Химические свойства

I. Кислотно-оснóвные

АК за счет –I группы –NH₂ являются более сильными к-тами, чем соответствующие им карбоновые к-ты и более слабыми основаниями, чем амины.

a-АК являются амфотерными соединениями, т.к. содержат в одной молекуле –NH₂ гр., обусловливающую оснóвные св-ва и –СOOH – кислотные. Поэтому в зависимости от среды АК могут существовать в р-ре в виде катионов или анионов. В кислой среде протонируется –NH₂ гр., в щелочной – –COOH гр. превращается в анион –СОО^- . В среде близкой к нейтральной АК существует в виде диполярного иона:

Значение рН р-ра, при котором АК имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов, наз-ся изоэлектрической точкой (ИЭТ). Заряд белковой молекулы определяется суммой ионогенных групп –NH₃⁺ и –COO^–.

Изображение АК в неионизированной форме является упрощенным.

АК, как амфотерные соединения, образуют соли как с к-тами, так и с основаниями:

II. Р-ции по –СООН группе

АК могут диссоциировать, образовывать соли, сложные эфиры, ангидриды, амиды, хлорангидриды.

Эта р-ция используется как “защитная” в синтезе белков и пептидов.

III. Р-ции по –NH₂ группе

а) Р-ция солеобразования (см.выше)

б) Р-ция с HNO₂

Эта р-ция дезаминирования in vitro. По количеству выделившегося азота определяют кол-во АК (метод Ван-Слайка).

в) Хлорангидриды и ангидриды к-т образуют с АК ацилпроизводные (подобно аминам и мочевине):

Эта р-ция используется для “защиты” –NH₂ гр. в синтезе белков и пептидов.

г) Р-ция с формальдегидом

При взаимодействии с альдегидами a-АК, подобно первичным аминам, образуют основания Шиффа. Для аналитических целей применяется р-ция a-АК с формальдегидом, останавливающаяся на стадии N-гидроксиметильного производного АК (гидроксиметильной наз-ся гр. –СН₂ОН):

Последняя р-ция лежит в основе метода формольного титрования. Сами АК вследствие амфотерности не могут быть оттированы щелочью.
N-гидросиметильные производные АК содержат свободную –СООН гр. и могут быть определены количественно титрованием щелочью.

IV. Отношение АК к нагреванию

а) a-АК при нагревании могут отщеплять одну или две молекулы воды. При отщеплении одной молекулы воды образуются дипептиды:

Дипептид обладает способностью взаимодействовать с новой молекулой АК с образованием трипептида, тетрапептида и полипептида. Последний является основой белковых молекул. Название ди– и полипептидов строится по названиям тех к-т, из которых они образуются. Поэтому АК, участвующая в образовании пептида имеет окончание –ИЛ, а концевая АК, сохранившая гр. –СООН – полное название:

Аланин Серин АланИЛсерин

Используется сокращенная запись полипептида с указанием концевых групп и названий АК первыми тремя буквами русского или латинского алфавита:

Н₂N – Ала – Тир – Гли – Глу – СООН

Аla Tyr Gly Glu

При отщеплении двух молекул воды от двух молекул АК образуется дикетопиперазин (циклический амид):

+

Глицин Дикетопиперазин

б) b-АК выделяют при нагревании NH₃ и образуют непредельную к-ту, т.е. идет р-ция дезаминирования:

СН₃–СН=СН–СООН

b-Аминомасляная к-та

в) g-АК образуют лактамы:

Лактамная

(пептидная) группа

g-Аминомасляная к-та

V. Р-ции дезаминирования:

В организме человека и животных под действием различных ферментов происходят процессы дезаминирования. Во всех случаях гр. -NH₂ освобождается в виде NH₃, а продуктами дезаминирования могут быть жирные к-ты, окси- и кеток-ты. При этом окислительное дезаминирование преобладает :

а) Окислительное дезаминирование

Оксок-та

б) Восстановительное

в) Гидролитическое

Оксик-та

г) Внутримолекулярное

VI. Р-ции декарбоксилирования

Карбоновые к-ты in vitro декарбоксилируются в очень жестких условиях. Введение в a-положение ЭА групп -NH₂, , –ОН способствует стабилизации карбоаниона и поэтому такие замещеные к-ты очень легко декарбоксилируются:

В лабораторных условиях АК легко декарбоксилируются в щелочной среде. В организме a-АК декарбоксилируются под действием фермента декарбоксилазы:

