Химия аминокислоты химические свойства. Химические свойства. Физические свойства аминокислоты

Лекция № 1765

АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ

Методы получения.

Химические свойства.

Пептиды

Лекция № 16

АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ

1. Методы получения.
2. Химические свойства.
3. Аминокислоты, входящие в состав белков.
4. Пептиды

Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, содержащие
карбоксильную и аминогруппы. По взаимному расположению функциональных групп
различают a -,b -, g — и т.д. аминокислоты.
Аминокислоты, содержащие аминогруппу на конце цепи, называют w -аминокислотами.

1. Методы получения

!) Аммонолиз галогензамещенных кислот.

a -аминокислот из доступных a -галогензамещенных кислот.

2) Метод Штеккера- Зелинского

Включает стадии образования аминонитрила при
взаимодействии альдегида с HCN и NH 3 c последующим гидролизом его в аминокислоту. В качестве
реагента применяют смесь NaCN и NH 4 Cl.

Метод применим для синтеза только a -аминокислот.

3) Восстановительное аминирование
оксокислот

4) Присоединение аммиака к a ,b -непредельным карбоновым кислотам.

Метод применим для синтеза b -аминокислот.

5) Из оксимов циклических кетонов
перегруппировкой Бекмана.

Метод используется для синтеза w -аминокислот.

2. Химические
свойства

Аминокислоты дают реакции, характерные для карбоксильной
и аминогрупп, и, кроме того, проявляют специфические свойства, которые
определяются наличием двух функциональных групп и их взаимным
расположением.

2.1. Кислотно-основные
свойства

Аминокислоты содержат кислотный и основный
центры и являются амфотерными соединениями. В кристаллическом состоянии они
существуют в виде внутренних солей (биполярных ионов), которые образуются в
результате внутримолекулярного переноса протона от более слабого основного
центра (СОО — ) к более сильному
основному центру (NH 2).

Ионное строение аминокислот подтверждается их
физическими свойствами. Аминокислоты – нелетучие кристаллические вещества с
высокими температурами плавления. Они нерастворимы в неполярных органических
растворителях и растворимы в воде. Их молекулы обладают большими дипольными
моментами.

Форма существования аминокислот в водных
растворах зависит от рН. В кислых растворах аминокислоты присоединяют протон и
существуют преимущественно в виде катионов. В щелочной среде биполярный ион
отдает протон и превращается в анион.

При некотором значении рН, строго определенном
для каждой аминокислоты, она существует преимущественно в виде биполярного иона.
Это значение рН называют изоэлектрической точкой (рI ). В
изоэлектрической точке аминокислота не имеет заряда и обладает наименьшей
растворимостью в воде. Катионная форма аминокислоты содержит два кислотных
центра (COOH и NH 3 + ) и
характеризуется двумя константами диссоциации рК а1 и рК а2 .
Значение рI определяется по уравнению:

2.2. Реакции по
аминогруппе

Дезаминирование

Аминокислоты содержат первичную аминогруппу и подобно первичным аминам
взаимодействуют с азотистой кислотой с выделением азота. При этом происходит
замещение аминогруппы на гидроксильную.

RCH(NH 2)COOH + HNO 2 ® RCH(OH)COOH + N 2 ­ + H 2 O

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

Алкилирование и
арилирование

При взаимодействии аминокислот с избытком
алкилгалогенида происходит исчерпывающее алкилирование аминогруппы и образуются
внутренние соли.

Аминокислоты арилируются 2,4-динитрофторбензолом
(ДНФБ) в щелочной среде. Реакция протекает как нуклеофильное замещение в
активированном ароматическом кольце.

Реакция используется для установления
аминокислотной последовательности в пептидах.

Ацилирование

Аминокислоты взаимодействуют с ангидридами и
хлорангидридами с образованием N-ацильных производных.

Реакция используется для защиты аминогруппы в
синтезе пептидов. Такая защита должна легко сниматься, а амиды, как известно,
гидролизуются в жестких условиях. При разработке методов синтеза пептидов были
найдены защитные группы, которые легко удаляются путем гидролиза или
гидрогенолиза.

Карбобензоксизащита:

трет -Бутоксикарбонильная защита
(БОК-защита).

Легкость снятия защиты обусловлена устойчивостью
бензил- и трет -бутил-катионов, которые образуются в качестве
интермедиатов.

2.3. Реакции по карбоксильной
группе

Декарбоксилирование

При сухой перегонке в присутствии гидроксида
бария аминокислоты декарбоксилируются с образованием аминов.

Этерификация

Аминокислоты взаимодействуют со спиртами в присутствии газообразного HCl как
катализатора с образованием сложных эфиров.

В отличие от самих аминокислот, их сложные эфиры
– легко летучие соединения и могут быть разделены путем перегонки или
газожидкостной хроматографии, что используется для анализа и разделения смесей
аминокислот, полученных при гидролизе белков.

Получение галогенангидридов и
ангидридов

При действии на защищенные по аминогруппе
аминокислоты галогенидов фосфора или серы образуются хлорангидриды.

Реакция используется для активации карбоксильной
группы при нуклеофильном замещении. Чаще для этой цели получают смешанные
ангидриды, которые являются более селективными ацилирующими реагентами.

