Аминокислоты: общее описание

Аминокислоты: общее описание

Контрольная работа

Аминокислоты: общее описание

Введение

Аминокислотами называют соединения, содержащие одновременно аминогруппу и карбоксил в составе одной молекулы. Аминокислоты классифицируют, основываясь на типе углеводородного радикала, на ароматические и алифатические, последние, в свою очередь, подразделяются на a-, b-, g-, d- и w-аминокислоты, химические свойства которых ощутимо различаются.

1.      Представители алифатических аминокислот

Наибольшее значение в химии имеют a-аминокислоты, в основном потому, что они являются мономерами белков - их можно назвать основой жизни. В состав важнейших a-аминокислот входят также и ароматические и гетероароматические радикалы. Номенклатура аминокислот подразумевает использование названия соответствующей карбоновой кислоты в качестве основы, положение заместителей обозначают цифрами, начиная от карбонильного углерода (IUPAC), либо буквами греческого алфавита, начиная от соседнего атома углерода (рациональная). Широко используются и тривиальные названия.

Аналогичным образом называют и аминокислоты с более удаленным расположением функциональных групп.

2.      Ароматические аминокислоты

Ароматические аминокислоты различаются взаимным расположением функциональных групп в бензольном кольце.

3.      Использование аминокислот

Аминокислоты находят широкое применение, как в синтетической, так и в аналитической химии. В качестве примера использования аминокислот в аналитической химии приведем этилендиаминтетрауксусную кислоту (трилон Б), которая, являясь сильным комплексообразователем, применяется для анализа неорганических солей. Другое применение трилона Б - снижение жесткости воды.

Различные аминокислоты и их производные используются в качестве лекарственных препаратов. Сюда относятся собственно глицин, g-аминомасляная кислота (аминалон, препарат, нормализующий нервные процессы), эфиры п-аминобензойной кислоты (анестезин, новокаин), п-аминосалициловая кислота (ПАСК, противотуберкулезный препарат) и многие другие.

На основе ароматических аминокислот синтезируют диазокрасители, из антраниловой кислоты получают кубовый краситель индиго, из капролактама (циклического внутримолекулярного амида e-аминокапроновой кислоты) - синтетическое волокно капрон, сложные эфиры антраниловой кислоты имеют приятный запах и используются в парфюмерии.

4.      Получение

a-Аминокислоты

Для синтеза a-аминокислот применяются четыре основных подхода. Первый основан на замещении атома водорода a-положения карбоновой кислоты на аминогруппу через стадию галогенпроизводного. Галогенкарбоновую кислоту обычно получают по методу Геля-Фольгарда-Зелинского, затем проводится аминирование действием аммиака, либо, по Габриэлю, через N алкилфталимид.

Другой распространенный метод синтеза заключается в гидролизе нитрильной группы цианаминов, которые легко получаются присоединением цианида калия и аммиака к карбонильным соединениям (метод Штреккера). Эта реакция имеет общее значение, т.к. цианамины могут быть получены практически из любых альдегидов и кетонов, т.е. данный метод позволяет синтезировать аминокислоты с самыми разнообразными заместителями.

Третий способ получения a-аминокислот - восстановительное аминирование a-оксокислот. Действием аммиака или гидроксиламина на a-оксокислоты получают соответствующие имины или оксимы, которые восстанавливают водородом в присутствии палладиевого катализатора.

Синтез аминокислот на основе малонового эфира многостадиен и включает в себя стадии нитрозирования, восстановления нитрозомалонового эфира до аминомалонового эфира, алкилирования, гидролиза образовавшегося аминоалкилмалонового эфира и его декарбоксилирования. Тем не менее, этот способ активно применяют, особенно для синтеза полифукциональных аминокислот. Например, ниже приведен способ получения этим методом лизина.

Аминокислоты

Все основные способы получения b-аминокислот основаны на использовании в качестве исходных соединений a, b-непредельные карбоксильные соединения. Так, присоединение аммиака к a, b-непредельным кислотам протекает против Правила Марковникова и дает b-аминокислоты. Реакция a, b-непредельных кислот с галогенводородами приводит к b-галогенкарбоновым кислотам, которые при обработке аммиаком или фталимидом калия образуют b-аминокислоты.

