Оптическая изомерия аминокислот.

Как известно, органические молекулы, обладающие асимметрическими атомами углерода, существуют в виде стереоизомеров. Стереоизомеры различаются между собой по вращению плоскости поляризации света по направлению часовой или против часовой стрелки. Этот тип изомерии называется оптической изомерией, энантиомерией или хиральностью.

Первым вращение плоскости поляризации света органическими молекулами наблюдал Био в 1815 году. Как выяснилось позже, это свойство обуславливается асимметрическими атомами углерода. В 1848 году Пастером на примере винной кислоты было показано, что у данного соединения существует два оптических изомера, которые отличаются направлением вращения плоскости поляризованного света. В 1874 году Вант-Гофф, опираясь на теорию строения органического вещества Бутлерова и предположения Кекуле, развил теорию асимметрического атома углерода и объяснил способность оптических изомеров вращать плоскость поляризованного света.

Только в живых объектах наблюдается строгий отбор хиральных структур.Исследователей давно интересовала проблема эволюционного выбора между энантиомерами и зависимости биологической активности от хиральности. Этот вопрос и до сих пор остаётся открытым. Так, например, все пути метаболизма формируются в подавляющем большинстве случаев только одним изомером того или иного вещества. Известно, например, что в состав белков входят только L-формы аминокислот, в то время как D-формы встречаются крайне редко: в составе антибиотиков или в клеточных стенках некоторых бактерий. Помимо аминокислот, в клетках живых организмов существует довольно богатый набор оптических изомеров сахаров, многие витамины имеют асимметрические атомы углерода. И, пожалуй, наиболее важное замечание, это то, что белки как катализаторы метаболических реакций имеют высокую стереоспецифичность.

Так, например, в американскими учёными в ходе химического синтеза была получена протеаза HIV-1 из D-форм аминокислот. Этот синтезированный белок протеолитически действовал соответственно лишь на полипептиды, состоящие исключительно из D-аминокислот.

Отметим, что по глубине медленной спонтанной рацемизации аминокислот можно определять возраст биологических веществ. Такие методы используются в ряде случаев для прижизненной диагностики возраста животных и людей по дентину зубов.

Номенклатура оптически активных соединений в применении к аминокислотам.

В органической химии используется стандартная (рациональная) номенклатура названий органических соединений, принятая организацией IUPAC. В соответствии с этой номенклатурой Каном, Ингольдом и Прелогом для оптически активных соединений была предложена RS – система [11]. Для определения формы (R или S) в которой находится атом углерода с четырьмя различными заместителями необходимо проделать ряд следующих действий:

1)      Сначала необходимо определить старшинство всех четырёх замещающих групп относительно друг друга. Для этого последовательно учитывается старшинство атомов, непосредственно связанных с оптически активным атомом углерода, а затем, по нарастающей, атомы связанные с атомами-заместителями хирального центра и так далее. Старшим признаётся тот атом, чей атомный вес больше, а затем атом, связь с которым более кратна, при прочих равных условиях.

2)      Затем хиральный атом располагается так, чтобы самый младший заместитель находился дальше всех от наблюдателя, а наблюдение производилось вдоль оси связывающий хиральный атом углерода и его самый младший заместитель.

3)      После этого определяется, в каком направлении (по часовой или против часовой стрелке) должен совершаться обход заместителей, обращённых к наблюдателю, в порядке убывания их старшинства.

4)      Если обход заместителей по старшинству совершается по часовой стрелке, то конфигурация обозначается как R (rectus – правый). Если же обход совершается против часовой стрелки, то конфигурация обозначается как S (sinister – левый).

    

а)                                                                         б)

Рис.1. а) Молекула три-галогензамещённого метана, которая иллюстрирует RS номенклатуру хирального центра. По правилу старшинства заместители располагаются в следующем порядке: Br > Cl > F > H; б) Младший заместитель (атом H) направлен от наблюдателя. Обход заместителей по старшинству осуществляется против часовой стрелки. Таким образом, данная молекула содержит хиральный атом углерода в S-форме.

Однако, не смотря на универсальность данного подхода, большинство исследователей продолжают использовать не рациональную номенклатуру, а тривиальную. Тривиальная номенклатура зачастую короче и привычнее рациональной, хотя иногда может вводить в заблуждения. Так, например, аминокислоты белков встречаются лишь в L-форме(levo – левый), это обозначение возникло из сравнения формы хирального атома углерода в серине и в остальных аминокислотах. Серин действительно вращает плоскость поляризованного света против часовой стрелки (влево). Однако для различных аминокислот угол поворота плоскости поляризованного света часто не совпадает с таким обозначением. Это иллюстрирует таблица величин удельных углов вращения плоскости поляризованного света, оптическими изомерами аминокислот. 

Аминокислота	Удельное вращение, []D25
L-alanine	+1,8
L-arginine	+12,5
L-histidine	-38,5
L-glutamic acid	+12,0
L-isoleucine	+12,4
L-lysine	+13,5
L-proline	-86,2
L-serine	-7,5
L-threonine	-28,5
L-phenilalanine	-34,5

Кроме того, две аминокислоты изолейцин и треонин имеют в боковой цепи ещё один хиральный центр. Для обеих аминокислот это C, атом боковой цепи. Поскольку в этих аминокислотах имеются два неравнозначных хиральных центра Cи C атомы, то эти аминокислоты имеют не два, а четыре стереоизомера. Образуемое ими семейство называется семейством диастереомеров, а полностью зеркально симметричные пары называются энантиомерами.

Те формы изолейцина и треонина (с учётом обоих оптически активных атомов углерода), которые встречаются в белках, называются просто L-изолейцини L-треонин. Их L-диастереомеры называют соответственно L-алло-изолейцин, и L-алло-треонин (от allo – другой).

Если провести аналогию между рациональной номенклатурой и тривиальной, то L-треонинобозначаться как 2(S)3(R), а L-изолейцинкак 2(S)3(S). Из этого примера видно, что тривиальная номенклатура удобна своей однородностью и лёгкой связью названия с природной функцией.

Для изображения на плоскости хиральных атомов Фишером были предложены определённые проекции названные затем в его честь. В применении к аминокислотам, для изображения их на плоскости приняты следующие правила. Сначала молекулу поворачивают в воображении так, чтобы карбоксильная группа оказалась сверху, а боковая цепь (радикал R) снизу. Если при проецировании оказывается, что аминогруппа находится слева от вертикальной оси молекулы, то аминокислота обозначается как L-форма, если же она оказывается справа, то аминокислота имеет хиральный C атом в D-форме. На Рис.2 изображена молекула обобщённой аминокислоты в L-форме.

Рис.2. Молекула обобщённой L-аминокислоты в проекции Э. Фишера.

3.      Аминокислоты отличаются друг от друга строением боковых радикалов (боковых групп, боковых цепей), обозначаемых R. Строение боковой цепи (R) аминокислоты  определяет её название. Аминокислоты принято обозначать трёхбуквенным кодом или однобуквенным кодом

ЗАДАЧИ ДЛЯ CAMOCTOЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Написать структурные формулы изомерных аминокислот состава: a) C₃H₇O₂N ;

б) C₄H₉O₂N (указать аминокислоты только с первичной аминогруппой). Назвать аминокислоты,которые содержат асимметрический атом углерода.

2. Назвать изомерные аминокислоты состава C₃H₇O₂N и C₄H₉O₂N по рациональной и номенклатуре ЮПАК.

3. Назвать следующие аминокислоты по рациональной и номенклатуре ЮПАК:

a) H₂N  CH₂  COOH; б) CH₃  CH  COOH; в) H₂N CH₂ CH₂ COOH;



NH₂

г) H₂N CHCH₂ CH₂ COOH; д) CH₃CH CH COOH;

  

CH₃ CH₃ NH₂

е) HOOC CH CH₂ CH₂ COOH; ж) CH₂  CH CH CH COOH;

   

NH₂ CH₃ CH₃ NH₂

Укажите, какие из этих аминокислот входят в состав белка.

4. Напишите все изомеры трипептидов состава C₁₁H₂₁N₃O₄ ,если

известно, что при их гидролизе образуются глицин, лейцин и аланин. Назовите все изомеры.

5. Какие аминокислоты (назовите их) получают по методу Н.Д.Зелинского, если в качестве исходных соединений взять следующие карбонильные соединения: а) пропионовый альдегид, б)ацетон, в) иэомасляный альдегид, г) валериановый альдегид?

6. Какие аминокислоты образуются при нагревании спиртового раствора аммиака с продуктом взаимодействия акриловой и • хлорноватистой кислот ?

7. Получите глицин, исходя из этилового спирта.

8. Напишите уравнение реакций - аминопропионовой кислоты со следующими веществами: а) соляной кислотой; б) водным раствором NаОН; в) этиловым спиртом (в присутствии HCI);

г) уксусным ангидридом; д) йодистым метилом,е)азотистой кислотой.

9. Получите: а) молочную кислоту из - аланина; б) гликолевую кислоту из глицина.