Реакция используется для активации аминогруппы в
синтезе пептидов.

2.4. Специфические реакции
аминокислот

Реакции с одновременным участием карбоксильной и
аминогрупп идут, как правило, с образованием продуктов, содержащих
термодинамически устойчивые 5-ти- и 6-тичленные гетероциклы.

Комплексообразование

a -Аминокислоты
образуют прочные хелатные комплексы с ионами переходных металлов (Cu, Ni, Co, Cr
и др.).

Отношение аминокислот к
нагреванию

Превращения аминокислот при нагревании зависят от взаимного расположения
карбоксильной и аминогруппы и определяются возможностью образования
термодинамически стабильных 5-ти- 6-тичленных циклов

a -Аминокислоты
вступают в реакцию межмолекулярного самоацилирования. При этом образуются
циклические амиды – дикетопиперазины.

b -Аминокислоты при
нагревании переходят a ,b -непредельные кислоты.

g — и d -Аминокислот претерпевают
внутримолекулярное ацилирование с образованием циклических амидов – лактамов .

Нингидриновая реакция

При взаимодействии a -аминокислот с трикетоном – нингидрином происходит одновременное окислительное
дезаминирование и декарбоксилирование с образованием альдегида и окрашенного
продукта конденсации.

Реакция используется для количественного анализа
аминокислот методом фотометрии.

1. a -Аминокислоты,
   входящие в состав белков

3.1. Строение и
классификация

Природные аминокислоты отвечают общей формуле RCH(NH 2 )COOH и отличаются строением радикала R. Формулы и
тривиальные названия важнейших аминокислот приведены в таблице. Для
биологического функционирования аминокислот в составе белков определяющим
является полярность радикала R. По этому признаку аминокислоты разделяют на
следующие основные группы (см. таблицу).

Таблица. Важнейшие a -аминокислоты
RCH(NH 2)COOH

Формула	Название	Обозначение	pI
Аминокислоты, содержащие неполярный радикал R
	Глицин	Gly	5,97
	Аланин	Ala	6,0
	Валин	Val	5,96
	Лейцин	Leu	5,98
	Изолейцин	Ile	6,02
	Фенилаланин	Phe	5,48
	Триптофан	Trp	5,89
	Пролин	Pro	6,30
	Метионин	Met	5,74
	Цистин	(Cys) 2	5,0
неионогенный радикал R
	Серин	Ser	5,68
	Треонин		5,60
	Гидроксипролин	Hyp	5,8
	Аспаргин	Asn	5,41
	Глутамин	Gln	5,65
Аминокислоты, содержащие полярный положительно заряженный радикал R
	Лизин	Lys	9,74
	5-Гидроксилизин		9,15
	Аргинин	Arg	10,76
	Гистидин	His	7,59
Аминокислоты, содержащие полярный отрицательно заряженный радикал R
	Аспаргиновая кислота	Asp	2,77
	Глутаминовая кислота	Gly	3,22
	Тирозин	Tyr	5,66
	Цистеин	Cys	5,07

Аминокислоты, содержащие неполярный радикал
R. Такие группы располагаются внутри
молекулы белка и обуславливают гидрофобные взаимодействия.

Аминокислоты, содержащие полярный
неионогенный радикал R. Аминокислоты этого типа имеют в составе бокового радикала полярные группы, не
способные к ионизации в водной среде (спиртовый гидроксил, амидная группа).
Такие группы могут располагаться как внутри, так и на поверхности молекулы
белка. Они участвуют в образовании водородных связей с другими полярными
группами.

Аминокислоты, содержащие радикал R, способный
к ионизации в водной среде с образованием положительно или отрицательно
заряженных групп. Такие аминокислоты содержат в боковом радикале
дополнительный основный или кислотный центр, который в водном растворе может
соответственно присоединять или отдавать протон.

В белках ионогенные группы этих аминокислот
располагаются, как правило, на поверхности молекулы и обуславливают
электростатические взаимодействия.

3.2.
Стереоизомерия.

Все природные a -аминокислоты (кроме глицина)
являются хиральными соединениями. По конфигурации хирального центра в положении
2 аминокислоты относят D- или L-ряду.

Природные аминокислоты относятся к
L-ряду.

Большинство аминокислот содержат один хиральный
центр и имеют два стереоизомера. Аминокислоты изолейцин, треонин,
гидроксипролин, 5-гидроксилизин и цистин содержат два хиральных центра и имеют
(кроме цистина) 4 стереоизомера, из которых только один встречается в составе
белков.

Так, из 4-х стереоизомеров треонина в
природе встречается только (2S,3R)-2-амино-3-гидроксибутановая кислота.

Использование для построения белков только
одного вида стереоизомеров имеет важное значение для формирования их
пространственной структуры и обеспечения биологической активности.

a -Аминокислоты,
полученные синтетическим путем, представляют рацемические смеси, которые
необходимо разделять. Наиболее предпочтительным является ферментативный способ
разделения с помощью ферментов ацилаз, способных гидролизовать N-ацетильные
производные только L- a -аминокислот. Ферментативное расщепление проводят по
следующей схеме.

