Амінокислоти - Хімія
Будь-яка сполука, яка містить одночасно карбоксильну та аміногрупу, є амінокислотою. Однак частіше цей термін застосовується для позначення карбонових кислот, аміногрупа яких знаходиться в a-положенні до карбоксильної групи.
Амінокислоти, як правило, входять до складу полімерів – білків. У природі зустрічається понад 70 амінокислот, але лише 20 відіграють важливу роль у живих організмах. Незамінними називаються амінокислоти, які можуть бути синтезовані організмом з речовин, які з їжею, у кількостях, достатніх у тому, щоб задовольнити фізіологічні потреби організму. Незамінні амінокислоти наводяться у табл. 1. Для хворих на фенілкетонурію незамінною амінокислотою є також тирозин (див. табл. 1).
Незамінні амінокислоти R-CHNH2COOH
| Назва (скорочення) | R |
| ізолейцин (ile, ileu) |
Амінокислоти називають зазвичай як заміщені відповідними карбоновими кислотами, позначаючи положення аміногрупи літерами грецького алфавіту. Для найпростіших амінокислот зазвичай застосовуються тривіальні назви (гліцин, аланін, ізолейцин тощо). Ізомерія амінокислот пов'язана з розташуванням функціональних груп та будовою вуглеводневого скелета. Молекула амінокислоти може містити одну або кілька карбоксильних груп і відповідно амінокислоти розрізняються по основності. Також у молекулі амінокислоти може бути різна кількість аміногруп.
СПОСОБИ ОТРИМАННЯ АМІНОКИСЛОТ
1. Гідроліз білків можна отриматиблизько 25 амінокислот, але отриману суміш важко поділити. Зазвичай одна чи дві кислоти виходять значно більших кількостях, ніж інші, і ці кислоти вдається виділити досить легко – за допомогою іонообмінних смол.
2. З галогензаміщених кислот. Один з найбільш поширених методів синтезу a-амінокислот полягає в амонолізі a-галогензаміщеної кислоти, яку зазвичай отримують за реакцією Геля-Фольгарда-Зелінського:
Цей метод можна модифікувати, отримуючи a-бромзаміщену кислоту через малоновий ефір:
Ввести аміногрупу в ефір a-галогензаміщеної кислоти можна за допомогою фталіміду калію (синтез Габріеля):
3. З карбонільних сполук (синтез Штреккера). Синтез a-амінокислот по Штреккер полягає в реакції карбонільного з'єднання з сумішшю хлориду амонію і ціаністого натрію (це удосконалення методу запропоновано Н.Д. Зелінським і Г.Л. Стадниковим).
Реакції приєднання - відщеплення за участю аміаку та карбонільного з'єднання дають імін, який реагує з ціаністим воднем, утворюючи a-амінонітрил. В результаті гідролізу утворюється a-амінокислота.
Хімічні властивості амінокислот
Усі a-амінокислоти, крім гліцину, містять хіральний a-вуглецевий атом і можуть зустрічатися у вигляді енантіомерів:
Було доведено, що майже всі природні a-амінокислоти мають одну і ту ж відносну конфігурацію при a-вуглецевому атомі. a-Вуглецевому атому (-)-серину була умовно приписана L-конфігурація, а a-вуглецевому атому (+)-серину - D-конфігурація. При цьому, якщо проекція a-амінокислоти Фішером написана так, що карбоксильна група розташована зверху, а R - внизу, у L-амінокислоти аміногрупа буде знаходитися зліва, а у D-амінокислоти -праворуч. Схема Фішера для визначення конфігурації амінокислоти застосовна до всіх a-амінокислот, що мають хіральний a-вуглецевий атом.
З малюнка видно, що L-амінокислота може бути правообертальної (+) або лівообертальної (-) в залежності від природи радикала. Переважна більшість a-амінокислот, що зустрічаються в природі, відноситься до L-ряду. Їх енантіоморфи, тобто. D-амінокислоти, синтезуються лише мікроорганізмами та називаються «неприродними» амінокислотами.
Згідно з номенклатурою (R,S), більшість «природних» або L-амінокислот має S-конфігурацію.
L-Ізолейцин і L-треонін, що містять по два хіральні центри в молекулі, можуть бути будь-якими членами пари діастереомерів залежно від конфігурації при b-вуглецевому атомі. Нижче наводяться правильні абсолютні зміни цих амінокислот.