10. Напишите уравнения реакций, которые протекают при нагре­вании следующих аминокислот: а) -аминопропионовой; б)  - аминомасляной; в)-аминоизовале­риановой; г)  -аминовалериановой; д) -аминоизовалевриановой.

11. С помощью какой реакции можно различить следующие изомеры:

 -аминопропионовую кислоту и N -метил-  -аминоуксусную кислоту?

12. Напишите уравнения реакций глицина со следующими реагентами:

а) водн. NаОН; б) водн. HCI ; в) бензоилхлорид + водн. NaOH;

г) уксусным ангидридом; д)NаNО +НCI ; е) C₂H₅OH + H₂SO₄

Тестовые задачи для самостоятельного решения.

1. • масляная кислота

   • бензойная кислота

   • -аланин

Какая из этих кислот является аминокислотой? Напишите ее структурную формулу.

2.

• фенилаланин

• аспаргиновая кислота

• глицин

Какая из этих аминокислот является незаменимой? Дайте определение незаменимых аминокислот. Напишите её структурную формулу.

3.

• глицин

• валин

• пропионовая кислота

Какая из этих аминокислот является оптически активной? Почему? Напишите её структурную формулу.

4.

• пролин

• цистеин

• глутаминовая кислота

Какая из этих кислот является гетероциклической аминокислотой? Напишите её структурную формулу.

5.

• -аланин

• бутановая кислота

• терефталевая кислота

Какая из этих кислот может образовывать при нагревании лактид? Напишите её структурную формулу.

Тестовые задачи для самостоятельного решения с ответом.

1.

• глутаровая кислота

• цистеин

• масляная кислота

Какая из этих кислот является аминокислотой? Напишите ее структурную формулу.

Ответ: цистеин

2.

• триптофан

• -аланин

• адипиновая кислота

Какая из этих аминокислот является незаменимой? Дайте определение незаменимых аминокислот. Напишите её структурную формулу.

Ответ: триптофан

3.

• бензойная кислота

• глицин

• масляная кислота

Какая из этих кислот может образовывать при нагревании лактид? Напишите её структурную формулу.

Ответ: глицин

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАЧИ

аминокислоты

1

а. пролин

б.триптофан

в.n-аминобензойная кислота

Какая из этих аминокислот является незаменимой? Напишите ее структурную формулу.

2.

а. цистеин

б. масляная кислота

в. бензойная кислота

Какая из этих аминокислот является незаменимой? Напишите ее структурную формулу.

3.

а. α–аланин

б. β–аминопропионовая кислота

в. –аминомасляная кислота

Какая из этих кислот образует дикетопиперазин? Напишите реакцию образования.

4.

а.глицин

б.валин

в.аспарагиновая кислота

Какие из этих аминокислот кислот являются оптически активными? Почему? Напишите их формулы.

5.

а. треонин

б.глутаминовая кислота

в.серин

Какие из этих аминокислот кислот являются незаменимые? Напишите их формулу.

ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАЧИ

(аминокислоты)

4 *

б. Валин CH₃-CH-CH-COOH

 

CH₃ NH₂

в. Аспарагиновая кислота

*

COOH-CH₂-CH-COOH



NH₂

В этих кислота имеется асимметрический атом С^*

5.

a,треонин CH₃-CH-CH-COOH

 

OH NH₂

1.

б. триптофан

4.

а. цистеин

3.

в. -аминомасляная кислота

 β α

CH₂-CH₂-CH₂-COOH



NH₂

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров А.А., Бальян Х.Б., Трощенко А.Г. Органическая химия. – Санкт-Петербург.: “Иван Федоров”, 2002.

2. Перекалин В.В., Зонис С.А. Органическая химия.-M.: Просвещение, 1982.

3. Райяс А, Смит К., Уорд Р. Основы органической химии для студентов биологических и медицинских специальностей .-М.: Мир, 1983.

4. Терней А. Современная органическая химия -М.: Мир, 1981, т.2.

5. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начало органической химии. -М.: .Химия, 1974, t.i.

6. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия.Н.: Мир, 1У74.

7. Лэнинджер А. Основы биохимии,-М.: Мир, 1985, t.i.

АННОТАЦИЯ

Данное учебное пособие для углубленного изучения раздела «Аминокислоты» в общем, курсе «Органическая химия». Пособие может быть рекомендовано для дистанционного обучения, а также для студентов очной и вечерней форм обучения.

Владимир Андреевич Домбровский, проф., д.х.н.,

Виктор Николаевич Аксёнов, зав. лабораторией