Сначала рацемическую аминокислоту ацилируют
уксусным ангидридом:

Затем рацемическую смесь ацетильных производных
подвергают ферментативной обработке. При этом гидролизуется ацетильное
производное только L-аминокислоты:

Полученная после ферментативного смесь легко
разделяется, так как свободная L-аминокислота растворяется и в кислотах, и в
щелочах, а ацилированная – только в щелочах.

3.3. Кислотно-основные
свойства.

По кислотно-основным свойствам аминокислоты
разделяют на три группы.

Нейтральные аминокислоты не содержат в
радикале R дополнительных кислотных или основных центров, способных к ионизации
в водной среде. В кислой среде они существуют в виде однозарядного катиона и
являются двухосновными кислотами по Бренстеду. Как видно на примере аланина,
изоэлектрическая точка у нейтральных аминокислот не равна 7, а лежит в интервале
5,5 – 6,3.

pI=1/2(2,34+9,69)=6,01

Основные аминокислоты содержат в
радикале R дополнительный основный центр. К ним относятся лизин, гистидин и
аргинин. В кислой среде они существуют в виде дикатиона и являются трехосновными
кислотами. Изоэлектрическая точка основных аминокислот, как видно на примере
лизина, лежит в области рН выше 7.

pI= 1/2(9,0+10,05)=9,74

Кислые аминокислоты содержат в
радикале R дополнительный кислотный центр. К ним относятся аспаргиновая и
глутаминовая кислоты. В кислой среде они существуют в виде катиона и являются
трехосновными кислотами. Изоэлектрическая точка этих аминокислот лежит в области
рН много ниже 7.

pI= 1/2(2,09+3,86)=2,77

Тирозин и цистеин содержат в боковых радикалах
слабые кислотные центры, способные к ионизации при высоких значениях рН.

Важное значение имеет тот факт, что при
физиологическом значении рН (~7) ни одна аминокислота не находится в
изоэлектрической точке. В организме все аминокислоты ионизированы, что
обеспечивает им хорошую растворимость в воде.

Различие в кислотно-основных свойствах
используется для разделения аминокислот методом электрофореза и ионообменной
хроматографии. При данном значении рН разные аминокислоты могут иметь разный по
величине и знаку электрический заряд. Например, при рН6 лизин имеет заряд +1 и
движется к катоду, аспаргиновая кислота имеет заряд –1 и перемещается к аноду, а
аланин находится в изоэлектрической точке и не перемещается в электрическом поле. Таким образом при рН6 они могут быть
разделены с помощью электрофореза.

Для разделения аминокислот методом ионообменной
хроматографии используют катионообменные смолы (сульфированный полистирол).
Процесс ведут в кислой среде, когда аминокислоты находятся катионной
форме.

Скорость продвижения аминокислот по
хроматографической колонке зависит от силы их электростатических и гидрофобных
взаимодействий со смолой. Наиболее прочно связываются со смолой основные
аминокислоты, имеющие наибольший положительный заряд, наименее прочно – кислые
аминокислоты. Наибольшим гидрофобным связыванием со смолой обладают аминокислоты
с неполярными боковыми радикалами, особенно ароматическими. Таким образом,
порядок элюирования аминокислот следующий. Легче других элюируются кислые
аминокислоты (Asp и Glu), следом за ними идут аминокислоты, содержащие полярные
неионогенные группы (Ser, Thr, Asn, Gln), затем из колонки вымываются
аминокислоты с неполярными боковыми радикалами (Phe, Trp, Ile и др.) и в
последнюю очередь элюируются основные аминокислоты (His, Lys, Arg).

3.4. Реакции аминокислот in
vivo

Восстановительное аминирование – метод
синтеза a -аминокислот из a -оксокислот при участии кофермента НАД Н в качестве
восстанавливающего реагента.

Трасаминирование – основной
путь биосинтеза аминокислот. При трансаминировании происходит взаимообмен двух
функциональных групп – аминной и карбонильной между аминокислотой и кетокилотой.
При этом нужная для организма аминокислота 1 синтезируется из аминокислоты 2,
имеющейся в клетках в избыточном коичестве. Реакция осуществляется при участии
ферментов трансаминаз и кофермента пиридоксальфосфата.

Декарбоксилирование

Аминокислоты декарбоксилируются под действием
ферментов декарбоксилаз при участи кофермента пиридоксальфосфата. При этом
образуются биогенные амины.

Биогенные амины обладают ярко выраженной
биологической активностью. Важнейшими из них являются — коламин (предшественник
в синтезе холина и нейромедиатора ацетилхолина), гистамин (обеспечивает
аллергические реакции организма), g -аминомасляная кислота (нейромедиатор), адреналин
(гормон надпочечников, нейромедиатор)

Дезаминирование

Неокислительное дезаминирование происходит путем
отщепления аммиака под действием ферментов с образованием a ,b -непредельных кислот.

Окислительное дезаминирование происходит
при участии ферментов оксидаз и кофермента НАД + , который выступает в качестве окислителя. В результате
выделяется аммиак и образуется соответствующая кетокислота.

С помощью реакций дезаминирования снижается
избыток аминокислот в организме.

