Свойства аминокислот их поведение в растворе. Реакции аминокислот

Аминокислоты содержат амино - и карбоксильную группы и проявляют все свойства, характерные для соединений с такими функциональными группами. При написании реакций аминокислот пользуются формулами с неионизированными амино- и карбоксигруппами.

1)реакции по аминогруппе. Аминогруппа в аминокислотах проявляет обычные свойства аминов: амины являются основаниями, а в реакциях выступают в роли нуклеофилов.

1. Реакция аминокислот как основания. При взаимодействии аминокислоты с кислотами образуются аммонийные соли:

2. Действие азотистой кислоты. При действии азотистой кислоты образуются гидроксикислоты и выделяется азот и вода:

Эту реакцию используют для количественного определения свободных аминных групп в аминокислотах, а также и в белках.

3.Образование N - ацильных производных, реакция ацилирования.

Аминокислоты реагируют с ангидридами и галогенангидридами кислот, образуя N - ацильные производные аминокислот:

Бензиловый эфир натриевая соль N карбобензоксиглицин - хлормуравьиной глицина

Ацилирование - один из способов защиты аминогруппы. N-ацильные производные имеют большое значение при синтезе пептидов, так как N-ацилпроизводные легко гидролизуются с образованием свободной аминогруппы.

4.Образование оснований Шиффа. При взаимодействии a - аминокислот с альдегидами образуются замещенные имины (основания Шиффа) через стадию образования карбиноламинов:

аланин формальдегид N-метилольное производное аланина

5.Реакция алкилирования. Амииногруппа в a -аминокислоте алкилируется с образованием N – алкилпроизводных:

Наибольшее значение имеет реакция с 2,4 - динитрофторбензолом. Получаемые динитрофенильные производные (ДНФ-производные) используются при установлении аминокислотной последовательности в пептидах и белках. Взаимодействие a- аминокислот с 2,4-динитрофторбензолом является примером реакции нуклеофильного замещения в бензольном ядре. За счет наличия в бензольном кольце двух сильных электроноакцепторных групп галоген становится подвижным и вступает в реакцию замещения:

фторбензол N - 2,4 - динитрофенил - a - аминокислота

(ДНФБ) ДНФ - производные a - аминокислот

6.Реакция с фенилизотиоцианатом. Эта реакция широко используется при установлении строения пептидов. Фенилизотиоцианат является производным изотиоциановой кислоты H-N=C=S. Взаимодействие a - аминокислот с фенилизотиоцианатом протекает по механизму реакции нуклеофильного присоединения. В образовавшемся продукте далее осуществляется внутримолекулярная реакция замещения, приводящая к образованию циклического замещенного амида: фенилтиогидантоин.

Циклические соединения получаются с количественным выходом и представляют собой фенильные производные тиогидантоина (ФТГ - производные) - аминокислот. ФТГ - производные различаются строением радикала R.

Образование сложных эфиров - один из методов защиты карбоксильной группы в синтезе пептидов.

3.Образование галогенангидридов. При действии на a- аминокислоты с защищенной аминогруппой оксидихлоридом серы (тионилхлоридом) или оксид-трихлоридом фосфора (хлорокисью фосфора) образуются хлорангидриды:

Получение галогенангидридов - один из способов активации карбоксильной группы в пептидном синтезе.

4.Получение ангидридов a - аминокислот. Галогенангидриды обладают очень высокой реакционной способностью, что снижает селективность реакции при их использовании. Поэтому более часто используемый способ активации карбоксильной группы в синтезе пептидов - это превращение ее в ангидридную. Ангидриды по сравнению с галогенангидридами кислот обладают меньшей активностью. При взаимодействии a- аминокислоты, имеющей защищенную аминогруппу, с этиловым эфиром хлормуравьиной кислоты(этилхлорформиатом) образуется ангидридная связь:

5. Декарбоксилирование. a - Аминокислоты, имеющие две электроноакцепторные группы при одном и том же атоме углерода, легко декарбоксилируются. В лабораторных условиях это осуществляется при нагревании аминокислот с гидроксидом бария.Эта реакция протекает в организме при участии ферментов декарбоксилаз с образованием биогенных аминов:

Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании a- аминокислот образуются циклические амиды, называемые дикетопиперазинами:

Дикетопиперазин

g - лактам (бутиролактам)

В тех случаях, когда амино - и карбоксильная группы разделены пятью и более углеродными атомами, при нагревании происходит поликонденсация с образованием полимерных полиамидных цепей с отщеплением молекулы воды.

