Аминокислоты и белки

Цели урока

После изучения этого урока вы сможете:

• давать определение α-аминокислотам, записывать их общую формулу ($NH_2-CHR-COOH$);
• классифицировать аминокислоты по числу функциональных групп (нейтральные, кислые, основные) и по радикалу (полярные, неполярные);
• называть аминокислоты по систематической номенклатуре и знать тривиальные названия (глицин, аланин, серин, глутаминовая кислота, лизин и др.);
• объяснять амфотерные свойства аминокислот (образование внутренних солей – цвиттер-ионов), записывать реакции с HCl и NaOH;
• описывать реакции этерификации, с азотистой кислотой, с формальдегидом (количественное определение), а также реакцию с нингидрином (качественная);
• понимать образование пептидной связи и строение дипептидов, трипептидов;
• записывать уравнения гидролиза пептидов и белков (кислотный, щелочной);
• перечислять качественные реакции на белки (биуретовая – фиолетовое окрашивание, ксантопротеиновая – жёлтое, реакция Фоля – серо-чёрный осадок от $Pb^{2+}$);
• различать уровни структуры белка (первичная, вторичная, третичная, четвертичная);
• решать расчётные задачи (например, на нейтрализацию аминокислоты, определение формулы по данным сгорания).

Зачем это нужно на ЕГЭ

Аминокислоты и белки – важнейшие биогенные органические соединения, представленные в ЕГЭ:

• Задание 12 – химические свойства аминокислот (амфотерность, этерификация, внутримолекулярные реакции);
• Задание 13 – цепочки превращений (получение аминокислот из галогенкарбоновых кислот, реакции аминокислот);
• Задание 15 – свойства белков (качественные реакции, гидролиз);
• Задание 24 – идентификация аминокислот и белков;
• Задание 32 – расчётные задачи (например, определение формулы аминокислоты по продуктам сгорания);
• Задание 33 – установление структуры по описанию (амфотерность, изомерия).

Понимание строения аминокислот и пептидов необходимо для изучения нуклеиновых кислот и гетероциклов.

Теория

Аминокислоты

Аминокислоты – органические соединения, содержащие в молекуле одновременно аминогруппу ($-NH_2$) и карбоксильную группу ($-COOH$). Наиболее важны для биологии α-аминокислоты (аминогруппа у α-углерода относительно карбоксила): $NH_2-CHR-COOH$.

Классификация

1. По числу функциональных групп:

   • Нейтральные – одна $-NH_2$ и одна $-COOH$ (глицин, аланин, серин, валин и др.).
   • Кислые – две $-COOH$ и одна $-NH_2$ (глутаминовая, аспарагиновая кислоты).
   • Основные – две $-NH_2$ и одна $-COOH$ (лизин, аргинин, гистидин).

2. По характеру радикала (R):

   • Неполярные (гидрофобные): аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан.
   • Полярные незаряженные: серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин.
   • Полярные заряженные (кислые и основные).

Часть аминокислот содержит бензольное кольцо в радикале — например, фенилаланин и тирозин (пара-гидроксифенилаланин). Именно ароматическое кольцо тирозина даёт цветную ксантопротеиновую реакцию с концентрированной $HNO_3$.

Для ЕГЭ важно знать, что существуют незаменимые аминокислоты (не синтезируются в организме, должны поступать с пищей): валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, гистидин.

Номенклатура

• Тривиальные названия (используются в биохимии): глицин (аминоуксусная), аланин (2-аминопропановая), серин (2-амино-3-гидроксипропановая), глутаминовая кислота (2-аминопентандиовая), лизин (2,6-диаминогексановая) и др.
• Систематическая IUPAC: как производные карбоновых кислот с префиксом «амино-». Пример: $NH_2-CH_2-COOH$ – аминоэтановая кислота (глицин).

Изомерия α-аминокислот

Все α-аминокислоты (кроме глицина) имеют асимметрический атом углерода (α-углерод), поэтому существуют в виде D- и L-энантиомеров. В природных белках встречаются только L-аминокислоты. Рацематы (DL) получают синтетически.

Физические свойства

α-Аминокислоты – кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (ионное строение), но плохо растворимые в органических растворителях. Имеют высокие температуры плавления (200–300°C, часто с разложением). В твердом состоянии и в водных растворах (при нейтральном pH) существуют в виде цвиттер-ионов (внутренних солей): $^+NH_3-CHR-COO^-$. Поэтому они проявляют амфотерные свойства.

Химические свойства α-аминокислот

1. Амфотерность

• По карбоксильной группе – кислота: реагирует с основаниями с образованием солей. $$NH_2-CH_2-COOH + NaOH \rightarrow NH_2-CH_2-COONa + H_2O$$
• По аминогруппе – основание: реагирует с кислотами с образованием солей (хлоридов, нитратов и т.д.). $NH_2-CH_2-COOH + HCl \rightarrow [NH_3-CH_2-COOH]^+Cl^-$ (хлорид глициния)

В изоэлектрической точке (pI) молекула электрически нейтральна (цвиттер-ион). Для нейтральных аминокислот pI ≈ 6 (слабокислая среда). Для кислых – pI < 6, для основных – pI > 7.

2. Реакция этерификации

При нагревании со спиртами в присутствии минеральных кислот ($HCl_{\text{газ}}$ или $H_2SO_4$) образуются сложные эфиры (в виде гидрохлоридов, так как аминогруппа протонируется):

$$NH_2-CH_2-COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{HCl} [NH_3-CH_2-COOC_2H_5]^+Cl^-$$

3. Реакция с азотистой кислотой

Первичная аминогруппа реагирует с $HNO_2$ с выделением азота (как и у первичных аминов). Реакция используется для количественного определения аминокислот (метод Ван-Слайка):

$$NH_2-CHR-COOH + HNO_2 \rightarrow HO-CHR-COOH + N_2↑ + H_2O$$

4. Реакция с формальдегидом (формольное титрование)

Формальдегид связывает аминогруппу с образованием $N$-метилольного производного ($-NH-CH_2OH$), что делает возможным прямое титрование карбоксильной группы щелочью (обычно аминогруппа мешает). Используется для анализа смеси аминокислот.

5. Взаимодействие с нингидрином

Нингидрин (трикетогидринденгидрат) – качественный реагент на α-аминокислоты. При нагревании с α-аминокислотами образуется фиолетовое окрашивание (продукт Руэманна). Реакция используется для хроматографического обнаружения.

6. Декарбоксилирование

При нагревании α-аминокислот (в особенности с гидроксилом, например серина) может отщепляться $CO_2$ с образованием аминов. В организмах декарбоксилирование катализируется ферментами (образование биогенных аминов).

7. Образование дикетопиперазинов

При нагревании нейтральных α-аминокислот (без катализатора) происходит внутримолекулярное отщепление воды от двух молекул с образованием шестичленного циклического амида – дикетопиперазина.

8. Реакция по радикалу (для цистеина, тирозина, серина)

• Цистеин ($HS-CH_2-CH(NH_2)-COOH$) легко окисляется до цистина (дисульфидная связь $-S-S-$).
• Тирозин ($HO-C_6H_4-CH_2-CH(NH_2)-COOH$) даёт с азотной кислотой жёлтое окрашивание (ксантопротеиновая реакция – качественная для белков).

Пептиды и белки

Пептидная связь

Пептидная связь – амидная связь, образованная карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой: $-CO-NH-$.

• Дипептид – две аминокислоты.
• Трипептид – три.
• Олигопептид – до 10–20 остатков.
• Полипептид – более 20 остатков.
• Белки – полипептиды с молекулярной массой выше 10 000 Да, обладающие биологической активностью.

Пример образования дипептида: $NH_2-CH_2-COOH + NH_2-CH(CH_3)-COOH \rightarrow NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O$ (глицил-аланин).

Химические свойства пептидов и белков

1. Амфотерность (как и у аминокислот) – наличие свободных $-NH_2$ и $-COOH$ на концах цепи и в радикалах (у кислых и основных аминокислот).

2. Гидролиз – разрыв пептидных связей.

   • Кислотный гидролиз (6M HCl, $t°$): полное расщепление до смеси аминокислот (в виде гидрохлоридов).
   • Щелочной гидролиз (Ba(OH)₂, $t°$): образуются соли аминокислот.
   • Ферментативный гидролиз (протеазы) – специфичен.

3. Качественные реакции на белки:

   • Биуретовая реакция – при добавлении раствора $NaOH$ и нескольких капель $CuSO_4$ возникает фиолетовое окрашивание (комплекс пептидных связей с ионами меди). Реакция характерна для веществ, содержащих не менее двух пептидных связей (или как минимум две $-CO-NH-$ группы). Положительна для белков и полипептидов, отрицательна для свободных аминокислот.

   • Ксантопротеиновая реакция – при нагревании белка с концентрированной $HNO_3$ (нитрование ароматических колец тирозина, фенилаланина, триптофана) появляется жёлтое окрашивание; при добавлении щёлочи окраска становится оранжевой. Качественная реакция на ароматические аминокислоты в белке.

   • Реакция Фоля (на серосодержащие аминокислоты – цистеин, цистин, метионин). При нагревании белка с $NaOH$ и ацетатом свинца образуется чёрный осадок $PbS$ (сульфид свинца).

Структура белков

• Первичная структура – последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
• Вторичная структура – регулярная укладка цепи (α-спираль, β-лист) за счёт водородных связей между $-NH$ и $-C=O$ разных остатков.
• Третичная структура – глобулярная укладка за счёт взаимодействий радикалов (водородные связи, гидрофобные взаимодействия, ионные связи, дисульфидные мостики $-S-S-$).
• Четвертичная структура – объединение нескольких глобулярных субъединиц (например, гемоглобин состоит из 4 субъединиц).

Денатурация – разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур под действием температуры, pH, органических растворителей, солей тяжёлых металлов. Обычно необратима. Первичная структура сохраняется.

Примеры

Пример 1. Амфотерность аланина

Напишите уравнения реакций аланина с соляной кислотой и с гидроксидом натрия. Назовите продукты.

• С $HCl$: $CH_3-CH(NH_2)-COOH + HCl \rightarrow [CH_3-CH(NH_3)-COOH]^+Cl^-$ – хлорид аланиния (или гидрохлорид аланина).
• С $NaOH$: $CH_3-CH(NH_2)-COOH + NaOH \rightarrow CH_3-CH(NH_2)-COONa + H_2O$ – натриевая соль аланина (аланат натрия).

Пример 2. Образование дипептида

Напишите уравнение реакции глицина с аланином, приводящей к дипептиду глицил-аланину.

$$NH_2-CH_2-COOH + NH_2-CH(CH_3)-COOH \rightarrow NH_2-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O$$

Пример 3. Гидролиз белка

При полном кислотном гидролизе дипептида аланил-аланина образуются две молекулы аланина (или их гидрохлориды в зависимости от условий). Уравнение в ионной форме: $[Ala-Ala] + H_2O \xrightarrow{H^+} 2Ala$.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое α-аминокислоты? Приведите общую формулу.
2. Напишите структурную формулу глицина и покажите его цвиттер-ионное строение.
3. Какие аминокислоты называются кислыми, какие – основными? Приведите примеры.
4. Напишите уравнение реакции валина с метанолом в присутствии хлороводорода. Назовите продукт.
5. Что такое пептидная связь? Изобразите фрагмент полипептидной цепи.
6. Какие качественные реакции на белки вы знаете? Какие изменения наблюдаются?
7. Что такое денатурация белка? Какие связи при этом разрушаются?

Краткий конспект

• α-Аминокислоты – $NH_2-CHR-COOH$; цвиттер-ионы (амфотерность).
• Химические свойства: реакции с кислотами и основаниями, этерификация, с $HNO_2$ ($N_2$), с нингидрином (фиолетовый).
• Пептидная связь $-CO-NH-$; дипептиды, полипептиды.
• Белки – полипептиды с высокой молекулярной массой.
• Качественные реакции: биуретовая (фиолетовый с $Cu(OH)_2$), ксантопротеиновая (жёлтый, затем оранжевый с $HNO_3$), реакция Фоля ($PbS$ – чёрный осадок для серосодержащих).
• Гидролиз белков – до аминокислот (кислотный, щелочной, ферментативный).
• Структуры: первичная (последовательность), вторичная (α-спираль, β-лист), третичная (глобула), четвертичная (олигомеры).

Что изучать дальше

• Урок 57 «Полимеры» — белки как природные полиамиды, синтетические аналоги.
• Урок 58 «Генетическая связь между классами органических соединений» — взаимопревращения аминокислот, белков и других классов.