Глутаминовая к-та g-Аминомасляная к-та, ГАМК

5-Окситриптофан 5-Окситриптамин,

серотонин

Гистидин, Гистамин,

a-амино-b-[4(5)-имидазолил]- 2-имидозолиламиноэтан,

пропионовая к-та 4(5)-аминоэтилимидазол

Образующиеся амины имеют большое физиологическое значение и наз-ся биогенными аминами. Они участвуют в ряде р-ций обмена нервной и сердечно-сосудистой систем. Нарушение обмена биогенных аминов влечет за собой возникновение патологических состояний, в частности, некоторых психозов, аллергических заболеваний, воспалительной и болевой реакций. Так, гистамин является сосудорасширяющим соединением, понижает кровяное давление. ГАМК играет большую роль в жизнедеятельности нервной системы, где не только обезвреживает NH₃, но и влияет на дыхание, проведение нервных импульсов.

К биогенным аминам, образующимся из тирозина в процессе обмена веществ, относится группа катехоламинов: адреналин, норадреналин и дофамин:

Тирозин Дофамин

Норадреналин Адреналин

Дофамин, норадреналин и адреналин выполняют роль нейромедиаторов. Адреналин (5мг) является гормоном мозгового вещества надпочечников, а норадреналин и дофамин – его предшественниками. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности, обмена углеводов. При физиологических стрессах он выделяется в кровь (“гормон страха”). Активность адреналина связана с конфигурацией хирального центра, определяющей взаимодествие с рецептором. Подобно 1,2-дигидроксибензолу, катехоламины с р-ром FeC1₃ дают изумрудно-зеленое окрашивание, переходящее в вишнево-красное при добавлении р-ра аммиака, что может служить качественной р-цией на эти соединения.

Из тирозина синтезируются также пигменты кожи, глаз, волос.

Кроме р-ций декарбоксилирования в организме протекают под влиянием ферментов много строго специфических р-ций: переаминирования, трансаминирования и др.

VII. Р-ции по радикалу

Все циклические АК, содержищие бензольное кольцо – триптофан, тирозин, фенилаланин – легко вступают в р-ции замещения по бензольному кольцу с На1₂, НО–NO₂, HO–SO₃H.

Путем йодирования тирозина в организме образуется гормон щитовидной железы тироксин:

Тирозин Дийодтирозин

Качественная р-ция на ароматические АК – ксантопротеиновая – обусловлена нитрованием бензольного кольца с образованием нитросоединений желтого цвета. При добавлении к ним щелочи возникает оранжевое окрашивание:

VIII. Качественная р-ция на a-АК

Это р-ция с нингидрином:

Нингидрин Продукт р-ции сине-фиолетового цвета

+ CO₂ + R–CHO

Альдегид

IX. Р-ция на присутствие серусодержащих АК

Цистин

Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга за счет р-ции окисления-восстановления:

Цистеин Цистин + Н₂О

Обмен серы в организме идет, в основном, за счет цистина и цистеина. Они обусловливают структуру белка, реактивность многих ферментов и гормонов. За счет ферментативного окисления серы образуется H₂SO₄, которая вступает во взаимодействие с ядовитыми веществами, обезвреживая их.

Качественной р-цией на серусодержащие АК является р-ция Фоля:

Коричневый

Метионин играет большую роль в обмене сложных липидов, препятствуя синтезу нейтральных жиров и холестерина, т.к. является донором метильных групп, содержится в большом количестве в сыре, твороге.

По оценкам американских врачей повышенный уровень цистеина, всегда присутствующего в крови, ассоциируется с 10–15% инфарктов и 30–40% инсультов. Избыток цистеина обычно обусловлен нехваткой фолиевой к-ты и витаминов группы В.

Применение АК

ГАМК в медицине под названиям аминалон (гаммалон) применяется при психических заболеваниях, обладает ноотропным действием, т.е. влияет на процессы мышления. На основе ГАМК создан ряд новых ноотропных средств:

Фенибут Пирацетам, ноотропил

H₂N–(CH₂)₅–CООН e-аминокапроновая к-та получается гидролизом e-капролактама. В медицине используется в качестве кровоостанавливающего средства. e-Капролактам (синтезируется из фенола) применяют для получения капрона.

