27. Аминокислоты: номенклатура, химические свойства как гетерофункциональных соединений; специфические реакции –, β–, –аминокислот; лактамы, дикетопиперазины, отношение к гидролизу.

Аминокислоты — гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. В более широком смысле к аминокислотам могут быть отнесены и соеди­нения с иной кислотной функцией, например аминосульфоновые кислоты.

В зависимости от местоположения функциональных групп в углеродном скелете молекулы различают аминокислоты алифатического и ароматического рядов. В свою очередь, с учетом взаимного расположения групп NH₂ и СООН в углеродной цепи представители алифатического ряда подразделяются на α-, β-, γ-, δ-, ε-аминокислоты. Аминокислоты с более удаленными друг от друга функциональными группами объединяют в обозначении ω-аминокислоты. В зависимости от числа амино- и карбоксильных групп аминокислоты разделяют на моноаминомонокарбоновые, моноаминомонодикарбоновые, диаминомонокарбоновые.

Отметим еще раз, что буквы греческого алфавита не употребляются в заместительной номенклатуре ИЮПАК.

Среди аминокислот алифатического ряда наиболее распространенными и биологически значимыми являются α-аминокислоты, имеющие общую фор­мулу R—CH(NH₂)—СООН и отличающиеся друг от друга только строением радикала R. Они представляют собой структурные элементы многих природ­ных соединений, главным образом белков. В настоящее время известно свыше 100 природных а-аминокислот, из которых только около 25 обнаружены в бел­ках, а 20 аминокислот входят практически во все белковые молекулы.

В номенклатуре α-аминокислот прочно укрепились тривиальные назва­ния, принятые номенклатурой ИЮПАК. Систематические назва­ния α-аминокислот практически не применяются, хотя они до­пустимы. Сокращенное трехбуквенное обозначение аминокислот использует­ся при записи строения пептидных и белковых молекул. Для обозначения стереохимии аминокислот традиционно используется D,L-система, более же универсальная R,S-система внедряется медленно. Всем L-аминокислотам, за исключением цистеина, соответствует S-конфигурация асимметрического центра.

Химические свойства аминокислот.

Свойства α-аминокислот.

Кислотно-основные свойства. Аминокислоты являются амфотерными со­единениями, что обусловлено одновременным присутствием в молекуле основ­ной (NH₂) и кислотной (СООН) групп. И в кристаллическом состоянии, и в среде, близкой к нейтральной, аминокис­лоты существуют в виде внутренней соли — диполярного иона, называемого также цвиттер-ионом.

Реакции аминогруппы. Аминокислоты, содержащие первичную амино­группу, подвергаются дезаминированию в реакции с азотистой кислотой. Используя эту реакцию, известную как метод Ван-Слайка, ко­личественно определяют аминокислоты по объему выделившегося азота:

Несмотря на то что аминокислоты являются амфотерными соединениями, они могут быть оттитрованы щелочью по методу Сёренсена. Для этого аминокислоту предварительно обрабатывают избытком формалина, что при­водит к образованию достаточно устойчивого N-гидроксиметильного произ­водного, в котором основные свойства аминогруппы значительно понижены:

В результате становится возможным титрование полученного продукта, что и применяется в количественном анализе аминокислот. Этот метод назы­вается также формальным титрованием. Методы Ван Слайка и Сёренсена сохранили лишь историческое значение в связи с появлением более эффективных методов анализа.

Аминокислоты подвергаются N-ацилированию по реакции Шоттена-Ба­умана при значениях pH, превышающих рI данной аминокислоты, т. е. когда аминогруппа не протонирована:

Если используются чувствительные к гидролизу хлорангидриды, то реак­цию необходимо проводить при низкой температуре (0-10 °С) при строго контролируемом значении pH. N-Ацилирование часто служит способом защиты аминогруппы. Однако удаление этой защиты нередко бывает затруднительным, так как амиды карбо­новых кислот гидролизуются в жестких условиях. В ряде случаев реакции N-ацилирования применяются для получения производных аминокислот с целью их последующего анализа высокочувстви­тельными физическими методами. К таким производным относятся дансилъные производные, образующиеся при действии дансилхлорида.

Реакции карбоксильной группы. Одной из важнейших реакций аминокис­лот является этерификация. Принципиально эта реакция мало отличается от этерификации обычных карбоновых кислот; различие в том, что применяют не каталитическое количество минеральной кислоты, а больше чем эквивалентное. Причина этого заключается в амфотерности аминокислот. В качестве кислоты чаще всего применяют газообразный хлороводород. Сложные эфиры получаются при этом в виде соответствующих солей по аминогруппе. Перевод соли в эфир со свободной аминогруппой осу­ществляется действием различных реагентов: спиртовым раствором аммиака на холоду, третичными аминами, алкоксидами металлов (желательно того же спирта, которым проводилась этерификация, во избежание переэтерификации полученного эфира).

Хлорангидриды N-ациламинокислот, как и карбоновых кислот, образуются под действием пентахлорида фосфора или тионилхлорида на N-ациламинокислоты и были применены в синтезе первых пептидов.

α-Аминокислоты при нагревании c Ba(OH)₂ под­вергаются декарбоксилированию с образованием аминов:

Эта реакция не представляет практического интереса in vitro, но в биоло­гических системах ее роль значительна. Амины, образующиеся в результате ферментативного декарбоксилирования аминокислот in vivo, называются биогенными аминами.

Реакции с одновременным участием амино- и карбоксильной групп.

При нагревании до температуры -200 °С α-аминокислоты подвергаются межмолекулярному ацилированию с образованием циклических шестичленных диамидов, называемых дикетопиперазинами (от аналогичного гетероцикла с двумяатомами азота — пиперазина):

Значительно легче вступают в подобную реак­цию не сами аминокислоты, а их сложные эфиры (со свободной аминогруппой). Так, эфиры глицина в растворе самопроизвольно циклизуются в дикетопиперазины даже при комнатной температуре.

Свойства аминокислот с удаленными функциональными группами.

Аминокислоты этого типа по химическим свойствами во многом напомина­ют гидроксикислоты с аналогичным расположением функциональных групп.

γ- и δ-Аминокислоты. Специфической реакцией, протекающей при на­гревании γ- и δ-аминокислот, является внутримолекулярное взаимодействие функциональных групп с образованием циклических амидов — лактамов. Этому способствует возможность для исходных аминокислот принимать клешневидную конформацию, а также термодинамическая устойчивость об­разующихся пяти- и шестичленного циклов.

В номенклатуре лактамов применяется тот же принцип, что и для лакто­нов, только с использованием суффикса -лактам (вместо -лактон или -олид). Кроме того, лактамы часто называются как оксопроизводные азот­содержащих гетероциклов.

γ- и δ-Лактамы являются типичными амидами и могут быть гидролизованы в соответствующие аминокислоты нагреванием с растворами сильных кис­лот или щелочей.

β-Аминокислоты.

Эти соединения при нагревании до 200 °С отщепляют молекулу аммиака, превращаясь в α,β-ненасыщенные кислоты. Элиминиро­вание аммиака наблюдается в щелочной среде уже при 37 °С.

В этом отношении β-аминокислоты напоминают β-гидроксикислоты. Внутри- и межмолекулярное ацилирование аминогруппы здесь также не происходит вследствие неустойчивости четырех- или восьмичленного циклов. Однако четырехчленные циклические амиды (β-лактамы) образуются в мягких условиях при внутримолекулярном ацилировании в присутствии карбодиимидов:

Несмотря на гидролитическую нестабильность β-лактамного цикла, он является структурным фрагментом природных антибактериальных средств пенициллинов и цефалоспоринов, относящихся к группе β-лактамных антибиотиков.

27. α – Аминокислоты, входящие в состав белков, номенклатура. Классификация, стереоизомерия. Амфотерность, биполярная структура; химические свойства как гетерофункциональных соединений; реакции определения аминокислот.

Наиболее распространенными в природе и биологически значимыми являются α-аминокислоты, имеющие общую формулу и отличающиеся друг от друга только строением радикала R.

Они представляют собой структурные элементы многих природ­ных соединений, главным образом белков. В настоящее время известно свыше 300 природных α-аминокислот, из которых только около 25 обнаружены в бел­ках, а 20 аминокислот входят практически во все белковые молекулы, они получили название протеиногенных. Протеиногенными называются 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в процессе трансляции.

Все алифатические аминокислоты, за исключением глицина (аминоуксус­ной кислоты) и ω-аминокислот (буква ω означает положение заместителя на конце углеродной цепи), содержат асимметрический атом углерода и могут поэтому существовать в виде стереоизомеров (в простейшем случае — энантио­меров).

В номенклатуре α-аминокислот прочно укрепились тривиальные назва­ния, принятые номенклатурой ИЮПАК. Систематические назва­ния α-аминокислот практически не применяются, хотя они, безусловно, до­пустимы. Сокращенное трехбуквенное обозначение аминокислот использует­ся при записи строения пептидных и белковых молекул.

Классификация протеиногенных аминокислот.

Современная классификация аминокислот основана на полярности радикалов (R), т. е. способности их к взаимодействию с водой при физиологических значениях рН (близких к рН 7,0). Выделяют две группы аминокислот:

1. α-аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами;

2. α -аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами;

Аминокислоты с неполярными радикалами. К аминокислотам с гидрофобным радикалом относятся аминокислоты с алифатическими и ароматическими боковыми радикалами. В структуре белков эти радикалы стремятся располагаться внутри глобул и участвуют в гидрофобном взаимодействии.

Аминокислоты с неполярным алифатическим радикалом:

• глицин

• аланин

• валин

• лейцин

• изолейцин

• пролин

Аминокислоты с неполярным ароматическим радикалом:

• фенилаланин

• тирозин

• триптофан

Аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами. Для гидрофильных радикалов α-аминокислот характерно наличие в них функциональных ионогенных или неионогенных групп. В структуре белков ионогенные группы α-аминокислот, как правило, располагаются на поверхности макромолекулы и обуславливают электростатические (ионные) взаимодействия. В полярных неионогенных радикалах α-аминокислот содержатся либо спиртовые, либо амидные группы. Эти неионогенные радикалы могут располагаться как на поверхности, так и внутри белковых молекул, участвуя в образовании водородных связей с другими полярными группами или молекулами.

Аминокислоты с полярным неионизирующимся радикалом:

• Серин

• Треонин

• Цистеин

• Метионин

• Аспарагин

• глутамин

Аминокислоты с полярным ионизирующимся положительно радикалом:

• Лизин

• Аргинин

• гистидин

Аминокислоты с полярным ионизирующимся отрицательно радикалом:

• аспарагиновая кислота

• глутаминовая кислота

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме, некоторые же необходимые для синтеза белков α-аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей, такие аминокислоты называют незаменимыми. К ним относятся: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Аргинин и гистидин являются незаменимыми только для детей первого года жизни; в организме взрослого человека они синтезируются.

Стереохимия аминокислот.

Важнейшим свойством аминокислот, образующихся в процессе гидролиза природных белков, является их оптическая активность. Это свойство связано с наличием в молекуле всех природных аминокислот (за исключением глицина) в α-положении асимметрического атома углерода.

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один асимметрический атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и оптически неактивного рацемата.

Относительная конфигурация α-аминокислот определяется по конфигурационному стандарту — глицериновому альдегиду — с использованием «гидроксикислотного ключа». Расположение в проекционной формуле Фишера аминогруппы слева соответствует L-кон-фигурации (подобно ОН-группе в L-глицериновом альдегиде), справа — D-конфигурации хирального атома углерода.

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе природных белков в условиях, исключающих рацемизацию, принадлежат к L-ряду. Величина и знак оптического вращения зависят от природы радикалов аминокислот и значения рН раствора, в котором измеряют оптическую плотность.

Изолейцин и треонин содержат в молекуле по два хиральных центра и могут существовать в виде четырех диастереомеров (две пары энантиомеров).

Из этих четырех стереоизомеров только один используется для построения белков человеческого организма. В состав белков входит L-изолейцин. В названии той пары энантиомеров, стереоизомер которой не является структурным элементом белков, используется приставка алло-.

В белках микроорганизмов и пептидах могут встречаться и D-аминокислоты. Так, D-изомеры глутаминовой кислоты, аланина, валина, фенилаланина, лейцина и ряда других открыты в клеточной стенке бактерий. Согласно R,S-системе асимметрический атом углерода у α-аминокислот L-ряда имеет S-конфигурацию (исключение цистеин).

