= 251

 

Сер(о/у)содержащие аминокислоты

 

Цистеин (Cys, С) 2- амино-3-тиопропановая к-та.Способен самопроизвольно окисляться в присутствии O₂ образуя «двойную» аминокислоту цистин (дисульфидные связи в белках). [a]_D = -16,5 Т_пл. ^оС= 178.

 

 

 

Метионин (Met, M) 2-амино-4-метилтиобутановая к-та. Незаменимая аминокислота. [a]_D = +27,2

 

Ароматические аминокислоты

Фенилаланин (Phe, F) 2-амино-3-фенилпропановая к-та.Незаменимая аминокислота.

[a]_D = -34,5 Т_пл. ^оС= 278

 

Тирозин (Tyr, Y) 2-амино-3-(n-оксифенил) пропановая к-та. Донор протона в водородных связях. pK_a ~ 9.5-10.9 [a]_D = -10

 

 

Триптофан (Trp, W) 2-амино-3-индолилпропанокая к-та. Незаменимая аминокислота.
Тирозин и триптофан поглощают в УФ области спектра (250-300 нм). [a]_D = -31,5

Т_пл. ^оС= 382

 

Иминокислота

 

Пролин (Pro, P) a-пирролидинкарбоновая к-та. Боковая цепь замыкается на аминогруппу. Пирролидиновое кольцо вызывает изгибы полипептидной цепи.

 

Таблица обозначений и некоторых важных свойств 20 природных аминокислот

 

Amino acid	Abbreviations	mol.wt. Da	pK	Aq. solubility (g/100ml)	UV abs. Log pH~7
	3-letter	1-letter	-COOH	-NH3+	R group
alanine	ala	A	89,10	2,35	9,87	-	16,6 (25°C)	-
arginine	arg	R	174,20	1,82	8,99	12,50	15(21°C)	-
asparagine	asn	N	132,10	2,14	8,72	-	2,6(25°C)	-
aspartic acid	asp	D	133,10	1,99	9,90	3,90	0,5(25°C)	-
cysteine	cys	C	121,20	1,92	10,70	8,37	soluble	2,48(250nm)
glutamic acid	glu	E	147,10	2,10	9,47	4,07	0,86(25°C)	-
glutamine	gln	Q	146,10	2,17	9,13	-	4,2(25°C)	-
glycine	gly	G	75,10	2,35	9,78	-	25(25°C)	-
histidine	his	H	155,20	1,80	9,33	6,04	4,2(25°C)	3,77(211nm)
isoleucine	ile	I	131,20	2,32	9,76	-	4,1(25°C)	-
leucine	leu	L	131,20	2,33	9,74	-	2,4(25°C)	-
lysine	lys	K	146,20	2,16	9,06	10,54	soluble	-
metionine	met	M	149,20	2,13	9,28	-	soluble	-
phenylalanine	phe	F	165,20	2,20	9,31	-	3,0(25°C)	3,97(206nm) 2,30(257nm)
prolyne	pro	P	115,10	1,95	10,64	-	soluble	-
serine	ser	S	105,10	2,19	9,21	-	25(20°C)	-
threonine	thr	T	119,10	2,09	9,10	-	soluble	-
tryptophan	trp	W	204,20	2,46	9,41	-	1,14(25°C)	4,67(219nm) 3,75(280nm)
tyrosine	tyr	Y	181,20	2,20	9,21	10,46	0,045(25°C)	3,9(222nm) 3,15(274nm)
valine	val	V	117,10	2,29	9,74	-	8,8(25°C)	-

 

Все входящие в состав белков аминокислоты представляют собой L - формы;

D - формы встречаются в природе редко (их получает синтетически). Во всех тканях присутствуют только L- изомеры. После гибели организма они начинают медленно переходить в D - изомеры. Установив соотношение L - и D - аминокислот, можно определить возраст находки.

