Материал: 5093
41
Аминокислоты – производные углеводородов, в молекулах которых содержатся одновременно карбоксильная и аминная группы:
H2N – CH2 – COOH .
аминоуксусная кислота (глицин)
В зависимости от числа функциональных групп различают моноаминомонокарбоновые (I), диаминомонокарбоновые (II), моноаминодикарбоновые (III) кислоты и т.д. Например:
СН3 – СН – СООН H2N – (CH2)4 – CH – COOH HOOC – CH2 – CH - COOH
NH2 |
NH2 |
NH2 |
-аминопропионовая |
, -диаминокапроновая |
аминоянтарная |
кислота, -аланин |
кислота, лизин |
кислота, аспара- |
(I) |
(II) |
гиновая кислота |
|
|
(III) |
Встречаются аминокислоты, содержащие в молекуле гидрокси- и тиольные (SH) группы.
Строение. Номенклатура и изомерия Строение. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к
карбоксильной группе в углеводородной цепи различают -, -, -аминокислоты. Аминокислоты могут содержать не только линейные и разветвлённые углеводородные радикалы, но и различные циклы: ароматические и
гетероциклы.
Аминокислоты делятся на природные (содержатся в растительных и животных организмах) и синтетические (не встречаются в природе).
В настоящее время известно свыше 150 аминокислот, но только 22 из них входят в состав белков. Некоторые из этих аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, лизин, цистеин, метионин, треонин, фенилаланин и триптофан) являются незаменимыми. Они не могут вырабатываться в живом организме. Организм получает их только с пищей.
Номенклатура. Для названия аминокислот широко используют тривиальные названия (аланин, лизин, валин и т.д.). По систематической номенклатуре их называют по названию соответствующей карбоновой кислоты с добавлением приставки амино-. Положение аминогруппы в углеродной цепи указывают цифрой:
42
NH2
H3C – CH2 – CH – CH – COOH
CH3
2-амино-3-метилпентановая кислота (изолейцин)
Изомерия. Изомерия аминокислот зависит от строения углеродной цепи и от расположения аминогруппы по отношению к карбоксилу:
NH2 |
H2N – CH2 – CH2 - COOH |
CH3 – CH – COOH |
-аминопропионовая |
-аминопропионовая |
кислота ( -аланин) |
кислота ( -аланин) |
|
Все природные аминокислоты (кроме аминоуксусной) содержат асимметрические углеродные атомы и поэтому могут существовать в виде оптических изомеров (антиподов). Каждой паре оптических антиподов соответствует один рацемат. Как среди гидроксикислот, у аминокислот различают D- и L-ряды, например:
СООН |
СООН |
Н – С – NH2 |
H2N – C - H |
CH3 |
CH3 |
D(-)-аланин |
L(+)-аланин |
Все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. D-форма в природе встречается редко. Поэтому в названиях этих кислот мы опускаем приставку «L», обозначающую их конфигурацию.
Физические и химические свойства Физические свойства. Аминокислоты – бесцветные кристаллические
вещества с высокой температурой плавления, хорошо растворимые в воде. Реакция водных растворов моноаминомонокарбоновых кислот близка к нейтральной. Это связано с тем, что аминокислоты содержат одновременно карбоксильную группу и аминогруппу, придающие этим соединениям кислотные и основные свойства. Таким образом, аминокислоты являются амфотерными соединениями, способными реагировать как с кислотами, так и с
43
основаниями. В водном растворе аминокислоты находятся в виде «внутренней» соли – биполярного иона (иона с двумя противоположными зарядами). Такой ион образуется в результате внутримолекулярного взаимодействия аминогруппы с карбоксильной группой:
+
H2N – CH2 – COOH H3N – CH2 – COO .
Эти ионы в кислой среде (рН 
7) ведут себя как катионы (подавляется диссоциация по карбоксильной группе), а в щелочной среде (рН 
7) – как
анионы:
+ |
-Н+ |
+ |
-Н+ |
H3N – CH2 – COOH |
H2N – CH2 – COOH |
H3N – CH2 – COO |
|
|
+Н+ |
|
+Н+ |
кислая среда |
нейтральная |
биполярный |
|
|
кислота (глицин) |
ион |
|
H2N – CH2 – COO 
щелочная среда
Значение рН раствора, при котором положительные ионы и отрицательные заряды в молекуле аминокислоты точно компенсируют друг друга, называется изоэлектрической точкой. В этой точке аминокислота, оставаясь электронейтральной, не мигрирует под влиянием электрического тока ни к аноду, ни к катоду.
Кислотность и основность аминокислот выражены незначительно. Например, рКа для уксусной и аминоуксусной кислот равны соответственно 4,75
и 9,7.
Химические свойства. Химическое поведение аминокислот определяют две функциональные группы – карбоксильная и аминогруппа.
1. Образование солей. Являясь амфотерными соединениями, аминокислоты образуют соли как с кислотами, так и с основаниями:
|
+ |
H2N – CH2 – COOH + НCl |
[H3N – CH2 – COOH] Cl |
глицин |
гидрохлорид глицина |
H2N – CH2 – COOH + NaOH |
H2N – CH2 – COONa + H2O |
|
натриевая соль |
|
глицина |
44
С ионами двухвалентных металлов (например, с гидроксидом меди (II)) -аминокислоты образуют устойчивые комплексные соли:
H2C – NH2 |
0 – C = 0 |
||
|
|
||
2H2N – CH2 – COOH + Cu(OH)2 |
Cu |
|
+ 2H2O |
|
|
|
|
0 = C – 0 |
|
H2N – CH2 |
|
медная соль глицина |
|||
(темно-синего цвета) |
|||
2. Образование сложных эфиров: |
|
|
|
H2N – CH2 – COOH + НОС2Н5 |
H2N – CH2 – COOС2Н5 + Н2О |
||
|
этиловый эфир |
||
глицина
3. Ацилирование аминокислот. В качестве ацилирующих агентов используют галогенангидриды и ангидриды кислот:
СН3 - СОСl + HNH – CH2 – COOH CH3 – CO – NH – CH2 – COOH + HCl
N-ацетиламиноуксусная кислота
4. Образование гидроксикислот. При действии азотистой кислоты на аминокислоты образуются гидроксикислоты и выделяется азот:
H2N – CH2 – COOH |
0 |
N-OH |
HOCH2 |
– COOH + N2 + H2O |
|
|
гидроксиуксусная
кислота
5. Различное отношение аминокислот к нагреванию:
-Аминокислоты при нагревании образуют циклические амиды –
дикетопиперазины:
Н3С – СН – СООН |
Н3С – СН – С = 0 |
|
|
t |
|
Н НN NH H |
NH NH |
+ 2H2O |
HO – CO – CH – CH3 |
0 C – CH – CH3 |
|
-аминопропионовая |
2,5-диметил-3,6-дике- |
|
кислота |
топиперазин |
|
-Аминокислоты при нагревании образуют непредельные кислоты:
t
СН2 – СН – СООН СН2 = СН – СООН + NH3
45
NH2 H |
акриловая кислота |
-, -, -Аминокислоты при нагревании образуют циклические амиды –
лактамы:
|
0 |
|
0 |
|
CH2 – CH2 – C |
t |
CH2 – CH2 – C |
H2C |
OH |
H2C |
+ Н2O |
|
CH2 – CH2 – NH H |
|
CH2 – CH2 – NH |
|
-аминокапроновая |
|
капролактам |
|
кислота |
|
|
3.3. Белки – природные биополимеры
Белками или протеинами называют природные высокомолекулярные органические соединения (сложные полипептиды), молекулы которых построены из остатков -аминокислот.
Белки являются основой всего живого на Земле. Об их огромной роли Ф. Энгельс писал, что жизнь есть способ существования белковых тел… Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни.
Белки играют важную биологическую роль. Они служат основным веществом, из которого построены клетки животных и растительных организмов. Белки участвуют в важнейших процессах жизнедеятельности организма – строительных, каталитических, энергетических, обменных, защитных и многих других. Белки входят в состав ферментов, гормонов, нуклеотидов. Кроме того, они являются необходимой составной частью пищевого рациона человека и животных. Суточная потребность взрослого человека в белках – 70 – 80 г.
Строение. Белки – очень сложные азотсодержащие органические соединения. Их молекулы составляют величину от 5 тыс. до нескольких миллионов единиц аминокислотных остатков. Однако при всём многообразии белков в состав их молекул входит ограниченное число элементов: углерода – 50
– 55 %, кислорода – 21 – 24 %, азота – 15 – 18 %, водорода – 6 – 7 %, серы – 0,3 – 2,5 %. Кроме того, белки могут содержать небольшие количества фосфора,