Свойства аминокислот с удаленными функциональными группами.

Аминокислоты этого типа по химическим свойствами во многом напомина­ют гидроксикислоты с аналогичным расположением функциональных групп.

γ- и δ-Аминокислоты. Специфической реакцией, протекающей при на­гревании γ- и δ-аминокислот, является внутримолекулярное взаимодействие функциональных групп с образованием циклических амидов — лактамов. Этому способствует возможность для исходных аминокислот принимать клешневидную конформацию, а также термодинамическая устойчивость об­разующихся пяти- и шестичленного циклов.

В номенклатуре лактамов применяется тот же принцип, что и для лакто­нов, только с использованием суффикса - лактам (вместо - лактон или - олид). Кроме того, лактамы часто называются как оксопроизводные азот­содержащих гетероциклов.

γ- и δ-Лактамы являются типичными амидами и могут быть гидролизованы в соответствующие аминокислоты нагреванием с растворами сильных кис­лот или щелочей.

β-Аминокислоты.

Эти соединения при нагревании до 200 °С отщепляют молекулу аммиака, превращаясь в α,β-ненасыщенные кислоты. Элиминиро­вание аммиака наблюдается в щелочной среде уже при 37 °С.

В этом отношении β-аминокислоты напоминают β-гидроксикислоты. Внутри- и межмолекулярное ацилирование аминогруппы здесь также не происходит вследствие неустойчивости четырех- или восьмичленного циклов. Однако четырехчленные циклические амиды (β-лактамы) образуются в мягких условиях при внутримолекулярном ацилировании в присутствии карбодиимидов:

Несмотря на гидролитическую нестабильность β-лактамного цикла, он является структурным фрагментом природных антибактериальных средств пенициллинов и цефалоспоринов, относящихся к группе β-лактамных антибиотиков.

65.a-аминокислоты, входящие в состав белков. Номенклатура, классификация, стереоизомерия, принципы разделения рацематов на энантиомеры. Амфотерность, биполярная структура, образование хелатных соединений. Химические свойства как гетерофункциональных соединений. Реакции, применяемые в качественном и количественном анализе аминокислот.

Альфа-АМИНОКИСЛОТЫ В составе всех этих соединений имеется общий структурный фрагмент (в приведенной ниже формуле он выделен жирным шрифтом). Различия же между аминокислотами определяются строением радикала R, который может быть алифатическим, ароматическим, гетероциклическим, может содержать дополнительно какие либо функциональные группы.

В химии аминокислот обычно пользуются тривиальными, реже — радикало-функциональными названиями. Систематические названия аминокислот практически не применяются, поскольку правила ИЮПАК также рекомендуют для этих соединений тривиальные названия. В тексте аминокислоты часто обозначаются первыми тремя буквами их тривиального названия: аланин — ала.

Б. Классификация по степени полярности (гидрофильности) радикала. Степень полярности радикалов аминокислот и возможность их взаимодействия с молекулами воды имеют существенное значение для структурно-функционального состояния белков. Индивидуальные особенности этих свойств аминокислот во многом определяют формирование нативной пространственной организации молекул белков, их физико-химические свойства, возможность и характер нековалентного взаимодействия белков с гидрофобными фрагментами других молекул, например липидов.

 I. Неполярные (гидрофобные) аминокислоты. Аланин. Валин. Лейцин. Изолейцин. Фенилаланин. Пролин. Гидроксипролин. Метионин. Триптофан. Тирозин.

II. Полярные (гидрофильные) аминокислоты.

1. Полярные нейтральные аминокислоты (неионогенные или незаряженные при физиологическом значении рН 7,4). Серин. Треонин. Цистеин. Аспарагин. Глутамин.

2. Полярные кислые аминокислоты (ионогенные, имеющие при физиологическом значении рН суммарный отрицательный заряд молекулы). Глутаминовая кислота (глутамат). Аспарагиновая кислота (аспартат).

3. Полярные основные аминокислоты (ионогенные, имеющие при физиологическом значении рН суммарный положительный заряд молекулы). Лизин. Аргинин. Гистидин.

 В. Классификация по количеству аминных и карбоксильных групп. 1. Нейтральные аминокислоты (моноаминомонокарбоновые). 2. Кислые аминокислоты (моноаминодикарбоновые). 3. Основные аминокислоты (диаминомонокарбоновые). При характеристике конкретных аминокислот эти принципы классификаций нередко сочетают (например: «лейцин является нейтральной гидрофобной аминокислотой с алифатическим углеводородным радикалом»).

СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ альфа-АМИНОКИСЛОТ

Важнейшим свойством аминокислот, образующихся в процессе гидролиза природных белков, является их оптическая активность. Это свойство связано с наличием в молекуле всех природных аминокислот (за исключением глицина) в α-положении асимметрического атома углерода.

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один асимметрический атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и оптически неактивного рацемата.

Относительная конфигурация α-аминокислот определяется по конфигурационному стандарту — глицериновому альдегиду — с использованием «гидроксикислотного ключа». Расположение в проекционной формуле Фишера аминогруппы слева соответствует L-кон-фигурации (подобно ОН-группе в L-глицериновом альдегиде), справа — D-конфигурации хирального атома углерода.

Все аминокислоты, образующиеся при гидролизе природных белков в условиях, исключающих рацемизацию, принадлежат к L-ряду. Величина и знак оптического вращения зависят от природы радикалов аминокислот и значения рН раствора, в котором измеряют оптическую плотность.

Изолейцин и треонин содержат в молекуле по два хиральных центра и могут существовать в виде четырех диастереомеров (две пары энантиомеров).

Из этих четырех стереоизомеров только один используется для построения белков человеческого организма. В состав белков входит L-изолейцин. В названии той пары энантиомеров, стереоизомер которой не является структурным элементом белков, используется приставка алло -.

В белках микроорганизмов и пептидах могут встречаться и D-аминокислоты. Так, D-изомеры глутаминовой кислоты, аланина, валина, фенилаланина, лейцина и ряда других открыты в клеточной стенке бактерий. Согласно R,S - системе асимметрический атом углерода у α-аминокислот L-ряда имеет S-конфигурацию (исключение цистеин).

Химические свойства аминокислот. Свойства α-аминокислот.

Кислотно-основные свойства. Аминокислоты являются амфотерными со­единениями, что обусловлено одновременным присутствием в молекуле основ­ной (NH₂) и кислотной (СООН) групп. Однако привычное написание формул аминокислот как соединений, содержащих амино- и карбоксильную группы — RCH(NH₂)COOH, является условным и не отражает их истинного строения. И в кристаллическом состоянии, и в среде, близкой к нейтральной, аминокис­лоты существуют в виде внутренней соли — диполярного иона, называемого также цвиттер-ионом. В сильнокислой среде (pH 1—2) в аминокислотах полностью протонирована аминогруппа и не диссоциирована карбоксильная группа. В сильнощелочной среде (pH >12), напротив, свободна аминогруппа и полностью ионизирована карбоксильная:

Заметим, что при написании этого же кислотно-основного взаимодейст­вия, исходя из «классической» формулы аминокислот, структуры ионных форм были бы такими же, как в приведенной схеме. Поэтому в записи схем реакций чаще используют формулы аминокислот в неионизированной форме.

α-Aминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами:

Кроме солей, которые образуют α-аминокислоты с сильными кислотами или щелочами, известны комплексные соли многих аминокислот с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивы комплексы с ионами Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Со²⁺ (в порядке снижения стабильности). Так, с гидроксидом меди(II) получаются кристаллические хелатные соли синего цвета, которые ис­пользуются для выделения и очистки аминокислот (качественная реакция):

Для каждой аминокислоты существует определенное значение pH, назы­ваемое изоэлектрической точкой (обозначается pI или pH_i), при котором содер­жание диполярного иона максимально. Для алифатических аминокислот это 6,0, т. е. находится в слабокислой области. Это объясняется тем, что кислотность группы —NH₃⁺ в диполярном ионе вы­ше основности группы —СОO^—. Для кислот с дополнительными слабокислот­ными функциональными группами (SH-группа цистеина и ОН-группы серина, треонина и тирозина) значения рI лежат в более кислой области (5,0-5,7). Аспарагиновая и глутаминовая кислоты, содержащие дополнительную кар­боксильную группу, относятся к кислым аминокислотам (рI ~3) и превосходят по кислотности уксусную кислоту. Напротив, диаминокислота лизин, а также аргинин, где дополнительным центром основности служит гу­анидиновая группировка, являются представителями основных аминокислот (рI9,6 и 10,8). Их основность сопоставима с основностью ам­миака и алифатических аминов. Кислотно-основные свойства обусловливают возможность разделения и идентификации методами ионообменной хроматографии и электрофореза.