Химия. В 2 частях. Ч.II. Учебное пособие

6. Аминокислоты

6.3. Физические свойства

Все аминокислоты – твердые бесцветные вещества. Они нерастворимы

внеполярных органических растворителях и растворимы в воде. В молекулах аминокислот одновременно находятся кислотный центр (карбоксильная группа) и основный центр (аминогруппа), что приводит к образованию

вкристаллах аминокислот внутренних солей – цвиттер-ионов.

6.4. Химические свойства

Для аминокислот одновременно характерны свойства карбоновых кислот и аминов, т. е. они проявляют амфотерные свойства.

Реакции по карбоксильной группе:

1. Образование солей. Аминокислоты реагируют со щелочами, давая соли:

2. Образование сложных эфиров. Реакция аминокислот со спиртами приводит к сложным эфирам. Реакция катализируется газообразным хлороводородом.

41

Модуль III. Органическая химия. Функциональные производные углеводородов

Реакции по аминогруппе:

1. Образование солей. Аминокислоты реагируют с сильными минеральными кислотами, образуя четвертичные аммониевые соли.

2. Ацилирование – взаимодействие аминокислот с карбоновыми кислотами. Реакция протекает по аминогруппе с образованием N-ацильных производных аминокислот.

6.5. Пептиды и белки

Специфическая реакция α-аминокислот – образование пептидов. Это реакция ацилирования одной аминокислоты другой аминокислотой. Если в реакцию вступают две аминокислоты, то получается дипептид, если три – трипептид и т. д. Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, относят к олигопептидам, более 10 аминокислотных остатков – к полипептидам. Природные полипептиды, включающие более 100 аминокислотных остатков, называют белками. Амидную связь –CO–NH– в пептидах назы-

вают пептидной связью.

дипептид

42

6. Аминокислоты

трипептид

полипептид, построенный из остатков одинаковых аминокислот

фрагмент полипептида, построенного из остатков разных аминокислот

Название пептида строят на основе тривиальных названий, входящих в его состав аминокислотных остатков, которые перечисляют, начиная с аминокислоты со свободной аминогруппой (N-конца). При этом в названиях всех аминокислот за исключением последней (С-концевой) суффикс -ин заменяют на суффикс -ил. Для сокращенного обозначения пептидов используют трехбуквенные обозначения входящих в его состав аминокислот. Например, глицин обозначают Gly, аланин – Ala, фенилаланин – Phe. Трипептид глицилаланилфенилаланин сокращенно пишут Gly-Ala-Phe.

O O

NH2 CH2 C NH CH C NH CH COOH

CH3 CH2C6H5

глицилаланилфенилаланин (Gly-Ala-Phe)

43

Модуль III. Органическая химия. Функциональные производные углеводородов

Молекулы белков, включающие не менее 100 аминокислотных остатка, очень сложны, и функции белковых молекул в живых организмах зависят от строения белковой молекулы. Различают четыре уровня структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Хотя такое деление несколько устарело, им продолжают пользоваться.

Первичная структура белковой молекулы – последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичную структуру белка, как правило, описывают с использованием трехбуквенных сокращений аминокислотных остатков. При нагревании с водными растворами кислот происходит гидролиз белковых молекул – разрушение первичной структуры белка с образованием смеси аминокислот.

Вторичная структура белковой молекулы – укладка полипептидной цепи в пространстве. Чаще всего белковая молекула закручена в спираль. Удерживается спираль водородными связями между пептидными группами (рис. 3).

Третичнаяструктура – сворачиваниеполипептиднойспираливклубок (глобулу). Третичная структура белков удерживается не только водородными связями, но и дисульфидными мостиками –S–S–, электростатическими притяжениями между заряженными группами (например, между –СОО– и –NH3+) и некоторыми другими типами взаимодействий (см. рис. 3).

Четвертичная структура – взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Стабилизируется четвертичная структура белка теми же взаимодействиями, что и третичная.

Разрушение третичной и четвертичной структуры белковых молекул при нагревании, действии кислот или солей тяжелых металлов называет-

ся денатурацией.

Качественные реакции на белки. Ксантопротеиновая реакция – об-

разование осадка при взаимодействии концентрированной HNO3 с белком. Осадок при нагревании окрашивается в желтый цвет из-за нитрования ароматических колец аминокислотных остатков белка. Окрашивание кожи в желтый цвет при попадании на нее HNO3 объясняется ксантопротеиновой реакцией.

Биуретоваяреакция– образованиеинтенсивнофиолетовойокраскипри взаимодействии белков с щелочным раствором соли Сu2+ (обычно CuSO4). При этом раствор окрашивается благодаря образованию комплексного соединения.

44

6. Аминокислоты

В

Рис. 3. Водородные связи (А), вторичная (Б) и третичная (В) структура белковой молеку-

лы (Источник: Биохимия для студента.URL: http://biokhimija.ru/klinicheskajabiohimija/43.html)

45

Модуль III. Органическая химия. Функциональные производные углеводородов

Вопросы и упражнения

1.Напишите все изомерные аминобутановые кислоты и назовите их. Отметьте α-, β-, γ-аминокислоты.

2.Напишитеуравненияреакцийгамма-аминомаслянойкислотыс: а) соляной кислотой, б) гидроксидом натрия, в) этанолом.

3.Из каких галогенкарбоновых кислот можно получить: а) 3-аминобута- новую кислоту, б) 4-аминобутановую кислоту? Напишите уравнения соответствующих реакций.

4.Неизвестная аминокарбоновая кислота добавлена к 100 мл 0,4 %-ного раствора едкого натра. Получено 1,11 г соли. О какой аминокислоте идет речь?

5.В реакции между метанолом (взят в избытке) и неизвестной аминокарбоновой кислотой образовалось 5,34 г органического продукта с массовой долей азота 15,73 %. Найти молекулярную формулу аминокислоты.

