Слесарев. Основы Химии живого

R — неполярный углеводородный заместитель, проявляю­ щий гидрофобные (липофильные) свойства. Это восемь а- аминокислот: аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фе­ нилаланин, триптофан и метионин, труднорастворимые в воде.

R —неионизующийся полярный заместитель, проявляющий гидрофильные свойства. Это пять а-аминокислот, которые луч­ ше растворяются в воде: глицин, серин, треонин, аспарагин и глутамин.

R — полярный заместитель, проявляющий гидрофильные и кислотные свойства. Это четыре а-аминокислоты: аспараги­ новая и глутаминовые кислоты, цистеин и тирозин. В аспара­ гиновой и глутаминовой кислотах заместитель полностью отда­ ет протон своей карбоксильной группы в растворах с pH = 7 и поэтому в этих условиях несет отрицательный заряд. Полная ионизация группы —SH в ^истеине и группы —ОН в тирозине происходит в растворах с большим значением pH. Перечислен­ ные аминокислоты обычно называют кислотными.

R — полярный заместитель, проявляющий основные свой­ ства. Это три аминокислоты: лизин и аргинин, в которых замес­ титель в растворах с pH = 7 протонирован и несет положитель­ ный заряд, а также гистидин, проявляющий слабые основные свойства благодаря присутствию имидазольного цикла в замести­ теле. Перечисленные аминокислоты обычно называют основными.

Биполярно-ионная структура молекул а-аминокислот прояв­ ляется в их физических свойствах: аминокислоты - бесцветные кристаллические вещества с высокими температурами плавле­ ния, нелетучи, большинство их растворимы в воде и практиче­ ски совсем нерастворимы в неполярных органических раство­ рителях. Кристаллическая решетка аминокислот - ионная, так как она стабилизирована электростатическими силами притя­ жения между противоположно заряженными ионизованными группами соседних молекул.

Во всех (кроме глицина) природных а-аминокислотах а-угле- родный атом асимметрический, причем у большинства этих со­ единений (кроме изолейцина и треонина) имеется только один хиральный центр. Поэтому они существуют в виде двух оптиче­ ских изомеров (L- и D-энантиомеров) (разд. 15.2). Почти все при­ родные а-аминокислоты имеют L-форму, а D-аминокислоты, как правило, не усваиваются живыми организмами. Интересно, что большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а амино­ кислоты D-ряда - горькие или безвкусные.

Основным источником а-аминокислот для живых систем служат пищевые белки. Многие а-аминокислоты синтезируются в организме животных, но некоторые не синтезируются и долж­ ны поступать с пищей. Это незаменимые аминокислоты: валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, трип­ тофан, фенилаланин. Остальные аминокислоты могут синтезиро­ ваться в организме животных, их называют заменимыми: ала­

532

нин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глицин, глута­ мин, глутаминовая кислота, пролин, серин, цистеин, тирозин. Интересный факт подметил Ю. А. Жданов (1968): у большинства незаменимых кислот сумма степеней окисления углеродных атомов положительная, а у большинства заменимых - отрица­ тельная. Это, по-видимому, указывает на то, что заменимые аминокислоты, по сравнению с незаменимыми, эволюционно более молоды, т. е. что они возникли уже в окислительной ат­ мосфере и поэтому содержат больше атомов электроотрицатель­ ных элементов (О, N, S).

2 1 .2 . ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ос-АМИНОКИСЛОТ

Своеобразие химических свойств а-аминокислот заключает­ ся в том, что их молекулы содержат две функциональные груп­ пы с явно противоположными свойствами, и только совокуп­ ность этих противоположностей с учетом их взаимного влияния и взаимодействия позволяет полностью описать химию этих соединений.

21.2.1.КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ИПРОТОТРОПНАЯ ТАУТОМЕРИЯ

Наличие в молекулах а-аминокислот одновременно и ки­ слотной, и основной групп (разд. 8 .2 ) приводит не только к то­ му, что они амфолиты и могут существовать в виде двух прототропных таутомеров ТБИ и ТНС, но и к тому, что наиболее термодинамически устойчивым таутомером оказывается тот, в котором его функциональные группы, перейдя в заряженные формы, проявляют не прямые, а сопряженные, т. е. противопо­ ложные свойства. Поэтому в молекулах а-аминокислот из-за их биполярно-ионной структуры отрицательно заряженная карбок­ сильная группа проявляет основные свойства, а положительно заряженная аммонийная группа - кислотные свойства. Вслед­ ствие этого а-аминокислоты взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами, образуя разные типы солей, в которых аминокис­ лоты выступают в виде или катиона, или аниона.