4. Пептиды

Петиды – это полиамиды, построенные из a -аминокислот. По числу аминокислотных остатков в
молекуле пептида различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д.
Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называют олигопептидами , более 10 аминокислотных остатков – полипептидами .
Природные полипептиды, включающие более 100 аминокислотных остатков, называют белками .

4.1. Строение
пептидов

Формально пептиды можно рассматривать как продукты поликонденсации
аминокислот.

Аминокислотные остатки в пептиде связаны
амидными (пептидными ) связями. Один конец цепи, на котором находится
аминокислота со свободной аминогруппой, называют N-концом . Другой конец,
на котором находится аминокислота со свободной карбоксильной группой, называют С-концом . Пептиды принято записывать и называть, начиная с
N-конца.

Название пептида строят на основе тривиальных
названий, входящих в его состав аминокислотных остатков, которые перечисляют,
начиная с N-конца. При этом в названиях всех аминокислот за исключением
С-концевой суффикс “ин” заменяют на суффикс “ил”. Для сокращенного обозначения
пептидов используют трехбуквенные обозначения входящих в его состав
аминокислот.

Пептид характеризуется аминокислотным
составом и аминокислотной последовательностью .

Аминокислотный состав пептида может быть
установлен путем полного гидролиза пептида (расщепления до аминокислот) с
последующим качественным и количественным анализом образовавшихся аминокислот
методом ионобменной хроматографии или ГЖХ-анализом сложных эфиров аминокислот.
Полный гидролиз пептидов проводят в кислой среде при кипячении их с 6н.
HCl.

Одному и тому же аминокислотному составу
отвечает несколько пептидов. Так, из 2-х разных аминокислот может быть построено
2 дипептида, из трех разных аминокислот – 6 трипептидов, из n разных аминокислот
n! пептидов одинакового состава. Например, составу Gly:Ala:Val=1:1:1 отвечают
следующие 6 трипептидов.

Gly-Ala-Val Gly- Val-Ala Val-Gly-Ala Val-Ala-Gly Ala-Gly-Val
Ala-Val-Glu

Таким образом, для полной характеристики пептида
необходимо знать его аминокислотный состав и аминокислотную
последовательность.

4.2. Определение аминокислотной
последовательности

Для определения аминокислотной
последовательности используют комбинацию двух методов: определение концевых
аминокислот и частичный гидролиз .

Определение N-концевых
аминокислот.

Метод Сегнера . Пептид обрабатывают 2,4-динитрофтробензолом (ДНФБ), а
затем полностью гидролизуют. Из гидролизата выделяют и идентифицируют
ДНФ-производное N-концевой аминокислоты.

Метод Эдмана состоит во
взаимодействии N-концевой аминокислоты с фенилизотиоцианатом в щелочной среде.
При дальнейшей обработке слабой кислотой без нагревания происходит отщепление от
цепи “меченой” концевой аминокислоты в виде фенилгидантоинового (ФТГ)
производного.

Преимущество этого метода состоит в том, что при
отщеплении N-концевой аминокислоты пептид не разрушается и операцию по
отщеплению можно повторять. Метод Эдмана используют в автоматическом приборе –
секвенаторе, с помощью которого можно осуществить 40 – 50 стадий отщепления,
идентифицируя полученные на каждой стадии ФТГ-производные методом газожидкостной
хроматографии.

Частичный гидролиз полипептидов

При частичном гидролизе пептиды расщепляются с
образованием более коротких цепей. Частичный гидролиз проводят с помощью
ферментов, которые гидролизуют пептидные связи избирательно, например, только с
N-конца (аминопептидазы ) или только с С-конца (карбоксипептидазы ).
Существуют ферменты, расщепляющие пептидные связи только между определенными
аминокислотами. Меняя условия гидролиза, можно разбить пептид на различные
фрагменты, которые перекрываются по составляющим их аминокислотным остаткам.
Анализ продуктов частичного гидролиза позволяет воссоздать структуру исходного
пептида. Рассмотрим простейший пример установления структуры трипептида.
Частичный гидролиз по двум разным направлениям трипептида неизвестного строения
дает продукты представленные на схеме.

Единственный трипептид, структура которого не
противоречит продуктам частичного гидролиза – Gly-Ala-Phe.

Установление аминокислотной последовательности
пептидов, содержащих несколько десятков аминокислотных остатков, – более сложная
задача, которая требует комбинации различных методов.

4.3. Синтез
петидов

Синтез пептида с заданной аминокислотной
последовательностью – чрезвычайно сложная задача. В простейшем случае синтеза
дипептида из 2-х разных аминокислот возможно образование 4-х разных
продуктов.

В настоящее время разработана стратегия синтеза
пептидов, основанная на использовании методов активации и защиты функциональных групп на соответствующих этапах синтеза. Процесс синтеза
дипептида включает следующие стадии:

1. защита аминогруппы N-концевой
   аминокислоты;
2. активация карбоксильной группы N-концевой
   аминокислоты;
3. конденсация модифицированных
   аминокислот
4. снятие защитных групп

Таким образом, последовательно присоединяя
аминокислоты, шаг за шагом наращивают цепь полипептида. Такой синтез очень
длителен, трудоемок и дает низкий выход конечного продукта. Основные потери
связаны с необходимостью выделения и очистки продуктов на каждой стадии.

Этих недостатков лишен используемый в настоящее
время твердофазный синтез пептидов . На первой стадии защищенная по
аминогруппе С-концевая аминокислота закрепляется на твердом полимерном носителе
(полистироле, модифицированном введением групп –CH 2 Cl). После снятия защиты проводят ацилирование
аминогруппы закрепленной на носителе аминокислоты другой аминокислотой, которая
содержит активированную карбоксильную и защищенную аминогруппу. После снятия
защиты проводят следующую стадию ацилирования. Отмывание продукта от примесей
проводят прямо на носителе и лишь после окончания синтеза полипептид снимают с
носителя действием бромистоводородной кислоты. Твердофазный синтез
автоматизирован и проводится с помощью приборов – автоматических
синтезаторов.

;

Методом твердофазного синтеза получено большое
количество пептидов, содержащих 50 и более аминокислотных остатков, в том числе
инсулин (51 аминокислотный остаток) и рибонуклеаза (124 аминокислотных
остатка).

Химическое поведение аминокислот определяется двумя функциональными группами -NН 2 и –СООН. Аминокислотам характерны реакции по аминогруппе, карбоксильной группе и по радикальной части, при этом в зависимости от реагента взаимодействие веществ может идти по одному или нескольким реакционным центрам.

Амфотерный характер аминокислот. Имея в молекуле одновременно кислотную и основную группу, аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения. В кислых растворах они проявляют основные свойства, реагируя как основания, в щелочных – как кислоты, образуя соответственно две группы солей:

Благодаря своей амфотерности в живом организме, аминокислоты играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концентрацию водородных ионов. Буферные растворы, полученные при взаимодействии аминокислот с сильными основаниями, широко применяются в биоорганической и химической практике. Соли аминокислот с минеральными кислотами лучше растворимы в воде, чем свободные аминокислоты. Соли с органическими кислотами труднорастворимые в воде и используются для идентификации и разделения аминокислот.

Реакции, обусловленные аминогруппой. С участием аминогруппы аминокислоты образуют аммониевые соли с кислотами, ацилируются, алкилируются, реагируют с азотистой кислотой и альдегидами в соответствии со следующей схемой:

Алкилирование проводится при участии R-На1 или Аr-Наl:

В процессе реакции ацилирования используются хлорангидриды или ангидриды кислот (ацетилхлорид, уксусный ангидрид, бензилоксикарбонилхлорид):

Реакции ацилирования и алкилировнаия применяется для защиты NН 2 –группы аминокислот в процессе синтеза пептидов.

Реакции, обусловленные карбоксильной группой. При участии карбоксильной группы аминокислоты образуют cоли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды в соответствии со схемой, представленной ниже:

Если при -углеродном атоме в углеводородном радикале имеется электроноакцепторный заместитель (NO 2 , СС1 3 , СООН, COR и т.д.), поляризующий связь ССООН, то у карбоновых кислот легко протекают реакции декарбоксилирования . Декарбоксилирование -аминокислот, содержащих в качестве заместителя + NH 3 -группу, приводит к образованию биогенных аминов. В живом орга­низме данный процесс протекает под действием фермента декарбоксилазы и витамина пиридоксальфосфата.

В лабораторных условиях реакцию осуществляется при на­гревании -аминокислоты в присутствии поглотителей СО 2 , например, Ва(ОН) 2 .

При декарбоксилировании -фенил--аланина, лизина, серина и гистидина образуются, соответственно, фенамин, 1,5-диаминопентан (кадаверин), 2-аминоэтанол-1 (коламин) и триптамин.

Реакции аминокислот с участием боковой группы. При нитровании аминокислоты тирозин азотной кислотой происходитобразованиединитропроизводного соединения, окрашенного в оранжевый цвет (ксантопротеиновая проба):

Окислительно-восстановительные переходы имеют место в системе цистеин – цистин:

2 Н S CH 2 CH(NH 2)COOH  HOOCCH(NH 2)CH 2 S–S CH 2 CH(NH 2)COOH

HOOCCH(NH 2)CH 2 S – S CH 2 CH(NH 2)COOH  2 Н S CH 2 CH(NH 2)COOH

В некоторых реакциях аминокислоты реагируют по обеим функциональным группам одновременно.

Образование комплексов с металлами. Почти все -аминокислоты образуют комплексы с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивыми являются комплексные внутренние соли меди (хелатные соединения), образующиеся в результате взаимодействия с гидроксидом меди (II) и окрашенные в синий цвет:

Действие азотистой кислоты на алифатические аминокислоты приводит к образованию гидроксикислот, на ароматические - диазосоединений.

Образование гидроксикислот:

Реакция диазотирования:

с выделением молекулярного азота N 2:

2. без выделения молекулярного азота N 2:

Хромофорная группа азобензола -N=N в азосоединениях обуславливает желтую, желтую, оранжевую или другого цвета окраску веществ при поглощении в видимой области света (400-800 нм). Ауксохромная группа

СООН изменяет и усиливает окраску за счет π, π - сопряжения с π - электронной системой основной группы хромофора.

Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании аминокислоты разлагаются с образованием различных продуктов в зависимости от их типа. При нагревании  -аминокислот в результате межмолекулярной дегидратации образуются циклические амиды - дикетопиперазины:

валин (Val) диизопропильное производное

дикетопиперазина

При нагревании  -аминокислот от них отщепляется аммиак с образованием α, β-непредельных кислот с сопряженной системой двойных связей:

β-аминовалериановая кислота пентен-2-овая кислота

(3-аминопентановая кислота)

Нагревание  - и  -аминокислот сопровождается внутримолекулярной дегидратацией и образованием внутренних циклических амидов – лактамов:

γ-аминоизовалериановая кислота лактам γ-аминоизовалериановой

(4-амино-3-метилбутановая кислота) кислоты

>> Химия: Аминокислоты

Общую формулу простейших аминокислот можно записать так:

Н2N- СН-СООН
I
R

Так как аминокислоты содержат две различные функциональные группы, которые оказывают влияние друг на друга, их реакции отличаются от характерных свойств карбоновых кислот и аминов.

Получение

Аминокислоты можно получить из карбоновых кислот, заместив в их радикале атом водорода на галоген , а затем на аминогруппу при взаимодействии с аммиаком. Смесь аминокислот обычно получают кислотным гидролизом белков.

Свойства

Аминогруппа -NН2 определяет основные свойства аминокислот, так как способна присоединять к себе катион водорода по донорно-акцепторному механизму за счет наличия свободной электронной пары у атома азота.

Группа -СООН (карбоксильная группа) определяет кислотные свойства этих соединений. Следовательно, аминокислоты - это амфотерные органические соединения.

Со щелочами они реагируют как кислоты. С сильными кислотами - как основания-амины .

Кроме того, аминогруппа в молекуле аминокислоты вступает во взаимодействие с входящей в ее состав карбоксильной группой, образуя внутреннюю соль:

Так как аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения, то в живых организмах они играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концентрацию ионов водорода.

Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при температуре выше 200 °С. Они растворимы в воде и нерастворимы в эфире. В зависимости от состава радикала R- они могут быть сладкими, горькими или безвкусными.

Аминокислоты обладают оптической активностью, так как содержат атомы углерода (асимметрические атомы), связанные с четырьмя различными заместителями (исключение составляет амино-уксусная кислота - глицин). Асимметрический атом углерода обозначают звездочкой.

Как вы уже знаете, оптически активные вещества встречаются в виде пар антиподов-изомеров, физические и химические свойства которых одинаковы, за исключением одного - способности вращать плоскость поляризованного луча в противоположные стороны. Направление вращения плоскости поляризации обозначается знаком (+) - правое вращение, (-) - левое вращение.

Различают D-аминокислоты и L-аминокислоты. Расположение аминогруппы NH2 в проекционной формуле слева соответствует L-конфигурации, а справа - D-конфигурации. Знак вращения не связан с принадлежностью соединения к L- или D-ряду. Так, L-ce-рин имеет знак вращения (-), а L-аланин - (+).

Аминокислоты подразделяют на природные (обнаруженные в живых организмах) и синтетические. Среди природных аминокислот (около 150) выделяют протеиногенные аминокислоты (около 20), которые входят в состав белков. Они представляют собой L-формы. Примерно половина из этих аминокислот относятся к незаменимым, так как они не синтезируются в организме человека. Незаменимыми являются такие аминокислоты, как валин, лейцин, изолейцин, фени-лалалин, лизин, треонин, цистеин, метионин, гистидин, триптофан. В организм человека данные вещества поступают с пищей (табл. 7). Если их количество в пище будет недостаточным, нормальное развитие и функционирование организма человека нарушаются. При отдельных заболеваниях организм не в состоянии синтезировать и некоторые другие аминокислоты. Так, при фенилкетонурии не синтезируется тирозин.

Важнейшим свойством аминокислот является способность вступать в молекулярную конденсацию с выделением воды и образованием амидной группировки-NH-СО-, например:

H2N-(СН2)5-СООН + Н-NH-(СН2)5-СООН ->
аминокапроновая кислота

H2N-(СН2)5-СО-NH-(СН2)5-СООН + Н20

Получаемые в результате такой реакции высокомолекулярные соединения содержат большое число амидных фрагментов и поэтому получили название полиамидов.

К ним, кроме названного выше синтетического волокна капрон, относят, например, и энант, образующийся при поликонденсации аминоэнантовой кислоты. Для получения синтетических волокон пригодны аминокислоты с расположением амино- и карбоксильной групп на концах молекул (подумайте почему).

Таблица 7. Суточная потребность организма человека в аминокислотах

Полиамиды а-аминокислот называются пептидами. В зависимости от числа остатков аминокислот различают дипептиди, трипептиды, полипептиды. В таких соединениях группы -NР-СО- называют пептидными.

Изомерия и номенклатура

Изомерия аминокислот определяется различным строением углеродной цепи и положением аминогруппы. Широко распространены также названия аминокислот, в которых положения аминогруппы обозначаются буквами греческого алфавита. Так, 2-аминобутановую кислоту можно назвать также а-аминомасляной кислотой:

В биосинтезе белка в живых организмах участвуют 20 аминокислот, для которых применяют чаще исторические названия. Эти названия и принятые для них русские и латинские буквенные обозначения приведены в таблице 8.

