оксо-,окси-,_аминокислоты
.pdf
Оптическая изомерия аминокислот
Все α-аминокислоты, кроме глицина, имеющие один асимметрический α- углеродный атом существуют в виде пары энантиомеров. Природные α- аминокислоты с одним асимметрическим атомом углерода С* относятся к L- ряду (S-конфигурация).
|
COOH |
|
|
COOH |
||||
H |
|
|
NH2 |
|
H2N |
|
|
H |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
|
|
CH3 |
||
D(-) - аланин L(+)- аланин
Гидроксипролин, треонин и изолейцин имеют два асимметрических атома углерода и существуют в виде двух D,L - пар.
Конфигурация D,L – пар для изолейцина
|
COOH |
|
|
COOH |
|
|
|
COOH |
|
|
COOH |
||||||||||
H |
|
|
NH2 |
NH2 |
|
|
H |
H |
|
|
|
|
NH2 |
NH2 |
|
|
|
|
H |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
H |
|
|
CH3 |
CH3 |
|
|
|
H |
CH3 |
|
|
|
|
|
H |
H |
|
|
|
CH3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2CH3 |
|
|
|
CH2CH3 |
|
|
|
CH2CH3 |
|
|
CH2CH3 |
||||||||
|
D (эритро) |
|
|
L (эритро) |
|
|
|
D (трео) |
|
|
L (трео) |
||||||||||
Тпл |
274 - 2750C |
|
|
2780C |
|
|
|
283-2840C |
|
|
285-2860C |
||||||||||
(с разложением) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Природная аминокислота имеет конфигурацию L- трео: |
|
|
|
[α]D20 + 10,70 в H2O |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[α]D20 |
+40,80 в 20% HCl |
|||||||
147
Аналогично изолейцину может быть описан треонин, ниже приводится конфигурация природного треонина.
COOH
NH2 |
|
|
|
|
H |
|
|
|
|||
H |
|
|
|
OH |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
L (трео) треонин (природная аминокислота) |
|||
|
|
|
|
|
Tпл 2530С (с разложением), [α]D26 - 28,30 в H2O |
Методы получения аминокислот
Оптически активные аминокислоты получают из белкового гидролизата, микробиологическим и ферментативным методами. При химических способах получения образуются рацематы, которые используют, либо как таковые, либо разделяют.
1. Аммонолиз галогенкарбоновых кислот
|
O |
NH3/H2O |
R-HC C |
O |
|
R-HC |
C |
|
|
OH |
|
|
|
||||
Cl |
OH |
(NH4)CO3 |
NH2 |
||
|
|
-HCI |
|
|
|
2. Синтез по Штекеру – Зелинскому (модификация циангидринного синтеза оксикислот)
|
NH4Cl , NaCN |
|
* |
|
|
2 H2O, H |
* |
||||
RCH=O |
|
|
|
|
R-CH-C |
N |
|
|
|
R-CH-COOH |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
H N |
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нитрилы α-аминокислот, |
α-аминокислоты, |
|||||
|
|
|
|
|
рацематы |
||||||
|
|
|
|
|
рацематы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
148
Реакционная способность
Аминокислоты, имея кислотную (карбоксильную) и основную (аминную) группу, являются амфотерными соединениями. Аминокислоты реагируют с кислотами и основаниями, при этом образуются соли.
Наличие кислотной и основной́ групп в одной молекуле приводит к внутримолекулярному протонированию аминогруппы, поэтому аминокислоты существуют в виде внутренних солей – диполярных ионов, называемых цвиттер-ионами (от нем. cлова zwei - два).
|
|
|
O |
|
|
|
|
O |
NH -HC |
|
C |
|
NH3-HC |
|
|
C |
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
OH |
|
|
|
|
O |
R |
|
|
R |
|
||||
Диполярный ион (цвиттер-ион)
За счет ионного строения аминокислоты являются кристаллическими веществами с высокими температурами плавления, хорошо растворимы в воде и плохо растворимы в органических растворителях.
Амфотерность аминокислот
|
|
|
|
|
|
O NaOH |
|
|
|
O |
||
NH -HC C |
|
|
|
NH2-HC |
|
C |
+ H2O |
|||||
|
|
|
|
|||||||||
|
3 |
CH |
|
O– |
CH |
ONa |
||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|||||
аланин |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
2-аминопропаноат натрия, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
HCl |
|
|
|
натриевая соль аланина |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
||
NH3-HC |
|
|
C |
|
|
|
|
|||||
|
|
OH |
|
|
|
|
||||||
Cl |
|
CH |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
хлористый аланиний, гидрохлорид аланина
Значение рН, при котором аминокислота является электрически нейтральной (существует только в виде цвиттер-ионов), называется изоэлектрической точкой, рI.
149
R-CH-COO |
HO |
|
R- |
CH-COO |
|
H |
|
R- |
CH-COOH |
||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
HO |
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
NH |
NH3 |
|||||
NH2 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
||||
высокие значения рН |
|
|
|
|
pI |
|
|
|
низкие значения рН |
||
(анионная форма) |
|
|
|
изоэлектрическая точка |
|
(катионная форма) |
|||||
Вбольшинстве случаев водные растворы аминокислот имеют слабокислую реакцию, т.к. кислотность NH3+ выше основности группы СОО-
Вводе аминогруппу протонируют молекулы воды.
|
O H2O |
|
|
|
|
O |
||
NH -HC C |
|
|
|
NH2-HC |
|
C |
+ H3O |
|
|
|
|
||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
R O– |
|
|
|
|
O |
|||
|
R |
|
||||||
Аминокислоты более сильные кислоты, чем карбоновые, но более слабые основания, чем первичные амины.
Реакции по амино- и карбоксильной группам
1. Образование хелатов с ионами тяжелых металлов, реакция относится к качественным.
|
Cu+2 O |
C |
O |
NH2 |
CH2 |
|
2 NH2-CH2COOH |
|
|
H2C |
Cu |
O |
C O |
|
||||||
|
|
|
NH2 |
|||
глицин
хелат (раствор темно-синего цвета)
2. Реакция с NaNO2/HCl (HNO2)
CH2-COOH + HNO2 |
|
CH2-COOH + N2 + H2O |
|
||
NH2 |
|
OH |
|
|
оксиэтановая кислота |
По объему выделившегося азота определяют количество аминокислот в растворе.
150
3. Алкилирование
Исчерпывающее метилирование – первая стадия синтеза бетаинов, специфических производных α-аминокислот, имеющих цвиттер-ионное строение. Бетаины имеют сладкий вкус и содержатся в некоторых растениях, например в свекле.
|
изб. CH3I/ Na2CO3 |
|
AgOH |
|
O |
||
CH -COOH |
|
|
|
CH -COOH |
|
CH2-C O +H2O |
|
|
|
|
|
||||
2 |
|
|
|
2 |
-AgI |
|
|
NH2 |
|
|
(H3C)3N I |
N(CH3)3 |
|||
|
|
|
|||||
бетаин
|
|
O |
(CH3)3N-HC |
|
C |
|
||
R |
|
O– |
|
|
бетаины аминокислот (R-алкил)
4. Ацилирование
|
CH2-COOH |
(CH3CO)2O |
CH2-COOH |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
H2N |
|
|
|
- CH3COOH |
NH C CH3 |
|
|||||
|
|
|
|||||||||
- H2O |
|
|
HCOOH |
O |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-ацетиламиноэтановая кислота, |
|
|
CH2-COOH |
|
|
|
|
|
N-ацетилглицин |
||||
|
|
формилирование, |
|
||||||||
|
NH C |
H |
|
введение группы СНО |
|
||||||
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-формиламиноэтановая кислота, |
|
|||||||||
|
N-формилглицин |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|||
CH -COOH + C |
H -C-Cl |
NaOH |
|
CH2-COOH |
|
||||||
|
|
||||||||||
|
2 |
|
|
6 |
5 |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
|
NH-C(O)C |
H |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
5 |
|
|
|
|
бензоилирование по |
N-бензоиламиноэтановая кислота, |
||||||
|
|
|
|
Шоттен-Бауму |
N-бензоилглицин, гиппуровая |
||||||
|
O |
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
||
|
хлорангидрид бензойной кислоты, |
|
|||||||||
C |
H -C-Cl |
|
|||||||||
6 |
5 |
|
|