 

 

2. Методы получения аминокислот

 

Основным способом получения многих аминокислот является гидролитическое расщепление белковых веществ. Белки гидролизуют при нагревании и под давлением (в автоклавах) с растворами щелочей или кислот, а также с помощью ферментов. При этом макромо­лекулы белков, которые состоят из остатков α - аминокислот, связанных между собой амидными (пептидными) связями -NН-С=0, расщепляются на отдельные α -аминокислоты. Таким образом, при гидролизе участка молекулы белка Б в результате разрыва пептидных связей получают смесь α - аминокислот.

Б

 

….–NH - CH – C – NH – CH– C -NH–CH – … ® R¹–CH–COOH + R² -CH - COOH +

ï ║ ï ║ ï ï ï

R¹ O R² O R³ NH₂ NH₂

 

HO– H HO– H HO–H

 

+ R³ – CH – COOH + …

ï

NH₂

 

Полученные из белковых гидролизатов аминокислоты разделяют методами ионооб­менной хроматографии, электрофореза и газожид­костной хроматографии. Или же по­лученные аминокислоты переводят в эфиры, которые дальше разделяют фракционной разгонкой в вакууме. После омыления (гидролиза) сложных эфиров получают амино­кислоты. Разработан микробиологический метод получения некоторых аминокислот. Определенного вида организмы в процессе их жизнедеятельности питаются газообраз­ными углеводородами и углеводородами нефти. При этом в клетках, и за их преде­лами накопляются определенного вида аминокислоты. Таким путем получают лизин, глутаминовую кислоту и др.

Известно большое число синтетических методов получения амино­кислот, из которых наиболее важными являются:

1.Замещение галогенов на аминогруппу в галогензамещенных карбоновых кисло­тах действием аммиака на их аммонийные соли

 

H⁺

R-СН-СООNH₄ + 2NH₃ R-CH-COONH₄ R-CH - COOH

-NH₄Br NH₃

Br NH₂ NH₂

 

2. Получение из циангидринов (оксинитрилов), которое заклю­чается в действии на альдегиды или кетоны цианистоводородной кислоты и аммиака по А.Штреккеру (немецкий химик). Образующиеся нитрилы аминокислот далее гидролизуют в

(α-аминокислоты, например:

NH₃ H₂O

CH₃ – CH = O+HCN CH₃ –CH –CN CH₃ – CH – CN CH₃ – CH –COOH

-H₂O - NH₃

OH NH₂ NH₂

 

3. Н.Д.Зелинский (советский химик-органик) улучшил этот метод, заменив HCN смесью цианида калия и хлористого аммония. В этом случае образуется цианид аммония, который реагирует с карбонильным соединением, в результате образуется α -аминокислота.

HCN + NH₄CI KCI + NH₄CN

 

 

H₂O

R₂ – C = O + NH₄CN + R₂ – CH – CN R₂ – CH – COOH

-NH₃

NH₂ NH₂

 

4. β -Аминокислоты могут быть получены взаимодействием аммиака с непредельными карбоновыми кислотами..В этом случае присоединение аммиака к этиленовой связи проходит против правила Марковникова. Например:

 

СH₂ = CH - CООН + NH₃ СН₂ –СН₂ –СООН

Акриловая кислота

NH₂

β - аланин

5. β-Аминокислоты также получают по методу В.М.Родионова (советский химик - органик) взаимодействием карбо­нильных соединений с диэтилмалоновым эфиром и аммиаком:

 

R – CH = O + CH₂(COOC₂H₅)₂ +NH₃ R – CH – CH₂ – COOH + C₂H₅OH + CO₂

 

NH₂

Для синтеза отдельных аминокислот используются специальные методы. Для получения ε - аминокапроновой кислоты исходными веществами являются фенол или циклигексан, которые гидрированием и соответственно окислением превращают в циклогексанол. Послед­ний после ряда химических реакций превращают в капролактам, и наконец, в ε -аминокапроновую кислоту.

