АМИНОКИСЛОТЫ

Соединения, содержащие в молекуле карбоксильную и аминогруппы, называют аминокислотами.

1. ИЗОМЕРИЯ. НОМЕНКЛАТУРА

Изомерия аминокислот (в дальнейшем АК) аналогична изомерии оксикислот. Различают:

1. Изомерию углеродного скелета . 2. Изомерию положения функциональных групп

Для АК употребительны названия:

1) рациональные (АК рассматривают как производные соответствующих кислот);

2) систематические; 3) эмпирические (тривиальные)

http://arkadiyzaharov.ru/studentu/chto-delat-studentam/organicheskaya-ximiya/

ИЗОМЕРИЯ. НОМЕНКЛАТУРА. Примеры

NH2─СН2─СООН аминоуксусая кислота,аминоэтановая кислота,гликокол, глицин

СН3─ СН─СООН─

NH2

α- аминопропионовая кислота,2-аминопропановая кислота,α- аланин

β α

СН3 ─ СН─ СН─СООН─

NH2

─

ОH

α- амино - β - оксимасляная кислота, 2-амино-3-оксибута-новая кислота, треонин

NН2─ СН2─ СН─СООНβ α β-аминопропионовая кислота,

β- аланин

Аминокислоты имеют большое значение. В природе распространены α-минокислоты:

Из остатков α-АК построены белки, которые являются главными составляющими кожи, мышц, сухожилий, нервов и крови; ферментов, гормонов. В белках чаще всего встречается около 20 аминокислот распространены α-минокислоты.

NH2─СН─СООН─

R

Значение аминокислот:

Для поддержания жизнедеятельности человека определенные аминокислоты должны ежедневно вводиться с пищей, так как организм не способен их синтезировать в достаточном количестве. Они называются незаменимыми.

1. Аминирование α-галогенопроизводных кислот:

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

СН3─ СН─СООН

─ NH2Br

Br2, P

R─СН2─СООН

NH3

(изб.)R─СН─СООNН4

─

+ NН4Br

аммониевая сольα-аминокислоты

2. Действие цианистого аммония (NH4CN NH3 + HCN) на альдегиды и кетоны:

3. Присоединение аммиака к ,-непредельным кислотам:

(присоединение идёт против правила Марковникова):

CH2=CH─COOH H2N−CH2−CH2−COONH4+2NH3

4. Из малоновой кислоты (реакция Родионова):

R−С−Н

О+ НООС─СН─СООН

Н

─ R−СН−СН−СООН

СООНОНNH3 NH3

R−СН−СН−СООН

СООНNН2 - CO2

R−СН−СН2−СООН

NН2

альдегид

β-аминокислота,

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

Некоторые физические и химические свойства АК не согласуются с формулой

NH2─СН─СООН─

RФакты:

1. АК представляют собой нелетучие кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при довольно высокой температуре.

2. АК не растворимы в неполярных растворителях типа бензола, эфира и заметно растворимы в воде.

3. Константы кислотности и основности для групп COOH и NH2 необычайно малы. Так для глицина:

Ка = 1,610-10 и Кв= 2,510-12 , а для чистых кислот:

Ка = 10-5 и Кв = 10-4

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ(объяснение)

Высокие Т. пл. и некот. другие свойства АК объяснимы, если структуру АК представить в виде биполярного иона:

H3N─СН─СОО─

R

−+

Такой ион в кислой среде ведет себя как катион, так как подавляется диссоциация карбоксильной группы; в щелочной среде - как анион:

H3N−СН2−СООН+ Н+

НО−H3N−СН2−СОО−

+H3N−СН2−СОО−

Н+

НО−

В изоэлектрической точке, когда концентрации катионов и анионов равны, концентрация биполярного иона максималь-на и перемещение его в электрическом поле не происходит.

ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТОЧКА

Это такое значение рН среды, при котором раствор аминокислоты содержит равные концентрации катионов и анионов и перемещение АК в электрическом поле не происходит.

Это значение рН зависит от природы органической группы R и является характерным для каждой АК.

Изоэлектрическая точка глицина H2N−СН2−СООН находится при рН 6. Аспарагиновая кислота НООС−СН2−СН(NH2)−СООН содержит вторую карбоксильную группу, и при рН 6,0 большая доля ее молекул находится в виде анионов:

ООС−СН2−СН−СОО─

NH3+

−−

Чтобы достигнуть изоэлектрической точки, некоторые из этих анионов нужно протонировать, что возможно лишь при снижении рН до 2,8.

1. Какова величина изоэлектрической точки лизина:

а) рН 7,0; б) рН > 7; в) рН < 7 ?

2. По направлению к какому электроду будут двигаться следующие аминокислоты при электрофорезе при рН 5,0: а) глицин, б) лизин, аспарагиновая кислота ?

ЗАДАНИЕ.

H2N−СН2−СООН НООС−СН2−СН−СООН

NH2─

СН2−СН2−СН2−СН2−СН−СООН

NH2

─

NH2

─

б) лизин

а) глицин аспарагиновая кислота

1. Лизин содержит вторую NН2-группу, которая при рН 6,0 сильно протонирована; чтобы перевести ее в нейтральное состояние, нужно добавить основание, т.е. изоэлектрическая точка будет выше 7,0 ( эксп. знач. 9,6).

2. При рН 5,0 а) глицин и б) лизин протонированы и движутся к катоду; аспарагиновая кислота при рН 5,0 является анионом и движется к аноду.

ОТВЕТЫ К ЗАДАНИЮ.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

Как и другие соединения со смешанными функциями аминокислоты проявляют свойства и кислот и аминов.

1. АК образуют соли как с неорганическими кислотами, так и основаниями:

а) H2N−СН2−СООН + НCl = [H3N−СН2−СООН] Cl + −

+ Сu(OH)2

CuCH2−NH2

CO O NH2− CH2

O COCH2−NH2

CO ─ OH

б) 2

интенсивно синяя соль

2. Подобно другим кислотам АК образуют сложные эфиры, хлорангидриды, амиды и др. производные.

3. При действии азотистой кислоты дают оксикислоты.4. Аминогруппа в АК легко алкилируется и ацилируется

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ

NH2-СН-СООН─

R СН3I

СН3COCl

RʹOH

PCl5 NH2-СН-СОCl─

R NH2-СНR-СОNН2

NH3

HNO2HO-СНR-СООН + N2 + H2O

NH2-СНR-СОORʹ

[(CH3)2NH-СНR-СОOН] I−

CH3C-NH-СНR-СОOН + HClО

+

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ(отношение к нагреванию)

1) α−АК образуют дикетопиперазины:

СН3−СН−СООН

NH2

─

НООС−СН− СН3

NH2─+СН3−НС─СО

NHHN

ОС─СН− СН3

to

+ 2H2O

2) β−АК отщепляют аммиак и дают аммонийную соль непредельной кислоты:

Н2N−СН2−СН2−СООН to

СН2= СН2−СООNН4

3) γ-,δ−АК дают при нагревании внутренние амиды - лактамы:

Н2С ─ СН2

СОН2С

НN−Н ОН

to

-Н2О

Н2С ─ СН2

СОН2С

NН

Пептидная связь. Пептиды

Наиболее важной реакцией АК является образование амида между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой – образование пептидной связи.

Два аминокислотных остатка, связанные пептидной (амидной) связью, дают дипептид. Трипептид содержит три остатка, тетрапептид – четыре и т. д.

NH2СН─С─N─CH2CO─NHCHCO─NHCHCOОН

CH3 CH2C6H5HО

пептидные связи

Сокращенная запись пептида: Н−Ala−Gly−Phe−Gly−ОН

Название данного пептида :

аланилглицинилфенилаланинилглицин

В последнее время доказано, что пептиды служат важным средством «общения» между собой нервных клеток. Пептиды – вездесущие работники ЦНС. Во всем мире изучаются пептиды, регулирующие состояние голода, жажды, боли, агрессии, страха, миграционное поведение птиц и др.

ПЕПТИДЫ

БЕЛКИ

Хотя в природе имеется лишь ограниченное число аминокислот, из них может образоваться большое число пептидов и белков. Например, если рассмотреть лишь трипептиды, которые можно составить из 20 аминокислот, то придем к выводу, что каждый остаток можно выбирать двадцать раз, т. е. 203 = 8000 возможных трипептидов.

Для n остатков имеется 20n возможностей, где n может достигать трехсот.

Полипептиды, содержащие порядка сорока и более остатков с молекулярной массой более 10 000, называются белками.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО ИХ СОСТАВУ

БЕЛКИ

Простые состоят только из аминокислот

Сложные состоят из глобулярных бел-ков и небелкового компонента

1. Альбумины – нейтр.(яичный, сыворот. альбумин)

2. Глобулины – нейтральн. (антитела крови, фибрин)

3. Гистоны – основные,(связаны с РНК, ДНК)

4. Склеропротеины -(кератин волос, кожи,

сухожилий и др.)