парааминобензойная к-та (ПАБК)

Получают из паранитротолуола. Сложные эфиры ПАБК (анестезин и новокаин) используются в качестве местноанестезирующих средств:

ЛЕКЦИЯ 13

Белки

Это биополимеры, состоящие из ста и более АК остатков.

Классификация: простые белки (протеины), состоящие из a-АК, сложные белки (протеиды), состоящие из белковой и небелковой частей.

Аминокислотный состав определяет многие св-ва белков: заряд белковой молекулы, ИЭТ, способность к осаждению, структуру и биологическую активность.

В настоящее время синтезированы простейшие белки – инсулин, рибонуклеаза, окситацин и др.

Первичная структура

При всем многообразии пептидов и белков принцип построения их молекул одинаков – связь между a-АК осуществляется за счет –СООН гр. одной АК и –NH₂ гр. другой АК, которая в свою очередь своей карбоксильной группой связывается с аминогруппой третьей АК и т.д. Связь между остатками АК, а именно между группой С=О одной к-ты и группой NH другой к-ты, является амидной связью. В химии пептидов и белков она наз-ся пептидной связью:

Пептидная связь

N-конец С-конец

Формально белковая или пептидная цепь представляет собой продукты поликонденсации АК. Один из концов цепи, где находится остаток АК со свободной аминогруппой, наз-ся N-концом (а сама АК – N–концевой), а другой конец цепи с остатком АК, имеющим свободную карбоксильную группу, наз-ся С–концом (а к-та - С-концевой). Т.о., пептидная цепь построена из повторяющихся скелет молекулы, и отдельных боковых групп – радикалов R, R^/,R^//.

Первичная структура пептидов и белков – это последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Сведения о последовательности a-АК остатков в цепи могут быть получены в результате постепенного, шаг за шагом, отщепления АК с одного конца цепи последующей идентификацией отщепленной a-АК. Такие методы существуют, и с их помощью установлена первичная структура многих пептидов и белков.

Для синтеза белка важен не только набор АК, но и порядок их соединения, т.е. первичная структура. Последняя обусловливает активность белков. Определенную последовательность АК в цепи дает использование операции “защита”.

1. “Защита” –NH₂ гр. проводится методом ацилирования АК хлорангидридом или ангидром к-ты или на практике карбобензоксихлоридом (бензиловым эфиром хлормуравьиной к-ты):

Ацилхлорид

2. “Защита” –СООН гр. проводится путем образования сложного эфира:

Затем проводят р-цию взаимодействия защищенных молекул в присутствии водоотнимающих средств. В этих условиях реагируют строго определенные группы –СООН первой молекулы и –NH₂ – второй:

Затем проводят гидролиз в мягких условиях с освобождением защищенных групп и сохранением пептидной связи:

Стратегию пептидного синтеза разработал и осуществил Э.Фишер еще в начале ХХв. Последовательным наращиванием цепи из АК он синтезировал (1907) первое белковоподобное вещ-во, состоящее из 18 АК. Он показал, что АК являются “строительным материалом” белков. Он был автором гипотезы “ключа и замка”, объясняющей специфичность действия белковых катализаторов-ферментов.

Задача химического синтеза белковых макромолекул пока еще слишком сложна (и экономически неоправданна), но получение химическим путем относительно коротких пептидов в настоящее время вполне реально. Достижения в области синтеза пептидов позволяют автоматизировать процесс и вести его по заданной программе. С помощью приборов (синтезаторов) получены пептиды, содержащие десятки АК, и даже некоторые белки. Аналогично синтезу пептидов автоматизации поддается и метод анализа перичной структуры пептидов.

Вторичная структура

Цепи пептидов и белков принимают в пространстве определенную более или менее компактную форму. Уникальная особенность белковых молекул заключается в том, что они имеют, как правило, четкую пространственную структуру, или конформацию. В данном случае понятие конформации применяется для пространственного строения длинных полипептидных цепей. Как только молекула окажется развернутой или уложенной иным способом в пространстве она почти всегда теряет свою биологическую функцию.

Л.Полинг, Р.Кори (1951) на основании расчетов предсказали наиболее выгодные способы укладки цепей в пространстве.

Пептидная цепь может укладываться в виде спирали (подобно винтовой лестницы). В одном витке спирали помещается около четырех АК остатков. Закрепление спирали обеспечивается водородными связями между группами С=О и NН, направленными вдоль оси спирали. Все боковые радикалы R АК находятся снаружи спирали. Такая конформация наз-ся a-спиралью. Другой вариант упорядоченной структуры полипептидной цепи – b-структура, или b-складчатый слой. В этом случае скелет находится в зигзагообразной конформации, и цепи располагаются параллельно друг другу, удерживаясь Н-связями.

Вторичная структура белка – это более высокий уровень структурной организации, в котором закрепление конформации происходит за счет Н-связей между пептидными группами.

Конформация белковой молекулы стабилизируется не только Н-связями, но и за счет некоторых ионных взаимодействий, а также за счет окисления SН-групп боковых радикалов R возникает ковалентная дисульфидная связь.

Третичная структура

Это укладка полипептидной цепи, включающей элементы той или иной вторичной структуры в пространстве, т.е. образование трехмерной конфигурации белка.

Чаще всего это – клубок. Стабилизируют третичную структуру Н-связи, электростатическое взаимодействие заряженных групп, межмолекулярные силы Ван дер Ваальса, гидрофобные взаимодействия – вызванные вталкиванием радикалов R внутрь молекулы белка молекулами воды:

Электрическое Ковалентные Гидрофобное

взаимодействие связи взаимодействие

Диполь-дипольное

взаимодействие

Четвертичная структура

Несколько отдельных полипептидных цепей способны укладываться в более сложные образования, называемые также комплексами или агрегатами. При этом каждая цепь, сохраняя характерную для нее первичную, вторичную и третичную структуры, выступает в роли субъединицы комплекса с более высоким уровнем пространственной организацией – четвертичной структурой. Такой комплекс представляет собой единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельно взятым субъединицам. Четвертичная структура закрепляется за счет Н-связей и гидрофобных взаимодействий между субъединичными полипептидными цепями.

Определение четвертичной структуры белковых агрегатов возможно только с помощью высокоразрешающих физикохимических методов (рентгенография, электронная микроскопия) . Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков, например, гемоглобина. Главная функция гемоглобина (основного компонента эритроцитов) состоит в переносе кислорода из легких к тканям организма. Его четвертичная структура – образование из четырех полипептидных цепей (субъединиц), каждая из которых содержит гем.

Физико-химичекие св-ва

Для белков характерны высокая вязкость р-ров, низкая диффузия, способность к набуханию, подвижность в электрическом поле, низкое осмотическое давление.

Белки, как и АК, амфотерны за счет свободных групп –NН₂ и –СООН.

В зависимости от рН среды, соотношения кислых и оснóвных АК остатков белки несут положительный или отрицательный заряды, что и используется при электрофорезе.

Подобно биурету полипептиды и белки дают качественную р-цию с Сu(ОН)₂ – красно-фиолетовое окрашивание и она наз-ся биуретовой р-цией.

Белки отличаются друг от друга по составу, форме, растворимости, биологической активности, молярной массе. Часть из них синтезируется в организме, другие должны поступать извне. Они состоят в основном из 20 АК остатков.

Строение белков было установлено на основе р-ций гидролиза. По продуктам гидролиза все белки делят на две группы:

Простые Сложные

(протеины) (протеиды)

Это белки крови: альбумин, Гемоглобин (НЬ), цитохромы,

глобулин, фибриноген и др. флавопротеиды и др.

При гидролизе простых белков При гидролизе сложных белков

образуется только АК образуются АК+др. соединения

(Ме, липиды, углеводы,

комплексные соединения и пр.)

Фибриллярные белки – это белки, молекулы которых состоят из параллельных, сравнительно вытянутых пептидных цепей, образуют палочковидные структуры. Они не растворимы и выполняют структурную и защитную функции в организме. Например, коллаген при нагревании превращается в беспорядочные клубки, получившие название желатины (в ней много глицина, гидроксипролина, гидроксилизина).

Глобулярные белки – это белки молекулы которых состоят из плотно свернутых полипептидных цепей и имеют форму, близкую к сферической. К ним относятся ферменты, антитела, гормоны, альбумин, гемоглобулин и др. Они растворимы в водно-солевых р-рах.

Некоторые белки, например, миозин и фибриноген имеют палочковидную структуру, однако хорошо растворимы в воде.

Денатурация белков

Под влиянием многих факторов пространственная структура способна разрушаться, что приводит к потере биологической активности белков. К таким факторам относятся повышенная температура, изменение рН среды, УФ – и рентгеновское излучения, механическое воздействие (встряхивание), соли тяжелых Ме, алкалоиды и др.