хлористый бензоил |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
151
5. Реакция с формальдегидом
|
|
|
|
|
|
+δ |
-δ |
|
|
|
CH -COOH + |
|
H- C=O |
|
|
CH -COOH |
|||||
|
|
|||||||||
-δ |
2 +δ |
|
H |
|
2 |
|||||
NH←H |
|
|
|
|
|
NHCH2OH |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-оксиметиламиноэтановая кислота, |
|
|
|
H-C=O , t0C |
|
|
|
N-оксиметилглицин |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2-COOH |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
N CH2 |
|
|
|
|
|
CH2-COOH |
|||
|
|
|
|
|
|
|
-H2O |
|
|
N=CH2 |
|
H |
|
OH |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-метиленаминоэтановая кислота, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N-метиленглицин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Нингидринная реакция (качественная)
|
O |
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
C |
OH |
|
|
C |
OH |
O |
|
NH |
+ CO |
|
|
|
|
|
R-C |
+ |
||||
|
|
C OH |
+ R-CH-COOH |
|
C |
+ |
||||
|
|
|
H |
H |
3 |
2 |
||||
|
C |
|
NH2 |
OH |
C |
|
|
|
|
|
|
O |
|
α-аминокислота |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидрат 1,2,3-индантриона |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
нингидрин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
O |
O |
|
|
|
|
|
C |
OH |
|
|
C |
C |
|
|
|
|
|
|
+ NH |
|
C N |
|
+ H2O + H |
||||
2 |
|
C |
|
|
||||||
|
|
OH |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
||
|
O |
|
|
|
O |
O |
|
|
|
|
продукт реакции сине-фиолетового цвета
Пролин и гидроксипролин, у которых нет α - аминогрупп, в реакции с нингидрином образуют производное желтого цвета. Реакцию используют для колориметрического количественного определения аминокислот, в том числе в автоматических аминокислотных анализаторах.
152
7. Этерификация
Этерификация аминокислот идет в два этапа. Сначала в присутствии хлористого водорода в качестве катализатора получают соль сложного эфира, а затем действием более сильного основания, например триэтиламина, выделяют сложный эфир аминокислоты.
CH -COOH + C |
H OH |
HCl(сухой) |
CH |
-COOC H |
N(C2H5)3 |
CH |
-COOC H |
|||||
|
|
|
|
|||||||||
2 |
2 |
5 |
-H2O |
2 |
2 |
5 |
|
|
2 |
2 |
5 |
|
NH2 |
|
|
H3N |
Cl |
-(C2H5)3NH Cl |
NH2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
гидрохлорид этил аминоэтаноата, |
этил аминоэтаноат, |
||||||||
|
|
|
гидрохлорид этилового эфира |
этиловый эфир глицина |
||||||||
глицина
8. Декарбоксилирование (для α-аминокислот)
R-CH |
O |
> 2000C |
R-CH2NH2 |
+ CO2 |
|
C |
|
|
|||
|
|
||||
H2N OH
9. Термическое поведение аминокислот а) α - аминокислоты
Межмолекулярная циклизация α-аминокислот приводит к образованию 6- членного цикла - дикетопиперазина, содержащего два амидных фрагмента.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
H |
|
O |
|
|
O-H |
H-NH |
|
R |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
N |
|
||||||||
|
C |
|
|
|
|
HC |
t0C |
O |
|
R |
N |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
HC |
|
|
|
|
|
C O |
- 2 H2O |
R |
|
|
|
|
||
NH- |
H |
|
H-O |
N O |
N |
|||||||||
R |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дикетопиперазин |
пиперазин |
|||
б) β - аминокислоты
βα t0C
CH2 CH-COOH |
|
CH2=CH-COOH |
|||
- NH3 |
|||||
|
|
|
акриловая кислота |
||
NH2 H |
|||||
|
|||||
|
β-аланин |
|
|||
153
в) γ, δ, ε - аминокислоты
Внутримолекулярная циклизация γ, δ, ε - аминокислот с выделением молекулы воды дает очень важные производные аминокислот – циклические амиды, которые называпют лактамами. Лактамный фрагмент присутствует в структуре ряда лекарственных препаратов (ноотропил, фенотропил), в структуре пуриновых и пиримидиновых оснований, алкалоидов (см. соответствующие темы).
