Какие свойства проявляют аминокислоты в растворах
Аминокислоты относятся к гетерофункциональным соединениям, т.е. вещества, проявляющим свойства двух классов соединений. В неорганической химии такие соединения называют амфотерными.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ
По физическим свойствам аминокислоты резко отличаются от соответствующих кислот и оснований. Все они кристаллические вещества, лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях, имеют достаточно высокие температуры плавления; многие из них имеют сладкий вкус. Эти свойства отчётливо указывают на солеобразный характер этих соединений.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМИНОКИСЛОТ
Особенности физических и химических свойств аминокислот обусловлены их строением — присутствием одновременно двух противоположных по свойствам функциональных групп: кислотной и основной. $alpha$-аминокислоты являются амфотерными электролитами. Имея как минимум две диссоциирующие и противоположно заряженные группировки, аминокислоты в растворах с нейтральным значением рН практически всегда находятся в виде биполярных ионов, или цвиттер-ионов, в которых противоположные заряды пространственно разделены, например $H_3^+N—CH_2—CH_2—COO^-$.
Именно амфотерность аминокислот обуславливает их наиболее характерные свойства.
1. Кислотные свойства аминокислот проявляются по карбоксильной группе в их способности взаимодействовать, например, с щелочами:
или вступать в реакцию этерификации со спиртами с образованием сложных эфиров:
2. Основные свойства аминокислот проявляются по аминогруппе в их способности взаимодействовать с кислотами, образуя комплексные ионы по донорно-акцепторному механизму:
3. Амфотерность аминокислот проявляется также в их способности образовывать в растворе в результате диссоциации биполярный ион — внутреннюю соль, а самое главное, за счет амфотерности аминокислоты могут вступать друг с другом в реакции поликонденсации. образуя полипептиды и белки:
КАЧЕСТВЕННЫЕ (ЦВЕТНЫЕ) РЕАКЦИИ НА АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ
Качественные цветные реакции можно подразделить на два типа: универсальные и специфические. К универсальным реакциям относятся те, которые дают окрашивание в присутствии любых белков.
Специфические реакции доказывают наличие какой-то определенной аминокислоты. Все качественные реакции можно наблюдать на примере раствора яичного белка, представляющего собой многокомпонентную смесь аминокислот:
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЦВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ
1. Биуретовая реакция — универсальная реакция на все белки и пептиды, так как является реакцией на пептидную связь. Представляет собой взаимодействие щелочного раствора биурета ($(H_2NC(O))_2NH$ с раствором сульфата меди в присутствии гидроксида натрия (реактив Фелинга).
В реакцию, подобную биуретовой, вступают многие вещества, содержащие в молекуле не менее двух амидных группировок, амиды и имиды аминокислот и некоторые другие соединения. Продукты реакции в этом случае имеют фиолетовую или синюю окраску.
В условиях биуретовой реакции белки дают фиолетовую окраску, что используется для их качественного и количественного анализа. Биуретовая реакция обусловлена присутствием в белках пептидных связей, которые в щелочной среде образуют с сульфатом меди (ІІ) окрашенные солеобразные комплексы меди.
2. Нингидриновая реакция — цветная реакция на α-аминокислоты, которую осуществляют нагреванием последних в избытке щелочного раствора нингидрина (гидрата 1,2,3-индантриона).
Образующееся в результате реакции соединение (дикетогидринимин — на рисунке самый левый продукт реакции) имеет фиолетово-синюю окраску. Данную используют для колориметрического количественного определения $alpha$-аминокислот, в том числе в автоматических аминокислотных анализаторах.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ЦВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ
1. Реакция Щульца-Распайли (аналогично проводится реакция Адамкевича, только с добавлением глиоксиловой кислоты) — является специфической реакцией на аминокислоту триптофан — взаимодействие раствора яичного белка с 10% раствором сахарозы и равным объемом концентрированной $H_2SO_4$. На границе двух жидкостей образуется красно-фиолетовое кольцо (при нагревании на водяной бане реакция идет быстрее — главное не смешивать жидкости).
2. Реакция Милона — используется для обнаружения тирозина, в составе которого имеется фенольный гидроксил. При добавлении к раствору белка реактива Милона (раствор $HgNO_3$ и $Hg(NO_3)_2$ в разбавленной азотной кислоты $HNO_3$, содержащей примесь азотистой кислоты $HNO_2$) образуется осадок, сначала окрашенный в розовый, а затем в пурпурно-красный цвет. Нагревание до $50^circ C$ ускоряет эту реакцию.
3. Ксантопротеиновая реакция — является специфической реакцией и используется для обнаружения $alpha$-аминокислот, содержащих в радикале ароматический цикл, например фенилаланина. Для ее осуществления к раствору белка прибавляют концентрированную азотную кислоту $HNO_3$ до тех пор, пока не прекратится образование осадка, который при нагревании окрашивается в желтый цвет. Окраска возникает в результате нитрования ароматических колец аминокислотных остатков белка (тирозина и триптофана). При добавлении к охлажденной жидкости избытка щелочи появляется оранжевое окрашивание, обусловленное образованием солей нитроновых кислот.
4. Реакция Фоля на серосодержащие аминокислоты (цистеин, метионин) — взаимодействие раствора яичного белка с 30% раствором NaOH и 5% раствором уксуснокислого свинца — $Pb(CH_3COO)_2$. При длительном нагревании жидкость буреет, выпадает черный осадок сульфида свинца.
Аминокислоты – органические бифункциональные соединения, в состав которых входят карбоксильные группы –СООН и аминогруппы –NH2.
Природные аминокислоты можно разделить на следующие основные группы:
| 1) Алифатические предельные аминокислоты (глицин, аланин) | NH2-CH2-COOH глицин NH2-CH(CH3)-COOH аланин |
| 2) Серосодержащие аминокислоты (цистеин) |  цистеин |
| 3) Аминокислоты с алифатической гидроксильной группой (серин) | NH2-CH(CH2OH)-COOH серин |
| 4) Ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин) |  фенилаланин
тирозин |
| 5) Аминокислоты с двумя карбоксильными группами (глутаминовая кислота) | HOOC-CH(NH2)-CH2-CH2-COOH глутаминовая кислота |
| 6) Аминокислоты с двумя аминогруппами (лизин) | CH2(NH2)-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH лизин |
- Для природных α-аминокислот R-CH(NH2)COOH применяются тривиальные названия: глицин, аланин, серин и т. д.
- По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе:
- Часто используется также другой способ построения названий аминокислот, согласно которому к тривиальному названию карбоновой кислоты добавляется приставка амино- с указанием положения аминогруппы буквой греческого алфавита.
Аминокислоты – твердые кристаллические вещества с высокой температурой плавления. Хорошо растворимы в воде, водные растворы хорошо проводят электрический ток.
- Замещение галогена на аминогруппу в соответствующих галогензамещенных кислотах:
- Восстановление нитрозамещенных карбоновых кислот (применяется для получения ароматических аминокислот):
При растворении аминокислот в воде карбоксильная группа отщепляет ион водорода, который может присоединиться к аминогруппе. При этом образуется внутренняя соль, молекула которой представляет собой биполярный ион:
1. Кислотно-основные свойства аминокислот
Аминокислоты — это амфотерные соединения.
Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: аминогруппу с основными свойствами и карбоксильную группу с кислотными свойствами.
Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, щелочную или кислую среду в зависимости от количества функциональных групп.
Так, глутаминовая кислота образует кислый раствор (две группы -СООН, одна -NH2), лизин — щелочной (одна группа -СООН, две -NH2).
1.1. Взаимодействие с металлами и щелочами
Как кислоты (по карбоксильной группе), аминокислоты могут реагировать с металлами, щелочами, образуя соли:
1.2. Взаимодействие с кислотами
По аминогруппе аминокислоты реагируют с основаниями:
2. Взаимодействие с азотистой кислотой
Аминокислоты способны реагировать с азотистой кислотой.
Например, глицин взаимодействует с азотистой кислотой:
3. Взаимодействие с аминами
Аминокислоты способны реагировать с аминами, образуя соли или амиды.
4. Этерификация
Аминокислоты могут реагировать со спиртами в присутствии газообразного хлороводорода, превращаясь в сложный эфир:
Например, глицин взаимодействует с этиловым спиртом:
5. Декарбоксилирование
Протекает при нагревании аминокислот с щелочами или при нагревании.
Например, глицин взаимодействует с гидроксидом бария при нагревании:
Например, глицин разлагается при нагревании:
6. Межмолекулярное взаимодействие аминокислот
При взаимодействии аминокислот образуются пептиды. При взаимодействии двух α-аминокислот образуется дипептид.
Например, глицин реагирует с аланином с образованием дипептида (глицилаланин):
Фрагменты молекул аминокислот, образующие пептидную цепь, называются аминокислотными остатками, а связь CO–NH — пептидной связью.
Àìèíû – ýòî îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, â êîòîðûõ àòîì âîäîðîäà (ìîæåò è íå îäèí) çàìåùåí íà óãëåâîäîðîäíûé ðàäèêàë. Âñå àìèíû äåëÿò íà:
- ïåðâè÷íûå àìèíû;
- âòîðè÷íûå àìèíû;
- òðåòè÷íûå àìèíû.
Åñòü åùå àíàëîãè ñîëåé àììîíèÿ – ÷åòâåðòè÷íûå ñîëè òèïà [R4N]+Cl-.
 çàâèñèìîñòè îò òèïà ðàäèêàëà àìèíû ìîãóò áûòü:
- àëèôàòè÷åñêèå àìèíû;
- àðîìàòè÷åñêèå (ñìåøàííûå) àìèíû.
Àëèôàòè÷åñêèå ïðåäåëüíûå àìèíû.
Îáùàÿ ôîðìóëà CnH2n+3N.
Ñòðîåíèå àìèíîâ.
Àòîì àçîòà íàõîäèòñÿ â sp3-ãèáðèäèçàöèè. Íà 4-îé íåãèáðèäíîé îðáèòàëè íàõîäèòñÿ íåïîäåëåííàÿ ïàðà ýëåêòðîíîâ, êîòîðàÿ îáóñëàâëèâàåò îñíîâíûå ñâîéñòâà àìèíîâ:
Ýëåêðîíîäîíîðíûå çàìåñòèòåëè ïîâûøàþò ýëåêòðîííóþ ïëîòíîñòü íà àòîìå àçîòà è óñèëèâàþò îñíîâíûå ñâîéñòâà àìèíîâ, ïî ýòîé ïðè÷èí âòîðè÷íûå àìèíû ÿâëÿþòñÿ áîëåå ñèëüíûìè îñíîâàíèÿìè, ÷åì ïåðâè÷íûå, ò.ê. 2 ðàäèêàëà ó àòîìà àçîòà ñîçäàþò áîëüøóþ ýëåêòðîííóþ ïëîòíîñòü, ÷åì 1.
 òðåòè÷íûõ àòîìàõ èãðàåò âàæíóþ ðîëü ïðîñòðàíñòâåííûé ôàêòîð: ò.ê. 3 ðàäèêàëà çàñëîíÿþò íåïîäåëåííóþ ïàðó àçîòà, ê êîòîðîé ñëîæíî «ïîäñòóïèòüñÿ» äðóãèì ðåàãåíòàì, îñíîâíîñòü òàêèõ àìèíîâ ìåíüøå, ÷åì ïåðâè÷íûõ èëè âòîðè÷íûõ.
Èçîìåðèÿ àìèíîâ.
Äëÿ àìèíîâ ñâîéñòâåííà èçîìåðèÿ óãëåðîäíîãî ñêåëåòà, èçîìåðèÿ ïîëîæåíèÿ àìèíîãðóïïû:
Êàê íàçûâàòü àìèíû?
 íàçâàíèè îáû÷íî ïåðå÷èñëÿþò óãëåâîäîðîäíûå ðàäèêàëû (â àëôàâèòíîì ïîðÿäêå) è äîáàâëÿþò îêîí÷àíèå –àìèí:
Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà àìèíîâ.
Ïåðâûå 3 àìèíà – ãàçû, ñðåäíèå ÷ëåíû àëèôàòè÷åñêîãî ðÿäà – æèäêîñòè, à âûñøèå – òâåðäûå âåùåñòâà. Òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ ó àìèíîâ âûøå, ÷åì ó ñîîòâåòñòâóþùèõ óãëåâîäîðîäîâ, ò.ê. â æèäêîé ôàçå â ìîëåêóëå îáðàçóþòñÿ âîäîðîäíûå ñâÿçè.
Àìèíû õîðîøî ðàñòâîðèìû â âîäå, ïî ìåðå ðîñòà óãëåâîäîðîäíîãî ðàäèêàëà ðàñòâîðèìîñòü ïàäàåò.
Ïîëó÷åíèå àìèíîâ.
1. Àëêèëèðîâàíèå àììèàêà (îñíîâíîé ñïîñîá), êîòîðûé ïðîèñõîäèò ïðè íàãðåâàíèè àëêèëãàëîãåíèäà ñ àììèàêîì:
Åñëè àëêèëãàëîãåíèä â èçáûòêå, òî ïåðâè÷íûé àìèí ìîæåò âñòóïàòü â ðåàêöèþ àëêèëèðîâàíèÿ, ïðåâðàùàÿñü âî âòîðè÷íûé èëè òðåòè÷íûé àìèí:
2. Âîññòàíîâëåíèå íèòðîñîåäèíåíèé:
Èñïîëüçóþò ñóëüôèä àììîíèÿ (ðåàêöèÿ Çèíèíà), öèíê èëè æåëåçî â êèñëîé ñðåäå, àëþìèíèé â ùåëî÷íîé ñðåäå èëè âîäîðîä â ãàçîâîé ôàçå.
3. Âîññòàíîâëåíèå íèòðèëîâ. Èñïîëüçóþò LiAlH4:
4. Ôåðìåíòàòè÷íîå äåêàðáîêñèëèðîâàíèå àìèíîêèñëîò:
Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà àìèíîâ.
Âñå àìèíû – ñèëüíûå îñíîâàíèÿ, ïðè÷åì àëèôàòè÷åñêèå áîëåå ñèëüíûå, ÷åì àììèàê.
Âîäíûå ðàñòâîðû èìåþò ùåëî÷íîé õàðàêòåð:
Àìèíû ðåàãèðóþò ñ êèñëîòàìè, îáðàçóÿ ñîëè:
Ñîëè – òâåðäûå âåùåñòâà, õîðîøî ðàñòâîðèìû â âîäå è ïëîõî ðàñòâîðèìû â íåïîëÿðíûõ æèäêîñòÿõ. Ïðè ðåàêöèè ñ ùåëî÷àìè âûäåëÿþòñÿ ñâîáîäíûå àìèíû:
2. Îáðàçîâàíèå êîìïëåêñíûõ ñîåäèíåíèé ñ ïåðåõîäíûìè ìåòàëëàìè:
3. Ðåàêöèÿ ñ àçîòèñòîé êèñëîòîé, êîòîðàÿ îáðàçóåòñÿ ïî ñëåäóþùåé ñõåìå:
4. Ñãîðàíèå àìèíîâ. Â ðåçóëüòàòå îáðàçóåòñÿ óãëåêèñëûé ãàç, àçîò è âîäà:
Ïðèìåíåíèå àìèíîâ.
