Аминокислоты в химии

Аминокислоты - органические вещества, в молекулах которых содержатся две функциональные группы: аминогруппа – NН2  и карбоксильная группа - СООН.

В природе встречается около 300 аминокислот. Степень их распространения в биосфере весьма различна. Белковые аминокислоты - универсальные компоненты всех клеток. Остальные встречаются реже. Многие из них найдены только в отдельных организмах. Некоторые - только в каком-нибудь одном.

В каждой молекуле аминокислоты есть атом углерода, связанный с четырьмя заместителями. Один из них — атом водорода, второй — кар­боксильная группа — СООН. Она лег­ко «отпускает на волю» ион водоро­да Н+, благодаря чему в названии аминокислот и присутствует слово «кислота». Третий заместитель — ами­ногруппа —NH2 и, наконец, четвёр­тый заместитель — группа атомов, ко­торую в общем случае обозначают R. У всех аминокислот R-группы разные, и каждая из них играет свою, очень важную роль.

Общая формула молекул аминокислот - NH2—R—COOH.

Структура

аминокислоты

с аминогруппой

слева и

карбоксильной

группой справа

В зависимости от взаимного положения карбоксильной и аминогруппы аминокислоты делятся на α-аминокислоты, например, α-аминобутановая кислота:

β-аминокислоты, пример - β-аминобутановая кислота:

γ-аминокислоты, пример такой кислоты -  γ-аминобутановая:

Молекулы аминокислоты могут содержать несколько карбоксильных или несколько аминогрупп.

Физические свойства аминокислот

Аминокислоты – твердые кристаллические вещества с высокой температурой плавления. Хорошо растворимы в воде, водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот существуют в виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе:

Изомерия.

Во всех α-аминокислотах, кроме глицина, α-углеродный атом связан с четырьмя разными заместителями, по­этому все эти аминокислоты могут существовать в виде двух изомеров (энантиомеров), являющихся зеркальными отражениями друг друга (оптическая изомерия). Каждый изомер относят к D- или L-ряду в зависимости от того, совпадает его конфигурация с конфигурацией D-глицеринового альдегида или нет:

Химические свойства аминокислот.

Аминокислоты - это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: аминогруппу с основными свойствами и карбоксильную группу с кислотными свойствами. Аминокислоты реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

Н2N-СН2-СООН + HCl→ Сl[Н3N-СН2-СООН]

Н2N-СН2-СООН + NaOH → H2N-CH2-COONa + Н2О.

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:

H2N-CH2—СООН          +Н3N-СН2—СОO-

Кислотно-основные превращения аминокислот в различных средах можно изобразить следующей общей схемой:

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).

Подобно первичным аминам, аминокислоты реагируют с азотистой кислотой, при этом аминогруппа превращается в гидроксогруппу, а аминокислота — в гидроксикислоту:

H2N-CH(R)-COOH + HNO2 → HO-CH(R)-COOH + N2↑+ H2O

Измерение объема выделившегося азота позволяет определить количество аминокислоты (метод Ван-Слайка).

Аминокислоты могут реагировать со спиртами в присутствии газообразного хлороводорода, превращаясь в сложный эфир (точнее, в хлороводородную соль эфира):

H2N-CH(R)-COOH + R'OH                     H2N-CH(R)-COOR' + Н2О

Сложные эфиры аминокислот не имеют биполярной структуры и являются летучими соединениями.

Важнейшее свойство аминокислот — их способность к конденсации с образованием пептидов.

Группа —CO—NH— называется амидной группой, а образующиеся полимеры - полиамидами.

Полиамиды  -аминокислот называются пептидами. В зависимости от числа остатков аминокислот различают дипептиды, трипептиды, полипептиды. В таких соединениях группы —CO—NH— называют пептидными группами, а связь C—N - пептидной связью.

Качественные реакции.

1)     Все аминокислоты окисляются нингидрином

с образованием продуктов, окрашенных в сине-фиолетовый цвет. Иминокислота пролин дает с нингидрином желтое окрашивание. Эта реакция может быть использована для количественного определения аминокислот спектрофотометрическим методом.

2)     При нагревании ароматических аминокислот с концентрированной азотной кислотой происходит нитрование бензольного кольца и образуются соединения, окрашенные в желтый цвет. Эта реакция называется ксантопротеиновой (от греч. ксантос — желтый).

Классификация аминокислот

По химической структуре группы R аминокислоты подразделяются на:

1)алифатические;

2)гидроксилсодержащие;

3)     серосодержащие;

4)     ароматические;

5)     кислые и амиды;

6)     основные;

7)     иминокислоты.

                            Алифатические аминокислоты

Гидроксилсодержащие аминокислоты

Серосодержащие аминокислоты

Ароматические аминокислоты

Кислые аминокислоты

Основные аминокислоты

Иминокислоты

Получение аминокислот

1. Замещение галогена на аминогруппу в соответствующих галогензамещенных кислотах:

2. Присоединение аммиака к α,β-непредельным кислотам с образованием β-аминокислот:

CH2=CH–COOH + NH3   H2N–CH2–CH2–COOH

3. Восстановление нитрозамещенных карбоновых кислот (применяется обычно для получения ароматических аминокислот):

O2N–C6H4–COOH + 3H2   H2N–C6H4–COOH + 2H2O

4. Биотехнологический способ получения чистых α-аминокислот в виде индивидуальных оптических изомеров. Этот способ основан на способности специальных микроорганизмов вырабатывать в питательной среде определенную аминокислоту.

Применение аминокислот

Аминокислоты широко используются в современной фармакологии. Являясь не только структурными элементами белков и других эндогенных соединений, они имеют большое функциональное значение. Некоторые из них выступают в качестве нейромедиаторных веществ. Некоторые аминокислоты нашли самостоятельное применение в качестве лекарственных средств.

Аминокислоты применяют также в качестве парентерального питания больных, то есть минуя желудочно-кишечный тракт, с заболеваниями пищеварительных и других органов; а также для лечения заболеваний печени, малокровия, ожогов (метионин), язв желудка (гистидин), при нервно-психических заболеваниях (глутаминовая кислота и т. п.). Аминокислоты применяются в животноводстве и ветеринарии для питания и лечения животных, а также в микробиологической, медицинской и пищевой промышленности.

Важно принимать аминокислоты с кофакторами, которыми обычно являются витамины, минеральные соли или другие питательные вещества, которые помогают аминокислотам в ходе процессов метаболизма в организме человека. Также важно принимать аминокислоты в комплексе, а не просто какую-то одну аминокислоту, поскольку в действие аминокислот вовлечены сложные метаболические пути, для которых необходимы разные кофакторы и другие аминокислоты.

8