ЛЕКЦИЯ 7ПРИРОДНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА -АМИНОКИСЛОТЫ Содержание лекции 7.1.Номенклатура, особенности пространственного и структурного строения природных аминокислот 7.2.Классификация природных аминокислот по признакам химического строения (алифатические, ароматические, серусодержащие, гидроксисодержащие, моноаминодикарбоновые, диаминомонокарбоновые) в соответсвии с кислотно-основными свойствами (нейтральные, кислые, основные); 7.3. Физические свойства природных аминокислот; 7.4. Поведение аминокислот в водных растворах: образование цвиттер-ионов, изменение заряда и электрофоретической подвижности в зависимости от рН-среды. Изоэлектрическая точка 7.5. Качественная реакция обнаружения аминокислот. 7.6. Химические свойства аминокислот 8.6.1. Химические свойства аминокислот in vitro: - образование солей с кислотами, основаниями - хелатов – с ионами меди - свойства карбоксильной группы: образование сложных эфиров, амидов. 7.6.2.. Химические свойства природных аминокислот in vivo - декарбоксилирование, - дезаминирование, -трансаминирование, -окислительное дезаминирование 7.7. Строение витамина В6 и механизм реакции с его участием 7. 8. Реакция поликонденсации, образование полипептидов. 7.9. Медико-биологическое значение аминокислот 7.10 Применение аминокислот и их производных в качестве лекарственных препаратов. 7. 11. Приложение - Перечень природных аминокислот (в соответствии с классификацией) - Кислотно-основные свойства аминокислот - Структурные формулы природных аминокислот
Исходный уровень знаний для усвоения темы: Кислотно-основные свойства биоорганических соединений, химические свойства карбоновых кислот и аминов, понятие «реакция поликонденсации», оптическая изомерия, стереоряды, основные понятия стереоизомерии – хиральный атом, энантиомер, диастереомер, рацемическая смесь.
Ключевые слова к теме Аминокислота, амфотерность, буфеный раствор, витамин В6, дезаминирование, декарбоксилирование, диастереомер, изоэлектрическая точка, концевые аминокислоты, окислительное дезаминирование, основание Шиффа(азометин), пептид(полипептид), пептидная группа, переаминирование (трансаминирование), поликонденсация, стереоизомер, стереоряд, энантиомер. 7.1. Номенклатура, особенности пространственного и структурного строения природных аминокислот Аминокислоты- большой класс органических соединений. характерным признаком которых является наличие в составе молекулы двух функциональных групп- карбоксильной и аминогруппы. Особую группу составляют природные аминокислоты. Их условно можно разделить на 2 группы: - аминокислоты, которые участвуют в образовании пептидов и белков. Для них характерно только а- строение и все принадлежат к L – стереоряду. - аминокислоты, которые обладают биологической активностью, но не являются мономерами природных полимеров белков и пептидов. Природные а – L - аминокислоты – мономеры полипептидов и белков. Обычно выделяют около 20 природных аминокислот, из которых образуется все множество природных белков растительного и животного происхождения. Единый генетический код природы определяет единство аминокислотного состава белков. Номенклатура природных аминокислот: применяются тривиальные названия. Особенности строения и стереохимия. Природные аминокислоты относятся к L – стереоряду и имеют а- строение (это означает, что обе функциональные группы- амино- и карбоксильная- связаны с общим атомом углерода, который всегда оптически активный (за исключением глицина – аминоуксусной кислоты). Исследованию пространственного строения природных аминокислот посвящены фундаментальные работы Э.Фишера, П. Каррера.
R –C*H – COOH COOH NH2 - СН2- СООН | | глицин NH2 NH2 - *C – H | R L – стереоряд Большинство природных аминокислот имеют только один асимметричный атом углерода, но две аминокислоты – треонин и изолейцин – содержат два хиральных центра. Обе аминокислоты могут быть представлены двумя парами диастереомеров.(конечно, каждое соединение существует в виде 4 стереоизомеров, но конфигурация атома, связанного с амино- и карбоксильной группой может быть только L- ряда. Поэтому количество изомеров сводится к двум) На рисунке представлены истинные абсолютные конфигурации этих аминокислот.
СН3 – *С Н - *С Н – СООН С 2Н5 – *С Н - *С Н- СООН | | | | ОН NH2 СН3 NH2 L- треонин L - изолейцин
СООН СООН | | NH2 – C - Н NH2- С – Н | | Н – С - ОН СН3 – С - Н | | СН3 С 2Н5
7. 2 Классификация природных аминокислот Природные аминокислоты классифицируют по нескольким признакам: 1) биологическому: в отношении обмена веществ в организме человека различают два вида аминокислот заменимые (синтезируются в клетках человека): аланин, аргинин, аспарагиновая кислота, глицин, глутаминова кислота, гистидин, пролин, серин, тирозин, цистеин, незаменимые (не синтезируются в клетках человека, должны поступать с продуктами питания): валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин Для детей дополнительно незаменимыми являются аргинин и гистидин. 2) химическому, который связан со строением и составом радикала 3) физико- химическому, в основу которого положены кислотно- основные свойства: различают нейтральные, кислые, основные аминокислоты.
7. 3Физические свойства природных аминокислот Аминокислоты – твердые, кристаллические вещества, многие хорошо растворимы в воде, некоторые сладкие на вкус.
7.4 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.
|
