Поведение аминокислот в водных растворах: образование цвиттер-ионов, изменение заряда и электрофоретической подвижности в зависимости от рН-среды. Изоэлектрическая точка

Кислотно- основные свойства аминокислот

Аминокислоты – амфотерные вещества, в твердом состоянии они всегда существуют в виде биполярного, двухзарядного иона- «цвиттер- иона». (zwei - нем –два)

R – CH – COOH <—> R – CH – COO ^–

| |

NH₂ + NH₃

биполярный ион

Нейтральные аминокислоты

Если в составе радикала аминокислоты нет групп, склонных к ионизации, то такая аминокислота и при растворении в воде представляет собой биполярный ион. К этаким аминокислотам – их называют нейтральными аминокислотами - относятся аланин, валин, гистидин, глицин, изолейцин, лейцин, метионин, серин, тирозин, треонин, триптофан, фенилаланин, цистеин. Нейтральные аминокислоты незначительно изменяют рН водного раствора в слабокислую сторону, не создают электропроводность водного раствора.

Биполярный ион в кислой среде приобретает положительный заряд, а в щелочной – отрицательный.

R – CH – COO ^– +ОН^– R – CH – COO ^– + Н⁺ R – CH – COOН

| <——> | <——> |

NH₂ -Н₂ О + NH₃ + NH₃

анион в биполярный ион катион в

щелочной среде кислой среде

То значение рН, при котором аминокислота находится в виде биполярного иона, носит название изоэлектрической точки (pI).

Значение pI нейтральных аминокислот лежит в слабокислой среде. Например, у глицина pI = 5, 9, аланина – 6,02, фенилаланина- 5,88. Слабокислая среда полностью подавляет диссоциацию положительно заряженной группы (+ NH₃ ) и тем самым максимально повышают концентрацию цвиттер-иона.

В кислой среде нейтральная аминокислота становится катионом и мигрирует к катоду, а в щелочном растворе - анионом и перемещается к аноду при пропускании постоянного тока через раствор, содержащий смесь аминокислот. Ионы аминокислот передвигаются к электроду с различной скоростью, зависящей от природы аминокислоты и рН среды.

Метод анализа аминокислот и белков путем их разделения в электрическом поле называется электрофорезом.

Кислые аминокислоты

Две аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая, называемые моноаминодикарбоновыми, кислыми аминокислотами, содержат дополнительные карбоксильные группы в составе радикала

НООС- СН₂ - СН- СООН НООС – СН ₂– СН₂- СН- СООН

| |

NH₂ NH₂

аспарагиновая глутаминовая

В кристаллическом состоянии они являются биполярными ионами, при растворении в воде происходит диссоциация второй карбоксильной группы, среда раствора становится кислой(рН < 7), а кислота превращается в анион с зарядом -1.

НООС – (СН ₂)_n– СН- СОО ^{– –} ООС – (СН ₂)_n– СН- СОО ^– + Н⁺

| ————> |

+NH₃ <———— +NH₃

кристалл + Н ⁺ раствор

биполярный ион анион

Изоэлектрическая точка моноаминодикарбоновых кислот находится в кислой среде: у аспарагиновой (рI = 2, 87) и глутаминовой (рI = 3, 22).Это объясняется следующим образом: добавление протона более сильной кислоты подавляет диссоциацию ω – карбоксильной группы, анион превращается в цвиттер-ион.

Основные аминокислоты

Три аминокислоты – диаминомонокарбоновые, основные кислоты - содержат в радикале дополнительно аминогруппу- к ним относятся лизин, аргинин и орнитин (последняя не встречается в составе белков, но чрезвычайно важна для синтеза мочевины)

NH₂- (СН2) _n - СН- СООН NH₂- С - NH - (СН2)₃ - СН- СООН

| | | |

NH ₂ NH NH₂

n = 3 орнитин гуанидиновая

n = 4 лизин группа аргинин

В кристаллическом состоянии они являются биполярными ионами, а при растворении в воде происходит протонирование второй аминогруппы, возникает катион аминокислоты с зарядом +1. Среда раствора становится щелочной. Изоэлектрическая точка находится в щелочной среде: аргинин (рI = 10,76), лизин (рI = 9, 74).

+ НОН

⁺ NH₃- (СН) _n - СН- СОО^– ———> ⁺ NH₃- (СН) _n - СН- СОО^– + ОН^–

| <——— |

NH ₂ + ОН ^{– +} NH ₃

кристалл раствор

биполярный ион катион

В биполярном ионе присоединение протона от карбоксильной группы происходит к более основной ω – аминогруппе (она в меньшей степени испытывает акцепторное индуктивное действие карбоксильной группы по сравнению с группой в а- положениии).

В кислой среде возможно также протонирование одного атома азота цикла имдазола в молекуле гистидина (вспомните, такой атом азота мы называли «пиридиновый»)

Добавление более сильного основания вновь превращает катион диаминомонокарбоновой кислоты в цвиттер- ион.

NB! Водные растворы аминокислот обладают буферными свойствами.При добавлении кислоты или щелочи аминокислоты приобретают тот или иной заряд: если рН раствора больше, чем рI, преобладают анионы кислоты, если меньше, чем рI, то преобладают катионы кислоты.