5094

41

Аминокислоты – производные углеводородов, в молекулах которых содержатся одновременно карбоксильная и аминная группы:

H2N – CH2 – COOH .

аминоуксусная кислота (глицин)

В зависимости от числа функциональных групп различают моноаминомонокарбоновые (I), диаминомонокарбоновые (II), моноаминодикарбоновые (III) кислоты и т.д. Например:

СН3 – СН – СООН H2N – (CH2)4 – CH – COOH HOOC – CH2 – CH - COOH

Встречаются аминокислоты, содержащие в молекуле гидрокси- и тиольные (SH) группы.

Строение. Номенклатура и изомерия Строение. В зависимости от положения аминогруппы по отношению к

карбоксильной группе в углеводородной цепи различают -, -, -аминокислоты. Аминокислоты могут содержать не только линейные и разветвлённые углеводородные радикалы, но и различные циклы: ароматические и

гетероциклы.

Аминокислоты делятся на природные (содержатся в растительных и животных организмах) и синтетические (не встречаются в природе).

В настоящее время известно свыше 150 аминокислот, но только 22 из них входят в состав белков. Некоторые из этих аминокислот (валин, лейцин, изолейцин, лизин, цистеин, метионин, треонин, фенилаланин и триптофан) являются незаменимыми. Они не могут вырабатываться в живом организме. Организм получает их только с пищей.

Номенклатура. Для названия аминокислот широко используют тривиальные названия (аланин, лизин, валин и т.д.). По систематической номенклатуре их называют по названию соответствующей карбоновой кислоты с добавлением приставки амино-. Положение аминогруппы в углеродной цепи указывают цифрой:

42

NH2

H3C – CH2 – CH – CH – COOH

CH3

2-амино-3-метилпентановая кислота (изолейцин)

Изомерия. Изомерия аминокислот зависит от строения углеродной цепи и от расположения аминогруппы по отношению к карбоксилу:

Все природные аминокислоты (кроме аминоуксусной) содержат асимметрические углеродные атомы и поэтому могут существовать в виде оптических изомеров (антиподов). Каждой паре оптических антиподов соответствует один рацемат. Как среди гидроксикислот, у аминокислот различают D- и L-ряды, например:

Все аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. D-форма в природе встречается редко. Поэтому в названиях этих кислот мы опускаем приставку «L», обозначающую их конфигурацию.

Физические и химические свойства Физические свойства. Аминокислоты – бесцветные кристаллические

вещества с высокой температурой плавления, хорошо растворимые в воде. Реакция водных растворов моноаминомонокарбоновых кислот близка к нейтральной. Это связано с тем, что аминокислоты содержат одновременно карбоксильную группу и аминогруппу, придающие этим соединениям кислотные и основные свойства. Таким образом, аминокислоты являются амфотерными соединениями, способными реагировать как с кислотами, так и с

43

основаниями. В водном растворе аминокислоты находятся в виде «внутренней» соли – биполярного иона (иона с двумя противоположными зарядами). Такой ион образуется в результате внутримолекулярного взаимодействия аминогруппы с карбоксильной группой:

+

H2N – CH2 – COOH H3N – CH2 – COO .

Эти ионы в кислой среде (рН 7) ведут себя как катионы (подавляется диссоциация по карбоксильной группе), а в щелочной среде (рН 7) – как

анионы:

H2N – CH2 – COO

щелочная среда

Значение рН раствора, при котором положительные ионы и отрицательные заряды в молекуле аминокислоты точно компенсируют друг друга, называется изоэлектрической точкой. В этой точке аминокислота, оставаясь электронейтральной, не мигрирует под влиянием электрического тока ни к аноду, ни к катоду.

Кислотность и основность аминокислот выражены незначительно. Например, рКа для уксусной и аминоуксусной кислот равны соответственно 4,75

и 9,7.

Химические свойства. Химическое поведение аминокислот определяют две функциональные группы – карбоксильная и аминогруппа.

1. Образование солей. Являясь амфотерными соединениями, аминокислоты образуют соли как с кислотами, так и с основаниями:

44

С ионами двухвалентных металлов (например, с гидроксидом меди (II)) -аминокислоты образуют устойчивые комплексные соли:

глицина

3. Ацилирование аминокислот. В качестве ацилирующих агентов используют галогенангидриды и ангидриды кислот:

СН3 - СОСl + HNH – CH2 – COOH CH3 – CO – NH – CH2 – COOH + HCl

N-ацетиламиноуксусная кислота

4. Образование гидроксикислот. При действии азотистой кислоты на аминокислоты образуются гидроксикислоты и выделяется азот:

гидроксиуксусная

кислота

5. Различное отношение аминокислот к нагреванию:

-Аминокислоты при нагревании образуют циклические амиды –

дикетопиперазины:

-Аминокислоты при нагревании образуют непредельные кислоты:

t

СН2 – СН – СООН СН2 = СН – СООН + NH3

45

-, -, -Аминокислоты при нагревании образуют циклические амиды –

лактамы:

3.3. Белки – природные биополимеры

Белками или протеинами называют природные высокомолекулярные органические соединения (сложные полипептиды), молекулы которых построены из остатков -аминокислот.