H3 N-CRH-COCr + NaOH —► H2 N-CRH~COONa + Н20

соль аниона аминокислоты

Аминокислоты, которые могут существовать только в трех формах: молекула, катион и анион, - называются нейтральны­ ми. Из 20 природных аминокислот 13 - нейтральные: аланин, аспарагин, валин, глицин, глутамин, изолейцин, лейцин, метио­ нин, пролин, серин, треонин, триптофан, фенилаланин. Каждая

533

из перечисленных аминокислот в водных растворах по мере уве­ личения значения pH может находиться в сильнокислой среде

[pH < р1Га(СООН) - 2] в виде катиона, при pH = р/ - молекулы, а

+

в щелочной среде [pH > plira(NH3) + 2] - аниона. В растворах с pH между указанными значениями аминокислоты находятся в слабокислой среде в виде смеси катиона и молекулы, а в слабо­ основной среде - смеси молекулы и аниона.

Все нейтральные аминокислоты имеют близкие кислотно-ос-

+

новные показатели р2Га(СООН) = 2,0 + 3,0, рI ~= 5,5 + 6,5, pife(NH3) =

=9,0 ч-10,5, причем рI вычисляется по формуле рI — г/2 \pKJCOOH) +

+p*o(NH3)].

Как видно из схемы, по значениям кислотно-основных ха­ рактеристик нейтральных аминокислот можно установить, в виде каких частиц находится любая из этих кислот при данном значении pH ее водного раствора. Это чрезвычайно важно, так как каждая из указанных частиц: молекула, катион или анион аминокислоты - имеет не только отличные от других химиче­ ские свойства, но и свое специфическое влияние на биологиче­ ские и физиологические функции данной аминокислоты в жи­ вых системах. Кроме этого, знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет исключительно важное значение для пони­ мания многих свойств и функций пептидов и белков.

Своеобразие кислотно-основных свойств аминокислот прояв­ ляется и при изучении этих свойств с помощью потенциометри­ ческого титрования щелочью. Прежде всего для этого нужно брать соль катиона аминокислоты, например глицингидрохлорид. Эта соль при титровании щелочью выступает донором двух протонов.

Получаемая при этом кривая титрования (рис. 21.1) внеш­ не очень похожа на кривые титрования обычных кислот (см. рис. 8 .2 ), но интерпретация ее иная, так как она результат нейтрализации двух протонов, а не одного, как в случаях, про­ иллюстрированных на рис. 8.2. Поэтому имеющаяся на кривой

534

Рис. 21.1. Кривая титрования глицингидрохлорида [H3NCH2COOHJCl

титрования точка перегиба соответствует состоянию эквива­ лентности, достигаемому при добавлении 1 экв. щелочи, когда катион аминокислоты, отдав протон от карбоксильной группы, полностью перешел в молекулу. Поэтому pH системы в точке эквивалентности, где аминокислота находится только как мо­ лекула, соответствует изоэлектрической точке (р/) этой амино­ кислоты. Кривая титрования после точки эквивалентности ха­ рактеризует процесс связывания второго протона, отрываемого от аммонийной группы аминокислоты.

С учетом перечисленных особенностей кривая титрования со­

ли аминокислоты кроме определения ее р/ позволяет определить

+

значения ее рИГа(СООН) и рКа(Ш1$). Значение р/£а(СООН) уста­ навливают по кривой титрования по величине pH системы, со­ держащей 0,5 экв. щелочи, так как в этот момент в растворе

находится 50 % катионов и 50 % молекул аминокислоты. Зна-

+

чение рКа(Ш1з) также устанавливают на основании кривой тит­ рования, но по величине pH системы, содержащей 1,5 экв. ще­ лочи, так как в этот момент в растворе находится 50 % молекул и 50 % анионов титруемой аминокислоты. Начальный и конеч­

535

ный участки кривой титрования не информативны, поскольку в эти моменты в системе происходит не только нейтрализация аминокислоты, но и гидролиз ее солей, где она выступает в ки­ слой среде катионом, а в щелочной среде - анионом.

Аминокислоты кислотные содержат в заместителе допол­ нительную кислотную группу: аспарагиновая и глутаминовая кислоты - карбоксильную группу (СООН), цистеин - тиольную

группу (SH), а тирозин - л-гидроксифенильную ( - ^ ^ - о н ) . Ки­

слотные свойства этих групп характеризуются величиной pA'a(R) (табл. 21.1). Все эти кислоты в родных растворах по мере умень­ шения кислотности среды, т. е. возрастания pH, могут находиться в четырех формах: катиона, молекулы, моноаниона и дианиона (разд. 8.2), причем строение моноаниона зависит от того, какая из двух кислотных групп в молекуле ионизуется первой.

