304- Органическая химия_Черных В.П. и др_Х., 2007 -776с

БелКИ

1

Положение такого равновесия существенно зависит от рн среды: в сильнокислой среде (рн = 1…2) преобладает катионная форма, в сильно-щелочной (рн = 13…14) — анионная. если раствор аминокислоты поместить в электрическое поле, то в кислой среде молекулы перемещаются к катоду (катионная форма), а в щелочной — к аноду (анионная форма). однако для каждой аминокислоты существует характерное значение рн, при котором молекулы не перемещаются

вэлектрическом поле. При этом значении рн, называемом изоэлектрической точкой (рI ), аминокислота находится в виде цвиттер-ионов и в целом электро-

нейтральна. изоэлектрическая точка зависит от соотношения количеств кислых и основных групп в молекуле: рI кислых аминокислот имеет значение менее 7,

так как в кислой среде подавляется ионизация второй карбоксильной группы и соответственно рI основных аминокислот находится в области более 7, так как

вщелочной среде подавляется протонирование второй аминогруппы.

35.1.3. СПОСОБЫ ПОлУЧенИя

ранее (см. с. 509) были рассмотрены общие методы получения аминокислот, в том числе -аминокислот. в процессе синтеза образуется рацемическая смесь

(±)- -аминокислот, разделение которой на оптические антиподы проводят с помощью химических и ферментативных методов (см. с. 84).

наиболее широко используемый химический метод расщепления рацематов-аминокислот основан на образовании диастереомерных солей N-ацильных производных (±)- -аминокислот с оптически активными основаниями бруцином или стрихнином. вследствие различной растворимости один из диастереомеров образует осадок, а другой, более растворимый,— остается в растворе. разделенные диастереомерные соли затем разлагают до -аминокислот.

Ферментативный метод расщепления основан на гидролизе N-ацил- -амино- кислот ацилазами или сложных эфиров -аминокислот — эстеразами.

Гидролиз  белков. -аминокислоты получают путем щелочного, кислотного или ферментативного гидролиза белков. При кислотном гидролизе происходят также побочные реакции, например: глутамин и аспарагин гидролизуются до глутаминовой и аспарагиновой кислот, а триптофан разрушается. Щелочной же гидролиз приводит к рацемизации -аминокислот. Поэтому наиболее широко используется ферментативный метод гидролиза. разделение -аминокислот в белковых гидролизатах проводят с помощью ионообменной хроматографии.

микробиологический  синтез. некоторые микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают определенные -аминокислоты. Эти микроорганизмы выращивают на богатых углеводами средах — крахмале, мелассе, патоке и др. таким способом получают аспарагиновую и глутаминовую кислоты, триптофан, лизин и др.

БелКИ

3

Эта реакция применяется в аналитической практике (метод Ван-Слайка). По объему выделившегося азота определяют количественное содержание -амино- кислоты.

в организме -аминокислоты подвергаются окислительному дезаминированию. реакция происходит под действием ферментов оксидаз и окислительного агента — кофермента над+:

Трансаминирование  (переаминирование). Процесс протекает только в живых организмах. реакция происходит с участием ферментов трансаминаз и кофермента пиридоксальфосфата между -амино- и -кетокислотами и сводится к взаимообмену амино- и карбонильной группами:

Взаимодействие  с карбонильными  соединениями. формальдегид реагирует с -аминокислотами в водном растворе с образованием N-гидроксиметильных производных.

реакция лежит в основе количественного определения -аминокислот мето-

дом формольного титрования по Сёренсену.

другие альдегиды и кетоны реагируют с -аминокислотами с образованием оснований шиффа:

Взаимодействие  с фенилизотиоцианатом (реакция Эдмана). При взаимодей-

ствии -аминокислот с фенилизотиоцианатом образуются производные 3-фе- нил-2-тиогидантоина. сначала в присутствии щелочи происходит присоединение фенилизотиоцианата по аминогруппе -аминокислоты, а затем при нагревании полученного продукта присоединения в присутствии минеральной кислоты происходит циклизация с образованием производного фенилтиогидантоина (фтГ-производное):

БелКИ

5

смеси -аминокислот в белковых гидролизатах. с этой целью -аминокислоты сначала этерифицируют, а затем полученные эфиры подвергают перегонке. в настоящее время для разделения смеси сложных эфиров -аминокислот применяют метод газожидкостной хромaтографии (ГЖх). Эта реакция служит также удобным методом защиты карбоксильной группы при синтезе пептидов.

Образование галогенангидридов и ангидридов. аналогично карбоновым кисло-

там -аминокислоты образуют галогенангидриды и ангидриды (cм. c. 432, 433). Перед проведением реакции осуществляют предварительную защиту аминогруппы (образование N-ацильных производных).