Белки являются основой всего живого на Земле. Об их огромной роли Ф. Энгельс писал, что жизнь есть способ существования белковых тел… Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни.

Белки играют важную биологическую роль. Они служат основным веществом, из которого построены клетки животных и растительных организмов. Белки участвуют в важнейших процессах жизнедеятельности организма – строительных, каталитических, энергетических, обменных, защитных и многих других. Белки входят в состав ферментов, гормонов, нуклеотидов. Кроме того, они являются необходимой составной частью пищевого рациона человека и животных. Суточная потребность взрослого человека в белках – 70 – 80 г.

Строение. Белки – очень сложные азотсодержащие органические соединения. Их молекулы составляют величину от 5 тыс. до нескольких миллионов единиц аминокислотных остатков. Однако при всём многообразии белков в состав их молекул входит ограниченное число элементов: углерода – 50

– 55 %, кислорода – 21 – 24 %, азота – 15 – 18 %, водорода – 6 – 7 %, серы – 0,3 – 2,5 %. Кроме того, белки могут содержать небольшие количества фосфора,

46

галогенов, металлов. Остатки -аминокислот связаны между собой пептидными

(амидными) связями –СО–NH–.

Соединения, построенные из небольшого числа молекул -аминокислот, называют пептидами, а системы, состоящие из множества соединённых между собой пептидных звеньев, – полипептидами. Условно принято, что полипептиды содержат не более 100 аминокислотных остатков; если их число превышает 100, то это – белки.

Образование пептидов можно показать на примере конденсации молекул любых аминокислот друг с другом. При этом из двух молекул образуется дипептид, из трёх – трипептид и т.д.:

H2N–CH2–COOH H2N–CH2–CO–NH–CH–CO–NH–CH2–COOH и т.д.

CH3

трипептид

Такой процесс можно сравнить с последовательным нанизыванием бус на нитку. При этом очень важно не перепутать очередность разных «бус» – аминокислот. Аминокислоты, являясь структурными компонентами любой полипептидной цепи должны располагаться в строго определённой последовательности для данного вида белка. В то же время набор «строительных блоков» – аминокислот – не так уж и велик: их около 20 разновидностей. Но перепутать очерёдность их соединения друг с другом – это означает резкое изменение свойств белка. Например, молекула гемоглобина содержит 574 остатка аминокислот. Но если бы вдруг произошла случайная замена, например глютаминовой кислоты на лизин или изменились бы места их взаимного расположения в полипептидной цепи, это привело бы к наследственному тяжелому заболеванию человека – серповидно-клеточной анемии. Однако природа редко ошибается, несмотря на то, что вероятность такой ошибки огромна. Подсчитано, что из 20 аминокислот можно получить свыше 2,4 1018 различных комбинаций, т.е. изомеров белковой молекулы. Этим и объясняется огромное разнообразие белков.

Однако полипептидные цепи – не вытянутые нити, а имеют в большинстве случаев спиралевидную форму. Устойчивость отдельных витков

47

цилиндрической спирали обеспечивается многочисленными водородными связями, которые возникают между атомом кислорода карбонильной группы (одного витка) и водородом аминогруппы (другого витка):

Такое пространственное расположение полипептидной цепи называют вторичной структурой. Цилиндрические спирали, в свою очередь, сворачиваются в клубки, как это наблюдается с гибкой спиралью электрической плиты. В результате происходит пространственная упаковка спиралеподобной полипептидной цепи с образованием сложной частицы – глобулы. Такое образование относят к третичной структуре. Однако вид такой «упаковки» не является случайным. Её выбор всегда строго обоснован, и любые изменения в третичной структуре белка вызывают изменения его биологической активности.

Молекулы белка могут состоять не только из одной, но и из нескольких полипептидных цепей. Они соединены между собой водородными, ионными («солеобразными») и другими нековалентными связями. Пространственное объединение (ассоциация) нескольких полипептидных макромолекул (белковых глобул) между собой с образованием единой, большой и сложной, «субмолекулы» получило название четвертичной структуры.

Химические свойства. Как и аминокислоты, белки обладают амфотерными свойствами. В щелочной среде они проявляют кислотные свойства, в кислой – основные. Многие белки растворяются в воде, в кислотах и щелочах. Водные растворы белков – высокомолекулярные коллоиды. Если белки нагреть до 100 С или подействовать на них кислотами, щелочами или растворами некоторых солей, то в их молекулах происходят необратимые изменения, которые называют денатурацией. В денатурированном белке изменяются физические, химические и биологические свойства. Это связано с тем, что процесс денатурации приводит к разрушению водородных и некоторых ковалентных связей, которые создают вторичную и третичную структуры. С процессом денатурации часто сталкиваются при горячем приготовлении пищи.