H3NCHOXr "сложный"

моноанион

Увеличение pH среды

i>

Вмолекулах аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также

вцистеине вначале ионизуется кислотная группа заместителя, так

+ н ^ как p^ra(R)<pjRTa(NH3 ), поэтому строение их моноаниона "сложное”,

поскольку он содержит две отрицательно заряженные группы - СОО“ и R~ - и одну аммонийную группу, заряженную положи­ тельно. Для этих аминокислот изоэлектрическая точка вычис­ ляется по формуле: рI —1/ 2 [рИГа(СООН) -f РKa(R)].

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в биологических сре­ дах (pH * 7) на 100 %, а цистеин - около 1 % находятся в виде мо­ ноаниона. Для аниона цистеина в растворе возможно таутомерное равновесие "сложный" моноанион "простой" моноанион.

Моноанион тирозина имеет строение "простого" таутомера,

+

так как р2£а(ГШз) < pKa(R), и его изоэлектрическая точка вы­ числяется по обычной формуле:

рI - V 2 [PJUCOOH) + рКа(Ш 3)]

536

Аминокислоты основные содержат в заместителе основные группы (см. табл. 21.1). Поэтому лизин, аргинин и гистидин в водных растворах по мере уменьшения кислотности среды могут находиться в четырех формах: дикатиона, монокатиона, молекулы и аниона. Структура монокатиона основных аминокислот слож­ ная, так как она содержит две положительно заряженные группы

++

(NH3 и RH) и одну отрицательно заряженную группу (СОО ). Струк­ тура молекул этих кислот (а именно: какая основная группа не­ сет положительный заряд) зависит от того, какая из двух протонированных основных групп в монокатионе ионизуется первой.

В случае молекул лизина и аргинина в растворе наиболее ус­ тойчив таутомер ТБИ И, а для гистидина характерно таутомерное равновесие с преобладанием ТБИ I. Изоэлектрическая точка основных аминокислот вычисляется по формуле:

р/ - V 2 [P *a(NH3) + vK a(R)]

В биологических средах (pH = 7) основные аминокислоты на­ ходятся в виде монокатиона, причем лизин и аргинин на 1 0 0 %, а гистидин - около 1 %. Эти кислоты являются активными акцеп­ торами не только протонов, но и других комплексообразователей (катионов d-металлов), выступая полидентатными лигандами.

Знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет ис­ ключительно важное значение для их разделения, идентифика­ ции и количественного анализа, так как позволяет осуществ­ лять эти процессы с определенной формой данной аминокисло­ ты (молекулой, катионом или анионом). Если в анализируемой системе имеется смесь указанных частиц, то это сильно затруд­ няет анализ аминокислот и снижает точность любого метода. Понимание особенностей кислотно-основных свойств аминокис­ лот крайне необходимо для объяснения многих свойств пепти­ дов и белков.

537

21.2.2. КОМПЛЕКСООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА

Все аминокислоты, отдавая протон, образуют как полидентатные лиганды хелатные комплексы с катионами d-металлов (разд. 10.2). При этом донорами электронных пар выступают и аминогруппа, и ионизованная карбоксильная группа аминокис­ лот. Например, все а-аминокислоты со свежеприготовленным Си(ОН)2 образуют растворимый электронейтральный хелатный комплекс, окрашенный в ярко-синий цвет:

комплекс ярко-синего цвета

Эту реакцию можно использовать в качестве неспецифиче­ ского метода обнаружения а-аминокислот.

Кислотные и основные а-аминокислоты, содержащие допол­ нительные протонодонорные или протоноакцепторные группы, являются более активными лигандами, чем аминокислоты ней­ тральные. С позиции комплексообразования с катионами био­ металлов (разд. 10.5, 13.2) и в соответствии с теорией жестких и мягких реагентов цистеин и гистидин проявляют особую ак­ тивность, так как они содержат легкополяризуемые ("мягкие”) группы, соответственно тиольную и имидазольную, которые об­ разуют достаточно прочные связи с "мягкими" катионами био­ металлов. Высокая комплексообразующая способность этих ами­ нокислот за счет активных групп заместителя сохраняется в пеп­ тидах и белках, их содержащих.