Íèçøèå àëèôàòè÷åñêèå àìèíû èñïîëüçóþò äëÿ ñèíòåçà ëåêàðñòâåííûõ ñðåäñòâ, ïëàñòìàññ è ïåñòèöèäîâ.
α-Аминокислоты в силу своего химического строения проявляют кислотно-основные (амфотерные) свойства, которые определяют многие физико-химические и биологические свойства белков. На этих свойствах основаны, почти все методы выделения и идентификации аминокислот и белков.
При нейтральном значении рН аминокислоты в растворах находятся в виде биполярного иона (цвиттер-иона), при этом аминогруппа протонирована (-NH3+), а карбоксильная группа — диссоциирована (-СОО-):
| (рН ≈7) |
Ионизация аминокислоты зависит от рН среды: в кислых растворах ионизирована аминогруппа, а в щелочных — карбоксильная группа:
В кислой среде α-аминокислоты выступают как основания (по аминогруппе), а в щелочной — как кислоты (по карбоксильной группе). У некоторых аминокислот может ионизироваться также радикал (R), в связи, с чем все аминокислоты можно разделить на заряженные и незаряженные (при физиологическом значении рН=6,0 — 8,0) (см. табл. 4). В качестве примера первых можно привести аспарагиновую кислоту и лизин:
Если радикалы аминокислот нейтральные, то они не оказывают влияния на диссоциацию α-карбоксильной или α-аминогруппы, и величинырК (отрицательный логарифм, показывающий значение рН, при котором эти группы наполовину диссоциированы) остаются относительно постоянными.
Величины рК для α-карбоксилыюй (pK1) и α-аминогруппы (рК2) сильно различаются. При рН < pK1 почти все молекулы аминокислоты протежированы и заряжены положительно. Напротив, при рН > рК2 практически все молекулы аминокислоты являются отрицательно заряженными, так как α-карбоксильная группа находится в диссоциированном состоянии.
Следовательно, в зависимости от рН среды аминокислоты имеют суммарный нулевой положительный или отрицательный заряд. Значение рН, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю, и она не перемещается в электрическом поле ни к катоду, ни к аноду, называется изоэлектрической точкой и обозначается pI.
Для нейтральных α-аминокислот значение pI находят как среднее арифметическое между двумя значениями рК:
При рН раствора меньше pI аминокислоты протонируются и, заряжаясь положительно, перемещаются в электрическом поле к катоду. Обратная картина наблюдается при рН > pI.
Для аминокислот, содержащих заряженные (кислотные или основные) радикалы, изоэлектрическая точка зависит от кислотности или основности этих радикалов и их рК (рК3). Значение pI для них находят по следующим формулам:
для кислых аминокислот:
для основных аминокислот:
В клетках и межклеточной жидкости организма человека и животных рН среды близко к нейтральному, поэтому основные аминокислоты (лизин, аргинин) имеют положительный заряд (катионы), кислые аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая) имеют отрицательный заряд (анионы), а остальные существуют в виде биполярного цвиттер-иона.
Стереохимия аминокислот
Важной особенностью белковых α-аминокислот является их оптическая активность. За исключением глицина все они построены асимметрично, в связи с чем, будучи растворены в воде или в соляной кислоте, способны вращать плоскость поляризации света. Аминокислоты существуют в виде пространственных изомеров, относящихся к D- или L-ряду. L- или D-конфигурация определяется типом строения соединения относительно асимметрического атома углерода (атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами атомов). В формулах асимметрический атом углерода обозначают звездочкой. На рис.3 показаны проекционные модели L- и D- конфигураций аминокислот, которые являются как бы зеркальным отображением друг друга. Все 18 оптически активных белковых аминокислот относятся к L -ряду. Однако в клетках многих микроорганизмов и в антибиотиках, продуцируемых некоторыми из них, обнаружены D-аминокислоты.
