1. Аминирование -галогенкарбоновых кислот (по Габриэлю):

2. Из карбонильных соедине­ний (синтез Штреккера):

В реакцию вступают алифатические, алициклические и ароматические альдегиды и кетоны. Замещение гидроксильной группы в циангидрине под действием аммиака обеспечивается наличием по соседству сильной электроотрицательной цианогруппы. При использовании вместо аммиака первичных аминов образуются N-замещенные α-аминокислоты.

Способ является модификацией синтеза Штреккера по Тимману. В классическом методе Штреккера вначале проводят реакцию с аммиаком, а затем с HCN. Вместо HCN используют NaCN в фосфатном буферном растворе или смесь NaCN с NH₄Cl (метод Зелинского-Стадникова).

2. Восстановительное аминирование -оксокислот:

2. Синтезы -аминокислот на основе малонового, ацетоуксусного, циануксусного и нитроуксусного эфиров

Пример 1 – Синтез лизина на основе малонового эфира:

Пример 2 – Синтез лейцина на основе малонового эфира:

Пример 3 – Синтез аминокислот аминированием производных натрий-малонового эфира с хлорамином:

Пример 4 – Синтез аминокислот с использованием эфиров нитро- уксусной кислоты

Пример 5 – Синтез -аминокислот на основе цианоуксусного эфира с использованием метода Курциуса:

хлоргидрат валина

Пример 6 – Синтез -аминокислот на основе ацетоуксусного эфира:

Пример 7 – Синтез -аминокислот на основе ацетоуксусного эфира с солями диазония (метод Фиофилактова):

5. Синтез глутамина из глутаминовой кислоты включает получение медного комплекса по реакции с Сu(ОН)₂, последующей обработкой комплекса аммиаком и его разрушения, например, действием сероводорода.

Способы синтеза -аминокислот :

1. Аминирование -галогензамещенных кислот:

2.Восстановительное аминирование -кетокислот:

3. Аминирование α,β-непредельных карбоновых кислот:

4. Синтез по Родионову:

Способ синтеза ω-аминокислот заключается в аминировании продуктов теломеризации этилена по схеме:

Способ синтеза ε-аминокапроновой кислоты основанный на перегруппировке Бекмана оксима циклогексанона под действием серной кислоты, с последующим гидролизом образовавшегося ε-капролактама:

Химические свойства аминокислот

Химическое поведение аминокислот определяется двумя функциональными группами -NН₂ и –СООН. Аминокислотам характерны реакции по аминогруппе, карбоксильной группе и по радикальной части, при этом в зависимости от реагента взаимодействие веществ может идти по одному или нескольким реакционным центрам.

Амфотерный характер аминокислот. Имея в молекуле одновременно кислотную и основную группу, аминокислоты в водных растворах ведут себя как типичные амфотерные соединения. В кислых растворах они проявляют основные свойства, реагируя как основания, в щелочных – как кислоты, образуя соответственно две группы солей:

Реакции, обусловленные карбоксильной группой. При участии карбоксильной группы аминокислоты образуют cоли, сложные эфиры, амиды, хлорангидриды в соответствии со схемой 24, представленной ниже:

Схема 24. Реакции аминокислот по карбоксильной группе.

Реакции, обусловленные аминогруппой. С участием аминогруппы аминокислоты образуют аммониевые соли с кислотами, ацилируются, алкилируются, реагируют с азотистой кислотой и альдегидами в соответствии со схемой 25 (с. 296).

Если при -углеродном атоме в радикале имеется электроноакцепторный заместитель (NO₂, СС1₃, СООН, COR и т.д.), поляризующий связь ССООН, то у карбоновых кислот легко протекают реакции декарбоксилирования. Декарбоксилирование -аминокислот, содержащих в качестве заместителя ⁺NH₃-группу, приводит к образованию биогенных аминов. В живом орга­низме данный процесс протекает под действием фермента декарбоксилазы и витамина пиридоксальфосфата. В лабораторных условиях реакцию осуществляется при на­гревании -аминокислоты в присутствии поглотителей СО_2, например, Ва(ОН)₂.

Схема 25. Реакции аминокислот по аминогруппе.

