3. Кислотно-основные свойства, биполярная структура. Изоэлектрическая точка нейтральных, кислых и основных аминокислот.

Аминокислоты - амфотерные соединения. Амфотерность аминокислот обусловлена кислотными (СООН) и основными (NH₂) функциональными группами в их молекулах. Аминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами.

В кристаллическом состоянии α-аминокислоты существуют как диполярные ионы H₃N⁺-CHR-COO^- (обычно используемая запись строения аминокислоты в неионизированной форме служит лишь для удобства).

В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм.

Положение равновесия зависит от рН среды. У всех аминокислот преобладают катионные формы в сильнокислых (рН = 1-2) и анионные - в сильнощелочных (рН >11) средах.

Ионное строение обусловливает ряд специфических свойств аминокислот: высокую температуру плавления (выше 200°С), растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность большинства аминокислот хорошо растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования, с нею связаны всасывание аминокислот, их транспорт в организме и т.п.

Полностью протонированная аминокислота (катионная форма) с позиций теории Брёнстеда является двухосновной кислотой, содержащей две кислотные группы: недиссоциированную карбоксильную группу и протонированную аминогруппу, с соответствующими значениями рK_а1 и рK_а2.

Отдавая один протон, такая двухосновная кислота превращается в слабую одноосновную кислоту - диполярный ион с одной кислотной группой NH₃⁺. Депротонирование диполярного иона приводит к получению анионной формы аминокислоты - карбоксилат-иона, являющегося основанием Брёнстеда. Значения, характеризующие кислотные свойства карбоксильной группы аминокислот, обычно лежат в интервале от 1 до 3; значения рK_а2, характеризующие кислотность аммониевой группы, - от 9 до 10 (табл. 1).

Таблица 1. Кислотно-основные свойства важнейших α-аминокислот

Положение равновесия, т.е. соотношение различных форм аминокислоты, в водном растворе при определенных значениях рН существенно зависит от строения радикала, главным образом от присутствия в нем ионогенных групп, играющих роль дополнительных кислотных и основных центров.

Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (рI). Другими словами, изоэлектрическая точка аминокислоты - значение pH, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом.

Нейтральные α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют значения рI несколько ниже 7 (5,5-6,3) вследствие большей способности к ионизации карбоксильной группы под влиянием -I-эффекта группы NH₂. Например, у аланина изоэлектрическая точка находится при рН 6,0.

Кислые α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу и в сильнокислой среде находятся в полностью протонированной форме. Кислые аминокислоты являются трехосновными (по Брёндстеду) с тремя значениями рК_а, как это видно на примере аспарагиновой кислоты (рI 3,0).

У кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) изоэлектрическая точка находится при рН много ниже 7 (см. табл. 1). В организме при физиологических значениях рН (например, рН крови 7,3-7,5) эти кислоты находятся в анионной форме, так как у них ионизированы обе карбоксильные группы.

Основные α-аминокислоты. В случае основных аминокислот изоэлектрические точки находятся в области рН выше 7. В сильно-кислой среде эти соединения также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых показаны на примере лизина (рI 9,8).

В организме основные аминокислоты находятся в виде катионов, т.е. у них протонированы обе аминогруппы.

В целом ни одна α-аминокислота in vivo не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде. Все аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

4. Химические свойства α-аминокислот как гетерофункциональных соединений: образование внутрикомплексных солей, реакции этерификации, ацилирования, алкилирования, образования иминов. Взаимодействие с азотистой кислотой и формальдегидом. Качественные реакции α-аминокислот.

Наличие в молекуле аминокислоты функциональных групп кислотного и основного характера обусловливает амфотерность аминокислот. Подобно любому амфотерному соединению, аминокислоты образуют соли как при действии кислоты, так и при действии щелочи.

Аминокислоты, будучи гетерофункциональными соединениями, должны проявлять свойства как одной, так и другой функциональной группы.

Реакции карбоксильной группы

1. Образование внутрикомплексных солей

С катионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Так, со свежеприготовленным гидроксидом меди (II) α-аминокислоты образуют хорошо кристаллизующиеся хелатные соли меди (II), окрашенные в синий цвет:

2. Образование сложных эфиров

Так как реакция этерификации протекает в кислой среде, сложные эфиры аминокислот образуются в виде солей по аминогруппе:

Образовавшиеся эфиры не могут существовать в виде биполярных ионов, поэтому, в отличие от исходных аминокислот, они растворяются в органических растворителях и имеют более низкие температуры кипения. Это даёт возможность разделить смесь эфиров аминокислот перегонкой.

3. Образование хлорангидридов.

Эту реакцию часто называют реакцией «активации» карбоксильной группы. Хлорангидриды α-аминокислот получают действием на аминокислоты тионилхлорида (SOCl₂) или хлорида фосфора (V) (PCl₅). Полученные хлорангидриды неустойчивы и существуют только в виде солей:

Поэтому реакцию обычно проводят, предварительно защитив аминогруппу ацилированием.

4. Образование амидов аминокислот

Такие амиды получают действием аммиака или первичных аминов на хлорангидриды с защищённой аминогруппой. В случае использования реакции с аминами получают замещённые по азоту амиды аминокислот:

5. Декарбоксилирование аминокислот

В лабораторных условиях эта реакция протекает при нагревании аминокислоты с Ba(OH)₂. В результате получается первичный амин:

Все реакции карбоксильной группы аминокислот можно представить следующей схемой:

Реакции аминогруппы

1. Реакция ацилирования. Образование N-замещённых амидов

N-замещенные амиды часто рассматривают как N-ацильные производные. Эта реакция была отмечена ранее как реакция защиты аминогруппы. Её можно рассматривать как процесс ацилирования аминогруппы хлорангидридами или ангидридами кислот:

Реакция протекает лучше в щелочной среде. Примером может служить получение N-бензоилаланина в присутствии водного раствора гидроксида натрия. Этот метод получения N-ацильных производных называют ацилированием по Шоттен-Бауману:

Щёлочь необходима для связывания выделяющегося хлороводорода, т. к. в кислой среде N-ацильные производные легко гидролизуются, освобождая исходную аминокислоту:

Это общепринятый способ удаления защитной группы. Однако в некоторых случаях невозможно удалять защитную группу гидролизом в кислой среде. Например, при гидролизе пептидов будет разрушаться пептидная связь. В этих случаях защиту проводят такими реагентами, удаление которых можно провести не гидролизом, а каким-либо другим методом. Например, аминогруппу можно защищать реакцией с карбобензоксихлоридом (бензиловый эфир хлормуравьиной кислоты).

Карбобензоксигруппа удаляется затем каталитическим гидрогенолизом:

Присутствие у одного атома углерода двух функциональных групп (аминогруппы и карбоксильной) приводит к появлению специфических реакций in vivo.

Образование пептидов - реакция ацилирования одной аминокислоты другой аминокислотой:

Затем дипептид присоединяет следующую молекулу аминокислоты, образуя трипептид, и так далее: