Амфотерность аминокислот

Физические свойства

a-Аминокислоты – кристаллические вещества белого или сероватого цвета. Они хорошо растворяются в воде с образованием электролитов, плохо – в спирте, не растворяются в эфире. Аминокислоты в твердом и растворенном состоянии имеют биполярное строение, на что указывает отсутствие в ИК-спектрах отдельных полос поглощения, характерных для – NН₂ и –СООН групп, они обладают высокой температурой плавления (См. Приложение 3).

Амфотерность

– способность a- аминокислот диссоциировать в водном растворе по типу кислоты и основания из-за наличия в их составе групп кислотного (-СООН) и основ­ного (-NH₂) характера. Аминокислоты существует в виде равновесной смеси биполярного иона (цвиттериона) катионной и анионнойформ, равновесие которых зависит от рН среды:

+H⁺ +OH^–

NH₃⁺ – СH – COOH NH₃⁺ – CH – COO^– NH₂ – CH – COO^– + H₂O

ï – H⁺ ï – OH^– ï

R R R

Катионная форма Биполярный ион Анионная форма

Сильнокислая среда Сильнощелочная среда

рН 1,0 рН 7,0 рН 11,0

Катионные формы пребладают в сильнокислых средах, ани­онные - в сильнощелочных. Катионная фор­ма a-аминокислоты, с позиций теории Бренстеда, является двухосновной кислотой, содержащей две кислотные группы: недиссоциированную карбок­сильную группу и протонированную аминогруппу. Характеризуется кислота соответствующими значениями рК_а1 и рК_а2. Отдавая один протон, двухосновная кислота превращается в слабую одноосновную - диполярный ион с одной кислотной ⁺NH₃ -группой. Депротонирование диполярного иона приводит к получению ани­онной формы a-аминокислоты - карбоксилат-аниона (ос­нование Бренстеда).

Значения рК_а1, характеризующие кислотные свойства – СООН группы a-аминокислот, лежат в интервале от 1 до 3; значения рК_а2, характеризующие кислотность аммониевой группы, - от 9 до 10. Положение равновесия (со­отношение различных форм a-аминокислоты) в водном растворе при определенных значениях рН зависит от наличия в радикале R ионогенных групп, которые играют роль дополнительных кислотных и основных центров.

Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм a-ами­нокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (pI).

pI = 1/2 ^. (рК_{а n} + рК_{а n+1}),где

n - максимальное число положительных зарядов в протонированной a-аминокислоте

В изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы a-амино­кислоты равен нулю. Биполярные ионы не перемещаются в электрическом поле. При значениях рН ниже рI катион a-амино­кислоты (аммониевая форма) движется к катоду; при рН выше, чем pI, карбоксилат-анион аминокислоты перемещается к аноду. На этом основано разделение аминокислот методом электрофореза.

Нейтральные а-аминокислоты имеют рI несколько ниже 7,0 (5,5—6,3) из-за большей ионизации карбок­сильной группы под влиянием -I_эфф ⁺NH₃ –группы:

катион биполярный ион анион

pKa ₁ = 2,3 СOOH-группы pI = 6,0 рКа₂ = 9,6 ⁺NH₃-группы

Кислые а-аминокислоты, имеющие в радикале дополнительную карбоксильную группу, в сильнокислой среде находятся в полнос­тью протонированной форме. Они являются трехосновными кис­лотами (по Бренстеду), характеризующимися тремя значениями рК_а, как это видно на примере глутаминовой кислоты (рI = 3,2):

катион биполярный ион анион дианион

рКа₁= 2,2 (a-СOOH) pI=3,2 pKa₂=4,3 (COOH в pKa₃=9,7 ⁺NH₃- радикале группы

Основные а-аминокислоты имеют изоэлектрическую точку выше рН 7. В сильнокислой среде они также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых выглядят следующим образом:

Дикатион катион биполярный ион анион

лизина pKa₁=2,2 (COOH) pKa₂=9,0 (a-⁺NH₃) pKa₃=10,5 (⁺NH₃ в радикале)

Свойство аминокислот диссоциировать на ионы в кислой или щелочной среде лежит в основе методов разделения и идентификации их ионообменной хрома­тографией и электрофорезом (см. главу 6).