При декарбоксилировании -фенил--аланина, лизина, серина и гистидина образуются, соответственно, фенамин, 1,5-диаминопентан (кадаверин), 2-аминоэтанол-1 (коламин) и триптамин.

Реакции аминокислот с участием боковой группы. При нитровании аминокислоты тирозин азотной кислотой происходит образование динитропроизводного соединения, окрашенного в оранжевый цвет (ксантопротеиновая проба):

Окислительно-восстановительные переходы имеют место в системе цистеин – цистин:

В некоторых реакциях аминокислоты реагируют по обеим функциональным группам одновременно.

Образование комплексов с металлами. Почти все -аминокислоты образуют комплексы с ионами двухвалентных металлов. Наиболее устойчивыми являются комплексные внутренние соли меди (хелатные соединения), образующиеся в результате взаимодействия с гидроксидом меди (II) и окрашенные в синий цвет:

Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании аминокислоты разлагаются с образованием различных продуктов в зависимости от их типа.

При нагревании -аминокислот в результате межмолекулярной дегидратации образуются циклические амиды - дикетопиперазины:

При нагревании -аминокислот от них отщепляется аммиак с образованием α,β-непредельных кислот с сопряженной системой двойных связей:

Нагревание - и -аминокислот сопровождается внутримолекулярной дегидратацией и образованием внутренних циклических амидов – лактамов:

Аналитически реакции. Для идентификации отдельных -аминокислот, входящих в состав белков, применяются универсальные и специфические цветные реакции. К универсальным цветным реакциям относится нингидриновая реакция; к специфическим, которые обусловлены присутствием отдельных аминокислот, – ксантопротеиновая, Миллона, Фолина и т.д. Некоторые из цветных реакций положены в основу количественного определения аминокислот и белков.

Нингидриновая реакция. При нагревании белка с водным раствором нингидрина выделяется СО₂ и NH₃. Нингидрин при этом восстанавливается, a-аминокислота окисляется с образованием альдегида. Восстановленный нингидрин взаимодействует с аммиаком и гидратом трикетогидриндена с образованием соединения сине-фиолетового цвета (краситель Руэмана):

Цветная реакция предназначена для обнаружения a-аминокислот, используется для идентификации аминокис­лот при разделении на хроматограммах (бумага, тонкий слой) и при спектрофотометрическом определении на аминокислотных ана­лизаторах (продукт поглощает свет в области 550 – 570 нм).

Ксантопротеиновая реакция – цветная качественная реакция на белки, содержащие остатки -аминокислот с ароматическими или гетероцикличес-кими радикалами (Phe, Tyr, Trp). Реакция заключается в появлении желтой окраски при обработке белка (или пептида) концентрированной азотной кислотой, что обусловлено образованием окрашенных нитросоединений, которые в щелочной среде превращаются в оранжевые соли хиноидной структуры:

Реакция Эрлиха. Метод обнаружения триптофана или его остатков в белках или пептидах взаимодействием с 4-(N,N-диметиламино)бензальдегидом и концентрированной HCl, приводящим к образованию фиолетовой окраски:

Реакция Фоля. Реакция показывает присутствие в белках аминокислот – цистеина и цистина, содержащих слабосвязанную серу (сульфгидрильная проба). Метионин, практически не вступает в реакцию, так как сера в нем прочно связана. При кипячении раствора серосодержащего белка или аминокислоты с реактивом Фоля под действием щелочи образуется черный осадок. При кипячении в водном растворе щелочи вначале образуется Na₂S:

Ацетат свинца реагирует со щелочью с образованием плюмбита натрия:

Затем сульфид натрия с плюмбитом дает черный или темно-коричневый осадок сульфида свинца:

Аргинин может быть обнаружен по образованию труднорастворимых солей с пикриновой, фосфорномолибденовой кислотой или по появлению розовой окраски с a-нафтолом или гипобромитом натрия NaOBr (реакция Сакагучи).

Например, пентапептид Н-Gly-Phe-Val-Туг-Met-ОН вступает в биуретовую, ксантопротеиновую и сульфгидрильную реакции.

