posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

Некоторые аминокислоты (цистин, треонин, изолейцин и гидроксипролин) имеют два хиральных центра и могут существовать в виде четырех стереоизомеров. Однако для цистина число возможных стереоизомеров меньше из-за наличия плоскости симметрии у мезоформы, которая оптически неактивна.

-Аминокислоты в свободном виде представляют собой твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, плохо растворимые в спирте, не растворимые в эфире и других неполярных органических растворителях. -Аминокислоты характеризуются высокими температурами плавления, что обусловлено их существованием в виде цвиттер-ионов (биполярных ионов):

Наличие как основной (NH2), так и кислотной (СООН) групп в молекуле означает, что в водном растворе реальное строение частиц зависит от значения рН. При низких значениях рН карбоксильная группа находится в недиссоциированном состоянии, аминогруппа – в протонированной форме.

171

При высоких значениях рН аминокислоты в водных растворах находятся в виде аминокарбоксилат-анионов. При промежуточных значениях рН основная частица, находящаяся в растворе в существенных количествах, – это цвиттер-ион, молекулярная форма RCH(NH2)CООН не присутствует в сколько-нибудь значительной степени. На существовании в сильно кислой среде аминокислот в катионной форме и в щелочной среде – в анионной форме основано разделение аминокислот методом электрофореза: катионы под действием электрического тока перемещаются к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы – к аноду (положительно заряженному электроду). рН раствора аминокислоты, при котором средний заряд молекулы равен нулю, называется изоэлектрической точкой (рI). Состояние аминокислоты, в котором ее заряд равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием (т.е. в растворе концентрация биполярных ионов аминокислоты максимальна, а концентрации катионных и анионных форм аминокислоты минимальны и равны между собой). Для моноаминомонокарбоновых кислот значения рН, при котором они находятся в изоэлектрическом состоянии, лежат в пределах 5.5-6.3, что близко к нейтральной среде, поэтому такие аминокислоты называют нейтральными. Для моноаминодикарбоновых кислот значения рН, при котором они находятся в изоэлектрическом состоянии, лежат в сильно кислой среде (рI 3.1), поэтому такие аминокислоты называют кислыми. У диаминомонокарбоновых кислот значения рН в изоэлектрическом

172

состоянии лежат в сильно щелочной среде (рI 9.8), такие аминокислоты называют основными.

В реакциях аминокислоты проявляют себя как гетерофункциональные соединения, т.е. реагируют в зависимости от реакционного партнера либо одной функциональной группой, либо обе функциональные группы вступают в реакцию с реагентом.

Качественной реакцией на -аминокислоты является их взаимодействие со свежеполученным гидроксидом меди (II), в результате которого образуется внутрикомплексное соединение синефиолетового цвета:

Реакции по аминогруппе:

Под действием ацилирующих агентов аминокислоты легко подвергаются ацилированию с образованием амидов:

Превращение аминогруппы в амидную используется для защиты аминогруппы при синтезе пептидов и белков.

Как амины, аминокислоты подвергаются алкилированию под действием галогеналканов:

173

Аминокислоты реагируют с альдегидами, образуя аминоспирты, которые легко могут быть превращены в имины (основания Шиффа). Реакция аминокислот с формальдегидом приводит к образованию аминоспиртов, которые можно оттитровывать, используя метод кислотно-основного титрования. Непосредственное титрование аминокислот щелочью не может быть использовано для их количественного определения вследствие амфотерности аминокислот:

Аминокислоты могут вступать в реакции дезаминирования. В лабораторных условиях (in vitro) дезаминирование происходит под действием азотистой кислоты:

В животных и растительных организмах дезаминирование происходит с участием ферментов и может быть окислительным или неокислительным.

Неокислительное дезаминирование приводит к образованию , - непредельных кислот и отщеплению аммиака:

Окислительное дезаминирование идет с участием кофермента НАД+ и оксидаз – ферментов, катализирующих окислительновосстановительные реакции.