Декарбоксилирование. -аминокислоты относительно легко декарбоксилируются:

35.1.5. ИДенТИФИКаЦИя α-амИнОКИСлОТ 

нингидриновая реакция. для обнаружения -аминокислот используется реакция с нингидрином (см. с. 511), в результате которой образуется продукт, окрашенный в сине-фиолетовый цвет с максимумом поглощения в области 570 нм:

нингидриновый реактив применяется в хроматографическом анализе для проявления хроматограмм на бумаге и в тонком слое сорбента, а также для количественного колориметрического определения -аминокислот.

Ксантопротеиновая  реакция. для обнаружения -аминокислот, содержащих в структуре ароматические циклы, используют реакцию с концентрированной азотной кислотой. в результате нитрования ароматического цикла -аминокис- лот образуется нитропроизводное, окрашенное в желтый цвет.

35.2. сТрОение ПеПТидОв и БелКОв

-аминокислоты вследствие взаимодействия амино- и карбоксильных групп способны к поликонденсации. образующиеся полиамиды называют пептидами:

Глава 35

Группу —C(O)—NH— между двумя -аминокислотными фрагментами называют пептидной группой. связь с—N, посредством которой остатки -амино- кислот соединены в пептидах и белках, называют пептидной связью. атом углерода пептидной группы (рис. 35.1) находится в sp2-гибридизованном состоянии. неподеленная пара электронов атома азота вступает в сопряжение с -электро- нами карбонильной группы, в результате чего двойная связь C=O несколько удлиняется (124 нм вместо 121 нм обычной связи), а связь C—N несколько укорачивается (0,132 нм вместо 0,146 нм) и, следовательно, приобретает в значительной мере характер двойной связи, вращение вокруг которой затруднено. таким образом, электронное строение обусловливает жесткую плоскостную структуру пептидной группы.

рис. 35.1. строение пептидной группы

наличие пептидной группы в молекулах пептидов и белков подтверждается биуретовой реакцией: при взаимодействии со щелочным раствором меди (ІІ) сульфата образуется фиолетовое окрашивание (см. с. 519).

в зависимости от количества аминокислотных остатков пептиды делят на ди-, тритетрапептиды и т. д. Пептиды с молекулярной массой менее 10 000 условно относят к полипептидам, а более 10 000 — к белкам. Поэтому между белками и пептидами трудно провести четкую границу, однако белки имеют более сложную структуру.

При огромном разнообразии в природе белков и пептидов строение их полипептидной (полиамидной) цепи идентично. она состоит из чередующихся пептидных (CONH) и метиновых (CH) групп. на одном конце цепи находится аминокислота со свободной аминогруппой (N-концевая аминокислота), а на другом — со свободной карбоксильной группой (C-концевая аминокислота). Пептидные и белковые цепи принято записывать так, чтобы N-концевая аминокислота находилась слева, а C-концевая аминокислота — справа:

Глава 35

8

чаще всего полипептидные цепи в белках спирализуются не полностью. например, остатки пролина и оксипролина не содержат атомов водорода в пептидной группе и соответственно не участвуют в образовании водородных связей: полипептидная цепь на этих участках просто изогнута. изопропильная группа валина также создает стерические препятствия для спирализации.

другим типом вторичной структуры является так называемая складчатая-структура, в которой отдельные полипептидные цепи в зигзагообразной конформации уложены параллельно друг другу и связаны между собой многочисленными водородными связями. если полипептидные цепи имеют одинаковое направление от N- к C-концу, то образуется параллельная складчатая -структура, а если противоположное — антипараллельная (рис. 35.3). в -структуре боковые группы аминокислотных остатков находятся выше и ниже условной плоскости, проведенной через структуру.

рис. 35.3. Параллельный (а) и антипараллельный (б) участки -структуры

Полипептидная цепь, имеющая тот или иной тип вторичной структуры, способна определенным образом скручиваться в пространстве, что и определяет третичную структуру белка, то есть общую форму полипептидной цепи.

третичная структура, кроме водородных связей, стабилизируется ионными (между дополнительными карбоксильными и аминогруппами) и ковалентными (дисульфидные мостики в цистине) связями, а также гидрофобным взаимодей-

БелКИ

рис. 35.4. взаимодействия, определяющие структуру белка

ствием (вандерваальсовы силы притяжения между неполярными боковыми группами аминокислотных остатков) (рис. 35.4).

третичная структура белка формируется также под влиянием водной среды клетки, что связано со способностью воды гидратировать некоторые гидрофильные боковые группы аминокислотных остатков и смещать вовнутрь белковой молекулы гидрофобные группы.

Четвертичная структура белка относится к макромолекулам, в состав которых входят несколько полипептидных цепей (субъединиц), связанных между собой нековалентными связями.

для проявления пептидом специфических функций в организме необходимо воссоздать лишь его первичную структуру, а в случае белка — воспроизвести все его конформационные особенности (см. рис. 35.5).

особое место в развитии химии белков занимает определение полипептидной структуры гормонов — вазопрессина, окситоцина и инсулина. в 1953 году амери-

канский биохимик винсент дю виньо расшифровал строение гормонов гипофиза окситоцина и вазопрессина. им установлено, что общим структурным элементом этих гормонов является пептид из девяти аминокислотных остатков с дисуль-