 

циклогексанол циклогесанон оксим циклогексанона

 

капролактам ε -аминокапроновая кислота

 

На основе капролактама Е.И.Клабуновский с сотрудниками разработали «комбинированный метод» синтеза лизина. Для этого капролактам нитруют и полученный нитрокапролактам рядом превращений переводят вL –лизин

 

 

нитрование 1.гидрирование

2.гидролиза

 

капролактам нитрокапролактам

 

H₂N -(CH₂)₄ -CH- COOH

ï

NH₂

L-лизин

 

Лизин – одна из незаменимых аминокислот. Особенно эффективны добавки лизина к корму сельскохозяйственных животных. Тонна этой аминокислоты позволяет уменьшить расход кормового зерна на 125 тонн. Мировое производство лизина составляет 70 тонн в год.

А.Н.Несмеянов (советский химик - органик) с сотрудниками разработал синтез

b-аминокислот из продуктов теломеризации зтилена и четыреххлористого углерода в присутствии инициаторов радикальной полимеризации (R'). Полученный теломер последователь­но гидролизуют в b -хлоркарбоновую кислоту, которую потом дей­ствием аммиака превращают в b-аминокислоту.

 

R^· H₂O NH₃

CH₂ = CH₂ + CCℓ₄ ® Cℓ - (CH₂ -CH₂)_n CCℓ₃ ® Cℓ (CH₂-CH₂)_n - COOH ®

H⁺

H₂N - (CH₂ -CH₂)_n - COOH

 

n=1 b-аминопропионовая кислота

 

Этим путем получают кислоты: g -аминоэнантовую (п=3);

ε- аминопеларгоновую кислоту (п=4); ω- аминоундекановую (п=5) и др., которые являются исходными соединениями в синтезе полиамидных волокон (энант, пеларгон и др.), а также для получения душистых веществ.

 

3. Биологическое значение аминокислот

Аминокислоты имеют исключительно важное биологическое зна­чение. Они являются простейшими звеньями», своеобразными "кирпи­чиками" в структуре высокомолекулярных природных веществ - белков, которые в свою очередь являются основой живой природы, а значит, мыслящей материи. Аминокислоты принимают участие в жизненно важных физиологических функциях животных и растений. Большинство аминокислот синтезируется в живых организмах. Такие аминокислоты называются заменимыми. Вместе с тем существует восемь витагенных (незаменимых) аминокислот (табл. 2). Незаменимые аминокислоты организмом не синтезируются, они обычно поступают в организм с белковой пищей (молоко, мясо и др.)» из которой они путем превращений и образуются. Содержание незаменимых аминокислот в пище необходимо для нормального роста и функционирования организма.

При нехватке одной из аминокислот в белке он становится недос­таточно полноценным и не полностью усваивается организмом. Поэ­тому аминокислоты, полученные синтетическим или микробиологическим путем, должны доставляться в пищу для повышения ее полноценности. С этой целью широко используется лизин, которого не достает в расти­тельной пище (белке пшеницы). Смеси аминокислот применяются в медицине для питания больных (парантеральное питание). Отдельные аминокислоты используют в разнообразных синтезах, в аналитической химии, некоторые аминокислоты применяются з пищевой промышленности в качестве вкусовых добавок, например, мононатриевая соль глутаминовой кислоты, придающая вкус и запах куриного бульона.

Из аминокислот, не входящих в состав белков, следует отме­тить о- аминобензойную (антрониловую) кислоту, которая применяется в синтезе красителей и лекарственных препаратов, пищевой промышленности

 

 

антраниловая кислота

 

Витагенные (незаменимые) аминокислоты

 

Таблица 2

 

 

лизин , изолейцин,

 

Валин, треонин,

 

 

метионин, фенилаланин,

 

триптофан, лейцин.

