A-АМІНОКИСЛОТИ ЯК МОНОМЕРИ БІЛКІВ

АМІНОКИСЛОТИ

Амінокислотами називають похідні карбонових кислот, у вуглеводневому радикалі яких один або декілька атомів водню заміщені на аміногрупу.

У залежності від природи вуглеводневого радикала, з яким зв'язана карбоксильна група, амінокислоти підрозділяють на аліфатичні й ароматичні. Аліфатичні амінокислоти за взаємним розміщенням аміногрупи та карбоксильної групи поділяють на a-, b-, g-амінокислоти і т. д. Найбільш розповсюдженими в природі є a-амінокислоти, які входять до складу білків.

Номенклатура та ізомерія

За замісниковою номенклатурою ІЮПАК назви амінокислот утворюють з тривіальних або систематичних назв відповідних карбонових кислот та префікса аміно-. У випадку тривіальних карбонових кислот для позначення положення аміногрупи застосовують букви грецького алфавіту a-, b-, g- і т.д., при використанні систематичних назв кислот положення аміногрупи позначають цифровими локантами. Для амінокислот, які входять до складу білків, найчастіше застосовують тривіальні назви. Ароматичні амінокислоти бензольного ряду розглядають як похідні бензойної кислоти:

Ізомерія Ізомерія амінокислот може бути зумовлена різною структурою вуглеводневого радикала, з котрим сполучена карбоксильна група, та різним положенням аміногрупи у вуглецевому ланцюзі (структурна ізомерія); для амінокислот, що містять асиметричний атом вуглецю, ізомерія пов'язана з різним розміщенням замісників у просторі (оптична ізомерія).

Способи добування

Існує множина способів добування амінокислот, з яких найважливішими є такі:

Дія аміаку на галогенокарбонові кислоти. При взаємодії галогенокарбонових кислот з аміаком атом галогену заміщується на аміногрупу. Через доступність a-галогенокарбонових кислот цей метод в основному застосовується для добування a-амінокислот:

Дія аміаку та ціановодневої кислоти на альдегіди (синтез Штреккера). Цей спосіб застосовується для синтезу a-амінокислот. При взаємодії альдегідів з аміаком спочатку утворюється альдімін, який в присутності ціановодневої кислоти перетворюється на a-амінонітрил. Нітрил, що утворився, легко гідролізується до кислоти:

Приєднаня аміаку до на a-, b-ненасичених кислот. При дії аміаку на a-, b-ненасичені кислоти утворюються b-амінокислоти. Приєднання аміаку проходить проти правила Марковникова:

Відновлення нітробензойних кислот. При відновленні нітробензойних кислот за реакцією Зініна утворюються відповідні амінобензойні кислоти:

Фізичні та хімічні властивості

Амінокислоти являють собою білі кристалічні речовини з високими температурами плавлення, добре розчинні у воді. Внаслідок наявності в структурі кислотного центру (група — СООН) та основного центру (група — NH₂) амінокислоти кристалізуються з нейтральних водних розчинів у вигляді внутрішніх солей, що дістали назву біполярні іони, або цвіттер-іони:

У хімічному відношенні амінокислоти виявляють властивості первинних амінів та карбонових кислот. По карбоксильній групі вони утворюють функціональні похідні карбонових кислот — солі, складні ефіри, аміди, галогенангідриди.

За участю аміногрупи амінокислоти утворюють солі з мінеральними кислотами, вступають в реакції алкілування, ацилування, реагують з азотистою кислотою, а також дають інші реакції, властиві первинним амінам. Оскільки амінокислоти утворюють солі як з мінеральними кислотами, так і з основами, вони є амфотерним речовинами.

Деякі хімічні перетворення амінокислот представлені на схемах.

Разом з тим амінокислоти виявляють деякі специфічні властивості, зумовлені взаємним впливом карбоксильної і аміногруп.