КИСЛОТНО-ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ АМІНОКИСЛОТ
Амінокислоти – амфотерні речовини, які можуть існувати у вигляді катіонів або аніонів. Ця властивість пояснюється наявністю як кислотної (-СООН), так і основної (-NH2) групи в одній молекулі. У дуже кислих розчинах NH2-група кислоти протонується і кислота стає катіоном. У сильнолужних розчинах карбоксильна група амінокислоти депротонується і кислота перетворюється на аніон.
У твердому стані амінокислоти існують у вигляді цвіттер-іонів (біполярних іонів, внутрішніх солей). У цвіттер-іонах протон переноситься від карбоксильної групи до аміногрупи:
Якщо помістити амінокислоту в середовище, що має провідність, і опустити туди пару електродів, то в кислих розчинах амінокислота мігруватиме до катода, а в лужних розчинах - до анода. При деякому значенні рН, характерному для даної амінокислоти, вона не пересуватиметьсяні до анода, ні до катода, тому що кожна молекула знаходиться у вигляді цвіттер-іона (несе і позитивний, і негативний заряд). Це значення рН називається ізоелектричною точкою (pI) даної амінокислоти.
Більшість реакцій, які амінокислоти вступають у лабораторних умовах (in vitro), властиві всім амінам чи карбоновим кислотам.
1. утворення амідів по карбоксильній групі. При реакції карбонільної групи амінокислоти з аміногрупою аміну паралельно протікає реакція поліконденсації амінокислоти, що призводить до утворення амідів. Щоб запобігти полімеризації, аміногрупу кислоти блокують для того, щоб в реакцію вступала тільки аміногрупа аміну. З цією метою використовують карбобензоксихлорид (карбобензилоксихлорид, бензилхлорформіат), трет-бутоксикарбоксазид та ін. Для реакції з аміном карбоксильну групу активують, впливаючи на неї етилхлорформіатом. Захисну групу потім видаляють шляхом каталітичного гідрогенолізу або дією холодного розчину бромистого водню в оцтовій кислоті.
2. утворення амідів за аміногрупою. При ацилуванні аміногрупи a-амінокислоти утворюється амід.
Реакція краще йде в основному середовищі, тому що при цьому забезпечується висока концентрація вільного аміну.
3. освіту складних ефірів. Карбоксильна група амінокислоти легко етерифікується звичайними методами. Наприклад, метилові ефіри одержують, пропускаючи сухий газоподібний хлористий водень через розчин амінокислоти в метанолі:
Амінокислоти здатні до поліконденсації, у результаті якої утворюється поліамід. Поліаміди, що складаються з a-амінокислот, називаються пептидами або поліпептидами. Амідний зв'язок у таких полімерах називається пептидним зв'язком. Поліпептиди з молекулярною масою не менше 5000називають білками. До складу білків входить близько 25 різних амінокислот. При гідролізі білка можуть утворюватися всі ці амінокислоти або деякі з них у певних пропорціях, характерних для окремого білка.
Унікальна послідовність амінокислотних залишків у ланцюзі, властива даному білку, називається первинною структурою білка. Особливості скручування ланцюгів білкових молекул (взаємне розташування фрагментів у просторі) називаються вторинною структурою білків. Поліпептидні ланцюги білків можуть з'єднуватися між собою з утворенням амідних, дисульфідних, водневих та інших зв'язків за рахунок бічних ланцюгів амінокислот. Внаслідок цього відбувається закручування спіралі в клубок. Ця особливість будови називається третинною структурою білка. Для прояву біологічної активності деякі білки повинні спочатку утворити макрокомплекс (олігопротеїн), що складається з кількох повноцінних білкових субодиниць. Четвертична структура визначає ступінь асоціації таких мономерів у біологічно активному матеріалі.
Білки поділяються на дві великі групи - фібрилярні (відношення довжини молекули до ширини більше 10) та глобулярні (ставлення менше 10). До фібрилярних білків відноситься колаген, найбільш поширений хребетний білок; на його частку припадає майже 50% сухої ваги хрящів та близько 30% твердої речовини кістки. У більшості регуляторних систем рослин і тварин каталіз здійснюється глобулярними білками, які звуться ферментами.