Реакции комплексообразования аминокислот играют чрезвы­ чайно важную роль в поддержании металло-лигандного гомео­ стаза, а также в хелатотерапии (разд. 10.5). Знание комплексо­ образующих свойств аминокислот позволяет понять соответст­ вующие свойства пептидов и белков.

21.2.3. ЭЛЕКТРОФИЛЬНО-НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

Двойственная природа аминокислот, обусловленная наличи­ ем в молекуле и карбоксильной, и аминогруппы, проявляется также в электрофильно-нуклеофильных взаимодействиях. За счет карбонилсодержащего фрагмента они могут выступать как элек­ трофилы, являясь донором ацильной группы, а за счет неподеленной электронной пары азотсодержащего фрагмента - как нуклео­ филы. Это наглядно проявляется в реакциях ацилирования.

Реакции ацилирования. Аминокислоты в присутствии силь­ ных кислот при взаимодействии со спиртами легко образуют ам-

538

монийные соли сложных эфиров, из которых при действии ще­ лочи получают свободные эфиры:

H3N—CRH—СООН СНз°Н’ Н° » Н20 + [H3N—CRH—С00СН3]СГ

гидрохлорид метилового эфира аминокислоты

метиловый эфир аминокислоты

Таким образом, в кислой среде, когда в аминокислотах ами­

+

ногруппа блокирована протоном (—NH3 ), аминокислоты высту­ пают ацилирующим реагентом, т. е. донором ацильной группы, ацилируя в приведенной реакции молекулу спирта.

В то же время в щелочной среде аминокислоты за счет сво­ бодной аминогруппы выступают акцептором ацильной группы от сильного ацилирующего реагента, например хлорангидрида карбоновой кислоты:

—► R^ c —NH—CRH—СООН + NaCl

N-ацильное производное аминокислоты

Приведенные реакции свидетельствуют, что в аминокисло­ тах ацилирование протекает и по карбоксильной, и по амино­ группе. Поэтому когда в лабораторных условиях необходимо, чтобы в аминокислотах реагировала только одна из этих групп, другая должна быть защищена, т. е. инактивирована.

Карбонилсодержащий фрагмент аминокислоты в сильноще­ лочной среде защищается за счет образования соли карбоновой кислоты, а в других случаях - путем превращения его в слож­ ноэфирную (—COOR') или в другую группировку, где электрофильность карбонильного атома углерода резко снижена из-за появления сильного электронодонора в группе.

Аминогруппа в аминокислотах защищается в сильнокислой среде за счет ее протонирования (НзМ+), а в других случаях - пу­ тем ее ацилирования (R'CONH—), т. е. появления у аминогруппы электроноакцептора, уменьшающего нуклеофильность атома азо­ та. Таким образом, перечисленные способы защиты функцио­ нальных групп аминокислот заключаются в том, что снижается электрофильность карбонильного атома углерода в результате введения сильного электронодонора или снижается нуклеофиль­ ность атома азота аминогруппы за счет сильного электроноак­ цептора. Для удобства в формулах аминокислот, защищенных по карбоксильной или по аминогруппе, вместо формулы защитной группы будет использоваться соответственно знак •, символизи­ рующий нуклеофильность, или знак о - электрофильность:

539

Вводимые защитные группы должны отвечать следующим требованиям: легко и избирательно вводиться в молекулу; на­ дежно инактивировать защищаемую группу; легко удаляться из молекулы. Для удаления защитных групп в основном исполь­ зуется реакция гидролиза, но могут применяться и другие ре­ акции, например их восстановление.

Аминокислоты с защищенной аминогруппой легко вступают в реакции ацилирования, характерные для карбоновых кислот, например, образуют хлорангидриды или смешанные ангидриды аминокислот:

В образовавшихся производных аминокислот происходит активация электрофильности карбонильного атома углерода. Карбонильный фрагмент с повышенной электрофильностью для

краткости будем обозначать —С ^ °. Эти соединения легко аци-

X

лируют спирты или амины с образованием сложных эфиров или амидов аминокислот соответственно:

диметиламид аминокислоты

В организме аспарагиновая и глутаминовая кислоты под дей­ ствием соответствующих ферментов и АТФ легко ацилируют ам­ миак с образованием аспарагина и глутамина соответственно:

При ацилировании аминокислот со свободной аминогруппой аминокислотой с активированной карбонильной группой обра­ зуются дипептиды, в которых и амино-, и карбоксильная груп­ пы защищены. Эти защиты легко снимаются путем гидролиза:

540