 

Некоторые аминокислоты используются в медицине в качестве лекарственных препаратов при заболеваниях нервной системы, желудочно-кишечного тракта, печени и др. Так, глутаминовая кислота применяется при лечении шизофрении, эпилепсии и некоторых других заболеваний. Глутаминат натрия, производство которого достигает 200 тыс. тонн в год - незаменимая добавка в пищу, очень хороший консервант, зарекомендовал себя как эффективная добавка в корм животных.

 

4. Физические и химические свойства аминокислот.

Аминокислоты - бесцветные кристаллические вещества с относи­тельно высокими температурами плавления. В ряде случаев аминокислоты плавятся с разложением, поэтому температура плавления не яв­ляется характерной константой для них. Аминокислоты хорошо раст­воряются в воде и плохо в неполярных растворителях, α-L-ами­нокислоты, полученное из белков, горьковаты на вкус, тогда как D - изомеры сладкие на вкус. Аминокислоты - бифункциональные соединения, в молекулах которых находятся одновременно две про­тивоположные по кислотности группы: карбоксильная -СООН, амино группа –NH₂. Карбоксильная группа является носителем кислотных свойств, а аминогруппа - носителем основных свойств. Следствием такой бифункциональности является амфотерность аминокислот. В свободном состоянии в растворах между карбоксилами и аминогруппами аминокислот осуществляется химическое взаимодействие, своеоборазная реакция нейтрализации, результатом которой является образование внутренней соли (биполярного иона). Так, кристаллический глицин (т.пл. 236⁰С с разложением) можно описать обычной форму­лой, в то время как на самом деле он представляет собой биполяр­ный ион II, который иногда изображают в виде "бетаина" (формула III):

 

.. +

H₂N-CH₂-C- O-H ® H₃N-CH₂-COO^-

I ^║ II

O

CH₂ – C = O

 

H₃N O III

 

1. Биполярная структура аминокислот согласуется с тем, что они нелетучие кристаллические вещества, способные растворяться в полярных растворителях (вода), не растворяются в неполярных ра­створителях (диэтиловый эфир, бензол и д.р.). В ИК-спектрах аминокислот отсутствуют частоты, характерные для карбоксильной группы (n_COOH = 1650см^-1) и частоты для аминогрупп (n_HN2 =3320см^-1). Водные растворы аминокарбоновых кислот показывают нейтральную реакцию, не изменяют цвет обычных индикаторов. Бипо­лярная структура также хорошо согласуется с поведением водных растворов аминокислот в электрическом поле. Если в водный рас­твор аминокислоты пропускают электрический, ток, то в зависимости от рН среды она может мигрировать к аноду или катоду. Те значения рН, при которых аминокислот, оставаясь электронейтральной, не мигри­рует под влиянием электрического тока ни к аноду, ни к катоду,

называют изоэлектрической точкой:

+

OН^- (pН выше, чем в изо- NH₃-CH₂-COO^- Н⁺ (pН ниже, чем изоэлектрической

электрической точке) изоэлектрическая точке)

точка:

аминокислота не

мигрирует ни к като­ду,

ни к аноду

NH₂ –CH₂ –COO^- +

NH₃-CH₂-COOH

наличие аминогруппы; наличие недиссоциированной

аминокислота ведет себя карбосильной группы;

как анион - мигрирует аминокислота ведет себя,

к аноду как катион – мигрирует к катоду '

 

2. Вследствие наличия в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного и основного характера α- аминокислоты являются амфотерными соединениями, т.е. они образуют соли как с кислотами, так и со щелочами.

 

 

+

H₂N– CH–COOH + HCl ® [H₃N– CH–COOH] Cl^-(хлористоводородная соль глицина

I I a- аминокислоты)
R R

 

 

H2N–

CH–COOH + NaOH ® H2N– I R

CH–COO-Na+ (натриевая соль α-аминокислоты) + H2O I R

 

3. Важной реакцией, в которой участвуют карбоксильные группы, является образование сложных эфиров, полученных взаимодействием аминокислот со спиртами (обычно в присутствии кислых катализа­торов). В реакции со спиртами образуются сложные эфиры.

