III. Биологически важные реакции a- аминокислот

1. Способность к образованию внутренних солей (биполярных, или «цвиттер» – ионов). Карбоксильная группа проявляет кислотные свойства, диссоциирует с отщеплением протона. Амино-группа проявляет основные свойства – способна протонироваться по неподеленной электронной паре атома азота. В результате в водных растворах и в кристаллическом состоянии аминокислоты существуют в виде внутренних солей:

₊

NH₂-CH-COOH NH₃-CH-COO^-

½ ® ½

R R

Суммарный заряд молекулы зависит от строения радикала R и рН среды:

а) моноаминомонокарбоновая кислота:

OH^- ₊ H⁺ ₊

[NH₂-CH₂-COO^-] ^-1 ® [NH₃-CH₂-COO ^-]⁰ ®[ NH₃-CH₂-COOH]⁺¹

б) моноаминодикарбоновая кислота:

+ +

NH₂-CH-COO^{- -2} NH₃-CH-COO^{- -1} NH₃-CH-COO^- °

½ HO^- ½ Н⁺ ½

CH₂ ® CH₂ ® CH₂

½ ½ ½

COO^- COO^- COOН

2Н⁺

₊

NH₃-CH-COOH ⁺¹

½

CH₂

½

СOOH

в) диаминомонокарбоновая кислота:

NH₂-CH-COO^- ° ⁺ NH₃-CH-COO^{- +1 +} NH₃-CH-COOH ⁺²

½ HO^- ½ Н⁺ ½

(CH₂ )₄ ® (CH₂)₄ ® (CH₂)₄ ^- ½ ½ ½

⁺ NH₃ ⁺NH₃ ⁺NH₃

­¯2НО^-

NH₂-CH-COO^{- -1}

½

(CH₂)₄

½

NH₂

Свойство аминокислот изменять заряд при определенном значении рН, а, следовательно, двигаться в электрическом поле к разным электродам лежит в основе метода электрофореза, который используется для разделения смесей аминокислот и белков.

Значение рН среды, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, или рН_i). В ИЭТ молекула теряет электрофоретическую подвижность, снижается растворимость белка в воде, он может выпадать в осадок.

2. Способность к образованию комплексных солей с ионами тяжелых металлов:

··

2NH₂-CH-C=O + Cu²⁺ +2Н⁺

½ ½

R OH

··

Комплексная соль Cu²⁺ хорошо растворима в воде и окрашена в ярко-синий цвет, что может быть использовано как качественная реакция на a- аминокислоты.

3. Реакция декарбоксилирования:

in vivo

декарбоксилаза

CO₂ +

in vitro

t°, Ba(OH)₂

гистидин гистамин

СО₂ +

триптофан триптамин

В результате реакции декарбоксилирования a- аминокислот образуются биогенные амины, обладающие сильной физиологической активностью.

4. Реакции дезаминирования:

а) дезаминирование по Ван-Слайку in vitro:

NH₂-CH₂-COOH + HONO N₂­ + HO-CH₂-COOH + H₂O

глицин гликолевая кислота

По объему выделяющегося газообразного азота судят о количестве аминокислоты в растворе.

б) неокислительное дезаминирование in vivo протекает у низших организмов (бактерий, грибов):

-NH₃

HOOCCH ₂ ®CH®COOH HOOC –CH=CH-COOH

¯ фумаровая кислота

NH₂

аспарагиновая кислота

в) окислительное дезаминирование in vivo:

фермент, НАД⁺

HOOC – (CH₂)₂ – C H ^_ COOH HOOC-(CH₂)₂-C-COOH

½ -НАД^.H;-H⁺

NH ₂ NH

глутаминовая кислота

H₂O

HOOC-(CH₂)₂-C-COOH

-NH₃

O

a- кетоглутаровая кислота

Реакция протекает под действием фермента глутаматдегидрогеназы и кофермента НАД⁺.

5. Образование оснований Шиффа:

H-C=O + H₂N-CH₂-COOH H₂C-N H -CH₂-COOH H₂O +

½ глицин ½

H OH

+ CH₂=N-CH₂-COOH

метилениминокислота

Реакция лежит в основе метода формольного титрования по Зеренсену. Сами аминокислоты вследствие амфотерности не могут быть оттитрованы щелочью. Иминокислота содержит свободную карбоксильную группу и может быть определена количественно титрованием щелочью.

6. Взаимодействие с 2,4-динитрофторбензолом – ДНФБ (реактивом Сенджера):

+ H₂N-CH-COOH

½ ^–HF

R

ДНФБ a-аминокислота ДНБ-производное

ДНБ-производное аминокислоты может быть выделено и идентифицировано хроматографически. Метод служит для определения аминокислотной последовательности белка.

