Аминокислоты: классификация, строение, номенклатура, изомерия и основные методы синтеза

Среди азотсодержащих органических веществ имеются соединения с двойственной функцией. Особенно важными из них являютсяаминокислоты.

 

В клетках и тканях живых организмов встречается около 300 различных аминокислот, но только 20 (α-аминокислоты) из них служат звеньями (мономерами), из которых построены пептиды и белки всех организмов (поэтому их называют белковыми аминокислотами). Последовательность расположения этих аминокислот в белках закодирована в последовательности нуклеотидов соответствующих генов. Остальные аминокислоты встречаются как в виде свободных молекул, так и в связанном виде. Многие из аминокислот встречаются лишь в определенных организмах, а есть и такие, которые обнаруживаются только в одном из великого множества описанных организмов. Большинство микроорганизмов и растения синтезируют необходимые им аминокислоты; животные и человек не способны к образованию так называемых незаменимых аминокислот, получаемых с пищей. Аминокислоты участвуют в обмене белков и углеводов, в образовании важных для организмов соединений (например, пуриновых и пиримидиновых оснований, являющихся неотъемлемой частью нуклеиновых кислот), входят в состав гормонов, витаминов, алкалоидов, пигментов, токсинов, антибиотиков и т. д.; некоторые аминокислоты служат посредниками при передаче нервных импульсов.

 

 

Аминокислоты — органические амфотерные соединения, в состав которых входят карбоксильные группы – СООН и аминогруппы -NH2.

 

Аминокислоты можно рассматривать как карбоновые кислоты, в молекулах которых атом водорода в радикале замещен аминогруппой.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ

 

Аминокислоты классифицируют по структурным признакам.

 

1. В зависимости от взаимного расположения амино- и карбоксильной групп аминокислоты подразделяют на α-, β-, γ-, δ-, ε- и т. д.

2. В зависимости от количества функциональных групп различают кислые, нейтральные и основные.

3. По характеру углеводородного радикала различают алифатические(жирные), ароматические, серосодержащие и гетероциклическиеаминокислоты. Приведенные выше аминокислоты относятся к жирному ряду.

 

Примером ароматической аминокислоты может служить пара-аминобензойная кислота:

 

Примером гетероциклической аминокислоты может служить триптофан – незаменимая α- аминокислота:

CH–COOH │ NH2

 

 

НОМЕНКЛАТУРА

По систематической номенклатуре названия аминокислот образуются из названий соответствующих кислот прибавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы по отношению к карбоксильной группе. Нумерация углеродной цепи с атома углерода карбоксильной группы.

Например:

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.

Пример:

 

Для α-аминокислот R-CH(NH2)COOH

, которые играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, применяются тривиальные названия.

 

Таблица. Некоторые важнейшие α-аминокислоты

 

Аминокислота	Сокращённое обозначение	Строение радикала (R)
Глицин	Gly (Гли)	H -
Аланин	Ala (Ала)	CH3 -
Валин	Val (Вал)	(CH3)2CH -
Лейцин	Leu (Лей)	(CH3)2CH – CH2 -
Серин	Ser (Сер)	OH- CH2 -
Тирозин	Tyr (Тир)	HO – C6H4 – CH2 -
Аспарагиновая кислота	Asp (Асп)	HOOC – CH2 -
Глутаминовая кислота	Glu (Глу)	HOOC – CH2 – CH2 -
Цистеин	Cys (Цис)	HS – CH2 -
Аспарагин	Asn (Асн)	O = C – CH2 – │ NH2
Лизин	Lys (Лиз)	NH2 – CH2- CH2 – CH2 -
Фенилаланин	Phen (Фен)	C6H5 – CH2 -

 

Если в молекуле аминокислоты содержится две аминогруппы, то в ее названии используется приставка диамино-, три группы NH2 – триамино- и т.д.

Пример:

Наличие двух или трех карбоксильных групп отражается в названии суффиксом –диовая или -триовая кислота:

 

 

ИЗОМЕРИЯ

 

1. Изомерия углеродного скелета

2. Изомерия положения функциональных групп

3. Оптическая изомерия

 

α-аминокислоты, кроме глицина NН2-CH2-COOH.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества с высокими (выше 250°С) температурами плавления, которые мало отличаются у индивидуальных аминокислот и поэтому нехарактерны. Плавление сопровождается разложением вещества. Аминокислоты хорошо растворимы в воде и нерастворимы в органических растворителях, чем они похожи на неорганические соединения. Многие аминокислоты обладают сладким вкусом.

