Химия 10 класс 10-X-4

4. Аминокислоты

Аминокислотами

называются органические бифункциональные соединения, в молекулах которых содержатся одновременно аминогруппа `-"NH"_2` и карбоксильная группа `-"COOH"`.  

Аминокислоты классифицируют несколькими способами в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы.

По положению аминогруппы различают `alpha`-, `beta`-, `gamma`-, `delta`-, `epsilon`-аминокислоты. Например: 

$$ \begin{array}{c}{\mathrm{CH}}_{3}-{\mathrm{CH}}_{2}-\underset{|}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-\mathrm{COOH}\\          {\mathrm{NH}}_{2}\end{array}$$ $$ \begin{array}{l}\underset{|}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_{2}-{\mathrm{CH}}_{2}-{\mathrm{CH}}_{2}-\mathrm{COOH}\\ {\mathrm{NH}}_{2}\end{array}$$
`alpha`-аминомаслянная кислота `gamma`-аминомаслянная кислота

Мы будем рассматривать только  `alpha`-аминокислоты, поскольку другие аминокислоты встречаются в природе значительно реже. Состав  `alpha`-аминокислот можно выразить общей формулой:

Одним из классификационных признаков `alpha`-аминокислот служит химическая природа радикала `"R"`. По этому признаку `alpha`-аминокислоты делят на алифатические, ароматические и гетероциклические.

Приведём структурные формулы аминокислот:

Номенклатура

По систематической номенклатуре ИЮПАК  углеродную цепь нумеруют, начиная с атома углерода карбоксильной группы. Названия аминокислот образуют от названий соответствующих карбоновых кислот с добавлением приставки амино- и указанием места расположения аминогруппы.  По рациональной номенклатуре атом углерода, связанный с карбоксильной группой, обозначают греческой буквой `alpha`, следующие – буквами `beta`, `gamma`, `delta`, `epsilon`. К названию соответствующей карбоновой кислоты (название используется тривиальное) добавляют приставку амино-.

Например:


Изомерия

1. Изомерия положения аминогруппы. В зависимости от взаимного расположения обеих функциональных групп различают `alpha`-, `beta`-, `gamma`-аминокислоты и т. д. Греческая буква при атоме углерода обозначает его удалённость от карбоксильной группы:

2. Изомерия, обусловленная разветвлением углеводородного радикала, рассматривалась подробно ранее в других классах органических соединений.

3. Межклассовая изомерия (аминокислоты изомерны нитросоединениям)

`"H"_2"N"-"CH"_2-"COOH"` `"CH"_3-"CH"_2-"NO"_2`
`("аминоуксусная кислота")` `("нитроэтан")`

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

 В состав белков животных организмов входят только `L`-аминокислоты.

Физические свойства

Аминокислоты – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус. Они плавятся при высоких температурах с разложением.

Получение

1. Гидролиз пептидов (см. «Химические свойства белков»)

2. Реакция аммиака с `alpha`-галогензамещенными кислотами:

3. Присоединение аммиака к непредельным карбоновым кислотам:

`"CH"_2="CH"-"COOH"+"NH"_3->"NH"_2-"CH"_2-"CH"_2-"COOH"`.

Присоединение идёт против правила Марковникова.

4. Микробиологический синтез. Метод позволяет получать многие аминокислоты с помощью микроорганизмов, которые развиваются в специальной питательной среде. Таким способом получают в промышленности лизин и глутаминовую кислоту.

Химические свойства

1. Кислотно-основные свойства.

Реакция водных растворов моноаминомонокарбоновых кислот близка к нейтральной. Это связано с тем, что аминокислоты содержат одновременно карбоксильную и аминогруппу, придающие этим соединениям кислотные и основные свойства.

Аминокислоты – амфотерные соединения, сочетающие в себе свойства слабых кислот и слабых оснований. Они способны вступать в реакции как с кислотами, так и со щелочами. Ионные уравнения реакций в общем виде:

$$ {\mathrm{NH}}_{2}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}+{\mathrm{H}}^{+}\to {}^{+}\mathrm{NH}_{3}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}$$

`"NH"_2-"CHR"-"COOH"+"OH"^(-) -> "NH"_2-"CHR"-"COO"^(-) +"H"_2"O"`

В твёрдом виде аминокислоты существуют в виде биполярных ионов (цвиттер-ионов); в  водном растворе – в виде равновесной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм. Цвиттер-ионы образуются при переносе протона от карбоксильной группы к аминогруппе: 

$$ {\mathrm{NH}}_{2}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}\rightleftarrows {}^{+}\mathrm{NH}_{3}-\mathrm{CHR}-{\mathrm{COO}}^{-}$$.

Обычно используемая запись строения аминокислоты в неионизированном виде служит лишь для удобства. Общим для всех аминокислот является преобладание катионных форм в сильнокислой среде и анионных – в сильнощелочных средах.

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

2. Поскольку аминокислоты являются первичными аминами, они вступают в реакцию с азотистой кислотой:

3. Аминокислоты реагируют со спиртами в присутствии газообразного хлороводорода, давая соль сложного эфира:

4. Взаимодействие аминокислот друг с другом. При поликонденсации аминокислот образуются пептиды. Реакция сопровождается образованием воды. Пептид, образованный двумя аминокислотами, называется дипептид, тремя – трипептид и т. д. В пептидах аминокислотные остатки соединены между собой пептидными (амидными) связями `bb(-"CO"-"NH"-)`. 

Приведём пример образования дипептида из аминокислот аланина и серина:

От двух молекул аминокислоты отщепляется одна молекула воды. Данный дипептид называется аланилсерин. Его также можно сокращённо обозначить Ала-Сер (Ala-Ser). На самом деле из аланина и серина могут образовываться ещё три дипептида Ala-Ala, Ser-Ser и Ser-Ala. Для направленного синтеза аланилсерина требуется заблокировать аминогруппу аланина или карбоксильную группу серина, провести синтез, а затем снять "защиту".

5. Качественной реакцией на аминокислоты является реакция с нингидрином с образованием продуктов синего или фиолетового цвета. Пролин даёт с нингидрином жёлтое окрашивание.

При нагревании ароматических аминокислот с концентрированной азотной кислотой происходит образование продуктов жёлтого цвета. Эту реакцию называют ксантопротеиновой.

6. Декарбоксилирование аминокислот представляет собой ферментативный процесс высвобождения углекислого газа из карбоксильной группы аминокислоты:

Применение аминокислот

Аминокислоты – важнейшие компоненты питания. Обычно человек получают их в виде традиционных пищевых белков, которые в организме гидролизуются в присутствии ферментов до аминокислот. Аминокислоты расходуются на построение белков, необходимых живому организму, или выводятся из него, после разложения до углекислого газа и аммиака в виде мочевины.

Все аминокислоты подразделяются на две группы: заменимые и незаменимые.

Заменимые аминокислоты могут быть синтезированы организмом человека и животных из других продуктов распада азотсодержащих компонентов пищи.

Незаменимые аминокислоты (аргинин, лизин, метионин, гистидин, валин, лейцин, фенилаланин, изолейцин, триптофан, треонин) должны поступать в организм с белками пищи.

Многие аминокислоты применяются в качестве лекарственных веществ, либо входят в их состав.

Незаменимые аминокислоты часто добавляют к пищевым продуктам для повышения их питательной ценности. Некоторые аминокислоты применяются для подкормки животных и птиц, что положительно влияет на их рост и продуктивность.

Аминокислоты имеют промышленное значение, участвуя в синтезе высокомолекулярных соединений (ВМС). Например, аминокапроновая кислота образует синтетическое волокно – капрон.