Органическая химия. Ответы к зачету
.pdf
3. Оптической изометрией обладают все аминокислоты, кроме глицина. Отнесение к D- и L- ряду проводят по аналогии с глицериновым альдегидом. Во всех случаях, когда -аминокислота содержит два и более асимметрических атомов углерода, конфигурацию ее определяют, исходя из - углеродного атома.
В организме обычно имеются L-, - и алло-формы. В составе белков аминокислоты находятся только в L-форме. D-аминокислоты встречаются в антибиотиках (например, грамицидин).
Классификация аминокислот
По числу –NH2, –COOH групп, а также в зависимости от заместителя (R) аминокислоты подразделяют на:
I. Моноаминокарбоновые:
II. Моноаминодикарбоновые:
III. Диаминокарбоновые:
IV. Ароматические:
V. Гетероциклические:
91
VI. Оксиаминокислоты:
VII. Серусодержащие аминокислоты:
Живые организмы различаются по своей способности синтезировать аминокислоты. Аминокислоты, не синтезируемые в организме, называются незаменимыми. Это гетероциклические и разветвленные аминокислоты.
Химические свойства
I. Кислотно - основные
Аминокислоты за счет акцепторных свойств аминогруппы (проявляет –Iэф) являются более сильными кислотами, чем соответствующие им карбоновые кислоты и более слабыми основаниями, чем амины за счет акцепторных свойств карбоксильной группы (проявляет –Iэф).
В зависимости от рН - среды аминокислоты могут существовать в растворе в виде катионов, анионов или диполярных ионов:
Значение рН раствора, при котором аминокислота не имеет заряда, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ). Заряд белковой молекулы определяется суммой ионогенных групп –NH3+ и –
COO–.
Аминокислоты, как амфотерные соединения, образуют соли как с кислотами, так и с основани-
ями:
II. Реакции по карбоксильной группе (–СООН)
Аминокислоты могут диссоциировать, образовывать соли, сложные эфиры, ангидриды, амиды, хлорангидриды подобно карбоновым кислотам.
Хлорангидриды аминокислот образуются после ацилирования (“защиты”) аминогруппы:
III. Реакции по аминогруппе (–NH2 )
Аминокислоты образуют соли, вступают в реакции ацилирования и алкилирования, в реакции конденсации, качественные реакции.
а) Реакции ацилирования и алкилирования:
б) Реакция с азотистой кислотой HNO2 (количественная и качественная реакция, по количеству выделившегося азота определяют количество аминокислот (метод Ван - Слайка)):
в) Реакции конденсации
При взаимодействии с альдегидами - аминокислоты, подобно первичным аминам, образуют основания Шиффа:
93
Для аналитических целей применяется реакция - аминокислот с формальдегидом, останавливающаяся на стадии N – гидроксиметильного производного аминокислоты:
Последняя реакция лежит в основе метода формольного титрования. Сами аминокислоты вследствие амфотерности не могут быть оттитрованы щелочью. N - гидроксиметильные производные аминокислоты содержат свободную –СООН группу и могут быть определены количественно титрованием щелочью.
г) Качественной реакцией на α – аминокислоты служит реакция с нингидрином:
IV. Реакции нагревания аминокислот
а) α-Аминокислоты при нагревании могут отщеплять одну или две молекулы воды. При отщеплении одной молекулы воды образуются дипептиды:
Дипептид обладает способностью взаимодействовать с новой молекулой аминокислоты с образованием трипептида, тетрапептида и полипептида. Полипептид является основой белковых молекул. Название ди– и полипептидов строится по названиям тех кислот, из которых они образуются. Поэтому аминокислота, участвующая в образовании пептида, имеет окончание –ИЛ, а концевая аминокислота, сохранившая группу –СООН – полное название:
Используется сокращенная запись полипептида с указанием концевых групп и названий аминокислот первыми тремя буквами русского или латинского алфавита:
При пептидном синтезе из двух разных аминокислот получается четыре вида дипептида, из трех разных – девять и т.д. Последовательность аминокислотных остатков в белках строго определенная, следовательно, необходимо другие варианты исключить. Можно судить теперь об эффективности работы живых клеток, осуществляющих биосинтезы огромного числа разнообразных полипептидов.
94
Для синтеза строго определенной последовательности аминокислот в белке необходимо применять “метод защиты”, который включает в себя следующие операции:
-защита α – NH2 группы N – концевой аминокислоты (ацилирование);
-защита –СООН группы С – концевой аминокислоты (этерефикация);
-создание пептидной связи;
-удаление защитных групп.
Проиллюстрируем этот подход на примере синтеза дипептида глицилаланин:
При отщеплении двух молекул воды от двух молекул аминокислот образуется дикетопиперазин (циклический амид):
95
б) β- Аминокислоты выделяют при нагревании NH3 и образуют непредельную кислоту, т.е. идет реакция дезаминирования:
в) γ- Аминокислоты при нагревании подвергаются внутримолекулярной дегитратации с образованием лактамов:
V. Реакции аминокислот в клетке
Вклетке живого организма устанавливается равновесие компонентов, необходимых для ее функционирования. При избытке аминокислот они разрушаются под действием ферментов в результате дезаминирования, переаминирования и декарбоксилирования.
Переаминирование
Вбиосистемах в процессе переаминирования принимают участие пиридоксальфосфат и аминотрансферазы. Например:
Декарбоксилирование α – аминокислот происходит под действием ферментов – декарбоксилаз, в результате чего образуются “биогенные амины” с ярко выраженной физиологической активностью. В лабораторных условиях аминокислоты легко декарбоксилируются в щелочной среде.
96
Биогенные амины имеют большое физиологическое значение. Они участвуют в ряде реакций обмена нервной и сердечно-сосудистой систем. К биогенным аминам, образующимся из тирозина в процессе обмена веществ, относится группа катехоламинов: адреналин, норадреналин и дофамин:
Дофамин, норадреналин и адреналин выполняют роль нейромедиаторов. Из тирозина синтезируются пигменты кожи, глаз, волос.
Дезаминирование:
а) Окислительное
б) Восстановительное
в) Гидролитическое
г) Внутримолекулярное
VI. Реакции по радикалу
1) Все циклические аминокислоты, содержищие бензольное кольцо – триптофан, тирозин, фе-
нилаланин – легко вступают в реакции замещения по бензольному кольцу с На12, НО–NO2, HO– SO3H.
Путем йодирования тирозина в организме образуется гормон щитовидной железы тироксин:
Качественная реакция на ароматические аминокислоты – ксантопротеиновая – обусловлена нитрованием бензольного кольца с образованием нитросоединений желтого цвета. При добавлении
кним щелочи возникает оранжевое окрашивание:
2)Серусодержащие аминокислоты вступают в реакции окисления, солеобразования по меркапто –SH группе:
Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга за счет реакции окисления – восстановле-
ния:
Обмен серы в организме идет, в основном, за счет цистина и цистеина. Они обусловливают структуру белка, реактивность многих ферментов и гормонов.
Качественной реакцией на серусодержащие аминокислоты является реакция Фоля:
98
32. Пептиды, белки. Строение пептидной группы. Первичная структура пептидов и белков. Кислотный и щелочной гидролиз пептидов.
Белки – это биополимеры, состоящие из ста и более остатков аминокислот. Белки классифицируются на:
-простые (протеины), состоящие из -аминокислот;
-сложные (протеиды), состоящие из белковой и небелковой частей.
Аминокислотный состав определяет многие свойства белков: заряд белковой молекулы, ИЭТ, способность к осаждению, структуру и биологическую активность.
В настоящее время синтезированы простейшие белки – инсулин, рибонуклеаза, окситацин и др.
Первичная структура
Под первичной структурой подразумевают определенную последовательность фрагментов аминокислот в полипептидной цепи. Полипептиды содержат фрагменты до 22 разных аминокислот.
Первичная структура белков строго специфична для каждого вида организмов. Так, гормон инсулин, построенный из 51 остатка одинаковых и различных α – аминокислот в виде двух цепей, соединенных дисульфидным мостиком, имеет неодинаковый состав у различных видов животных.
Физико – химичекие свойства белков
Для белков характерны высокая вязкость растворов, низкая диффузия, способность к набуханию, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление.
Белки, как и аминокислоты, амфотерны за счет свободных амино - (–NН2) и карбоксильных (– СООН) групп.
В зависимости от рН среды, соотношения кислых и оснóвных аминокислотных остатков белки несут положительный или отрицательный заряды, что и используется при электрофорезе.
Подобно биурету полипептиды и белки дают качественную реакцию с Сu(ОН)2 – красно-фио- летовое окрашивание и она называется биуретовой реакцией.
Белки отличаются друг от друга по составу, форме, растворимости, биологической активности, молярной массе. Часть из них синтезируется в организме, другие должны поступать извне.
Строение белков было установлено на основе реакций гидролиза.
Фибриллярные белки – это белки, молекулы которых состоят из параллельных, сравнительно вытянутых пептидных цепей, образуют палочковидные структуры. Они не растворимы и выполняют структурную и защитную функции в организме. Например, коллаген при нагревании превращается в беспорядочные клубки, получившие название желатины (в ней много глицина, гидроксипролина, гидроксилизина).
Глобулярные белки – это белки, молекулы которых состоят из плотно свернутых полипептидных цепей и имеют форму, близкую к сферической. К ним относятся ферменты, антитела, гормоны, альбумин, гемоглобулин и другие. Они растворимы в водно - солевых растворах.
Некоторые белки, например, миозин и фибриноген имеют палочковидную структуру, однако хорошо растворимы в воде.
Денатурация белков
Под влиянием многих факторов пространственная структура способна разрушаться, что приводит к потере биологической активности белков. К таким факторам относятся повышенная температура, изменение рН среды, УФ – и рентгеновское излучения, механическое воздействие (встряхивание), соли тяжелых металлов, алкалоиды и др.
99
Денатурация белков – это разрушение их природной (нативной) пространственной структуры с сохранением первичной структуры. Денатурация редко бывает обратимой. В этих немногих случаях важно то, что беспорядочно скрученная молекула денатурированного белка самопроизвольно принимает нативную пространственную структуру с полным сохранением биологической функции.
Вслучаях отравления солями тяжелых металлов (ртути, свинца, серебра и др.) в качестве противоядия используют белки с повышенным содержанием кислотных групп, например яичный альбумин. Он действует как конкурент белков организма и сам связывает токсичный агент, образуя с ним нерастворимую соль, которая затем выводится из организма.
Ворганизме содержится более 50.000 различных белков. Кожа содержит 63% от массы сухой ткани, кости – 20%, зубы – 18%.
Функции белков:
1. Питательная (энергетическая – 20-25% – на белки), 17,6 кДж/г.
2. Транспортная (переносчики различных веществ) – гемоглобин, миоглобин и др. 3. Сократительная (белки мышечных тканей) – миозин и др.
4. Структурная (пластическая) – коллаген, фиброин, мембранные белки. 5. Каталитическая (белки-ферменты) – пепсин, каталаза, уреаза и др.
6. Регуляторная (белки-гормоны) – инсулин, вазопрессин и др. 7. Защитная (белки-антитела) – -глобулины сыворотки крови. 8. Осмотическая, буферная, водно-солевая.
100