Відношення амінокислот до нагрівання. При нагріванні a-, b-, g- та δ-амінокислот утворюються різні продукти. a-Амінокислоти при нагріванні зазнають міжмолекулярної дегідратації, утворюючи при цьому циклічний діамід — дикетопіперазин:

b-Амінокислоти при нагріванні відщеплюють молекулу аміаку, утворюючи a-, b-ненасичені кислоти:

g- та δ-Амінокислоти при нагріванні зазнають внутрішньомолекулярної дегідратації, утворюючи циклічні аміди — лактами:

Взаємодія a-амінокислот з нінгідрином. При дії нінгідрину на a-амінокислоти утворюється барвник синьо-фіолетового кольору. Реакція проходить у дві стадії. На першій стадії під дією нінгідрину відбувається окислювальне дезамінування амінокислоти та її декарбоксилування. На другій стадії реакції аміак, що утворився, реагує з еквімолекулярними кількостями звичайного та відновленого нінгідрину, утворюючи барвник синьо-фіолетового кольору:

Нінгідринова реакція використовується для якісного визначен-

ня а-амінокислот.

Окремі представники

g-Аміномасляна кислота (4-амінобутанова кислота, ГАМК) NН₂—СН₂—СН₂—СН₂—СООН. Біла кристалічна речовина (т пл. 202 °С), добре розчиняється у воді. ГАМК утворюється в живих організмах при декарбоксилуванні глутамінової кислоти. Є нейромедіатором, що бере участь в обмінних процесах головного мозку.

g-Аміномасляна кислота під назвою аміналон або гамалон широко застостосовується в медицині для лікування нервово-психічних захворювань, при ослабленні пам'яті, порушеннях мозкового кровообігу та ін. ГАМК використовується в синтезі інших лікарських препаратів, наприклад пірацетам, фенібут тощо.

ε-Амінокапронова кислота (6-аміногексанова кислота)

NH₂— СН₂— СН₂— СН₂— СН₂— СН₂— СООН. Біла кристалічна речовина (т. пл. 372 °С), легко розчиняється у воді. Застосовується в медицині як кровоспинний засіб.

Антранілова кислота (о-амінобензойна кислота). Біла

кристалічна речовина (т. пл. 145 °С), практично не розчиняється у воді. Застосовується у виробництві барвників і лікарських засобів.

п-Амінобензойна кислота (ПАБК) .

Біла кристалічна речовина (т. пл. 186 °С), мало розчинна у воді. Входить до складу фолієвої кислоти, яка виконує роль фактора росту для деяких мікроорганізмів.

Складні ефіри п-амінобензойної кислоти широко застосовуються в медицині як місцевоанестезуючі засоби, наприклад анестезин

(етиловий ефір п-амінобензойної кислоти) та новокаїн (b-діетиламіноетилового ефіру п-амінобензойної кислоти гідрохлорид) :

БІЛКИ

Білки – основа всього живого. Вони є компонентами всіх клітин тканин живих організмів. До білкових речовин належать ферменти, деякі гормони та ін. Поряд з нуклеїновими кислотами білки являють собою найскладніші зі створених природою біополімерів. Молекулярна маса білків складає від 5000 до багатьох мільйонів. Білки з низькою молекулярною масою називаються пептидами. Мономерними одиницями білків і пептидів є a-амінокислоти.

a-АМІНОКИСЛОТИ ЯК МОНОМЕРИ БІЛКІВ

До складу більшості білків входить близько 25 різних a-амінокислот загальної формули R—(NН₂)СН—СООН, з яких приблизно 20 присутні в кожній білковій молекулі. Основні a-амінокислоти, що входять до складу білків, подані в таблиці нижче.

В номенклатурі a-амінокислот частіше застосовують тривіальні назви: гліцин, аланін, валін, лейцин та ін. У біохімії використовують також трилітерні скорочення тривіальних назв, наприклад: гліцин Глі, аланін Ала, валін Вал. Систематичні назви для природних a-амінокислот практично не застосовують.

За хімічною природою залишку, зв'язаного з a-амінокислотним фрагментом СН(NН₂)СООН, a-амінокислоти поділяють на аліфатичні, ароматичні та гетероциклічні.

