18. Аминокислоты

Определение. Полифункциональные соединения, содержащие амино (-NH₂) и карбоксильные (–СООН) группы, способные реагировать друг с другом с образованием пептидной связи. 22 α,L-аминокислоты входят в состав белков.

Классификация аминокислот

1). По характеру углеводородного радикала: алифатические, ароматические, гетероциклические, серосодержащие и др.:

изолейцин (Ile) β-фенил-α-аланин (Phe)

α-амино-γ-метилвалериановая кислота (рац.) α-амино-β-фенилпропионовая кислота (рац.)

2-амино-4-метилпентановая кислота (IUPAC) 2-амино-3-фенилпропановая кислота(IUPAC)

(алифатическая) (ароматическая)

триптофан (Тrp) цистеин (Cys)

2-амино-3-(3'-индолил) пропановая 2-амино-3-меркаптопропановая

кислота (IUPAC) (гетероциклическая) кислота (IUPAC) (серосодержащая)

2). По количеству карбоксильных групп: одноосновные, двухосновные и т.д.:

аланин аспарагиновая кислота

α-аминопропионовая кислота (рац.) α-аминоянтарная кислота (рац) аминопропановая кислота (IUPAC) 2-аминобутандиовая кислота (IUPAC)

(одноосновная) (двухосновная)

3). По количеству аминогрупп: моноамино-, диаминокарбоновые кислоты и т.д.

валин лизин

α-аминоизовалериановая кислота (рац.) α,ε-диаминокапроновая кислота (рац.)

2-амино-3-метилбутановая кислота (IUPAC) 2,6-диаминогексановая кислота (IUPAC)

4). По характеру углеводородного радикала: с неполярными боковыми групп-

пами (Gly, Ala, Leu, Ile, Met, Phe, Pro, Trp, Val); с полярными нейтральными

боковыми группами (Asn, Gln, Ser, Cys, Thr, Tyr); с кислотными боковыми

группами (Asp, Glu); с основными боковыми группами (Arg, His, Lys).

5). По взаимному расположению функциональных групп: α-, β-, γ-…

γ β α δ γ β α

α-аминовалериановая кислота (рац.) β-аминовалериановая кислота (рац.)

2-аминопентановая кислота (IUPAC) 3-аминопентановая кислота (IUPAC)

6). По типу аминогруппы – с первичной, вторичной, третичной аминогруппой:

глицин N-метилглицин N,N-диметилглицин аминоуксусная кислота (рац.) N-метиламиноуксусная N,N-диметламиноуксусная аминоэтановая кислота (IUPAC) кислота кислота

Все живые организмы различаются по способности синтезировать аминокислоты, необходимые для биосинтеза белков. В организме человека часть аминокислот синтезируется (заменимые), другие должны доставляться с пищей (незаменимые). Жизнедеятельность человека обеспечивается ежеднев-ным потреблением с пищей 8 незаменимых -аминокислот: валина, лейцина, изолейцина, лизина, метионина, фенилаланина, треонина, триптофана и двух частично заменимых (аргинина и гистидина).

Номенклатура, изомерия. Для наименования аминокислот применяются тривиальные названия и буквенные сокращенные символы. По рациональной номенклатуре аминокислоты рассматривают как производные соответствую-щих карбоновых кислот, положение аминогруппы указывается буквами , ,  и т. По IUPAC группу NH₂ называют приставкой «амино» с указанием цифрой номера углеродного атома, с которым она связана, затем следует название соответствующей кислоты. Нумерацию главной цепи осуществляют от углеродного атома карбоксильной группы. Для аминокислот характерна структурная изомерия, связанная с особенностями строения углеродного скелета и взаимным расположением групп, и пространственная (оптическая) изомерия, связанная с наличием асимметрических углеродных атомов.

Физические свойства. -Аминокислоты – кристаллические вещества белого цвета. Они растворяются в воде с образованием электролитов, плохо – в спирте, не растворяются в эфире. Аминокислоты в твердом и растворенном состоянии имеют биполярное строение, поэтому обладают высокой т.пл.

Амфотерность – способность -аминокислот диссоциировать в водном растворе по типу кислоты и основания из-за наличия в их составе групп кислотного (СООН) и основ­ного (NH₂) характера. Аминокислоты существуют в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм, равновесие которых зависит от рН среды:

Катионная форма Биполярный ион Анионная форма

Сильнокислая среда Сильнощелочная среда

р Н 1,0 рН 7,0 рН 11,0

Катионные формы преобладают в кислых средах, ани­онные  в щелочных. Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм -ами­нокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (pI). В ней суммарный заряд молекулы равен нулю. Биполярные ионы не перемещаются в электрическом поле. При рН ниже рI катион -амино­кислоты (аммониевая форма) движется к катоду; при рН выше, чем pI, карбоксилат-анион аминокислоты перемещается к аноду. На этом основано разделение аминокислот методом электрофореза.

Нейтральные а-аминокислоты имеют рI несколько ниже 7,0 (5,5-6,3) из-за большей ионизации карбок­сильной группы под влиянием I_эфф ⁺NH₃ –группы:

катион биполярный ион анион

Кислые а-аминокислоты, имеющие в радикале дополнительную карбоксильную группу, в сильнокислой среде находятся в полнос­тью протонированной форме :

Основные а-аминокислоты имеют изоэлектрическую точку выше рН 7. В сильнокислой среде они также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых выглядят следующим образом:

Стереохимия. Аминокислоты, кроме глицина, имеют асимметрический атом C, поэтому могут существовать в виде двух энантиомеров. Если в проекционной формуле Фишера аминогруппа, по аналогии с глицериновым альдегидом, расположена справа, то это D-изомер, если слева – L-изомер. По R,S-системе обозначений α-углеродный атом у всех α-аминокислот D-ряда имеет R-конфигурацию, у L-ряда – S-конфигурацию. У аминокислот L-ряда, если рассматривать хиральный атом со стороны атома H, группы NH₃⁺, COO^ и R расположены по часовой стрелке, у аминокислот D-ряда – против часовой стрелки.

L-аминокислота (R-конфигурация) D-аминокислота (S-конфигурация)

Треонин, изолейцин, гидроксипролин содержат два асимметрических С-атома. Эти аминокислоты могут образовывать четыре диастереомера, два из которых принадлежат к L-ряду:

L-треонин L-алло-треонин D-треонин D-алло-треонин

L-изолейцин L-алло-изолейцин D-изолейцин D-алло-изолейцин

Появление заместителя -ОН в пирролидиновом кольце пролина также приводит к образованию алло-форм, в которых гидроксильная и карбонильная группы находятся в цис-положении:

L-гидроксипролин L-алло- D-гидроксипролин D-алло-

гидроксипролин гидроксипролин

Природные α-аминокислоты принадлежат L-ряду. Аминокислоты D-ряда входят в состав некоторых биологически активных олигопептидов таких антибиотиков, как грамицидин, актиномицин. D-изомеры, как правило, не усваиваются организмом человека.

Способы получения

Природные α,L-аминокислоты получают кислотным, щелочным или ферментативным гидролизом белоксодержащего сырья в виде смесей, которые разделяют электрофорезом или методом ионной или другой хроматографии.

Синтетические аминокислоты получают различными методами, приводящими обычно к выделению оптически недеятельных препаратов в виде рацемической смеси.

Способы синтеза -аминокислот