 

этиловый эфир аланина

 

4) a- Аминокислоты можно ацилировать, в частности, ацетилировать, действуя уксусным ангидридом или хлористым ацетилом. В результате образуются N- ацильные производные - аминокислот (символ "N" означает, что ацил связан с атомом азота).

 

N – ацетилаланин

 

 

5) a- Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

 

H2N–	H I CH–	O II C–OH + H–NH–	CH3 I CH–	O II C–OH ®
	глицин	аланин

 

 

® H2N–	H I CH–	O II C–NH–	CH3 I CH–	O II C–OH + H2O

глицилаланин

При конденсации трех аминокислот образуется трипептид и т.д.

 

Аминокислоты взаимодействуют с малорастворимыми в воде гадроксидами тяжелых металлов, растворяя их. При этом образуются, как правило, окрашенные комплексные соединения. Так, с гидроксидом меди (II) аминокислоты образуют комплексы, окрашенные в темно-синий или сине-фиолетовый цвет.

+

2 H₂N– CH₂–COOH + Cu(OH)₂ ® O = C -O - CuNH₂ – CH₂

ï .. ­ ï

H₂C - NH₂ O- C =O

 

 

В полученном комплексе атом меди соединен ионными связями с атомами кислорода карбоксильных групп и донорно- акцепторными связями с атомами азота аминогрупп за счет свободных пар р-электронов и вакантных d- орбиталей атома меди. В этом случае обра­зуются циклические структуры (хелатные соединения), для которых характерно окрашивание. Являясь би функциональными соединениями,. аминокислоты взаимодействуют как по аминогруппе, так и по карбок­сильной.

 

При осторожном нагревании аминокислот возможно декарбоксилирование, в результате которого образуются первичные амины

t

H₂N– CH–COOH ® R– CH₂– NH₂ + CO₂

ï

R

В живых организмах a - аминокислоты претерпевают разнообраз­ные превращения, в том числе и декарбоксилирование. При этом образуются амины, которые обладают высокой биологической активностью (биогенные амины). Например, при декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется g- аминомасляная кислота, которая находится в мозговых тканях и выполняй в организме функции нейрогормонального ингибитора.

 

фермент g b a

HOOC - CH - CH₂ -CH₂ -COOH CH₂ - CH₂ -CH₂ -COOH + CO₂

ï ï

NH₂ NH₂

 

глутаминовая кислота g- аминомасляная кислота

 

Реакция декарбоксилирования аминокислот проходит при раз­ложении белковых тел, которые переходят в аминокислоты, а затем в амины (трупные яды).

В основе качественного и количественного определения амино­кислот лежит нингидринная реакция. Нингидрин (гидрат трикетогидриндена) при взаимодействии с аминокислотами в щелочной среде образует соединения, окрашенные в сине-фиолетовый цвет. Например, с a - аланином нингидринная реакция описывается следующей последовательностью превращений:

 

СН₃ −СН−СООН + 2H₂O• ® + СН₃ − СНО + СО₂ +NН₃

ô нингидрин

NН₂

H − N−H + 2H₂O • + -4H₂O

ô

H

 

кетонная форма

 

енольная форма окрашенное соединение

 

Реакция аминокислот, в которых участвует аминогруппа, подоб­ны реакциям первичных аминов.

При взаимодействии с азотистой кислотой в кислой среде аминогруппа в аминокислотах замещается на оксигруппу. При.этом выделяется азот и образуется оксикарбоновая кислота.

 

+ HNO₂ ® CH₃ - CH- COOH + N₂+ H₂O

ï

OH

 

a- аланин молочная кислота

 

Реакция используется для количественного определения амино­кислот по объему выделяющегося свободного азота (метод Ван-Слайка).

