УП- Биоорганическая химия

1.1.1. Кислотно-оснóвные свойства аминокислот

Близкое расположение двух ионизируемых функциональных групп противоположного характера – типично оснóвной аминогруппы и типично кислотной карбоксильной, определяет сложное поведение этих молекул в кислотно-оснóвных реакциях. Аминокислоты могут проявлять как свойства кислот, так и оснований, т.е.

являются амфотерными соединениями. Ионизация молекул аминокислот зависит от рН раствора. Для моноаминомонокарбоновых кислот процессы диссоциации происходят следующим образом (см. Рис. 1.3): в кислой среде (при низких значениях рН) обе функциональные группы протонированы, и молекула аминокислоты имеет положительный заряд. В щелочной среде (при высоких значениях рН), наоборот, обе функциональные группы депротонированы, и молекула имеет отрицательный заряд. При физиологических значениях рН 6-7 аминокислоты имеют 2 заряда – положительный по аминогруппе (она протонирована) и отрицательный по карбоксигруппе (она находится в

Рис. 1.3. Ионизация молекулы аланина (R = CH3) при различных значениях рН среды. Изменение рН (его значение показано на оси Y) происходит в результате добавления щелочи NaOH (показано на оси Х).

диссоциированном состоянии). Таким образом, α-моноаминомонокарбоновые кислоты при рН 6-7 существует в виде биполярного иона – такие молекулы называют еще

21

цвиттер-ионами. Суммарный заряд молекулы при этом равен нулю. Ионное строение молекул обусловливает их некоторые физические свойства: высокую температуру плавления (200-300°С), нелетучесть, растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. С растворимостью аминокислот в воде связана их всасываемость и транспорт в организме.

На рисунке 1.3 приведена кривая титрования одной из простейших α-аминокислот – метиламиноуксусной кислоты (аланина). При низком значении рН, в соответствии с теорией кислот и оснований Брѐнстеда-Лоури, полностью протонированная α-

аминокислота (катионная форма) является двухоснóвной кислотой, содержащей две кислотные группы: недиссоциированную карбоксильную группу (–СООН) и

протонированную аминогруппу (NН3+), которые характеризуются соответствующими значениями рКa1 и рКa2 (Таблица 1.2). При этом карбоксильная группа является более сильной кислотой, поскольку электронная плотность вокруг атомов кислорода сильно оттягивается положительным зарядом группы NH3+. Поэтому при подщелачивании раствора (добавлением NaOH) именно она сначала отдает свой протон с образованием

Таблица 1.2.

иона СОО-. Как видно из рисунка, карбоксильная группа аланина имеет рКa1 = 2,34 – при этом значении рН количество положительных частиц (NH3+СНR-COOH) и биполярных

22

ионов (NH3+CHR-COO-) равно друг другу и суммарный заряд аминокислоты равен 0,5.

При дальнейшем подщелачивании раствора количество биполярных частиц увеличивается, и при рН 6,02 весь аланин существует только в виде биполярного иона

(NH3+CHR-COO-), а суммарный электрический заряд молекулы аланина при этом равен 0.

Такое значение рН называют изоэлектрической точкой и обозначают рНi (как на рисунке)

или рI. При дальнейшем подщелачивании происходит диссоциация протона от аммонийной группы, появляются частицы (NH2-CHR-COO-) и при рН около 13 аланин полностью представлен в виде этого аниона и имеет заряд -1. Значение второй константы аланина рКa2 = 9,69. Оно равно значению рН, при котором количество молекул в виде биполярного иона равно количеству молекул в виде аниона. На рисунке видно, что в точках со значениями рК кривая титрования имеет перегибы.

Для моноаминомонокарбоновых кислот изоэлектрическая точка рассчитывается как среднее арифметическое значений рКa1 и рКa2.

Все аминокислоты с гидрофобными боковыми радикалами ведут себя в растворах с разным значением рН так же, как уже рассмотренный нами, аланин, и значения их рК близки (см. примеры в Таблице 1.2).

Аминокислоты с ионизируемой (заряженной) группой в боковом радикале имеют более сложные кривые титрования, складывающиеся из 3-х участков, соответствующих трем возможным стадиям ионизации амино- и карбоксильной групп при альфа-

углеродном атоме, а также аминолибо карбоксильной группы в боковом радикале.

Следовательно, они имеют три значения рК: рКa1, рКa2 и рКR (R здесь означает, что

Рис. 1.4. Вверху – ионизация моноаминомонокарбоновой кислоты. Внизу – ионизация моноаминодикарбоновой кислоты.