1. Фосфопротеины - (казеин молока)

2. Гликопротеины - (плазма крови)

3. Нуклеопротеины -(хромосомы, рибосомы,вирусы 4. Хромопротеины – (гемоглобин, фитохром)

5. Липопротеины -компонен-ты мембран

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ ПО СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИИ

Класс белков Характеристика Функция

Фибрилярные

Глобулярные

Промежуточ-ные

длиннные параллель-ные полипептидные цепи; нерастворимы в воде

Структурная, сокра-тительная (мышцы)

полипептидные цепи свернуты в компактные глобулы; растворимы

Каталитическая (ферменты), защитная (антитела) регулятор-ная (гормоны), транс-портная (гемоглобин), рецепторная (зрение, осязание и проч.)

Фибрилярной природы,но растворимые

фибриноген фибрин(раств.) (нераств.)

СТРУКТУРА БЕЛКОВ

1) первичную; 2) вторичную; 3) третичную и 4) четвертичную структуры

Различают:

Первичная структура

Специфическая последовательность аминокислот поли-пептидной цепи называется первичной структурой белка:

H2N—Вал—Лей—Сер—Глу—Гли—Глу—Три— Гли—Лей— Вал—Лей—Гис—Вал—Тир—Ала— Лиз—Вал—Глу—Ала—Асп —Вал—Ала—Гли—Гис—Гли—Гли—Асп—Иле—Лей—Иле—Apr—Лей—Фен—Лиз—Сер—Гис— Про—Глу—Тре— Лей—Глу—Лиз—Фен—Асп—Apr—Фен—Лиз—Гис— Лей — Лиз—Тре—Глу—Ала—Глу—Мет—Лиз—Ала—Сер—Глу — Асп —Лей—Лиз—Гли—Гис—Гис—Глу—Ала—Глу— Лей —Тре—Ала—Лей—Гли—Ала—Иле—Лей—Лиз—Лиз—Лиз—Гли—Гис—Гис—Глу—Ала—Глу—Лей—Лиз— Про—Лей —Ала—Гли—Сер—Гис—Ала—Тре—Лиз—Гис—Лиз—Иле — Про—Иле—Лиз—Тир—Лей—Глу—Фен—Иле—Сер—Глу—Ала—Иле—Иле—Гис—Вал—Лей—Гис—Сер—Apr—Гис —Про—Гли—Асн—Фен—Гли—Ала—Асп—Ала—Гли— Гли—Ала—Мет—Асн—Лиз—Ала—Лей—Глу—Лей—Фен— Apr—Лиз—Асп—Иле—Ала—Ала—Лиз—Тир—Лиз—Глу—Лей — Гли — Тир — Глн — Гли — СООН

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА МИОГЛОБИНА

10

50

110

150

Аминокислотная последовательность инсулина быка и человека

Вторичная структура белков

Под вторичной структурой понимают, способ расположения фрагментов полипептидной цепи в пространстве т. е. конформацию белковой цепи.

Показано, что наиболее выгодным расположением, которое осуществляется во многих пептидах и белках является α – спираль.

Устойчивость α – спирали обеспечивается водород-ными связями между группами NH и СО, разде-ленными четырьмя пептидными связями.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА: α – спираль

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА (см. след.)

Это способ, которым изогнутая в α- спираль полипептидная цепь свернута в природном белке в компактную глобулу.

а – электростатическое взаимодействие; б – водородная связь;в – гидрофобное взаимодействие (вандерваальсово); г – диполь – дипольное взаимодействие; д – дисульфидные связи

Типы связей, поддерживающих третичную структуру:

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Рентгенограмма миоглобина (из мышц кашалота). По распреде-лению и интенсивности дифрак-ционных пятен определяют по-ложение отдельных атомов в молекуле.

Конформация (третичная струк-тура) миоглобина, установле-нная на основе рентгено-структурного анализа с высо-ким разрешением.

МОДЕЛЬ МИОГЛОБИНА

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ

• Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей.

• Способ совместной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у гемоглобина.

Молекула гемоглобина состоит из четырех поли-пептидных цепей: двух α-цепей и двух β-цепей. С каждой цепью связана одна группа гема, к которой присоединяется молекула кислорода. Гемоглобин - пример белка, состоящего из отдельных субъединиц, т. е. обладающего четвертичной структурой.

ГЕМОГЛОБИН

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты – биологические катализаторы – белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками.