С алкилирующими реагентами (галогеналкилы, диалкилсульфаты и др.) аминогруппа аминокислот, подобно аминам, алкилируется;

 

H₂N- CH₂ -COOH + (CH₃)₂ SO₄ ® (CH₃)₂N - CH₂- COOH + H₂SO₄

диметилсульфатN,N– диметилгликокол

 

С ангидридами карбоновых кислот аминокислоты вступают в реакцию ацилирования с образованием N -ацилпроизводных. Аналогично ацилирование проходит при взаимодействии аминокислот с хлорангидридами. Например, гликокол с хлористым бенэоилом образует о кристаллический бензоилгликокол (т.пл.187,5), известный под названием гиппуровой кислоты:

 

H₂N- CH₂ -COOH + C₆H₅ -C -Cℓ ® C₆H₅ -C -NH -CH₂ -COOH

║ -HСℓ ║

O O

гилпуровая кислота

 

 

Гиппуровая кислота вырабатывается в организмах травоядных животных, затем в значительных количествах выделяется с мочой.

Своеобразные и характерные реакции аминокислот проходят при нагревании и в присутствии водоотнимающих веществ. Пои этом по-разному осуществляется превращение аминокислот в зависимости от расположения амино- и карбоксильной групп в их молекулах. a - Аминокислоты при нагревании вступают в реакцию самоацилирования прикоторой из двух молекул a - аминокислоты за счет водородов аминогрупп и гидроксилов карбоксильных групп выделяются две молекулы воды, а из остатков аминокислот образуются дикетопиперазины. Последние представляют собой кристаллические нейтраль­ные вещества, которые при гидролизе превращаются в дипептиды, а при восстановлении - в азотистые гетероциклы ряда пиперазина.

 

-2H₂O

 

+4Н₂

+H₂O Пиперазин

H₂N−CH₂−C−NH−CH₂−COOH

║

O дипептид

 

a -Аминокислоты при нагревании, особенно в присутствии кислотных реагентов, за счет аминогруппи a-водородных атомовалкильной части молекулы легко отщепляют аммиак, образуя a, b ненасыщенные кислоты:

 

CH₂ -CH -COOH ® CH₂ = CH -COOH + NH₃

ï ï акриловая кислота

NH₂ H

 

b - аланин

 

g, d,e - аминокислоты также при нагревании легко вступают во внутримолекулярную реакцию самоацилированкя. При этом элиминиру­ется вода за счет атома водорода, аминогруппы и гидроксида про­странственно сближенной с ней карбоксильной группы. В результате образуется циклическая структура - лактам;

g β α

CH₂− CH₂− CH₂ -H₂O CH₂ − CH₂ CH₂ −CH₂

 

NH₂ C = O CH₂ CH₂

N C N C

OH +Н₂О ô ║ ô

H O OH

 

g-аминомасляная кислота лактамная форма лактимная форма

 

лактам g - аминомасляной кислоты (бутиролактам)

 

Лактамы, как и амиды, в кислотной и щелочной средах гидролизуются, превращаясь в соответствующие аминокислоты. Для лактамов характерна лактам- лактимная таутомерия. Под влиянием соседней карбонильной группы >С=0 атом водорода иминной группы >N -H обладает значительной подвижностью и сравнительно легко смещается к кислороду карбонильной группы, образуя енольную форму гидроксила, а вся молекула превращается в лактимную форму. Между лактимной и лактамной формой устанавливается таyтoмepнoe равновесие. Лактамы и лактимы могут давать как N-, так и 0-производные. Промышленно важным является лактам e - аминокапроновой кислоты - капролактам (исходное вещество для получения полимера капрона):

 

e d g b a

CH₂− CH₂− CH₂ −CH₂− CH₂− C =O ® CH₂− CH₂− CH₂ −CH₂− CH₂− C =O

ô ô -H₂O

NH − H OH NH

 

ε- аминокапроновая кислота ε-капролактам

 

 

5. Пептиды

 

Пептиды - это амиды линейной структуры, которые можно рас­сматривать как результат взаимодействия аминогрупп и карбоксилов разных по строению (или одинаковых) аминокислот.