β |
|
α |
0 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
t C |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
- H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
OH |
|
|
N |
O |
|
||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
-H |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
γ-аминомасляная кислота |
|
|
|
|||||||||||
лактам |
|
|||||||||||||
(ГАМК) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
n=1, бутиролактам; n=2, валеролактам; n=3, капролактам |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C6H5 |
|
|
|
|
|
|
N |
O |
|
N |
O |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
CH2-CO-NH2 |
|
|
CH2-CO-NH2 |
|||||||
2-оксо-1-пирролидинацетамид |
|
2-оксо-4-фенил-1-пирролидинацетамид, |
||||||||||||
ноотропил или пирацетам |
|
фенотропил |
||||||||||||
ПЕПТИДЫ
Пептиды – это природные или синтетические соединения, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидными (пептидный мостик), по своей сути, амидными связями.
O
H
* C N *
Молекулы пептидов могут содержать неаминокислотную компоненту. Пептиды, имеющие до 10 аминокислотных остатков, называются олигопептидами (дипептиды, трипептиды и т.д.) Пептиды, содержащие
154
более 10 до 60 аминокислотных остатков, относят к полипептидам. Природные полипептиды с молекуляроной массой более 6000 дальтон называют белками.
Номенклатура
Аминокислотный остаток пептида, который несет α-аминогруппу, называют N-концевым, несущий свободную α-карбоксильную группу – С-концевым. Название пептида состоит из перечисления тривиальных названий аминокислот, начиная с N-концевой. При этом суффикс «ин» меняется на «ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой.
Примеры
а)
пептидный связь
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
C |
N |
CH |
C OH |
|
|
NH2 |
|
|
|
CH3 |
|
глицил аланин
N - концевая аминокислота
С - концевая аминокислота
Глицилаланин или Gly-Ala
б) аланил-серил-аспаргил-фенилаланил-глицин
или Ala – Ser – Asp – Phe – Gly. Здесь аланин N-концевая аминокислота, а глутамин – С-концевая аминокислота.
Классификация пептидов
1.Гомомерные – при гидролизе образуются только аминокислоты.
2.Гетеромерные – при гидролизе кроме α-аминокислот, образуются неаминокислотные компоненты, например:
а) гликопептиды; б) нуклеопептиды; в) фосфопептиды.
155
Пептиды могут быть линейными или циклическими. Пептиды, в которых связи между аминокислотными остатками только амидные (пептидные), называются гомодетными. Если, кроме амидной группы, имеются сложноэфирные, дисульфидные группы пептиды называются гетеродетным. Гетеродетные пептиды, содержащие гидроксиаминокислоты называются пептолидами. Пептиды, состоящие из одной аминокислоты называются гомополиаминокислотами. Те пептиды, которые содержат одинаковые повторяющиеся участки (из одного или нескольких аминокислотных остатков), называют регулярными. Гетеромерные и гетеродетные пептиды называются депсипептидами.
|
Строение пептидной связи |
|
В амидах связь |
углерод-азот |
является частично двоесвязанной |
вследствие р,π-сопряжения НПЭ атома азота и π-связи карбонила (длина связи С-N: в амидах - 0,132 нм , в аминах - 0,147 нм), поэтому амидная группа является плоской и имеет транс-конфигурацию. Таким образом, пептидная цепь представляет собой чередование плоских фрагментов амидной группы и фрагментов углеводородных радикалов соответствующих аминокислот. В последних вращение вокруг простых связей незатруднено, следствием этого является образование различных конформеров. Длинные цепи пептидов образуют α-спирали и β-структуры (аналогично белкам).
|
O |
|
|
|
R * |
C |
CH |
R |
|
* |
||||
CH |
N |
|
||
|
H |
|
|
Синтез пептидов
В процессе синтеза пептида должна образоваться пептидная связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой аминокислоты. Из двух аминокислот возможно образование двух дипептидов:
156