Аминокислоты по взаимному расположению карбоксильной и аминогрупп делятся на -аминокислоты и т. д. -аминокислоты являются простейшими звеньями в структуре высокомолекулярных веществ - белков, которые включают как жирные, так и ароматические и гетероциклические -аминокислоты. Все природные аминокислоты, кроме аминоуксусной, содержат

асимметрический атом углерода и относятся к L-ряду. В составе белков обнаружено 23 аминокислоты, некоторые из них содержат, кроме карбокси- и аминогрупп, другие функциональные группы азотсодержащие гетероциклы):

Аминокислоты обладают всеми свойствами амино и карбоксильных групп. Вместе с тем ди- или полифункциональность молекулы аминокислоты обусловливает ряд их специфических свойств.

1. Образование внутренних и внутрикомплексных солей:

В случае (1) образуется катион, (2) - анион соли аминокислоты. Внутренняя соль существует лишь при строго определенной для каждой аминокислоты концентрации водородных ионов (изоэлектрическая точка). При электролизе такого раствора аминокислота не перемещается ни к катоду, ни к аноду.

а-Аминокислоты образуют характерные медные внутрикомплексные соли, структура которых показана на примере медной соли аминоуксусной кислоты;

2. Этерификация проводится, как обычно, действием спирта в кислой среде (чаще всего Однако при этом образуются соли аминокислот, из которых свободные эфиры можно получать нейтрализацией кислоты. Например, гидрохлорид удаляется триэтиламином, оксидом серебра или свинца:

Именно этерификацией набора аминокислот, образующихся в результате гидролиза белка, разгонкой в вакууме полученных эфиров

и последующим их гидролизом выделяют индивидуальные аминокислоты.

3. Превращение карбоксильной группы и галогенангидридную. При действии на аминокислоту хлорида фосфора (V) образуются соли ее хлорангидрида:

Нейтрализация кислоты приводит к образованию очень неустойчивых свободных хлорангидридов.

4. Действие азотистой кислоты на аминокислоты аналогично ее действию на амины: аминогруппа замещается на оксигруппу. Характерно, однако, что при образовании сложных эфиров -аминокислот реакцию можно остановить на стадии диазопроизводного, которое, отщепляя подвижный протон, стабилизируется за счет образования системы сопряжения, включающей карбонильную группу:

5. Ацилирование и алкилирование. Из двух носителей нуклеофильных свойств в молекуле аминокислоты аминогруппа является намного более сильным нуклеофилом. Поэтому она в первую очередь подвергается действию ацилирующих и алкилирующих агентов:

При избытке иодистого метила реакция протекает следующим образом:

При отщеплении от последнего соединения образуется бетаин (полностью алкилированная внутренняя соль аминокислоты):

Бетаин удобнее синтезировать из триметиламина и соли хлор-уксусной кислоты:

Бетаины солеобразны (тверды, нелетучи, водорастворимы), обладают большим дипольным моментом.

6. Реакции самоацилирования аминокислот. Карбоксильная группа является, как известно, ацилирующим агентом, способным передавать ацильный остаток аминогруппе, замещая при этом подвижный атом водорода.

а) -Аминокислоты при нагревании превращаются в циклические амиды (дикетопиперазиньт) с выделением воды:

б) -аминокислоты при действии кислот или нагревании легко отщепляют аммиак (подобно тому, как -оксикислоты отщепляют воду), образуя -непредельные кислоты:

В определенных условиях, в частности при действии сильного водоотнимающего средства - дициклогексилкарбодиимида образуются -лактамы:

в) у-аминокислоты очень легко образуют -лактамы с устойчивым пятичленным циклом:

г) лактамы с кольцом больших размеров проще получать из оксимов циклических кетонов перегруппировкой Бекмана. Таким путем в промышленности получают -капролактам:

Все лактамы, как и амиды, в кислой и щелочной среде гидролизуются (нуклеофильное замещение у атома углерода карбонильной группы).

Кроме циклических амидов (дикетопиперазннов и лактамов) все аминокислоты способны образовывать ациклические (линейные) амиды - ди-, три- и полипептиды. Карбоксильную группу молекулы аминокислоты, выступающую в качестве ацилирующего агента, превращают в хлорангидридную, сложноэфирную или смешанную ангидридную, что позволяет повысить ее ацилирующую способность:

где разветвленный радикал, стерически затрудняющий нуклеофильную атаку на карбонильную группу молекулы угольной кислоты.

Синтез полипептидов, как правило, строго целенаправлен и связан а необходимостью соединения различных по природе аминокислот. Чтобы карбонильной группой одной молекулы (превращенной, например, в хлорангидрид) ацилировать аминогруппу другой по типу аминокислоты, а не себе подобной, аминогруппу ацилирующего агента предварительно «защищают». С этой целью ее преобразуют в амидную, поскольку основность (нуклеофильность) амидного атома азота значительно ниже, чем исходной аминогруппы. Однако «закрыть» аминогруппу нужно так, чтобы защитную группу можно было снять гидролизом или другим методом в очень мягких условиях, не позволяющих разрушаться пептидной связи.