Рис. 3. Конфигурация L- и D- аминокислот
Строение белков
Исходя из результатов изучения продуктов гидролиза белков и выдвинутых А.Я. Данилевским идей о роли пептидных связей -CO-NH- в построении белковой молекулы, немецкий ученый Э.Фишер предложил в начале XX века пептидную теорию строения белков. Согласно этой теории, белки представляют собой линейные полимеры α-аминокислот, связанных пептиднойсвязью — полипептиды:
В каждом пептиде один концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (N-конец), а другой — свободную α-карбоксильную группу (С-конец). Структуру пептидов принято изображать, начиная с N-концевой аминокислоты. При этом аминокислотные остатки обозначаются символами. Например: Ala-Tyr-Leu-Ser-Tyr- •••—Cys. Этой записью обозначен пептид, в котором N-концевой α-аминокислотой является аланин, а С-концевой — цистеин. При чтении такой записи окончания названий всех кислот, кроме последних меняются на — «ил»: аланил-тирозил-лейцил-серил-тирозил-••• -цистеин. Длина пептидной цепи в пептидах и белках, встречающихся в организме, колеблется от двух до сотен и тысяч аминокислотных остатков.
Для определения аминокислотного состава белки (пептиды) подвергают гидролизу:
В нейтральной среде эта реакция протекает очень медленно, но ускоряется в присутствии кислот или щелочей. Обычно гидролиз белков проводят в запаянной ампуле в 6М растворе соляной кислоты при 105 °С; в таких условиях полный распад происходит примерно за сутки. В некоторых случаях белок гидролизуют в более мягких условиях (при температуре 37-40 °С) под действием биологических катализаторов-ферментов в течение нескольких часов.
Затем аминокислоты гидролизата разделяют методом хроматографии на ионообменных смолах (сульфополистирольный катионит), выделяя отдельно фракцию каждой аминокислоты. Для вымывания аминокислот с ионнообменной колонки используют буферы с возрастающим значением рН. Первым снимается аспартат, имеющий кислотную боковую цепь; аргинин с основной боковой цепью вымывается последним. Последовательность снятия аминокислот с колонки определяют по профилю вымывания стандартных аминокислот. Фракционированные аминокислоты определяют по окраске, образующейся при нагревании с нингидрином:
В этой реакции бесцветный нингидрин превращается; в синефиолетовый продукт, интенсивность окраски которого (при 570 нм) пропорциональна количеству аминокислоты (только пролин дает желтое окрашивание). Измерив, интенсивность окрашивания, можно рассчитать концентрацию каждой аминокислоты в гидролизате и число остатков каждой из них в исследуемом белке.
В настоящее время такой анализ проводят с помощью автоматических приборов — аминокислотных анализаторов (см. ниже рис. Схемы прибора). Результат анализа прибор выдаёт в виде графика концентраций отдельных аминокислот. Этот метод нашел широкое применение в исследовании состава пищевых веществ , клинической практике; с его помощью за 2-3 часа можно получить полную картину качественного состава аминокислот продуктов и биологических жидкостей.
Рис. Схема аминокислотного анализатора: 1 — вымывающий раствор (буфер с переменным рН); 2 — хроматогрифическая колонка (в верхнюю часть колонки вносят гидролизат белка, затем начинают вымывание); 3 — раствор нингидрина; 4 — водяная баня (подогревание необходимо для ускорения реакции нингидрина с аминокислотами); 5 — спектрофотометр и записывающее устройство; 6 — хроматограмма, каждый пик которой соответствует одной аминокислоте, а площадь пика пропорциональна концентрации аминокислоты в гидролизате.
Дата добавления: 2016-11-12; просмотров: 3946 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов
Читайте также:
Рекомендуемый контект:
Поиск на сайте:
© 2015-2020 lektsii.org — Контакты — Последнее добавление