ПЕПТИДЫ

Они представляют собой соединения, построенные из остатков α-амино-кислот, соединенных пептидной связью –СО–NH– Формально образование пептидной цепи из n молекул -аминокислот можно представить так:

N-концевая аминокислота С-концевая аминокислота

При полном гидролизе разрываются все пептидные связи и образуются смеси -аминокислот. Из п предметов можно составить п ! сочетаний при условии, что каждый из них встречается в любом сочетании только один раз. Из трех различных аминокислот (например, Ala, Val и Ser) можно составить 6 трипептидов, в которых каждая аминокислота встречается лишь один раз:

Пептидная цепь состоит из чередующихся пептидных и метиновых групп, которые связаны с боковыми радикалами аминокислот. Аминокислотный остаток со свободной аминогруппой на одном конце цепи называют N- концевым, а аминокислотный остаток со свободной карбоксильной группой – С – концевым. Для обнаружения пептидной природы органических соединений используется биуретовая реакция, которая проводится в щелочной среде с водным раствором солей меди (ІІ), при этом образуется хелатный комплекс сине-фиолетового цвета. Максимум поглощения продуктов лежит в области от 540 до 560 нм, что используется для количественного и качественного определения белков в биологических объектах, например, в сыворотке крови.

Аминокислотная последовательность Первичную структуру определяют постадийным гидролизом пептидных связей и отщеплением остатков аминокислот одной от другой с одного и того же конца. Для гидролиза одной пептидной связи проводят ее активацию введением в N-концевой амино-кислотный остаток электроноакцепторного заместителя. Отщепленную аминокислоту идентифицируют, для чего вводят заместители-«метки», поглощающие в УФ-области спектра (при 265-270 нм), например 2.4-динитро-фторобензол (метод Сенгера), 5-диметиламинонафталин-1-сульфонилхлорид (метод Хартли и Грея) или фенилизотиоцианат (метод Эдмана). Производные N-концевого аминокислотного остатка (I)-(IV) идентифицируют также методами хроматографии.

Метод Сенгера:

м –динитрофторбензол

Метод Хартли и Грея:

дансилхлорид

Метод Эдмана:

фенилтиогидантоиновое

производное валина (III)

фенилтиогидантоиновое

производное фенилаланина (IV)

С-концевую аминокислоту можно определить методом Акабори: при нагревании пептида с гидразином при температуре 110⁰С пептид­ные связи гидролизуются с образованием гидразидов аминокис­лот. С-концевая аминокислота освобождается в свободном виде и мо­жет быть выделена из реакционной смеси и идентифицирована.

С-концевую аминокислоту можно также индентифицировать, подвергая полипептид гидролизу с помощью фермента карбоксипептидазы, специфически разрывающий С-концевую амидную связь.

Полезную информацию о порядке соединения аминокислотных остатков в пептиде можно получить из того, что разрушение пептидных связей под действием ферментов, называемых протеазами, протекает избирательно. Так, химотрипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических α-аминокислот (Туr, Phe, Trp), трипсин гидролизует связи, образованные карбоксильными группами основных α-аминокислот (Lys, Arg); термолизин расщепляет пептидные связи, включающие аминокислотные остатки с гидрофобной боковой цепью (Ile, Leu, Val, Phe, Tyr, Trp). Обрабатывая полипептид, таким образом можно расщепить его на небольшие фрагменты, в которых концевые группы могут быть определены, например, по методу Эдмана. Ниже приводится пример гидролиза:

химотрипсин трипсин

химотрипсин трипсин химотрипсин

На основании имеющейся информации о фрагментах пептидных цепей можно установить полную аминокислотную последовательность в пептиде:

Phe-Ser

Pro-Gly-Phe

Pro-Pro Ser-Pro-Phe

Arg-Pro Phe-Arg

_____________________________________________

Брадикинин H-Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg-OH

Синтез пептидов заключается в образовании пептидной связи между СООН-группой одной аминокислоты и a-NН₂-группой дру­гой аминокислоты. В соответствии с этим различают карбоксиль­ный и аминный компоненты пептидного синтеза. Удлинение пеп­тидной цепи проводят последовательно, присоединяя поочередно по одной аминокислоте. При проведении направленного синтеза пептидов необходима временная защита функциональных групп, не участвующих в образовании пептидной связи, и активация одного из компонентов пептидного синтеза. После окон­чания синтеза защитные группы удаляют.