48

Для белков характерны некоторые цветные реакции.

Биуретовая реакция. Она связана с присутствием в молекуле белка пептидных связей (эту реакцию дают все вещества, которые содержат такую связь). При обработке белка концентрированным раствором щёлочи и насыщенным раствором сульфата меди появляется фиолетовое окрашивание.

Ксантопротеиновая реакция. При действии на белки концентрированной азотной кислоты появляется жёлтая окраска. Она связана с образованием продуктов нитрования ароматических ядер, содержащихся в молекуле белка.

Сульфгидрильная реакция. При нагревании белков с раствором плюмбита натрия выпадает черный осадок сульфида свинца. Это качественная реакция на серу (присутствие сульфгидрильных групп SH).

3.4. Углеводы (сахара)

Углеводы, или сахара – органические соединения, содержание в молекуле одновременно альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых групп. Другими словами, углеводы являются многоатомными

альдегидоспиртами (полигидроксиальдегидами) или многоатомными кетоноспиртами (полигидроксикетонами).

Углеводы – довольно обширная группа природных органических веществ, которые играют большую роль в жизни человека, животных и растений. Они широко распространены в природе, особенно в растительном мире, и составляют основную массу органического вещества на нашей планете. Так, на долю углеводов приходится до 80 % сухого вещества растений, а содержание их в живых организмах – около 20 % (в пересчёте на сухое вещество).

Трудно переоценить роль углеводов в процессах, связанных с жизнедеятельность живых организмов. Известно, что они входят в состав нуклеотидов, из которых построены нуклеиновые кислоты, осуществляющие, как известно, биосинтез белка и передачу наследственных свойств.

Углеводы – один из основных продуктов питания.

Название «углеводы» возникло потому, что в первых изученных соединениях этого класса соотношение числа атомов кислорода и водорода оказалось таким же, как и у воды – 1:2. Поэтому первые исследователи углеводов рассматривали их как соединения углерода с водой, и это название сохранилось и широко используется. Для моноз (и вообще

49

углеводов) обычно используют тривиальные названия с характерным окончанием –оза.

Классификация

Все углеводы можно разделить на две большие группы.

I. Простые углеводы (моносахариды, или монозы). Эти углеводы не подвергаются гидролизу с образованием более простых углеводов. В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахаридов различают тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), и т.д. Если моносахариды содержат в своём составе альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную – к классу кетоз (кетоноспиртов).

II. Сложные углеводы (полисахариды, или полиозы). Эти углеводы подвергаются гидролизу и образуют при этом простые углеводы.

Сложные углеводы в свою очередь делят:

1)на низкомолекулярные, сахароподобные углеводы (олигосахариды),

растворимые в воде и сладкие на вкус;

2)высокомолекулярные, несахароподобные углеводы (высшие полисахариды), не сладкие на вкус и нерастворимые в воде.

В зависимости от состава сложные углеводы (полисахариды) можно разделить на две группы:

а) гомополисахариды, состоящие из остатков одного и того же моносахарида; б) гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов. Сказанное можно представить в виде схемы:

3.5. Моносахариды (монозы)

50

Монозы, или моносахариды, – наиболее простая группа углеводов. В природе из моноз встречаются гексозы С6Н12О6 и пентозы С5Н10О5.

Строение

В зависимости от характера оксогруппы (альдегидная или кетонная), входящей в состав моносахаридов, монозы могут быть альдозами (полигидроксиальдегидами) и кетозами (полигидроксикетонами):

О

НОСН2 –СНОН–СНОН–СНОН–СНОН–С

0

НОСН2–СНОН–СНОН–СНОН–С–СН2ОН

кетогексоза

Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). В состав глюкозы входит альдегидная группа, а фруктозы – кетонная. Поэтому глюкоза – представитель альдоз, а фруктоза – кетоз.

Глюкоза и фруктоза имеют одну и ту же общую формулу СnH2nOn, но различное строение. Таким образом, глюкоза и фруктоза – изомеры:

Формулы показывают различное расположение атомов водорода и гидроксильных групп в пространстве относительно углеродной цепи. Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена карбонильная группа (в альдозах нумерация начинается с углерода альдегидной группы). Строение моносахаридов, выраженное этими формулами, соответствует самой простой их форме цепной, или открытой (ациклической). Она содержит свободную альдегидную или кетонную группу.

Однако молекулы моносахаридов могут существовать не только в виде цепных форм, но и в виде циклических, или полуацетальных. Эти формы не