ионизируемая группа находится в боковом радикале). Ионизация кислых аминокислот,

например аспарагиновой, состоит из последовательных стадий, приведенных на рисунке

23

1.4 (нижнее уравнение).Кривая титрования глутаминовой кислоты представлена на рисунке 1.5. Изоэлектрические точки таких аминокислот определяются также присутствием дополнительной ионизируемой группы бокового радикала. Для моноаминодикарбоновых кислот (Asp и Glu) изоэлектрические точки смещены в кислую область рН и определяются как среднее арифметическое величин рК для двух карбоксильных групп – при α-углеродном атоме и в боковом радикале (например, рI

аспарагиновой кислоты = 2,97). Для оснóвных аминокислот рI смещены в щелочную

Рис. 1.5. Кривая титрования глутаминовой кислоты.

область и вычисляются как среднее арифметическое величин рК для двух протонированных аминогрупп (например, рI лизина = 9,74).

Обратите внимание, что аминокислоты с полярными боковыми радикалами – цистеин и тирозин, являются слабыми кислотами и генерируют протон при очень высоких значениях рН (см. Таблицу 1.2). Гидроксильные группы двух других аминокислот с полярными боковыми радикалами – серина и треонина, не диссоциируют, и они, как и нейтральные аминокислоты, имеют два значения рКа.

Кислотно-оснóвные свойства аминокислот используются для их разделения и последующей идентификации методами электрофореза или ионообменной хроматографии. Оба эти метода основаны на различиях в знаке и величине суммарного электрического заряда аминокислот при данном значении рН.

24

Рис. 1.6. Кривая титрования гистидина.

Обратите внимание на кривую титрования гистидина (Рис. 1.6). При значениях рН в диапазоне 6-7, близких к pH межклеточной жидкости и крови, добавление щелочи мало влияет на изменение рН (этот участок кривой почти горизонтальный), т.е. гистидин — единственный среди 20 аминокислот, обладает значительными буферными свойствами в данном диапазоне pH. Как можно видеть из таблицы 1.2 и рисунка 1.6, боковой радикал гистидина имеет рКR = 6,02, что и придает ему значительную буферную емкость. Все остальные аминокислоты имеют величины рК, слишком далекие от pH 7, чтобы их растворы можно было использовать в качестве эффективных буферов при этом значении pH. Содержащийся в эритроцитах белок гемоглобин, выполняющий функцию переносчика кислорода, характеризуется очень высоким содержанием остатков гистидина.

Это придает ему значительную буферную емкость при pH около 7, что весьма важно для той роли, которую играют эритроциты в переносе кровью кислорода и углекислого газа..

Вопрос: в каких диапазонах рН аланин и другие аминокислоты с неполярными боковыми радикалами обладают буферными свойствами (см. Рис. 1.4)?

1.1.2 Стереоизомерия α-аминокислот

Глядя на общую структуру молекулы α-аминокислоты (Рис. 1.7), вы без труда скажете, что все они могут быть представлены в виде двух оптических стереоизомеров,

поскольку альфа-углеродный атом имеет 4 разных заместителя – аминогруппу,

карбоксильную группу, боковой радикал и протон, т.е. является хиральным центром

молекулы. И действительно, все эти аминокислоты оптически активны: луч плоскополяризованного света, проходя через растворы этих соединений, поворачивается

25

на определенный угол вправо или влево. Величина этого угла (φ) пропорциональна концентрации раствора (с, г/мл), толщине его слоя, т.е. ширине кюветы (d, дм), (уравнение

1). Коэффициент пропорциональности – удельное вращение [α], которое зависит от природы аминокислоты, длины волны поляризованного света, значения рН и температуры, при которой проведены измерения.

Поэтому в таблицах, где приведены значения [α], обязательно указывают условия измерений, а в качестве излучателя принято использовать длину волны D линии излучения натрия λ = 589 нм.

Рис. 1.7. Формулы Фишера. Звездочкой показан хиральный центр молекул.

В Таблице 1.3 приведены значения удельного вращения некоторых аминокислот.

Все они имеют одну и ту же абсолютную конфигурацию (L, смотри ниже), но среди них имеются случаи вращения света как вправо (+), так и влево (-). Предсказать теоретически,

в какую сторону будет вращать свет каждый изомер, невозможно.

Таблица 1.3.

Чтобы обозначить абсолютную конфигурацию каждого из оптических изомеров,

договорились использовать в качестве стандарта молекулу глицеринового альдегида,

изображая ее в плоской проекции (Рис. 1.7). Как видно, асимметрический атом углерода

(хиральный центр) имеет в качестве заместителей гидроксильную, альдегидную,

гидроксиметиленовую группы и водород. В 1891 г. Эмиль Фишер, изучая это соединение,

предложил обозначать одну из структур буквой L (от греческого levo – левый), а другую буквой D (от греческого dextro – правый). Эти изомеры представляют собой зеркальное отражение друг друга и не совпадают при наложении. На рисунке в этих изомерах гидроксильная группа при хиральном атоме углерода находится, соответственно, слева и справа от основной цепи молекулы. Только в 1949 г. было показано, что эти два энантиомера действительно вращают свет влево и вправо, соответственно.