Образование пептидных связей происходит в реакции между N-защищенной аминокислотой (защищена аминогруппа) или ее производным и аминокислотой в виде соли или сложного эфира (О-защищенная аминокислота):

N-защищенная группа обычно представлена алкоксикарбонильной группой [Y= C₆H₅CH₂OCO-, (СНз)зСОСО-]. Такие соединения получа­ются при взаимодействии аминокислоты с хлоругольными эфирами R-OCOC1. Для этой цели используют также ацильные группы: формильную (НСО-), трифторацетильную (СFзСО-), п-толуолсульфонильную (тозильную), фталильную и др., а также тритильную (С_бН₅)₃С- . Для реакции образования пептидной связи N-защищенную a-аминокислоту часто активируют, превращая в хлорангидрид (X = С1), активированный эфир (например, п-нитрофениловый, X = -О-С₆Н₄-NO₂-n) или азид (X = N₃). Исходный азид получают по схеме:

Данный метод удобен тем, что реакцию можно проводить в воде с солью аминокислоты:

Реакцию N-защищенных аминокислот с О-защищенными можно осуществ­лять непосредственно в присутствии, например, карбодиимидов:

Снятие третбутилокси- или бензилоксикарбонильной группы осуществляют в мягких условиях - гидролизом в присутствии CF₃COOH. Тритильную защиту снимают гидрированием.

Твердофазный синтез пептидов (метод Мерифильда). Наращивание пептидной це­почки осуществляют на поверхности полимера, содержащего актив­ные группы: СН₂С1, СН₂ОН. N-Защищенная аминокислота «привязывается» к нему сложноэфирной связью. Следуют отщепление защитной группы, образование пептидной связи с другой молекулой N-защищенной аминокислоты, отщепление защитной группы и т. д. После наращивания цепи достаточной длины полипептид отщеп­ляют от носителя действием смеси НВг + CF₃COOH.

и т.д.

Пример 1: синтез дипептида Н-Ala-Gly-ОН

1-й этап - защита аминогруппы a-аланина ацилированием карбобенз-оксихлоридом:

2-й этап — активирование карбоксильной группы N-защищенного a-

аланина переводом его в п-нитрофениловый эфир:

3-й этап - блокирование карбоксильной группы глицина пе­реводом ее в метиловый эфир:

4-й этап - синтез защищенного по обоим концам дипептида вза­имодействием n-нитрофенилового эфира N-карбобензокси-a-аланина с этиловым эфиром глицина:

5-й этап - снятие защит (например, гидролизом в относитель­но мягких условиях, не допускающих разрушения пептидной свя­зи).

Пример 2: синтез H-Gly-Val-Ala-OH

Boc-Gly

Boc-Gly-Val-Ala

H-Gly-Val-Ala-OH

Пример 3: Н-Leu-Gly-Ala-ОН (твердофазный синтез Меррифильда)

Для этого используют полимерный носитель, получаемый об­работкой полистирола метил(хлорметиловым) эфиром:

Стадии синтеза:

1-й этап — получение ВОС- защищенного аланина:

2-й этап — «привязывание» ВОС-аланина к хлорметилированному полистиролу:

3-й этап — промывание водой и удаление защитной группы:

4-й этап — промывание водой и добавление ВОС-глицина (см. 1-й этап):

5-й этап — промывание водой и снятие защитной группы:

6-й этап — промывание водой и добавление ВОС-лейцина (см. 1-й этап:)

7-й этап — удаление ВОС-группы, промывание водой и снятие пептида с полимера:

Уровни структурной организации белков. По предложению К.У.Линдерстрема-Ланга, различают четыре уровня организации белковых молекул – первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой. Ее мы рассмотрели в курсе классической органической химии. Термин «вторичная структура» относится к типу укладки полипептидных цепей. Наиболее часто встречающиеся типы – правая α-спираль и β-складчатая структура за счет образования водородных связей и прочих взаимодействий (см. рис.10, с. 309). Под третичной структурой белка понимается расположение белковой полипептидной цепи в пространстве. Термин «четвертичная структура» относится к белкам, в состав которых входит несколько полипептидных цепей (субъединиц), не связанных между собой ковалентно; эта структура отражает характер взаимного расположения субъединиц в пространстве. Структуры, свойства и функции белков будут подробно рассмотрены в курсе биохимии.