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.

 

 

54. α – Аминокислоты, входящие в состав белков, номенклатура. Классификация, стереоизомерия. Амфотерность, биполярная структура; химические свойства как гетерофункциональных соединений; реакции определения аминокислот.

Наиболее распространенными в природе и биологически значимыми являются α-аминокислоты, имеющие общую формулу и отличающиеся друг от друга только строением радикала R.

Они представляют собой структурные элементы многих природ­ных соединений, главным образом белков. В настоящее время известно свыше 300 природных α-аминокислот, из которых только около 25 обнаружены в бел­ках, а 20 аминокислот входят практически во все белковые молекулы, они получили название протеиногенных. Протеиногенными называются 20 аминокислот, которые кодируются генетическим кодом и включаются в белки в процессе трансляции.

Все алифатические аминокислоты, за исключением глицина (аминоуксус­ной кислоты) и ω-аминокислот (буква ω означает положение заместителя на конце углеродной цепи), содержат асимметрический атом углерода и могут поэтому существовать в виде стереоизомеров (в простейшем случае — энантио­меров).

В номенклатуре α-аминокислот прочно укрепились тривиальные назва­ния, принятые номенклатурой ИЮПАК. Систематические назва­ния α-аминокислот практически не применяются, хотя они, безусловно, до­пустимы. Сокращенное трехбуквенное обозначение аминокислот использует­ся при записи строения пептидных и белковых молекул.

 

Классификация протеиногенных аминокислот.

Современная классификация аминокислот основана на полярности радикалов (R), т. е. способности их к взаимодействию с водой при физиологических значениях рН (близких к рН 7,0). Выделяют две группы аминокислот:

1) α-аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами;

2) α -аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами;

Аминокислоты с неполярными радикалами. К аминокислотам с гидрофобным радикалом относятся аминокислоты с алифатическими и ароматическими боковыми радикалами. В структуре белков эти радикалы стремятся располагаться внутри глобул и участвуют в гидрофобном взаимодействии.

Аминокислоты с неполярным алифатическим радикалом:

· глицин

· аланин

· валин

· лейцин

· изолейцин

· пролин

Аминокислоты с неполярным ароматическим радикалом:

· фенилаланин

· тирозин

· триптофан

Аминокислоты с полярными (гидрофильными) радикалами. Для гидрофильных радикалов α-аминокислот характерно наличие в них функциональных ионогенных или неионогенных групп. В структуре белков ионогенные группы α-аминокислот, как правило, располагаются на поверхности макромолекулы и обуславливают электростатические (ионные) взаимодействия. В полярных неионогенных радикалах α-аминокислот содержатся либо спиртовые, либо амидные группы. Эти неионогенные радикалы могут располагаться как на поверхности, так и внутри белковых молекул, участвуя в образовании водородных связей с другими полярными группами или молекулами.

Аминокислоты с полярным неионизирующимся радикалом:

· Серин

· Треонин

· Цистеин

· Метионин

· Аспарагин

· глутамин

Аминокислоты с полярным ионизирующимся положительно радикалом:

· Лизин

· Аргинин

· гистидин

Аминокислоты с полярным ионизирующимся отрицательно радикалом:

· аспарагиновая кислота

· глутаминовая кислота

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме, некоторые же необходимые для синтеза белков α-аминокислоты не синтезируются в организме и должны поступать с пищей, такие аминокислоты называют незаменимыми. К ним относятся: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Аргинин и гистидин являются незаменимыми только для детей первого года жизни; в организме взрослого человека они синтезируются.

Стереохимия 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 (рI 9,6 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.