4.6. АМИНОКИСЛОТЫ

Аминокислоты по взаимному расположению карбоксильной и аминогрупп делятся на -аминокислоты и т. д. -аминокислоты являются простейшими звеньями в структуре высокомолекулярных веществ — белков, которые включают как жирные, так и ароматические и гетероциклические -аминокислоты. Все природные аминокислоты, кроме аминоуксусной, содержат

асимметрический атом углерода и относятся к L-ряду. В составе белков обнаружено 23 аминокислоты, некоторые из них содержат, кроме карбокси- и аминогрупп, другие функциональные группы азотсодержащие гетероциклы):

Аминокислоты обладают всеми свойствами амино и карбоксильных групп. Вместе с тем ди- или полифункциональность молекулы аминокислоты обусловливает ряд их специфических свойств.

1. Образование внутренних и внутрикомплексных солей:

В случае (1) образуется катион, (2) — анион соли аминокислоты. Внутренняя соль существует лишь при строго определенной для каждой аминокислоты концентрации водородных ионов (изоэлектрическая точка). При электролизе такого раствора аминокислота не перемещается ни к катоду, ни к аноду.

а-Аминокислоты образуют характерные медные внутрикомплексные соли, структура которых показана на примере медной соли аминоуксусной кислоты;

2. Этерификация проводится, как обычно, действием спирта в кислой среде (чаще всего Однако при этом образуются соли аминокислот, из которых свободные эфиры можно получать нейтрализацией кислоты. Например, гидрохлорид удаляется триэтиламином, оксидом серебра или свинца:

Именно этерификацией набора аминокислот, образующихся в результате гидролиза белка, разгонкой в вакууме полученных эфиров

и последующим их гидролизом выделяют индивидуальные аминокислоты.

3. Превращение карбоксильной группы и галогенангидридную. При действии на аминокислоту хлорида фосфора (V) образуются соли ее хлорангидрида:

Нейтрализация кислоты приводит к образованию очень неустойчивых свободных хлорангидридов.

4. Действие азотистой кислоты на аминокислоты аналогично ее действию на амины: аминогруппа замещается на оксигруппу. Характерно, однако, что при образовании сложных эфиров -аминокислот реакцию можно остановить на стадии диазопроизводного, которое, отщепляя подвижный протон, стабилизируется за счет образования системы сопряжения, включающей карбонильную группу:

5. Ацилирование и алкилирование. Из двух носителей нуклеофильных свойств в молекуле аминокислоты аминогруппа является намного более сильным нуклеофилом. Поэтому она в первую очередь подвергается действию ацилирующих и алкилирующих агентов:

При избытке иодистого метила реакция протекает следующим образом:

При отщеплении от последнего соединения образуется бетаин (полностью алкилированная внутренняя соль аминокислоты):

Бетаин удобнее синтезировать из триметиламина и соли хлор-уксусной кислоты:

Бетаины солеобразны (тверды, нелетучи, водорастворимы), обладают большим дипольным моментом.

6. Реакции самоацилирования аминокислот. Карбоксильная группа является, как известно, ацилирующим агентом, способным передавать ацильный остаток аминогруппе, замещая при этом подвижный атом водорода.

а) -Аминокислоты при нагревании превращаются в циклические амиды (дикетопиперазиньт) с выделением воды:

б) -аминокислоты при действии кислот или нагревании легко отщепляют аммиак (подобно тому, как -оксикислоты отщепляют воду), образуя -непредельные кислоты:

В определенных условиях, в частности при действии сильного водоотнимающего средства — дициклогексилкарбодиимида образуются -лактамы:

в) у-аминокислоты очень легко образуют -лактамы с устойчивым пятичленным циклом:

г) лактамы с кольцом больших размеров проще получать из оксимов циклических кетонов перегруппировкой Бекмана. Таким путем в промышленности получают -капролактам:

Все лактамы, как и амиды, в кислой и щелочной среде гидролизуются (нуклеофильное замещение у атома углерода карбонильной группы).

Кроме циклических амидов (дикетопиперазннов и лактамов) все аминокислоты способны образовывать ациклические (линейные) амиды — ди-, три- и полипептиды. Карбоксильную группу молекулы аминокислоты, выступающую в качестве ацилирующего агента, превращают в хлорангидридную, сложноэфирную или смешанную ангидридную, что позволяет повысить ее ацилирующую способность:

где разветвленный радикал, стерически затрудняющий нуклеофильную атаку на карбонильную группу молекулы угольной кислоты.

Синтез полипептидов, как правило, строго целенаправлен и связан а необходимостью соединения различных по природе аминокислот. Чтобы карбонильной группой одной молекулы (превращенной, например, в хлорангидрид) ацилировать аминогруппу другой по типу аминокислоты, а не себе подобной, аминогруппу ацилирующего агента предварительно «защищают». С этой целью ее преобразуют в амидную, поскольку основность (нуклеофильность) амидного атома азота значительно ниже, чем исходной аминогруппы. Однако «закрыть» аминогруппу нужно так, чтобы защитную группу можно было снять гидролизом или другим методом в очень мягких условиях, не позволяющих разрушаться пептидной связи.

Рис. 21. Типы взаимодействия в молекуле белка, составляющие его третичную структуру (Ю. А. Жданов): а — электростатическое взаимодействие; б - водородная связь; в — взаимодействие неполярных групп путем вытеснения молекул растворителя; г - силы Ван дер Ваальса.

В качестве защитных групп используют ацильный остаток трифтор-уксусной кислоты фрагмент бензилового моноэфнра угольной кислоты и др. Первая группа легко снимается обработкой слабой щелочью или гидрогенолизом (восстановлением вторая — гидрированием над катализатором или восстановлением натрием в жидком аммиаке.

Полипептиды (полиамиды) -аминокапроновой кислоты (ее звено выделено штриховой линией) получают нагреванием циклического лактама, образующегося в результате бекмановской перегруппировки оксима циклического кетона:

Полипептиды составляют основу биополимеров — белков, специфика структуры которых определяется наличием многих типов связей и взаимодействий. Существует понятие о четырех уровнях структуры белков.

Первичную структуру белковой молекулы составляет скелет ковалентных связей, в том числе ковалентные мостиковые связи, подобные дисульфидной или фосфатной.

В основе вторичной структуры лежат водородные связи между амидными группами полипептидной цепи, которые во многом определяют спиралевидное закручивание белковой молекулы. Энергия одиночной водородной связи невелика (21 — 33 кДж/моль),

однако таких связей в белковой молекуле может быть несколько десятков или сотен, так что их общая энергия может достигать высоких значений.

Упорядоченная структура белка обеспечивается системой взаимодействий, составляющих третичную структуру молекулы. К этой системе относятся взаимодействия между фрагментами молекулы за счет сил Ван дер Ваальса, агломерация лиофобных боковых цепей при отталкивании молекул растворителя, нехарактерные водородные связи, межионные взаимодействия (рис. 21). Энергия каждой из этих сил невелика, однако их суммарное действие значительно. Так, энергия вандерваальсовского взаимодействия, приводящего к глобулярному свертыванию белковой молекулы, достигает 2100 —2500 кДж/моль.

Межмолекулярные взаимодействия обусловливают формирование четвертичной структуры, котораяпроявляется в образовании молекул ферментов, нуклеопротеидов, липопротеидов, гликолипидов, а также мицелл, фибрилл и других макроструктур.

На уровне биологических макромолекул в создании упорядоченных структур высших порядков резко возрастает значение слабых взаимодействий.