1. Запишите уравнения реакций аминопропионовой кисло-; ты с серной кислотой и гидроксидом натрия, а также с метиловым спиртом. Всем веществам дайте названия по международной номенклатуре.

2. Почему аминокислоты являются гетерофункциональными соединениями?

3. Какими особенностями строения должны обладать аминокислоты, используемые для синтеза волокон, и аминокислоты, участвующие в биосинтезе белков в клетках живых организмов?

4. Чем отличаются реакции поликонденсации от реакций полимеризации? В чем их сходство?

5. Как получают аминокислоты? Запишите уравнения реакций получения аминопропионовой кислоты из пропана.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Среди азотсодержащих органических веществ имеются соединения с двойственной функцией. Особенно важными из них являются аминокислоты .

В клетках и тканях живых организмов встречается около 300 различных аминокислот, но только 20 ( α-аминокислоты) из них служат звеньями (мономерами), из которых построены пептиды и белки всех организмов (поэтому их называют белковыми аминокислотами). Последовательность расположения этих аминокислот в белках закодирована в последовательности нуклеотидов соответствующих генов. Остальные аминокислоты встречаются как в виде свободных молекул, так и в связанном виде. Многие из аминокислот встречаются лишь в определенных организмах, а есть и такие, которые обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. Большинство микроорганизмов и растения синтезируют необходимые им аминокислоты; животные и человек не способны к образованию так называемых незаменимых аминокислот, получаемых с пищей. Аминокислоты участвуют в обмене белков и углеводов, в образовании важных для организмов соединений (например, пуриновых и пиримидиновых оснований, являющихся неотъемлемой частью нуклеиновых кислот), входят в состав гормонов, витаминов, алкалоидов, пигментов, токсинов, антибиотиков и т. д.; некоторые аминокислоты служат посредниками при передаче нервных импульсов.

Аминокислоты - органические амфотерные соединения, в состав которых входят карбоксильные группы – СООН и аминогруппы -NH 2 .

Аминокислоты можно рассматривать как карбоновые кислоты, в молекулах которых атом водорода в радикале замещен аминогруппой.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Аминокислоты классифицируют по структурным признакам.

1. В зависимости от взаимного расположения амино- и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на α-, β-, γ-, δ-, ε- и т. д.

2. В зависимости от количества функциональных групп различают кислые, нейтральные и основные.

3. По характеру углеводородного радикала различают алифатические (жирные), ароматические, серосодержащие и гетероциклические аминокислоты. Приведенные выше аминокислоты относятся к жирному ряду.

Примером ароматической аминокислоты может служить пара -аминобензойная кислота:

Примером гетероциклической аминокислоты может служить триптофан –незаменимая α- аминокислота

НОМЕНКЛАТУРА

По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Нумерация углеродной цепи с атома углерода карбоксильной группы.

Например:

Часто используется также другой способ построения названий аминокислот, согласно которому к тривиальному названию карбоновой кислоты добавляется приставка амино- с указанием положения аминогруппы буквой греческого алфавита.

Пример:

Для α-аминокислот R-CH(NH 2)COOH

Которые играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, применяются тривиальные названия.

Таблица.

Аминокислота	Сокращённое обозначение	Строение радикала (R)
Глицин	Gly (Гли)	H -
Аланин	Ala (Ала)	CH 3 -
Валин	Val (Вал)	(CH 3) 2 CH -
Лейцин	Leu (Лей)	(CH 3) 2 CH – CH 2 -
Серин	Ser (Сер)	OH- CH 2 -
Тирозин	Tyr (Тир)	HO – C 6 H 4 – CH 2 -
Аспарагиновая кислота	Asp (Асп)	HOOC – CH 2 -
Глутаминовая кислота	Glu (Глу)	HOOC – CH 2 – CH 2 -
Цистеин	Cys (Цис)	HS – CH 2 -
Аспарагин	Asn (Асн)	O = C – CH 2 – │ NH 2
Лизин	Lys (Лиз)	NH 2 – CH 2 - CH 2 – CH 2 -
Фенилаланин	Phen (Фен)	C 6 H 5 – CH 2 -

Если в молекуле аминокислоты содержится две аминогруппы, то в ее названии используется приставка диамино- , три группы NH 2 – триамино- и т.д.

Пример:

Наличие двух или трех карбоксильных групп отражается в названии суффиксом –диовая или -триовая кислота :

ИЗОМЕРИЯ

1. Изомерия углеродного скелета

2. Изомерия положения функциональных групп

3. Оптическая изомерия

α-аминокислоты, кроме глицина NН 2 -CH 2 -COOH.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250°С) температурами плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и поэтому нехарактерны. Плавление сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

ПОЛУЧЕНИЕ

3. Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности продуцируют α - аминокислоты белков.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Аминокислоты амфотерные органические соединения, для них характерны кислотно-основные свойства.

I . Общие свойства

1. Внутримолекулярная нейтрализация → образуется биполярный цвиттер-ион:

Водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот существуют в виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе:

цвиттер-ион

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, кислую или щелочную среду в зависимости от количества функциональных групп.