Рис. 21. Типы взаимодействия в молекуле белка, составляющие его третичную структуру (Ю. А. Жданов): а - электростатическое взаимодействие; б - водородная связь; в - взаимодействие неполярных групп путем вытеснения молекул растворителя; г - силы Ван дер Ваальса.

В качестве защитных групп используют ацильный остаток трифтор-уксусной кислоты фрагмент бензилового моноэфнра угольной кислоты и др. Первая группа легко снимается обработкой слабой щелочью или гидрогенолизом (восстановлением вторая - гидрированием над катализатором или восстановлением натрием в жидком аммиаке.

Полипептиды (полиамиды) -аминокапроновой кислоты (ее звено выделено штриховой линией) получают нагреванием циклического лактама, образующегося в результате бекмановской перегруппировки оксима циклического кетона:

Полипептиды составляют основу биополимеров - белков, специфика структуры которых определяется наличием многих типов связей и взаимодействий. Существует понятие о четырех уровнях структуры белков.

Первичную структуру белковой молекулы составляет скелет ковалентных связей, в том числе ковалентные мостиковые связи, подобные дисульфидной или фосфатной.

В основе вторичной структуры лежат водородные связи между амидными группами полипептидной цепи, которые во многом определяют спиралевидное закручивание белковой молекулы. Энергия одиночной водородной связи невелика (21 - 33 кДж/моль),

однако таких связей в белковой молекуле может быть несколько десятков или сотен, так что их общая энергия может достигать высоких значений.

Упорядоченная структура белка обеспечивается системой взаимодействий, составляющих третичную структуру молекулы. К этой системе относятся взаимодействия между фрагментами молекулы за счет сил Ван дер Ваальса, агломерация лиофобных боковых цепей при отталкивании молекул растворителя, нехарактерные водородные связи, межионные взаимодействия (рис. 21). Энергия каждой из этих сил невелика, однако их суммарное действие значительно. Так, энергия вандерваальсовского взаимодействия, приводящего к глобулярному свертыванию белковой молекулы, достигает 2100 -2500 кДж/моль.

Межмолекулярные взаимодействия обусловливают формирование четвертичной структуры, котораяпроявляется в образовании молекул ферментов, нуклеопротеидов, липопротеидов, гликолипидов, а также мицелл, фибрилл и других макроструктур.

На уровне биологических макромолекул в создании упорядоченных структур высших порядков резко возрастает значение слабых взаимодействий.

Способность аминокислот, как и всех других органических соединений, вступать в химические реакции определяется наличием в их составе функциональных групп (см. гл. 3). Поскольку все аминокислоты содержат аминогруппу и карбоксильную группу, каждая из них может вступать в химические реакции, характерные для этих групп. Например, аминогруппы могут быть ацетилированы, а карбоксильные группы - этерифицированы. Мы не будем рассматривать здесь все органические химические реакции, в которых способны участвовать аминокислоты, но отметим лишь две важные реакции, широко применяемые для обнаружения, идентификации и количественного анализа аминокислот.

Первая из них - это нингидриновая реакция (рис. 5-16), используемая для обнаружения и точного определения небольших количеств аминокислот. При нагревании аминокислот с избытком нингидрина образуется продукт лилового цвета, если аминокислота содержит свободную -аминогруппу, и желтый продукт, если, как у пролина, ее -аминогруппа замещена.

Рис. 5-16. Нингидриновая реакция, используемая для обнаружения и количественного определения содержания а-аминокислот. Атомы аминокислоты указаны красным цветом, что позволяет следить за их судьбой в ходе реакции. В конечном счете в составе лилового пигмента оказываются две молекулы нингидрина и атом азота аминокислоты.

Рис. 5-17. Образование -динитрофенильных производных аминокислот.

При надлежащим образом подобранных условиях интенсивность окраски можно использовать для колориметрического определения концентраций аминокислот, так как этот метод обладает очень высокой чувствительностью.

Вторая важная реакция аминокислот - это их взаимодействие с 1 - фтор-2,4 - динитробензолом (ФЦНБ). В мягком щелочном растворе ФДНБ реагирует с -аминокислотами, в результате чего образуются -динитрофенилъные производные (рис. 5-17), которые можно использовать для идентификации индивидуальных аминокислот. Позднее мы увидим, какое важное значение имеет эта реакция для определения аминокислотной последовательности пептидов.