Ферменты обладают: • высокой специфичностью: один фермент катализи-рует обычно только одну реакцию (см. гипотезу «ключа и замка»)• быстродействием: например, одна молекула каталазы разлагает за 1 с до 40 000 молекул Н2О2:

Н2О2

каталаза2Н2О2 + О2

ФЕРМЕНТЫ: Гипотеза «ключа и замка»

Для объяснения высокой специфичности ферментов применяют гипотезу «ключа и замка» (Фишер, 1890 г.).

Фермент, соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс. В гипотезе Фишера субстрат сравнивается с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», т.е. ферменту (см. след.)

ФЕРМЕНТ−СУБСТРАТНЫЙ КОМПЛЕКС.

аминокислоты, образующие активный центр

А. Схематическое изображение фермент-субстратного комплекса (субстрат присоединяется к ферменту в активном центре последнего). Б. Положение аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента.

А Б

ФЕРМЕНТЫ: Гипотеза «ключа и замка»

Субстрат«ключ»

продукт

продукт

Субстрат приближаетсяк активному центру фермента

Субстрат в активном центре, где происходит перестройка молекул,приводящая к образованию продуктов

Продукты покидаютактивный центр

Актив.центр

АПОФЕРМЕНТЫ И КОФЕРМЕНТЫ

Хотя ферменты - это прежде всего большие белки, они могут содержать и небелковую часть. В таких случаях белковая часть называется апоферментом, а небелковая часть – коферментом.

Коферментом может быть химически связанная группа (простетическая группа) или отдельный реагент, начинающий играть роль во время протекания реакции. Он может быть таким простым, как ион металла Zn2+, или такими сложным, как кофермент Q (убихинон), или как кофермент НАД, которые участвуют в реакциях переноса соответ-ственно электрона и водорода.

Например, коферменты НАД и НАДФ содержат никотинамид (витамин, известный под названием «никотиновая кислота»). Он может существовать как в окисленной, так и восстановленной форме. В окисленной форме НАД при катализе играет роль акцептора водорода:

ВИТАМИНЫ

Витамины, подобно незаменимым аминокислотам не могут синтезироваться животными и человеком и должны поступать с пищей. Многие витамины входят в состав коферментов и простетических групп.

Простетические группы ФАД и ФМН содержат рибофлавин (витамин В2), который также может существовать как в окисленной, так и восстановленной формах и участвовать в переносе водорода в дыхательной цепи

N+

НС

НСОН

НСОН

НС

О

Н2С ─ О ─ Р ─ О ─ Р ─ О ─ СН2

О О

ОН ОН

НС

НСОR

НСОН

НС

О

N

NN

N

NH2CONH2

R

H

N+

+2H

−2H

R

H H

N+ H+

Окисленная и восста-новленная формы ни-котинамидных кофер-ментов

Никотин-Аденин амид

(витамин)

ВИТАМИН КАК КОМПОНЕНТ КОФЕРМЕНТА (НАД, НАДФ)

R= −Н, НАД+

R= −РО3Н, НАДФ+

В

Ф Ф

В

SРибоза

Аденин

Ни

коти

нам

ид

(в

ита

ми

н Р

Р)

АМФ (аденозин-монофосфат)

НАД (никотинамид-адениндинуклеотид)

Фосфат

SРибоза(сахар)

Ф

Дополн. фос-фатная группау НАДФ

КОФЕРМЕНТЫ НАД и НАДФ (схема)

В

Ф ФR

В

Спирт рибитол(5-углеродный)

SРибоза(сахар)

Аденин Флавин

Ри

бо

фл

ави

н

(ви

там

ин

В2)

ФМН (флавинмононуклеотид)

АМФ (аденозинмонофосфат)

ФАД (простетическая группа)

Фосфат

ФМН + АМФ = ФАДнуклеотид нуклеотид динуклеотид

ВИТАМИН КАК КОМПОНЕНТ ПРОСТЕТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

Аокисленный

субстрат

Фермент-НАДВосстановленный

субстрат

АН2

Донор водорода

Фермент-НАД·Н2 ВАкцептор водорода

ВН2

НАД и ФАД как переносчики водорода

Аокисленный

субстрат

Фермент-ФАДВосстановленный

субстрат

АН2

Донор водорода

Фермент-ФАД·Н2 ВАкцептор водорода

ВН2

Белки – сложные высокомолекулярные вещества, постро-енные из остатков аминокислот, соединенных между собой амидными (пептидными) связями;

HО

─ С─N─пептидная связь

10Ш

Д

10Ш

Д

В соответствии с особенностями третичной структуры белки делятся на:

1) фибрилярные 2) глобулярные

НООС

СООННООС−СН2−С−СН2−СООН −

─

─

С

О

C

*

βα

(см. Петров, с.270)