7. Нингидриновая реакция обусловлена наличием a- аминогруппы, качественная реакция на a- аминокислоты, пептиды и белки:

t°

+ NH₂-CH-COOH

2 ½

R

a- аминокислота

нингидрин

H + CO₂ + 3H₂O + R-CHO

продукт сине-фиолетового цвета

8. Реакция трансаминирования (переаминирования) in vivo:

фермент трансфераза

NH₂-CH-COOH +

½ пиридоксальфосфат

CH₃ (вит. В₆)

аланин a- кетоглутаровая

кислота

О=С-СOOH + НООС-СH-(СH₂)₂-СOOH

½ ½

CH₃ NH₂

пировиноградная глутаминовая

кислота кислота

9. Способность к образованию полипептидов. Карбоксильная группа одной аминокислоты может реагировать с аминогруппой другой аминокислоты с образованием пептидной связи:

-H₂O

NH₂-CH-C=O + H -NH-CH-C=O

½ ½ ½ ½

R ₁ OH R₂ OH

Дипептид

Последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями, является первичной структурой белков.

Процесс, обратный образованию пептида, называется гидролизом.

Существуют три вида гидролиза белка: кислотный, щелочной и ферментативный. Результатом является образование смеси аминокислот, которые могут быть разделены и идентифицированы методами хроматографии или электрофореза. Таким образом определяют аминокислотный состав белка.

Рассмотрим пример:

Составить трипептид Глу-Асн-Про и дать ему полную характеристику.

Решение:

-2H₂O

+ +

глутамил-аспарагинил-пролин

В названии пептида окончания аминокислот меняются на «ил», кроме последней аминокислоты.

Характеристика пептида. 1. Реакция пептида на индикатор – кислотная, так как в пептиде две кислотные группы – СOOH и одна основная –NH₂

(группа – С=О не проявляет основных свойств – см. классификацию)

½

NH₂

2. Суммарный заряд пептида в водной среде:

^-1

⁺

3. Изменение суммарного заряда с изменением рН среды. Запишем пептид в упрощенном виде, выделив лишь заряженные группы и обозначив остальную часть пептида радикалом R: ₊

^{0 +1}

-1 H^{+ +} H⁺

⁺

OH^-

-2

4. Изоэлектрическая точка пептида (определение см. выше) лежит в слабокислой среде.

5. Поверхностные свойства пептида зависят от соотношения гидрофильных и гидрофобных боковых радикалов и концевых групп.

В пептиде содержатся 4 гидрофильные группы: 2-СOOH, -C=O, ⁺NH₃

и одна гидрофобная: радикал пролина ½

NH₂

Гидрофильных групп больше, поэтому поверхность пептида гидрофильна, он растворим в воде.

Пептиды являются продуктом частичного гидролиза белков. Но многие пептиды присутствуют в свободном состоянии в клетках и тканях и выполняют специфические биологические функции. К ним относятся гормоны, антибиотики и другие соединения, обладающие высокой биологической активностью.

Самостоятельное значение пептидов в процессах жизнедеятельности человеческого организма велико.

В нервной ткани выделены нейропептиды, влияющие на функции нервной системы: энкефалины, эндорфины – «опиоидные» пептиды, аналогично морфину подавляющие боль; пептиды, действующие на сон; пептиды памяти и др.

Известны гормоны пептидной природы: окситоцин, вазопрессин (гормоны задней доли гипофиза), меланоцитстимулирующий гормон (выделяется средней долей гипофиза), адренокортикотропный гормон (АКТГ) (передней доли гипофиза), глюкагон (поджелудочной железы), гормоны желудочно-кишечного тракта и др.

К пептидам относятся токсины, выделенные из бледной поганки, токсины яда пчел, змей, скорпионов, морских позвоночных.

В медицине используются пептиды-антибиотики: грамицидин S, актиномицин и др.; пептиды-регуляторы иммунитета: тафцин; пептиды – заменители сахара: аспартам и т.д.

Строение пептидной связи

..

¾ ¾ N ¾

½

H

Атом углерода пептидной связи находится в sp² –гибридизации. Неподеленная электронная пара атома азота вступает в сопряжение с p- связью. Таким образом, пептидная связь представляет собой трехцентровую r,p- сопряженную систему.

_.

.

:…. ….

¾ ¾ N ¾

½

H

В результате связь C-N приобретает характер двоесвязанности, становится «полуторной». Вращение вокруг этой связи затруднено. В большинстве природных белков и пептидов имеет место транс-конфигурация пептидной связи, что важно для стабилизации вторичной структуры.

Для пептидной связи характерно явление лактам-лактимной таутомерии:

OH

½

N ¾ ¾ C = N ¾

½

H

лактам лактим

За счет лактимной формы пептиды дают качественную цветную реакцию с ионами Сu²⁺ аналогично биурету – веществу, получаемому из 2 молекул мочевины:

+

-NH₃

мочевина биурет

лактамная форма биурета лактимная форма биурета

Эта реакция называется биуретовой. Она используется как качественная реакция для обнаружения пептидов и белков.

Тема 8. Углеводы

Цель занятия: закрепить и расширить знания принципов стереоизомерии, таутомерного равновесия и химических свойств, важнейших моно-, ди- и полисахаридов, участвующих в процессах жизнедеятельности, а также приобрести практические навыки идентификации углеводов.