6.Сколько дипептидов может образоваться из двух аминокислот – глицина и аланина? Напишите формулы дипептидов и назовите их.

7.Напишите реакцию гидролиза трипептида – аланилглицилфенилаланина.

7.Углеводы

7.1. Строение и классификация

Углеводы – сложные органические соединения, содержащие в своем составенесколькогидроксильныхгрупп(ОН) икарбонильнуюгруппу(альдегидоили кетогруппу). То есть углеводы являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами. Углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды – простые углеводы. К моносахаридам относятся глюкоза (альдегидоспирт) и фруктоза (кетоспирт). Олигосахариды (ди-, три-, тетрасахариды) состоят из остатков нескольких моносахаридов. Например, сахароза, состоящая из остатков глюкозы и фруктозы, относится к дисахаридам. Число моносахаридных остатков в полисахаридах достигает не-

46

7. Углеводы

скольких десятков тысяч. Примерами полисахаридов являются крахмал и целлюлоза.

7.2. Глюкоза

Глюкоза по своему строению относится к альдегидоспиртам. В составе глюкозы содержится 5 гидроксильных групп и 1 альдегидная. Формула глюкозы – С6H12O6. Структурная формула глюкозы:

Глюкоза представляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде.

Для глюкозы характерны свойства одновременно спиртов и альдегидов. Так, глюкоза, подобно альдегидам, вступает в реакции окисления и восстановления. Окисляется глюкозадоглюконовойкислотыилиеесолей(глюконатов). Восстанавливается до шестиатомного спирта – сорбита.

Реакция восстановления:

Реакция «серебряного зеркала»:

2()4 + 2Ag(NH3)2OH

2()4OONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O

47

Модуль III. Органическая химия. Функциональные производные углеводородов

Реакция «медного зеркала». Подобно многоатомным спиртам (этиленгликолю и глицерину, см. раздел 1.4.5) глюкоза реагирует с гидроксидом меди (II) с образованием ярко-синего комплексного соединения. При нагревании этого комплекса протекает реакция окисления, при этом образуется красно-оранжевый оксид меди (I).

t

2( )4 + 2 Cu(OH)2

7.3. Фруктоза

Фруктоза – изомер глюкозы, относится к кетоноспиртам. По физическим свойствам фруктоза – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Подобно глюкозе, фруктоза вступает в реакции восстановления. В отличие от глюкозы, фруктоза не окисляется. Структурная формула фруктозы:

CH2OH

CO

HO C H

H C OH

H C OH

CH2OH

фруктоза

7.4. Сахароза

Дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы, называется сахарозой. Это широко используемый пищевой продукт – сахар. Формула

48

7. Углеводы

сахарозы – С12Н22О11. Сахароза не вступает в реакции окисления и восстановления, подобно глюкозе и фруктозе. Характерное свойство сахарозы – гидролиз при нагревании с водой в присутствии кислот до глюкозы и фруктозы.

7.5. Крахмал и целлюлоза

Общая формула крахмала и целлюлозы – (C6H10O5)n. Оба вещества построены из остатков глюкозы и являются изомерами.

Крахмал – белый аморфный порошок, нерастворимый в холодной воде и частично растворимый в горячей воде. При растворении в горячей воде образуется коллоидный раствор, называемый в быту «клейстер». Крахмал образуется в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды в зеленых частях растений. Крахмал содержится в картофеле, пшенице, рисе и кукурузе. Качественная реакция на крахмал – образование синего окрашивания при добавлении раствора йода.

Целлюлоза – в чистом виде бесцветное вещество, нерастворимое ни в холодной, ни в горячей воде. Практически из чистой целлюлозы состоят хлопковая вата, тополиный пух. Целлюлоза – основная составная часть древесины. Из целлюлозы построены оболочки растительных клеток.

И крахмал и целлюлоза гидролизуются при нагревании в воде в присутствии кислот. При этом полимерные цепи разрушаются, и продуктом реакции является глюкоза.

H SO

(C6H10O5)n + nH2O →2 4 nC6H12O6

Вопросы и упражнения

1.Объясните, почему глюкоза и фруктоза являются изомерами.

2.Почему фруктоза не вступает в реакции окисления? Будет ли фруктоза, подобно глюкозе, реагировать с гидроксидом меди (II)?

49

Модуль III. Органическая химия. Функциональные производные углеводородов

3.Рассчитайте, сколько граммов глюкозы и фруктозы получится при гидролизе 100 г сахарозы.

4.Сколько целлюлозы необходимо взять, чтобы в результате гидролиза получить 1 кг глюкозы, при условии, что реакция протекает с 90 %-ным выходом?

5.При взаимодействии водного раствора глюкозы с избытком аммиачного растворагидроксидасеребраобразовалось10 госадка. Сколькограммов 20 %-ного раствора глюкозы было использовано в реакции?

Тренировочный тест к модулю III

1.Какое соединение является изомером этанола? 1) метанол 2) 1-пропанол

3) диметиловый эфир

4) диэтиловый эфир

2.Какое соединение является гомологом этанола? 1) метанол 2) этаналь

3) диметиловый эфир

4) диэтиловый эфир

3.Почему температуры кипения спиртов выше, чем у алканов с тем же числом атомов углерода?

1) из-за наличия гидроксильной группы

2) из-за образования водородных связей

3) из-за высокой кислотности спиртов

4) из-за низкой кислотности спиртов

4.Какова кислотность спиртов по сравнению с водой?

1)спирты менее сильные кислоты, чем вода

2)спирты более сильные кислоты, чем вода

3)кислотность спиртов примерно такая же, как у воды

4)спирты не проявляют кислотных свойств

50