174

продукта сине-фиолетового цвета, что используется как общая качественная реакция на -аминкислоты:

Взаимодействие -аминокислот с 2,4-динитрофторбензолом приводит к образованию динитрофенильных производных, окрашенных в желтый цвет. Эти соединения легко идентифицируются хроматографическими методами по значениям Rf.

Взаимодействие с 2,4-динитрофторбензолом ранее использовалось для идентификации N-концевой аминокислоты белков и пептидов. Для этого на пептид действовали 2,4-динитрофторбензолом, а затем продукт подвергали гидролизу, получая в итоге смесь - аминокислот и концевую аминокислоту в виде динитрофенильного производного. При помощи хроматографического анализа легко идентифицировали N-концевую кислоту по ее динитрофенильному производному и определяли аминокислотный состав пептида. Однако аминокислотная последовательность в этом случае оставалась

175

неизвестной. Только для дипептидов, используя данный способ, можно было установить их аминокислотную последовательность.

Один из универсальных способов установления аминокислотной последовательности основан на взаимодействии -аминокислот с фенилизотиоцианатом:

На первом этапе реакции идет нуклеофильное присоединение – аминогруппа аминокислоты присоединяется к атому углерода за счет разрыва двойной связи углерод-азот, на втором этапе происходит внутримолекулярное нуклеофильное замещение, приводящее к образованию фенилтиогидантоина – циклического амида. Для определения аминокислотной последовательности пептида его подвергают воздействию фенилизотиоцианата в щелочной среде. Как и в предыдущем примере, сначала происходит нуклеофильное

176

присоединение к фенилизотиоцианату свободной аминогруппы N- концевой аминокислоты.

Дальнейшая обработка слабой кислотой без нагревания приводит к отщеплению от пептидной цепи N-концевой аминокислоты в виде фенилтиогидантоинового (ФТГ) производного, которое затем идентифицируется хроматографически. Последующее добавление к укороченному на одну аминокислоту пептиду фенилизотиоцианата в конечном итоге опять приводит к отщеплению аминокислоты с N-конца в виде ФТГ-производного. Таким образом можно определить аминокислотную последовательность, идентифицируя отщепляющиеся аминокислоты в виде их ФТГ-производных.

Реакции аминокислот по карбоксильной группе

Аминокислоты образуют сложные эфиры, реагируя с избытком спирта в присутствии HCl, как катализатора. Реакция протекает в спиртовой среде, а образующийся сложный эфир в виде соли выпадает

177

в осадок. Действуя более сильными основаниями на аммониевую соль сложного эфира, можно выделить сложный эфир в свободном виде:

Образование сложных эфиров используется для защиты карбоксильной группы при синтезе пептидов.

Карбоксильная группа аминокислот может быть превращена в ангидридную или галогенангидридную группу, но при проведении этих реакций необходимо предварительно защитить аминогруппу:

Превращение карбоксильной группы в более реакционные ангидридную или галогенангидридную группы используют для активации карбоксильной группы при синтезе белков и пептидов.

Избыток аминокислот в организме уменьшается не только за счет реакций дезаминирования, но и в результате реакций декарбоксилирования. Декарбоксилирование -аминокислот протекает легко, что объясняется наличием у -углеродного атома двух электроноакцепторных заместителей (NH2- и СООН-группы). Вне организма (in vitro) декарбоксилирование происходит при нагревании аминокислот в присутствии щелочей, в организме (in vivo) – с участием ферментов – декарбоксилаз, приводя к образованию биогенных аминов:

178

Стратегия пептидного синтеза

Пептиды и белки часто представляют как результат реакции поликонденсации -аминокислот. В действительности же, на практике реакцию поликонденсации не используют, так как даже при синтезе дипептидов этим способом возникают проблемы с аминокислотной последовательностью и выходом нужного дипептида.

При взаимодействии двух разных аминокислот образуются семь дипептидов (без учета трипептидов, тетрапептидов и т.д.), разных по строению и аминокислотной последовательности, что существенно уменьшает количество нужного продукта.