Сложные эфиры a, b-непредельных дикарбоновых кислот, получаемые из малонового эфира и карбонильных соединений, присоединяют аммиак, давая сложные эфиры b-аминодикарбоновых кислот. Их гидролиз и и последующее декарбоксилирование приводит к b-аминокислотам (способ Родионова).

Аминокислоты

Общий метод получения w-аминокислот - гидролиз соответствующих лактамов, получаемых из циклических оксимов кетонов перегруппировкой Бекмана. Так в промышленности из циклогексаноноксима синтезируют капролактам, гидролиз которого дает e-аминокапроновую кислоту.

Ароматические аминокислоты

орто-, мета- и пара-Аминобензойные кислоты получают восстановлением нитрогруппы в соответствующих нитробензойных кислотах. Ниже приведена схема синтеза этих соединений исходя их толуола.

Другой способ получения антраниловой кислоты заключается в расщеплении по Гофману моноамида фталевой кислоты.

5.      Строение

Стереоизомерия

В большинстве a-аминокислот (за исключением глицина) a-углеродный атом хирален. Это обусловливает существование их в виде двух оптических изомеров - R- и S-энантиомеров, или, по устаревшей номанклатуре D- и L-энантиомеров. Примечательно, что все природные аминокислоты, входящие в состав белков, принадлежат L-ряду.

Цвиттер-ионная структура

Присутствие в молекулах аминокислот функциональных групп кислотного (СООН) и основного (NH₂) характера обусловливает амфотерность этих соединений. В водном растворе алифатические аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона (его называют цвиттер-ионом), катионной и анионной формы. Положение равновесия зависит от рН среды и строения аминокислоты - главным образом от наличия в составе молекулы дополнительных кислотных или основных центров. Значение рН, при котором концентрация биполярных ионов максимальна, катионная и анионная формы находятся в равных и минимальных концентрациях, называется изоэлектрической точкой (рI). Каждая аминокислота имеет индивидуальное значение рI. В этой точке суммарный заряд молекулы равен 0 и биполярные ионы не перемещаются в электрическом поле. При рН ниже pI катион аминокислоты (аммониевая форма) движется к катоду, а при рН выше pI анион аминокислоты (карбоксилат анион) перемещается к аноду. На этом основано разделение аминокислот методом электрофореза.

Ароматические аминокислоты не образуют цвиттер-ионов, так как основность их аминогруппы понижена из-за сопряжения с бензольным кольцом.

6.      Химические свойства

Химические свойства аминокислот складываются из свойств, характерных для амино- и карбоксильных групп, однако аминокислоты вступают также в некоторые специфические превращения.

7.      Алифатические аминокислоты

Реакции по аминогруппе

Дезаминирование

Дезаминирование аминокислот протекает при действии на них азотистой кислоты, в результате чего образуются оксикислоты. Механизм этого превращения подобен дезаминированию алифатических аминов азотистой кислотой.

Алкилирование

Алкилирование по аминогруппе осуществляется при обработке аминокислот галогеналканами в присутствии щелочей. Применение избытка алкилирующего агента приводит к образованию четвертичных аммониевых солей - бетаинов.

Ацилирование

Ацилирование аминокислот проводят, действуя на них сильными ацилирующими реагентами - ангидридами или галогенангидридами кислот (например, бензоилирование по Шоттену-Бауману).

Формилирование аминогруппы осуществляют обработкой муравьиной кислотой в среде уксусного ангидрида. Последний служит не только растворителем, но и водоотнимающим агентом.

Не исключено, что муравьиная кислота и уксусный ангидрид генерируют смешанный муравьиноуксусный ангидрид (формилацетат), обладающий более высокой формилирующей спсособностью, чем муравьиная кислота.

Формильная и некоторые ацильные группы, например, трифторацетильная и фталильная, используются для защиты аминогруппы. Однако более удобными защитными функциями являются трет-бутоксикарбонильная (БОК) или бензилоксикарбонильная (КБО) группы. Последние легко удаляются мягким кислотным гидролизом (при 0 - 20^оС) или каталитическим гидрированием, в отличие от ацильных групп, которые снимаются щелочным гидролизом в более жестких условиях.

