18. Аминокислоты

Определения и обозначения

Аминокислоты — органические соединения, в молекулах которых одновременно есть аминогруппа –NH₂ и карбоксильная группа –COOH. Именно наличие обеих групп — общий признак веществ этого класса. Он помогает понять, почему одна и та же молекула способна вступать в реакции, характерные для аминов и карбоновых кислот.

α-Аминокислота — аминокислота, у которой аминогруппа связана с атомом углерода, соседним с карбоксильной группой. Её общая структурная формула: H₂N–CH(R)–COOH, где R — боковой радикал, то есть остальная часть молекулы. Такая запись показывает расположение основных частей молекулы и позволяет сравнивать разные α-аминокислоты.

Пептидная связь — связь между остатками аминокислот, возникающая при взаимодействии аминогруппы одной молекулы с карбоксильной группой другой. Её записывают как –CO–NH–: она соединяет углерод карбонильной группы с азотом. Понятие нужно, чтобы описывать образование цепей аминокислотных остатков, из которых построены белки.

Заменимые аминокислоты организм может синтезировать, а незаменимые должны поступать с пищей. Это различие связано не со строением общей формулы, а с возможностями обмена веществ. Оно помогает объяснить, почему полноценное питание должно включать источники незаменимых аминокислот.

Как это устроено

В α-аминокислоте аминогруппа и карбоксильная группа находятся рядом, а к тому же атому углерода присоединён радикал R. Аминогруппа определяет основные свойства, карбоксильная — кислотные, поэтому соединение сочетает два типа химического поведения. Радикал меняется от одной аминокислоты к другой и влияет на её особенности, тогда как группы –NH₂ и –COOH остаются общими для класса.

Аминокислота проявляет амфотерность, то есть реагирует и как основание, и как кислота. При встрече с кислотой аминогруппа присоединяет протон: H₂N–CH₂–COOH + HCl → [H₃N⁺–CH₂–COOH]Cl⁻. При взаимодействии со щёлочью карбоксильная группа отдаёт протон, образуя соль и воду: H₂N–CH₂–COOH + NaOH → H₂N–CH₂–COONa + H₂O. В каждом случае реагирует именно та функциональная группа, свойства которой подходят партнёру.

В водной среде протон карбоксильной группы может перейти к аминогруппе той же молекулы. Так возникает внутренняя соль H₃N⁺–CH(R)–COO⁻: в ней есть положительный и отрицательный заряды, хотя молекула в целом нейтральна. Ионное строение помогает объяснить, почему аминокислоты обычно являются твёрдыми кристаллическими веществами и имеют высокие температуры плавления по сравнению со многими органическими соединениями.

Когда сближаются карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа другой, от первой отщепляется –OH, от второй — H; вместе они образуют молекулу воды. Оставшиеся части соединяются фрагментом –CO–NH–, то есть пептидной связью. Если реакция повторяется, к цепи присоединяются новые остатки аминокислот, а последовательность этих остатков определяет строение белковой молекулы.

Аминокислоты нужны организму как строительные части белков, участвующих в работе клеток и тканей. Часть необходимых соединений организм способен получить, преобразуя другие вещества, — это заменимые аминокислоты. Незаменимые таким способом получить нельзя или нельзя в достаточном количестве, поэтому их источники должны быть в рационе; так химическая классификация связана с составом питания.

Строение и свойства аминокислот

Сначала по первой строке определите, где в молекуле расположена аминогруппа, затем найдите радикал R. При выборе реакции смотрите, какой партнёр дан: с кислотой реагирует аминогруппа, с основанием — карбоксильная. Последняя строка показывает, какие части групп образуют воду, а какие остаются в пептидной связи.

Разбор задач

Задача 1. Запишите структурную формулу α-аминокислоты с двумя атомами углерода и укажите её функциональные группы. Нужно использовать общую формулу H₂N–CH(R)–COOH и подобрать такой R, чтобы общее число атомов углерода равнялось двум. Углерод центральной группы CH уже входит в подсчёт, второй находится в карбоксильной группе.

1. В формуле H₂N–CH(R)–COOH насчитываем два атома углерода, не считая R: один в CH, другой в COOH.
2. Значит, R не должен содержать углерод; для простейшего варианта берём R = H.
3. Получаем H₂N–CH₂–COOH и отмечаем в ней группы –NH₂ и –COOH.

Ответ: H₂N–CH₂–COOH, глицин; функциональные группы — аминогруппа и карбоксильная группа. Проверка: в формуле всего два атома углерода.

Задача 2. Запишите уравнения взаимодействия глицина с соляной кислотой и гидроксидом натрия. Здесь важно не менять местами функции двух групп: в кислой среде оснóвные свойства проявляет аминогруппа, а со щёлочью реагирует карбоксильная. Формула глицина — H₂N–CH₂–COOH.

1. Для реакции с HCl выберите аминогруппу: она присоединяет H⁺ и превращается в –NH₃⁺.
2. Запишите уравнение: H₂N–CH₂–COOH + HCl → [H₃N⁺–CH₂–COOH]Cl⁻.
3. Для реакции с NaOH выберите карбоксильную группу: её H заменяется на Na, а OH⁻ вместе с протоном образует воду.
4. Запишите уравнение: H₂N–CH₂–COOH + NaOH → H₂N–CH₂–COONa + H₂O.

Ответ: оба уравнения показывают амфотерность глицина: в первом проявляется основная функция, во втором — кислотная. Проверьте сохранение числа атомов и зарядов в каждой реакции.

Задача 3. Запишите образование дипептида из двух молекул глицина и укажите связь между остатками. Дипептид содержит два остатка аминокислоты, соединённые через фрагмент –CO–NH–. Для составления уравнения нужно выделить воду из карбоксильной и аминогруппы.

1. Запишите две молекулы: H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH₂–COOH.
2. От карбоксильной группы первой молекулы возьмите –OH, а от аминогруппы второй — H; вместе они образуют H₂O.
3. Соедините оставшиеся части фрагментом –CO–NH–: H₂N–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH + H₂O.

Ответ: образуется дипептид H₂N–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH и вода; остатки соединяет пептидная связь –CO–NH–. Проверьте, что в продукте сохранились два остатка глицина, а вода включает по одному фрагменту от каждой участвовавшей группы.

Типичные ошибки

Считать аминокислоту только амином или только карбоновой кислотой. Так ошибаются, если замечают в формуле лишь одну знакомую группу. Но обе функциональные группы входят в одну молекулу и вместе определяют её свойства. Проверьте себя: найдите в записи и –NH₂, и –COOH, прежде чем предсказывать реакцию.

Путать α-аминокислоту с соединением, где аминогруппа расположена дальше. Часто букву α принимают за часть названия, не связывая её с расположением группы. Положение считают относительно карбоксильной группы: у α-аминокислоты аминогруппа находится при соседнем атоме углерода. Нарисуйте углеродную цепь и проверьте, к какому атому присоединена –NH₂.

Записывать реакцию с кислотой или основанием без учёта реагирующей группы. Причина ошибки — механическое запоминание уравнения без понимания свойств. Кислота взаимодействует с основной аминогруппой, а основание — с кислотной карбоксильной. Перед записью уравнения назовите группу, которая принимает или отдаёт протон, и проверьте продукт.

Считать пептидную связь обычной связью между атомами углерода. В цепи действительно есть много атомов углерода, поэтому связь легко определить неверно. Однако пептидный фрагмент имеет вид –CO–NH–: в нём соединены углерод карбонильной группы и азот аминогруппы. Для проверки найдите в формуле дипептида именно последовательность C(=O)–N, а не C–C.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции аминокислот, нужно знать строение аминов и карбоновых кислот, а также свойства аминогруппы и карбоксильной группы. Пептидная связь соединяет тему аминокислот с изучением белков: белковые молекулы построены из аминокислотных остатков. Наконец, знания о составе пищи и обмене веществ помогают понять, почему одни аминокислоты организм синтезирует, а другие должен получать с пищей.

Что запомнить

• Аминокислота содержит аминогруппу и карбоксильную группу.
• В α-аминокислоте аминогруппа находится у атома углерода, соседнего с карбоксильной группой.
• Аминокислоты проявляют свойства и кислот, и оснований.
• Боковой радикал различается у разных аминокислот.
• Пептидная связь соединяет остатки аминокислот в цепь.
• Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм с пищей.