По аналогии с L- и D-изомерами глицеринового альдегида все α-аминокислоты представляют L- и D-изомерами (см. Рис. 1.7). В фишеровском изображении эти изомеры имеют разное расположение аминогруппы – слева или справа от оси молекулы,

соответственно. Оказалось, что для природных соединений вопрос хиральной чистоты исключительно важен – все аминокислоты, входящие в состав белков на нашей планете,

представлены исключительно L-изомерами. Аппарат клетки, синтезирующий белки,

распознает и использует только эти изомеры; то же касается и ферментов, которые

«работают» с белками (протеазы, гидролазы, фосфатазы и пр.). Отметим, что с такой же избирательностью к оптическим изомерам мы снова встретимся в рамках нашего курса при изучении углеводов (Часть 3). Растворы, содержащие смесь оптических изомеров,

называют рацемическими, в случае равной концентрации изомеров такие растворы не являются оптически активными. При длительном хранении раствора чистого изомера наблюдается постепенная его рацемизация и накопление противоположного изомера.

Рацемизация каждой L-аминокислоты при данной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для определения возраста людей и животных или ископаемых остатков организмов. Например, в белке дентине, содержащемся в твердой эмали зубов, L-аспартат самопроизвольно

27

рацемизуется при температуре человеческого тела со скоростью 0,1% в год. У детей в период формирования зубов в дентине содержится только L-аспартат. Можно выделить дентин всего из одного зуба и определить в нем содержание D-аспартата. Такие анализы были проделаны на дентине обитателей горных селений Эквадора, многие из которых приписывали себе слишком большой возраст. Так как в ряде случаев это вызывало сомнения, для проверки был использован рацемизационный тест, который оказался довольно точным. Так, для 97-летней женщины, возраст которой был документально засвидетельствован, согласно тесту был установлен возраст 99 лет.

Тесты, выполненные на ископаемых остатках доисторических животных (слонов, дельфинов и медведей), показали, что полученные этим методом данные хорошо согласуются с результатами датирования, основанного на скорости распада радиоактивных изотопов. http://scask.ru/book_len1.php?id=72.

Часто химический синтез оптически активных соединений приводит к получению рацемических смесей. Это является особенно важной проблемой при синтезе лекарственных препаратов. Как правило, биологической активностью обладает только один из изомеров, тогда как второй изомер может быть либо бесполезным и его примесь присутствует в препарате, либо токсичным, как, например, в случае противовоспалительного препарата ибупрофена (Рис. 1.8) и поэтому должен быть тщательно удален из рацемата. Именно поэтому развитие методов стереоспецифичного органического синтеза фармпрепаратов является важнейшим направлением современной химической медицины.

Рис. 1.8. Ибупрофен.

Укажите хиральный атом углерода в этой молекуле.

Аминокислоты D-ряда называют иногда «неприродными», т.к. они не встречаются в

белках эукариот. Однако эти аминокислоты встречаются в составе пептидов,

продуцируемых микроорганизмами, например, в антибиотиках (грамицидин,

актиномицин, и др.), а также в составе биополимеров клеточной стенки бактерий.

Например, в оболочке бактерии сибирской язвы обнаружен остаток D-глутаминовой

кислоты. Против этого вида бактерий бессильны расщепляющие ферменты человека, что

определяет серьезность этой и подобных инфекций.

Оптическими изомерами в живой природе являются, например, крылья бабочки,

зубы рыбы, половинки тела жука, створки моллюска (Рис. 1.9).

Вопрос: Какие еще примеры оптических изомеров, встречающихся в природе, вы

можете назвать?

28

Большинство раковин моллюсков закручено по часовой стрелке, т.е. представляют собой правозакрученную спираль (Рис. 1.10). Раковины с обратным направлением спирали чрезвычайно редки – 1:20 000. Это еще один пример оптической избирательности в живой природе.

Рис. 1.9. Примеры оптической изомерии в живой природе

Рис. 1.10. Раковины подавляющего большинства моллюсков закручены вправо.

1.1.3. Химические свойства аминокислот

В состав аминокислот входят функциональные группы (прежде всего, конечно,

карбоксильная и аминогруппы, а также гидроксильные и тиогруппы боковых радикалов),

химические свойства которых вы изучали в курсе органической химии. Наличие этих

функциональных групп определяют химические свойства аминокислот. На рисунке 1.11

29

приведены некоторые характерные реакции, которые мы будем упоминать в рамках

данного курса.

30