Декарбоксилирование

Декарбоксилирование карбоновых кислот легко протекает, если в a-положении к карбоксилу находится электроноакцепторная группа как, например, СООН, NO₂, CCl₃ и другие. В аминокислотах таким электроноакцептором служит аммониевая группа NH₃⁺. Реакцию осуществляют при нагревании a-аминокислот в присутствии солей Cu(II) и поглотителей углекислого газа [Ba(OH)₂].

В живых организмах этот процесс протекает под действием ферментов - декарбоксилазы и пиридоксальфосфата и приводит к образованию биогенных аминов.

Этерификация

Этерификация аминокислот спиртами катализируется газообразным хлороводородом. Образующиеся при этом аммониевые соли сложных эфиров аминокислот превращают в нейтральные соединения, действуя на них органическими основаниями, например, триэтиламином.

Образование амидов

Наличие двух функциональных групп в молекуле аминокислоты обусловливает реакцию межмолекулярного ацилирования с образованием амидов. Образующаяся связь называется пептидной, а соединения - пептидами или полипептидами.

9.      Специфические свойства

Отношение аминокислот к нагреванию

Аминокислоты с различным взаимным расположением амино- и карбоксильных групп при нагревании ведут себя различно. a-Аминокислоты димеризуются и образуют циклические продукты - дикетопиперазины. При этом протекает взаимное ацилирование аминогруппы одной молекулы аминокислоты карбоксильной группой другой молекулы.

Аминокислоты при нагревании превращаются в лактамы - продукты внутримолекулярного ацилирования аминогруппы карбоксилом.

Аминокислоты отщепляют молекулу аммиака и дают a, b-непредельные кислоты.

Нингидринная реакция (реакция Руэманна)

При кратковременном нагревании a-аминокислот с нингидрином в воде наблюдается изменение окраски раствора с бесцветного на фиолетовый за счет образования нингидринного пигмента (пурпура Руэманна). Эта качественная реакция используется для визуальной идентификации a-аминокислот на тонкослойных и бумажных хроматограммах.

Образование комплексов

a-Аминокислоты образуют с катионами металлов внутрикомплексные соли. Например, глицин реагирует со свежеосажденным гидроксидом меди, давая синий раствор глицината меди.

Ароматические аминокислоты

Подобно ариламинам ароматические аминокислоты алкилируются, ацилируются и диазотируются по аминогруппе. Аналогично другим замещенным карбоновым кислотам, ароматические аминокислоты превращаются в сложные эфиры и амиды по карбоксильной группе. Обратим внимание на некоторые специфические свойства антраниловой кислоты, позволяющие использовать ее в органическом синтезе. Так, она является исходным соединением в одном из самых удобных методов генерации дегидробензола. Диазотирование антраниловой кислоты алкилнитритами дает цвиттер-ионную соль диазония, которая термически или фотохимически разлагается с образованием дегидробензола.

В промышленности из антраниловой кислоты синтезируют индиго - синий кубовый краситель.

10.    Синтез пептидов

Белки и полипептиды - это природные полимеры, состоящие из остатков аминокислот, связанных амидной (пептидной) связью. Условно считают, что пептиды имеют в своем составе до 100 мономерных единиц аминокислот, а белки - свыше 100. В свою очередь пептиды делятся на олигопептиды - до 10 структурных единиц и полипептиды - от 10 до 100 структурных единиц. Другое различие белков и пептидов - пространственное. Для каждого белка гибкая полипептидная цепь имеет характерную трехмерную пространственную структуру, причем функции белков в живых организмах в основном обусловлены этим пространственным строением. Практически все белки построены из остатков 20 a-аминокислот (всего в природе встречается около 70 аминокислот), соединенных в одну или несколько неразветвленных полиамидных цепей. Анализ и синтез сложных белковых молекул - одна из важнейших задач органической химии. В этой области органическая химия тесно связана с биологией, биохимией, медициной и фармакологией. Белки - это основа органической жизни, и, следовательно, большое количество лекарственных препаратов имеют белковую структуру. К ним, в частности, относятся, антибиотики грамицидин и циклоспорин, гормоны окситоцин и инсулин, противовирусные интерфероны, иммуностимулирующие иммуноглобулины.