Денатурация белков – это разрушение их природной (нативной) пространственной структуры с сохранением первичной структуры. Денатурация редко бывает обратимой. В этих немногих случаях важно то, что беспорядочно скрученная молекула денатурированного белка самопроизвольно принимает нативную пространственную структуру с полным сохранением биологической функции.

В случаях отравления солями тяжелых Ме (ртути, свинца, серебра и др.) в качестве противоядия используют белки с повышенным содержанием кислотных групп, например яичный альбумин. Он действует как конкурент белков организма и сам связывает токсичный агент, образуя с ним нерастворимую соль, которая затем выводится из организма.

В организме содержится более 50.000 различных белков. Кожа содержит 63% от массы сухой ткани, кости – 20%, зубы – 18%.

Функции белков:

1. Питательная (энергетическая – 20-25% – на белки), 17,6 кДж/г.

2. Транспортная (переносчики различных веществ) – гемоглобин, миоглобин и др.

3. Сократительная (белки мышечных тканей) – миозин и др.

4. Структурная (пластическая) – коллаген, фиброин, мембранные белки.

5. Каталитическая (белки-ферменты) – пепсин, каталаза, уреаза и др.

6. Регуляторная (белки-гормоны) – инсулин, вазопрессин и др.

7. Защитная (белки-антитела) – g-глобулины сыворотки крови.

8. Осмотическая, буферная, водно-солевая.

ЛЕКЦИЯ 14

Гетероциклические соединения (ГЦС)

ГЦС называются молекулы, в цикл которых, кроме атомов углерода, входит один или несколько гетероатомов, чаще всего это N, О, S.

Пиррол Фуран Тиазол Индол Пиримидин Пурин

Биологическая функция

Химия ГЦС явл-ся одним из важных разделов органической химии. Многие жизненноважные сое-ния содержат гетероциклы. (ГЦ) – это ферменты (дегидрогеназа, декарбоксилаза и др.), витамины (В₁, В₆, В₁₂ и др.), гормоны, алкалоиды, антибиотики (пенициллин). ГЦ входят в состав нуклеиновых к-т (НК): аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил – азотистые основания – материальные носители наследственности. Четыре пиррольных кольца, соединенные метиленовыми мостиками (-СН=) образуют порфириновую структуру, которая в сочетании с Fe⁺² образует основу гемоглобина, с Мg⁺² – хлорофилла, с Со⁺² – витамина В₁₂.

ГЦ составляет основу многих химиотерапевтических препаратов: фурацилин, фурагин – содержат ядро фурана; 5-НОК, энтеросептол – ядро хинолина; антипирин, амидопирин – ядро пиразола, орат калия – ядро пиримидина; рибоксин – ядро пурина.

Классификация

ГЦС

Пиррол Имида- Пирими- Пиридин

зол дин

Конденсированными ГЦ наз-ся соединения, молекулы которых состоят из двух и более циклов, имеющих как минимум два общих атома углерода.

Номенклатура

Сложна. Поэтому широко используются тривиальные и полутривиальные названия. Некоторые закономерности можно отметить лишь для N-содержащих ГЦ.

5-членные ГЦ с двумя гетероатомами, содержащие N, наз-ся азолами. Вид второго гетероатома обозначается приставкой. Например, ОКСА – О-оксазол, тиа – S–тиазол.

6-членные ГЦ с атомом N имеют окончание -ИН. Например, пиридИН, пиримидИН.

Производные ГЦ наз-ся и по МН, и рациональной номенклатуре.

Нумерацию в кольце начинают с наиболее электроотрицательного гетероатома и продолжают в сторону наименьших номеров, обозначающих другой гетероатом, либо двойную связь, либо функциональную группу.

Если второй гетероатом располагается слева в кольце, то нумерацию ведут по часовой стрелке:

По рациональной номенклатуре атомы, стоящие рядом с гетероатомом, обозначаются буквами греческого алфавита (a, b, g, d, e и т.д.) и строится название

3-метилпиридин,

b-метилпиридин,

b-пиколин

При нумерации конденсированных ГЦ важно определить главный цикл и атомы, участвующие в конденсации, т.к. они, как правило, не нумеруются. В конденсированных циклах с бензолом главным является ГЦ. В других конденсированных ГЦ главным является ГЦ с большим числом гетероатомов, либо больший ГЦ, если они одинаковы, то главным будет цикл, содержащий азот:

Индол Хинолин Пурин