Вопрос 48. Как определить, какую реакцию среды имеют растворы -аминокислот в дистиллированной воде?

Ответ. Значения рН растворов, полученных при растворении -аминокислот в воде зависит от природы функциональных групп в углеводородном радикале кислоты, а именно от количества кислотных и основных групп.

Рассмотрим аминокислоты с неполярным углеводородным радикалом. В их молекуле содержатся одна кислотная (–СООН) и одна основная (–NH₂) группы. В водных растворах молекулы аминокислот ионизированы. Используемая для приготовления раствора дистиллированная вода не содержит в избытке ни ионы Н⁺, ни ионы ОН^–, среда нейтральная рН = 7,0), следовательно, ионные формы аминокислот в растворе образуются в результате переноса ионов Н⁺ от кислотной группы (–СООН) к основной группе (–NH₂). Таким образом, практически все молекулы аминокислоты существуют в растворе в виде диполярных ионов и среду можно считать близкой к нейтральной.

В молекулах глутаминовой и аспарагиновой кислот содержатся в две кислотные карбоксильные группы (–СООН) и одна основная (–NH₂). В растворе так же происходит перенос ионов Н⁺ от карбоксильной группы к аминогруппе в -положении. Протон, образующийся при диссоциации второй карбоксильной группы, переходит в раствор. Таким образом, в растворе накапливается избыток ионов Н⁺, следовательно, среда кислая (рН  7).

Аминокислоты лизин, аргинин и гистидин содержат в молекуле одну кислотную карбоксильную группу и две основные аминогруппы. В растворе так же происходит перенос ионов Н⁺ от карбоксильной группы к аминогруппе в -положении. При взаимодействии второй аминогруппы с водой в растворе накапливается избыток ионов ОН^–, следовательно, среда щелочная (рН  7).

Вопрос 49. Что такое «изоэлектрическая точка - аминокислоты»? Каким образом - аминокислоты перемещаются в электрическом поле?

Ответ. Значение рН среды, при котором практически все молекулы аминокислоты существуют в форме биполярных ионов, называется изоэлектрической точкой этой аминокислоты и обозначается рI. В изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы - аминокислоты равен нулю. Диполярные ионы не перемещаются в электрическом поле, следовательно, при значении рН среды, численно равном рI, раствор аминокислоты не проводит электрический ток.

При значениях рН среды ниже значения рI, аминокислота в растворе существует преимущественно в виде катиона. Под действием постоянного электрического поля, например при электрофорезе, катион аминокислоты перемещается к отрицательно заряженному электроду (катоду).

При значениях рН среды выше значения рI, аминокислота в растворе существует преимущественно в виде аниона. Под действием постоянного электрического поля, например при электрофорезе, анион аминокислоты перемещается к положительно заряженному электроду (аноду).

Существует мнемоническое правило, позволяющее запомнить направление движения аминокислот при электрофорезе. Так, в кислой среде -аминокислота является катионом, движется к катоду и там восстанавливается (слова кислая, катион, катод, восстанавливается начинаются с согласной буквы). В основной (щелочной) среде -аминокислота является анионом, движется к аноду и там окисляется (слова основная, анион, анод, окисляется начинаются с гласной буквы).

С помощью электрофореза можно разделить смеси - аминокислот на индивидуальные аминокислоты.

Например, у нас есть смесь трёх кислот: аланина (рI = 6,1), лизина (рI = 9,7) и глутаминовой кислоты (рI = 3,2). Попробуем определить направление их движения, если электрофорез ведётся при рН = 6,1.

Для лизина значение рН среды электрофореза ниже значения рI (6,1  9,7), следовательно, лизин в растворе существует преимущественно в виде катиона и под действием постоянного электрического поля, будет двигаться к катоду.

Для глутаминовой кислоты значение рН среды электрофореза выше значения рI (6,1  3,2), следовательно, глутаминовая кислота в растворе существует преимущественно в виде аниона и под действием постоянного электрического поля, будет двигаться к аноду.

Вопрос 50. Приведите структурную формулу валина. Назовите эту аминокислоту по правилам международной номенклатуры. Для этого соединения приведите по одному изомеру положения функциональной группы, строения углеродного скелета и изомер функциональной группы. Является ли валин оптически активным? Если да, изобразите и назовите энантиомеры. Какую среду покажет раствор этой аминокислоты в дистиллированной воде? В какой ионной форме существует эта аминокислота в желудочном соке (рН = 1)? При каком значении рН раствор этой кислоты не проводит электрический ток?

Ответ. Чтобы назвать валин по Международной номенклатуре, находим самую длинную углеродную цепь, нумеруем, начиная со старшей функциональной группы (карбоксильной). В цепи 4 атома углерода, это бутановая кислота, имеющая в положении 2 амино-, в положении 3 – метильную группы. Углеродная цепь разветвлена, для построения изомера по строению цепи достаточно расположить атомы углерода в одну цепь и получим изомер – 2-аминопентановую кислоту. Для построения изомера по положению функциональной группы можно перенести аминогруппу в положение 3, а метильную – в положение 2, получим 3-амино-2-метилбутановую кислоту. Для получения третьего изомера необходимо изменить какую-либо из функциональных групп, например при замене группы –ОН на аминогруппу получим амид 2-гидрокси-3-метилбутановой кислоты.

Валин является оптически активным соединением, т.к. в составе его молекулы есть асимметрический атом углерода (С₂) и отсутствуют элементы симметрии, следовательно, эту кислоту можно представить как в виде двух абсолютных конфигураций (R- и S-изомеры), так и в виде двух относительных конфигураций (L- и D-изомеры).

В составе молекулы присутствует одна карбоксильная и одна аминогруппа, валин является амфотерным соединением, поэтому его раствор в дистиллированной воде имеет нейтральную среду. В сильнокислой среде (рН = 1) валин протонируется по аминогруппе и представляет собой катион. Значение рН, при котором раствор аминокислоты не проводит электрический ток, называется изоэлектрической точкой; для валина это 6,0.