 

ПОЛУЧЕНИЕ

 

1. Из карбоновых кислот по схеме:

 

1 стадия:

2 1

R-CH2-COOH + Cl2 t, hν → R-CH-COOH + HCl (р. замещения)

│

Cl

2-хлоркарбоновая кислота

 

2 стадия:

α

R-CH-COOH + 2NH3 → R-CH-COOH + NH4Cl

│ │

Cl NH2

α -аминокарбоновая кислота

 

2. Гидролиз полипептидов (белков):

 

CH2-CO-NH-CH-COOH + H2O ↔ CH2-COOH + CH3-CH-COOH

│ │ │ │

NH2 CH3 NH2 NH2

глицил-аланин (дипептид) глицин аланин

 

3. Микробиологический синтез. Известны микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности продуцируют α - аминокислоты белков.

 

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Аминокислоты амфотерные органические соединения, для них характерны кислотно-основные свойства.

 

Видео-опыт «Свойства аминоуксусной кислоты»

 

I. Общие свойства

 

1. Внутримолекулярная нейтрализация → образуется биполярный цвиттер-ион:

 

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:

+ -

NH2-CH2-COOH ↔ NH3-CH2-COO

цвиттер-ион

 

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, кислую или щелочную среду в зависимости от количества функциональных групп.

 

2. Поликонденсация → образуются полипептиды (белки):

 

При взаимодействии двух α-аминокислот образуется дипептид.

 

3. Разложение → Амин + Углекислый газ:

 

NH2-CH2-COOH → NH2-CH3 + CO2↑

 

II. Свойства карбоксильной группы (кислотность)

 

1. С основаниями → образуются соли:

 

NH2-CH2-COOH + NaOH → NH2-CH2-COONa + H2O

натриевая соль аминоуксусной кмслоты

 

2. Со спиртами → образуются сложные эфиры – летучие вещества (р. этерификации):

 

 

NH2-CH2-COOH + CH3OH HCl(газ)→ NH2-CH2-COOCH3 + H2O

метиловый эфир аминоуксусной кислоты

 

3. С аммиаком → образуются амиды:

 

NH2-CH(R)-COOH + H-NH2 → NH2-CH(R)-CONH2 + H2O

 

4. Практическое значение имеет внутримолекулярное взаимодействие функциональных групп ε-аминокапроновой кислоты, в результате которого образуется ε-капролактам (полупродукт для получения капрона):

 

III. Свойства аминогруппы (основность)

 

1. С сильными кислотами → соли:

 

HOOC-CH2-NH2 + HCl → [HOOC-CH2-NH3]Cl

или HOOC-CH2-NH2*HCl

 

2. С азотистой кислотой (подобно первичным аминам):

 

NH2-CH(R)-COOH + HNO2 → HO-CH(R)-COOH + N2↑+ H2O

гидроксокислота

 

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

 

IV. Качественная реакция

 

1. Все аминокислоты окисляются нингидрином с образованием продуктов сине-фиолетового цвета!

 

2. С ионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Комплексы меди (II), имеющие глубокую синюю окраску, используются для обнаружения α-аминокислот.

 

 

Видео-опыт "Образование медной соли аминоуксусной кислоты".

 

ПРИМЕНЕНИЕ

 

1) аминокислоты широко распространены в природе;

2) молекулы аминокислот – это те кирпичики, из которых построены все растительные и животные белки; аминокислоты, необходимые для построения белков организма, человек и животные получают в составе белков пищи;

3) аминокислоты прописываются при сильном истощении, после тяжелых операций;

4) их используют для питания больных;

5) аминокислоты необходимы в качестве лечебного средства при некоторых болезнях (например, глутаминовая кислота используется при нервных заболеваниях, гистидин – при язве желудка);

6) некоторые аминокислоты применяются в сельском хозяйстве для подкормки животных, что положительно влияет на их рост;

7) имеют техническое значение: аминокапроновая и аминоэнантовая кислоты образуют синтетические волокна – капрон и энант.