Пептиды могут быть получены гидролизом природных белков. Синтетические методы получения пептидов разработал Э.Фишер (немец­кий химик - органик) в 1907 г. Так, по одному из способов конден­сируют хлорангидрид a - галогенкарбоновой кислоты с a - амино­кислотой с последующей обработкой продукта конденсации аммиаком, получая в результате дипептид, например:

 

CH₃ - CH -C =O + H- NH -CH₂ - COOH ® CH₃ -CH -C- NH -CH₂ -COOH ®

ï ï -HCl ï ║

Br Cl Br O

хлорангидрид

a -бромпропионовой

кислоты

 

+ 2NH₃ CH₃ - CH- C- NH - CH₂ - COOH

- NH₄Br ï ║

NH₂ O

дипептид аланил – глицил

 

 

Продолжая наращивать таким путем пептиднуго цепь, можно получить пептиды со значительным числом остатков аминокислот, так называемые полипептиды.

В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-... полипептиды. Принято относить к полипептидам соеди­нения с молекулярной массой до 10.000. Полипептиды с большей молекулярной массой называют белками. Названия пептидов образу­ются по аминокислотам, которые входят в пептид, за исключением последней в цепи, которая содержит свободную карбоксильнуюг группу, меняя в окончании буквы "Н" на букву "Л", например трипептид, который состоит из остатков глицина, аланина и цистеина, называют глицил-аланил-цистеин.

 

H₂N - CH₂ - COOH + H₂N- CH - COOH + CH₂ - CH - COOH

ï ï ║ -2H₂O

CH₃ SH NH - H

глицин a -аланин цистеин

 

 

H₂N - CH₂- C - NH - CH - C - NH - CH - COOH

║ ï ║ ï

O CH₃ O H₂C - SH

трипептид глицин – аланил - цистеин

ï

В пептидах амидная группа 0=C-NH - называется пептидной группой или пептидной связью), которая соединяет остатки аминокис­лот. Именно по пептидной группе осуществляется реакция расщепления полипептидных цепей, например при гидролизе полипептидов.

Полипептиды - это бесцветные кристаллические вещества, растворимые, в воде. Полипептиды составляют основу биополимеров - белков.

Все атомы пептидной связи находятся в одной плоскости. Это связаяо с сопряжением между электронамиp -связи C=O - группы и не поделенной пары электронов атома азота

O:

ï:  ××

- C = N -

ï

H

 

 

Благодаря сопряжении связь C-N имеет частичный характер двойной связи, вращение вокруг которой заторможено. Атомы кислорода и водорода находятся преимущественно в транс-положении.

Поскольку на долю пептидных связей приходится 1/3 всех связей полипептидного остова, то это приводит к ограничению пространствен­ного расположения пептида. Только радикалы аминокислотных остат­ков могут свободно вращаться в цепи.

Кроме сильных ковалентных пептидных связей в молекулах бел­ков возникают взаимодействия (водородные, ионные, гидрофобные, дисульфидные) между функциональными группами, которые поддержи­вают специфическую пространственную форму молекулы и обеспечивают реализацию ее биологических функций.

Полипептиды встречаются в организмах животных и человека, являясь чаще всего продуктами распада белков.

Ряд, пептидов играет важную биологическую роль. К ним можно отнести, например, декапептид, известный как грамицидин С- анти­биотическое вещество, гормоны гипофиза окситоцин, вазопрессин и адренокортикотропный гормон. Важнейшим пелтидом является инсулин - гормон поджелудочной железы, снижающий содержание сахара в крови. Недостаток инсулина вызывает сахарный диабет.