У гетероциклічних a-амінокислот проліну та оксипроліну a-амінокислотний фрагмент входить до складу гетероциклу:

У залежності від кількості -NН₂ та -СООН груп у молекулі розрізняють a-амінокислоти: моноаміномонокарбонові (гліцин, валін та ін.), моноамінодикарбонові (аспарагінова, глутамінова кислоти та їх аміди) та діаміномонокарбонові (орнітин, лізин, аргінін, гістидин).

За кислотно-основними властивостями a-амінокислоти поділяють на нейтральні (містять рівну кількість аміно- та карбоксильних груп), кислі (з додатковою карбоксильною групою) та основні (з додатковою аміногрупою).

Більшість a-амінокислот утворюється в організмі (замінні амінокислоти), але деякі a-амінокислоти організм людини нездатний синтезувати; вони надходять у складі білків, які вводяться в організм їжею.

Стереоізомерія

Усі a-амінокислоти, за винятком гліцину, містять хіральний a-вуглецевий атом та існують у вигляді пари енантіомерів.

Для позначення конфігурацій при хіральному центрі застосовують L та D-систему:

a-Амінокислоти, котрі входять до складу білків тварин і людини мають L-конфігурацію. Амінокислоти D-ряду зустрічаються лише в небілкових компонентах рослин і грибів, а також синтезуються мікроорганізмами.

Деякі амінокислоти, наприклад, ізолейцин і треонін, містять по два хіральні центри і можуть існувати у вигляді двох пар енантіомерів; у білках зустрічаються такі їх ізомери:

Використання а-амінокислот L-ряду для біосинтезу білків має найважливіше значення у формуванні їх просторової структури та виявленні біологічної активності.

Фізичні властивості

a-Амінокислоти являють собою кристалічні речовини, що не мають чітких температур плавлення та розкладаються при температурі вищій 200 °С. Вони не розчинні в неполярних органічних розчинниках, але помітно розчинні у воді. У кристалічному стані та водих розчинах амінокислоти знаходяться у вигляді біполярних іонів (цвіттер-іонів, внутрішніх солей). Можливість утворення останніх пов'язана з амфотерністю амінокислот, зумовленою наявністю в їх молекулі кислотної (СООН) і основної (NН₂) груп.

У водному розчині a-амінокислоти існують у вигляді рівноважної суміші, яка складається з цвіттер-іонів, катіонної та аніонної форм:

Положення такої рівноваги істотно залежить від рН середовища: в сильнокислому середовищі (рН 1-2) переважає катіонна форма, в сильнолужному (рН 13-14) — аніонна. Якщо розчин амінокислоти помістити в електричне поле, то в кислому середовищі молекули переміщуються до катода (катіонна форма), а в лужному — до анода (аніонна форма). Проте, для кожної амінокислоти існує характерне значення рН, при котрому молекули не переміщуються в електричному полі. При цьому значенні рН, званому ізоелектричною точкою (рІ), амінокислота знаходиться у вигляді цвіттер-іонів і в цілому електронейтральна. Ізоелектрична точка залежить від співвідношення кількостей кислих і основних груп у молекулі: рІ кислих амінокислот має значення менше 7, тому що в кислому середовищі стримується іонізація другої карбоксильної групи та, відповідно, рІ основних

амінокислот знаходиться в області більшій 7, бо в лужному середовищі стримується протонування другої аміногрупи.

Хімічні властивості a-амінокислот

Реакції по аміногрупі

Утворення N-ацильниx похідних. При взаємодії a-амінокислот з ангідридами або хлорангідридами карбонових кислот утворюють N-ацильні похідні, котрі відносно легко руйнуються до вихідних a-амінокислот. У зв'язку з цим реакція ацилювання використовуєте для блокування (захисту) аміногрупи при синтезі пептидів. Як ацилюючі реагенти використовують бензоксикарбонілхлорид (а) або трет-бутоксикарбоксазид (б):

Захисну карбобензоксигрупу видаляють каталітичним гідролізом або дією розчину бромоводню в оцтовій кислоті на холоді:

Трет-бутоксикарбонільну групу руйнують дією трифтороцтової кислоти:

Дезамінування. Під дією азотистої кислоти a-амінокислоти перетвоорюються на відповідні a-гідроксикислоти:

Реакція застосовується в аналітичній практиці (метод Ван-Слайка). За об'ємом азоту, що виділився, визначають кількісний вміст a-амінокислоти.