Химические свойства аминокислот. Свойства α-аминокислот.

Кислотно-основные свойства. Аминокислоты являются амфотерными со­единениями, что обусловлено одновременным присутствием в молекуле основ­ной (NH₂) и кислотной (СООН) групп. Однако привычное написание формул аминокислот как соединений, содержащих амино- и карбоксильную группы — RCH(NH₂)COOH, является условным и не отражает их истинного строения. И в кристаллическом состоянии, и в среде, близкой к нейтральной, аминокис­лоты существуют в виде внутренней соли — диполярного иона, называемого также цвиттер-ионом. В сильнокислой среде (pH 1—2) в аминокислотах полностью протонирована аминогруппа и не диссоциирована карбоксильная группа. В сильнощелочной среде (pH >12), напротив, свободна аминогруппа и полностью ионизирована карбоксильная:

Заметим, что при написании этого же кислотно-основного взаимодейст­вия, исходя из «классической» формулы аминокислот, структуры ионных форм были бы такими же, как в приведенной схеме. Поэтому в записи схем реакций чаще используют формулы аминокислот в неионизированной форме.

α-Aминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами:

Кроме солей, которые образуют α-аминокислоты с сильными кислотами или щелочами, известны комплексные соли многих аминокислот с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивы комплексы с ионами Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Со²⁺ (в порядке снижения стабильности). Так, с гидроксидом меди(II) получаются кристаллические хелатные соли синего цвета, которые ис­пользуются для выделения и очистки аминокислот (качественная реакция):

Для каждой аминокислоты существует определенное значение pH, назы­ваемое изоэлектрической точкой (обозначается pI или pH_i), при котором содер­жание диполярного иона максимально. Для алифатических аминокислот это 6,0, т. е. находится в слабокислой области. Это объясняется тем, что кислотность группы —NH₃⁺ в диполярном ионе вы­ше основности группы —СОO^—. Для кислот с дополнительными слабокислот­ными функциональными группами (SH-группа цистеина и ОН-группы серина, треонина и тирозина) значения рI лежат в более кислой области (5,0-5,7). Аспарагиновая и глутаминовая кислоты, содержащие дополнительную кар­боксильную группу, относятся к кислым аминокислотам (рI ~3) и превосходят по кислотности уксусную кислоту. Напротив, диаминокислота лизин, а также аргинин, где дополнительным центром основности служит гу­анидиновая группировка, являются представителями основных аминокислот (рI 9,6 и 10,8). Их основность сопоставима с основностью ам­миака и алифатических аминов. Кислотно-основные свойства обусловливают возможность разделения и идентификации методами ионообменной хроматографии и электрофореза.

Качественные реакции на аминокислоты (качественная реакция).

Реакция с нингидрином применяется для открытия и количественного определения -аминокислот.

Продукт реакции имеет сине-фиолетовое окрашивание, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты.

Биуретовая реакция служит для обнаружения пептидных связей в пептидах и белках. В щелочном растворе с ионами меди (II) наблюдается характерное фиолетовое окрашивание. В пептидах и белках пептидная связь обычно находится в амидной форме (или кетоформе), но в щелочной среде она переходит в иминольную (енольную).

Реакция с n-диметиламинобензальдегидом в среде серной кислоты используется для обнаружения триптофана (красно-фиолетовое окрашивание). Эта реакция применяется для количественного определения триптофана в продуктах расщепления белков.

Для обнаружения цистеина используется реакция с ацетатом свинца. При нагревании раствора белка с ацетатом свинца в щелочной среде образуется PbS, осадок черного цвета.

Ксантопротеиновая реакция служит для обнаружения ароматических и гетероциклических α-аминокислот (фенилаланина, тирозина, гистидина, триптофана).

При действии концентрированной азотной кислоты НNО₃ на раствор белка образуется нитросоединение, окрашенное в желтый цвет. При добавлении к нему щелочи окраска становится оранжевой в связи с ионизацией фенольной гидроксильной группы и увеличением вклада аниона в сопряжение.