Названия пептидов строятся перечислением остатков аминокислот начиная с N-концевой аминокислоты, в которых окончание - ин заменено на - ил. Название последней (С-концевой) аминокислоты не изменяется. Гораздо чаще формулы пептидов записывают в виде сокращенных названий аминокислот.

Формально образование пептидной цепи можно представить следующей схемой:

Для получения пептида недостаточно иметь необходимые аминокислоты, ведь из двух аминокислот можно получить два различных дипептида (с учетом возможности самоконденсации - четыре дипептида), из трех - шесть различных трипептидов, и т.д. Так как необходимо «собрать» молекулу белка, строго соблюдая последовательность аминокислотных остатков, в синтезе пептидов используют приемы защиты аминогруппы и активирования карбоксильной группы.

Например, чтобы синтезировать дипептид глицилаланин осуществляют следующие стадии: 1) защита аминогруппы глицина введением БОК-группы; 2) активирование карбоксильной группы БОК-глицина, например, переводом его в п-нитрофениловый эфир; 3) блокирование карбоксильной группы аланина переводом в метиловый эфир синтез защищенного по обоим концам дипептида; 5) снятие защит.

Весьма перспективен твердофазный синтез пептидов (метод Меррифильда) в котором наращивание пептидной цепи происходит на поверхности полимера. В качестве подложки (носителя) обычно используют хлорметилированный (-СH₂Cl) или гидроксиметилированный (-CH₂OH) полистирол, в котором содержание групп СH₂Cl или CH₂OH не превышает 1-2%. Использование твердофазного синтеза позволяет исключить стадию активации карбоксильной группы. Например, твердофазный синтез глицилвалилфенилаланина включает следующие этапы: 1) получение БОК-защищенного фенилаланина; 2) присоединение БОК-фенилаланина к носителю; 3) удаление защитной группы; 4) добавление БОК-валина; 5) снятие защиты; 6) добавление БОК-глицина; 7) удаление защиты и снятие трипептида с полимера.

Твердофазный синтез имеет ряд преимуществ. Во-первых, поскольку на каждой стадии продукт реакции является полимером, то, обладая пониженной растворимостью, легко очищается (отмывается) от реагирующих веществ. Во-вторых, твердофазный синтез успешно поддается автоматизации. Например, с помощью автоматизированного пептидного синтеза налажен промышленный выпуск синтетического аналога гормона инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка.

11.    Анализ белковых молекул

Для определения аминокислот, входящих в состав белка используют методы, основанные, как правило, на частичном или полном гидролизе полипептидной цепи. Обычно проводят кислотный или ферментативный гидролиз белка и аминокислоты анализируют различными хроматографическими методами. Таким способом можно установить количественный и качественный состав аминокислот, входящих в состав белка, но не их последовательность. Остановимся на некоторых химических способах анализа белковых молекул.

Качественные реакции

Свободные аминокислоты обнаруживают нингидринной реакцией. Эту же реакцию дают и белки, но в более жестких условиях - при кипячении с водным раствором нингидрина.

Для обнаружения пептидных связей в белках служит биуретовая реакция (реакция Пиотровского) - образование ярко-окрашенных комплексов при взаимодействии белков с гидроксидом меди (II) в присутствии щелочи. В эту реакцию вступают все пептиды, имеющие минимум две пептидные связи. Цвет комплекса, получаемый при биуретовой реакции с различными пептидами, несколько отличается и зависит от длины пептидной цепи. Пептиды с длиной цепи от четырех аминокислотных остатков и выше образуют красный комплекс, трипептиды - фиолетовый, а дипептиды - синий. Реакцию используют не только для качественного, но и для количественного определения белков.

Пептиды, содержащие ароматические и гетероароматические аминокислоты дают положительную ксантопротеиновую реакцию (реакция Мульдера) - появление желтого окрашивания при действии конц. азотной кислоты. При добавлении щелочи цвет смеси меняется на оранжевый.

Серосодержащие аминокислоты в составе белка определяют по образованию черного осадка сульфида свинца при нагревании с ацетатом свинца - сульфгидрильная реакция (реакция Фоля).

Триптофан обнаруживают при помощи реакции с пара-диметиламинобензальдегидом в среде серной кислоты - реакция Эрлиха. Образующийся продукт конденсации имеет красно-фиолетовое окрашивание.

Определение С- и N-концевых аминокислот

N-Концевые аминокислоты определяют по реакции с 2,4 - динитрофторбензолом или дансилхлоридом. Свободная аминогруппа N-концевой аминокислоты арилируется или ацилируется, белок гидролизуют, образовавшиеся N - (2,4 - динитрофенил) - (А) или N - (5-диметиламинонафтил-1-сульфо) производные (Б) существенно отличаются по физико-химическим свойствам от остальных аминокислот, поэтому их легко отделяют и идентифицируют.

С-Концевые аминокислоты определяют методом Акароби - при нагревании пептида с гидразингидратом пептидные связи гидролизуются и образуется смесь гидразидов аминокислот. С-Концевая аминокислота не реагирует с гидразином, остается в свободном виде, ее выделяют и идентифицируют.

Удобным методом определения последовательности аминокислот (первичной структуры белка) является способ деградации полипептидной цепи с помощью фенилизотиоцианата (метод Эдмана). N-Концевые аминокислоты последовательно отщепляются от цепи в виде фенилтиогидантоинов и идентифицируются.

12.    Пространственное строение белков

Молекулы белка гораздо сложнее, чем просто последовательность аминокислотных остатков (первичная структура). Из-за большого числа карбоксильных и амидных групп в молекуле белка возникают многочисленные водородные связи NH…O=C, благодаря которым молекула закручивается в спираль. Чаще всего это правовращающая a-спираль, однако встречаются и левовращающие спирали. Этот тип организации белковой молекулы называется вторичной структурой белка. В некоторых случаях реализуется другой тип вторичной структуры - складчатая b-структура, когда пептидные цепи располагаются параллельно друг другу. Третичная структура белка показывает, какой пространственный объем занимает молекула. Различают фибриллярные (отношение длины молекулы к ее ширине больше 10) и глобулярные белки. Четвертичная структура белка относится к макромолекулам, образованным из нескольких полипептидных цепей. Третичная и четвертичная структуры белка удерживаются за счет дополнительных химических связей. Например, дисульфидных мостиков между остатками цистеина или электростатических взаимодействий между аммониевой и карбоксильной группами разных полипептидных цепей. Большую роль в формировании четвертичной структуры играют сольватационные эффекты (взаимодействие с растворителем).

Поскольку вторичная, третичная и, особенно, четвертичная структуры белка определяются многочисленными и, зачастую, очень слабыми, взаимодействиями, они легко разрушаются. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация может происходить под влиянием различных факторов - изменении температуры, рН, действии окислителей или восстановителей. Детергенты (ПАВ) вызывают денатурацию из-за изменения гидрофильных или гидрофобных свойств отдельных фрагментов молекул пептидов. Денатурация протекает и при действии соединений, образующих сильные водородные связи (например, мочевина), при этом нарушаются водородные связи внутри белковых молекул.

Таким образом, чтобы установить полную структуру белковой молекулы, а не только последовательность аминокислотных остатков, с ней необходимо работать в очень мягких условиях, не допуская разрушения более высоких уровней организации молекулы. Обычно это условия, близкие к биологическим и естественным для данного белка.

Литература

1. ГДЗ - готовые домашние задания. Химия. 8 класс. Габриелян О.С. / 2011, 160 с.

2.       Химия. Контрольные и проверочные работы. Габриелян О.С. / 2011, 160 с.

.        Химия. Учебник. Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н., Жегин А.Ю. / 2005, 220 с.

.        Задачник по химии. 8 класс. Кузнецова Н.Е., Левкин А.Н. / 2011, 128 с.

.        Химия. Учебник. Габриелян О.С. / 2001, 224 с.

.        Химия. Учебник. Гузей Л.С., Сорокин В.В., Суровцева Р.П. / 2003, 288 с.

.        Химия. Профильный уровень. Габриелян О.С. и др. / 2009, 320 с.

.        Химия. Учебник. Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н. и др. / 2002, 304 с.

.        Химия. Учебник. Габриелян О.С., Лысова Г.Г. / 2002, 368 с.

.        Химия. Контрольные и проверочные работы к учебнику Габриеляна О.С., Лысовой Г.Г. / 2007, 176 с.