В організмі a-амінокислоти піддаються окисному дезамінуванню. Реакція відбувається під дією ферментів оксидаз і окисного агенту коферменту НАД:

Трансамінування ( пергамінування). Процес проходить тільки в живих організмах. Реакція відбувається за участю ферментів трансаміназ і коферменту піридоксальфосфату між a-аміно- і a-кетокислотами та зводиться до взаємообміну аміно- та карбонільною групами:

Взаємодія з карбонільними сполуками. Формальдегід реагує з a-амінокислотами у водному розчині з утворенням N-гідроксиметильних похідних.

Реакцію покладено в основу кількісного визначення a-амінокислот методом формольного титрування за Серенсеном.

Інші альдегіди та кетони реагують з а-амінокислотами з утворенням основ Шиффа:

Взаємодія з фенілізотіоціанатом (реакція Едмана). При взаємодії a-амінокислот з фенілізотіоціанатом утворюються похідні З-феніл-2-тіогідантоїну. Спочатку в присутності лугу відбувається приєднання фенілізотіоціанату за аміногрупою a-амінокислоти, а потім при нагріванні продукту приєднання в присутності мінеральної кислоти відбувається циклізація з утворенням похідного фенілтіогідантоїну (ФТГ-похідного):

Реакція використовується для установлення будови пептидів (деградація за Едманом).

Взаємодія з 2,4-динітрофторбензолом (реактив Сетера). При взаємодії a-амінокислот з 2,4-динітрофторбензолом (ДНФБ) утворюється N-динітрофенільне похідне (ДНФ-похідне):

Реакція проходить за механізмом нуклеофільного заміщення. Використовується для визначення будови пептидів.

Реакції по карбоксильній групі

Утворення хелатних сполук. Характерною особливістю a-амінокислот є здатність утворювати міцні хелати комплексні солі з іона важких металів, наприклад:

Незначна розчинність та інтенсивне забарвлення хелатів міді (II) дозволяє використовувати їх в аналітичній практиці для виявлення a-амінокислот.

Утворення складних ефірів. Як карбонові кислоти a-амінокислоти при взаємодії зі спиртами утворюють складні ефіри:

Складні ефіри a-амінокислот розчинні в органічних розчинниках, леткі та добре переганяються. Ці властивості їх використовуються при розділенні суміші a-амінокислот у білкових гідролізатах. З цією метою a-амінокислоти спочатку етерифікують, а потім одержані ефіри піддають перегонці. Для розділення суміші складних ефірів a-амінокислот нині застосовують метод газо-рідинної хроматографії (ГРХ). Ця реакція служить також зручним методом захисту карбоксильної групи при синтезі пептидів.

Утворення галогенангідридів і ангідридів. Аналогічно карбоновим кислотам, a-амінокислоти утворюють галогенангідриди та ангідриди. Перед проведенням реакції спочатку захищають аміногрупу утворенням N-ацильних похідних.

Декарбоксилювання. У зв'язку з наявністю біля a-вуглецевого атома двох сильних електроноакцепторних груп карбоксильної та аміногрупи a-амінокислоти відносно легко декарбоксилюються:

Ідентифікація a-амінокислот

Нінгідринна реакція. Для виявлення a-амінокислот використовується реакція з нінгідрином, в результаті котрої утворюється продукт, забарвлений в синьо-фіолетовий колір з максимумом поглинання при 570 нм:

Нінгідриновий реактив застосовується в хроматографічному аналізі для проявлення хроматограм на папері та в тонкому шарі сорбенту, а також для кількісного колориметричного визначенні a-амінокислот.

Ксантопротеїнова реакція. Це реакція з концентрованою азотною кислотою на a-амінокислоти, що містять у своїй молекулі ароматичні цикли. В результаті останньої відбувається нітрування ароматичного циклу з утворенням нітропохідного, забарвленого у жовтий колір.

Поиск по сайту: