§ 26. Аминокислоты

Определения и обозначения

Аминокислоты — органические соединения, в молекулах которых одновременно есть аминогруппа и карбоксильная группа. Для простейших α-аминокислот используют общую формулу NH₂–CH(R)–COOH. Она показывает, что центральный атом углерода связан с аминогруппой, карбоксильной группой, атомом водорода и радикалом R.

Аминогруппа — группа атомов –NH₂. Она может принимать протон, поэтому определяет основные свойства аминокислоты. Именно с её участием образуется положительно заряженная часть внутренней соли.

Карбоксильная группа — группа атомов –COOH. Она способна отдавать протон, поэтому придаёт аминокислоте кислотные свойства. При реакциях с основаниями эта группа превращается в карбоксилат –COO⁻.

α-Аминокислоты — аминокислоты, у которых аминогруппа связана с α-углеродным атомом. Так называют атом углерода, непосредственно соседний с карбоксильной группой. Проверяя название, нужно сначала найти –COOH, а затем определить положение –NH₂.

Как это устроено

Аминокислота сочетает в одной молекуле две группы с противоположными свойствами. Аминогруппа принимает протон и ведёт себя как основание, а карбоксильная группа отдаёт протон и ведёт себя как кислота. Поэтому аминокислоты называют амфотерными соединениями: они способны реагировать и с кислотами, и со щелочами.

В молекуле аминокислоты протон карбоксильной группы может перейти к аминогруппе. Причина такого перехода — основный характер –NH₂ и кислотный характер –COOH, находящихся рядом. Возникает форма ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻, называемая внутренней солью: положительный и отрицательный заряды принадлежат одной частице.

Строение радикала R меняет свойства аминокислоты, потому что именно эта часть молекулы может иметь разный состав и размер. У глицина радикал R — атом водорода, поэтому его формула NH₂–CH₂–COOH. У аланина R — метильная группа CH₃, и его формула NH₂–CH(CH₃)–COOH.

Из-за полярного строения и существования в виде внутренних солей аминокислоты обычно представляют собой твёрдые кристаллические вещества. Для них характерны сравнительно высокие температуры плавления, а многие аминокислоты хорошо растворяются в воде. Ионы в кристалле удерживаются сильнее, чем неполярные молекулы, поэтому такие вещества не похожи по свойствам на многие органические жидкости.

Пептидная связь возникает при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. От карбоксильной группы отщепляется OH, а от аминогруппы — H; вместе они образуют H₂O. Оставшиеся части соединяются фрагментом –CO–NH–, который и называют пептидной связью.

Строение и свойства аминокислот

Таблица помогает сопоставить строение аминокислоты с проявляемыми ею свойствами. При решении задач сначала находите функциональные группы и радикал, а затем определяете возможную реакцию. Формулы в последнем столбце показывают главное следствие каждого признака.

Разбор задач

1. Формула глицина

Условие: запишите структурную формулу глицина и укажите в ней аминогруппу и карбоксильную группу. Глицин является простейшей α-аминокислотой, поэтому в общей формуле нужно выбрать самый простой радикал. Им будет атом водорода.

1. Записываем общую формулу: NH₂–CH(R)–COOH.
2. Подставляем R = H и учитываем, что этот водород вместе с водородом у центрального атома даёт фрагмент CH₂.
3. Получаем формулу NH₂–CH₂–COOH; слева выделяем –NH₂, справа — –COOH.

Ответ: глицин имеет формулу NH₂–CH₂–COOH. Аминогруппа — NH₂, карбоксильная группа — COOH.

2. Реакция глицина с гидроксидом натрия

Условие: составьте уравнение реакции глицина с NaOH. Гидроксид натрия является основанием, поэтому реагирует с кислотной карбоксильной группой, а не с аминогруппой.

1. В молекуле глицина выделяем кислотный фрагмент –COOH.
2. Заменяем его водород на катион Na⁺, образуя соль –COONa.
3. Освободившийся H⁺ соединяется с OH⁻, поэтому появляется вода.

Ответ: NH₂–CH₂–COOH + NaOH → NH₂–CH₂–COONa + H₂O.

3. Образование дипептида

Условие: составьте уравнение образования дипептида из глицина и аланина. Нужно соединить карбоксильную группу одной аминокислоты с аминогруппой другой, сохранив фрагмент –CO–NH–.

1. Записываем исходные вещества: NH₂–CH₂–COOH и NH₂–CH(CH₃)–COOH.
2. У первой молекулы оставляем карбоксильную группу, а у второй — аминогруппу.
3. Убираем OH и H, записываем H₂O, а между остатками ставим –CO–NH–.

Ответ: NH₂–CH₂–COOH + NH₂–CH(CH₃)–COOH → NH₂–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O. Пептидная связь — –CO–NH–.

Типичные ошибки

Ошибка — считать аминокислоты только основаниями или только кислотами. Так происходит, если замечают лишь одну функциональную группу. Проверьте формулу: наличие одновременно –NH₂ и –COOH означает амфотерность.

Нельзя путать аминогруппу –NH₂ с аммонийной группой –NH₃⁺. Первая записана в исходной молекуле, а вторая возникает после присоединения протона во внутренней соли. Проверка проста: ищите, откуда взялся дополнительный H и появился ли положительный заряд.

Не следует называть любую аминокислоту α-аминокислотой без проверки положения групп. Сначала найдите углерод карбоксильной группы, затем соседний с ним атом и только после этого выясните, связана ли с ним аминогруппа. Если между ними есть ещё один углерод, это уже другой тип.

При образовании пептида часто забывают воду или неверно выделяют связь. Сначала отметьте OH у –COOH и H у –NH₂, затем объедините их в H₂O. Оставшийся фрагмент между остатками должен иметь вид –CO–NH–.

Связь с другими темами

Для понимания аминокислот нужны знания о строении органических молекул, функциональных группах, карбоновых кислотах и аминах. Эти сведения помогают сразу распознать свойства –COOH и –NH₂. Без них трудно объяснить амфотерность вещества.

Аминокислоты связаны с изучением белков, потому что белковые молекулы построены из их остатков. Остатки соединяются в полипептидные цепи пептидными связями. Последовательность аминокислот влияет на строение и свойства белка.

Тема продолжает изучение кислотно-основных свойств органических веществ. Она также подготавливает к рассмотрению реакций конденсации, при которых из небольших молекул образуются более крупные цепи. Поэтому аминокислоты важны для понимания синтеза пептидов.

Что запомнить

• Аминокислота содержит и аминогруппу, и карбоксильную группу.
• Аминогруппа проявляет основные свойства, карбоксильная группа — кислотные.
• Аминокислоты могут существовать в виде внутренних солей.
• В α-аминокислотах аминогруппа связана с углеродом рядом с карбоксильной группой.
• Радикал R различает аминокислоты.
• Пептидная связь имеет вид –CO–NH–.
• При образовании пептидной связи отщепляется вода.