ПРИМЕНЕНИЕ

1) аминокислоты широко распространены в природе;

2) молекулы аминокислот – это те кирпичики, из которых построены все растительные и животные белки; аминокислоты, необходимые для построения белков организма, человек и животные получают в составе белков пищи;

3) аминокислоты прописываются при сильном истощении, после тяжелых операций;

4) их используют для питания больных;

5) аминокислоты необходимы в качестве лечебного средства при некоторых болезнях (например, глутаминовая кислота используется при нервных заболеваниях, гистидин – при язве желудка);

6) некоторые аминокислоты применяются в сельском хозяйстве для подкормки животных, что положительно влияет на их рост;

7) имеют техническое значение: аминокапроновая и аминоэнантовая кислоты образуют синтетические волокна – капрон и энант.

О РОЛИ АМИНОКИСЛОТ

Нахождение в природе и биологическая роль аминокислот

Нахождение в природе и би...гическая роль аминокислот

Аминокислотами называются органические соединения, содержащие в молекуле функциональные группы: амино- и карбоксильную.

Номенклатура аминокислот. По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих карбоновых кислот и добавления слова «амино». Положение аминогруппы указывают цифрами. Отсчет ведется от углерода карбоксильной группы.

Изомерия аминокислот. Их структурная изомерия определяется положением аминогруппы и строением углеродного радикала. В зависимости от положенияNH 2 -группы различают-,- и-аминокислоты.

Из -аминокислот строятся молекулы белка.

Для них также характерна изомерия функциональной группы (межклассовыми изомерами аминокислот могут быть сложные эфиры аминокислот или амиды гидроксикислот). Например, для 2-аминопропановой кислоты СН 3 – СН(NH) 2 – COOHвозможны следующие изомеры

Физические свойства α-аминокислот

Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, нелетучие (малое давление насыщенного пара), плавящиеся с разложением при высоких температурах. Большинство их хорошо растворимо в воде и плохо в органических растворителях.

Водные растворы одноосновных аминокислот имеют нейтральную реакцию. -Аминокислоты можно рассматривать как внутренние соли (биполярные ионы): + NH 3  CH 2  COO  . В кислой среде они ведут себя как катионы, в щелочной – как анионы. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, проявляющими одновременно кислотные и основные свойства.

Способы получения -аминокислот

1. Действие аммиака на соли хлорзамещенных кислот.

Cl CH 2  COONH 4 + NH 3
NH 2  CH 2 COOH

2. Действие аммиака и синильной кислоты на альдегиды.

3. Гидролизом белков получают 25 различных аминокислот. Разделение их – очень не простая задача.

Способы получения -аминокислот

1. Присоединение аммиака к непредельным карбоновым кислотам.

СН 2 = СН СООН + 2NH 3  NH 2  CH 2  CH 2  COONH 4 .

2. Синтез на базе двухосновной малоновой кислоты.

Химические свойства аминокислот

1. Реакции по карбоксильной группе.

1.1. Образование эфиров при действии спиртов.

2. Реакции по аминогруппе.

2.1. Взаимодействие с минеральными кислотами.

NH 2  CH 2 COOH + HCl  H 3 N +  CH 2  COOH + Cl 

2.2. Взаимодействие с азотистой кислотой.

NH 2  CH 2 COOH + HNO 2  HO CH 2  COOH + N 2 + H 2 O

3. Превращение аминокислот при нагревании.

3.1.-аминокислоты образуют циклические амиды.

3.2.-аминокислоты отщепляют аминогруппу и атом водорода у-углеродного атома.

Отдельные представители

Глицин NH 2 CH 2 COOH(гликокол). Одна из наиболее распространенных аминокислот, входящих в состав белков. При обычных условиях – бесцветные кристаллы с Т пл = 232236С. Хорошо растворима в воде, нерастворима в абсолютном спирте и эфире. Водородный показатель водного раствора6,8; рК а = 1,510  10 ; рК в = 1,710  12 .

-аланин – аминопропионовая кислота

Широко распространена в природе. Встречается в свободном виде в плазме крови и в составе большинства белков. Т пл = 295296С, хорошо растворима в воде, плохо в этаноле, нерастворима в эфире. рК а (СООН)= 2,34; рК а (NH) = 9,69.

-аланин NH 2 CH 2 CH 2 COOH– мелкие кристаллы с Т пл = 200С, хорошо растворима в воде, плохо в этаноле, нерастворима в эфире и ацетоне. рК а (СООН) = 3,60; рК а (NH) = 10,19; в белках отсутствует.

Комплексоны. Этот термин используют для названия ряда -аминокислот, содержащих две или три карбоксильные группы. Наиболее простые:

Наиболее распространенный комплексон – этилендиаминтетрауксусная кислота.

Ее динатриевая соль – трилон Б – чрезвычайно широко применяется в аналитической химии.

Связь между остатками -аминокислот называют пептидной, а сами образующиеся соединения пептидами.

Два остатка -аминокислот образуют дипептид, три – трипептид. Много остатков образуют полипептиды. Полипептиды, как и аминокислоты, амфотерны, каждому свойственна своя изоэлектрическая точка. Белки - полипептиды.