§ 26. Аминокислоты

Определения и обозначения

Аминокислоты — органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу и карбоксильную группу. Их формулы объединяют признаки аминов и карбоновых кислот. Поэтому по строению аминокислоты можно предсказать реакции с кислотами и щелочами.

Аминогруппа записывается как –NH₂ и состоит из атома азота и двух атомов водорода. У атома азота есть неподелённая электронная пара, с помощью которой группа может присоединить протон H⁺. Благодаря этому аминогруппа проявляет основные свойства.

Карбоксильная группа –COOH включает связанные между собой карбонильную и гидроксильную группы. Она может отдавать протон H⁺, поэтому проявляет кислотные свойства. Наличие карбоксильной группы позволяет отличить аминокислоту от соединения, содержащего только аминогруппу.

α-Аминокислоты — аминокислоты, у которых аминогруппа связана с атомом углерода, соседним с карбоксильной группой. Этот соседний атом обозначают как α-атом углерода. Такое название помогает понять, к какому атому присоединена аминогруппа, и записать общую формулу этих веществ.

Как это устроено

Общая формула α-аминокислот — H₂N–CH(R)–COOH. В ней аминогруппа и карбоксильная группа присоединены к одному α-атому углерода, а R обозначает радикал — оставшуюся часть молекулы. Такая запись сразу показывает общую для всех α-аминокислот часть и место, в котором они могут различаться.

Замена радикала R приводит к разным веществам. У глицина R = H, поэтому его структурная формула H₂N–CH₂–COOH, а молекулярная — C₂H₅NO₂; у аланина R = CH₃, формула H₂N–CH(CH₃)–COOH, а молекулярная — C₃H₇NO₂. В обоих случаях функциональные группы одинаковы, но радикал меняет состав молекулы и её молекулярную массу.

В твёрдом состоянии и водном растворе аминокислоты существуют преимущественно как цвиттер-ионы — частицы с положительным и отрицательным зарядами в одной молекуле. Протон карбоксильной группы переходит к аминогруппе, поэтому запись меняется на ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻. Два заряда компенсируют друг друга, так что суммарный заряд частицы равен нулю.

Карбоксильная группа может отдавать протон, а аминогруппа — принимать его. Поэтому аминокислота способна взаимодействовать как с кислотой, так и со щёлочью: в первом случае реагирует аминогруппа, во втором — карбоксильная. Такое сочетание кислотных и основных свойств называют амфотерностью.

При соединении двух аминокислот карбоксильная группа одной реагирует с аминогруппой другой. От карбоксильной группы отходит OH, а от аминогруппы — H; вместе они образуют молекулу воды. Между остатками аминокислот возникает фрагмент –CO–NH–, называемый пептидной связью; цепи таких остатков входят в состав пептидов и белков.

Сравнение глицина и аланина

Сравнивайте сначала общую часть структурных формул, а затем радикалы: так легче заметить, чем отличаются вещества. Молекулярную массу можно проверить суммированием относительных атомных масс всех атомов формулы. В последней строке соли с HCl и NaOH записаны соответственно через разделение зарядов и в молекулярном виде.

Разбор задач

Формулы глицина и аланина

Условие: запишите структурную и молекулярную формулы глицина и аланина, укажите их радикалы. Используйте общую формулу α-аминокислоты H₂N–CH(R)–COOH. Важно не включить общую часть молекулы в радикал.

1. Для глицина радикал R равен H, поэтому структурная формула имеет вид H₂N–CH₂–COOH.
2. Подсчитайте атомы: в молекуле 2 атома C, 5 H, 1 N и 2 O; молекулярная формула — C₂H₅NO₂.
3. Для аланина R = CH₃, поэтому формула H₂N–CH(CH₃)–COOH, а после подсчёта атомов получаем C₃H₇NO₂.

Ответ: глицин — H₂N–CH₂–COOH, C₂H₅NO₂, R = H; аланин — H₂N–CH(CH₃)–COOH, C₃H₇NO₂, R = CH₃. В обоих случаях –NH₂ и –COOH связаны с α-атомом углерода. Различие формул возникает из-за разных радикалов.

Реакции аланина с кислотой и щёлочью

Условие: составьте уравнения реакций аланина с соляной кислотой и гидроксидом натрия. Аланин записываем как H₂N–CH(CH₃)–COOH. Сначала определите, какая функциональная группа взаимодействует с каждым реагентом.

1. При реакции с HCl аминогруппа принимает протон, а образовавшаяся положительно заряженная группа связывается с Cl⁻.
2. Запишите уравнение: H₂N–CH(CH₃)–COOH + HCl → [H₃N–CH(CH₃)–COOH]Cl.
3. С NaOH реагирует карбоксильная группа: её H заменяется на Na, а OH и H образуют воду.

Ответ: H₂N–CH(CH₃)–COOH + HCl → [H₃N–CH(CH₃)–COOH]Cl; H₂N–CH(CH₃)–COOH + NaOH → H₂N–CH(CH₃)–COONa + H₂O. Проверьте, что во втором уравнении натрий оказался у карбоксильной группы. Эти реакции показывают амфотерность аланина.

Дипептид из глицина и аланина

Условие: составьте уравнение образования дипептида из глицина и аланина и назовите связь между остатками аминокислот. Выберите карбоксильную группу одной молекулы и аминогруппу другой. В результате должен получиться один фрагмент –CO–NH– и одна молекула воды.

1. Запишите исходные вещества: H₂N–CH₂–COOH и H₂N–CH(CH₃)–COOH.
2. У первой молекулы выделите OH карбоксильной группы, у второй — H аминогруппы; эти атомы образуют H₂O.
3. Соедините оставшиеся части через –CO–NH– и проверьте, что в продукте сохранены оба аминокислотных остатка.

Ответ: H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH(CH₃)–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O. Полученное соединение — дипептид глицилаланин. Связь между его остатками –CO–NH– называется пептидной.

Типичные ошибки

• Считать аминокислоту только кислотой или только основанием — значит учитывать лишь одну из двух групп. Ошибку допускают, когда сосредотачиваются на знакомых свойствах –COOH или –NH₂ и забывают о второй группе. Проверьте формулу: если в ней есть обе группы, ожидайте реакции и с кислотой, и со щёлочью.

• Путать аминогруппу –NH₂ с фрагментом –CONH– в пептидной связи — значит считать разные участки одинаковыми. Путаница возникает из-за присутствия азота в обоих случаях. Сверьте строение: в аминогруппе азот непосредственно связан с углеродом α-атома, а в –CONH– он входит в связку между остатками.

• Записывать цвиттер-ион без зарядов — значит не показать перенос протона. Такая запись кажется правдоподобной, потому что суммарный заряд молекулы равен нулю. Проверьте оба фрагмента: должны присутствовать –NH₃⁺ и –COO⁻, заряды которых взаимно компенсируются.

• Отщеплять при образовании пептидной связи не те атомы — значит получить неверную формулу воды или продукта. Ошибка появляется, если не проследить, какие группы соединяются. Для проверки уберите OH от карбоксильной группы и H от аминогруппы: они должны дать H₂O, а между остатками должна появиться связь –CO–NH–.

Связь с другими темами

Для понимания аминокислот нужно знать строение аминогруппы и карбоксильной группы. Полезно также вспомнить свойства аминов и карбоновых кислот: они объясняют, почему аминокислоты принимают или отдают протон. Эти знания позволяют самостоятельно предсказывать реакции с кислотами и щелочами.

Пептидная связь соединяет остатки аминокислот и становится основой строения пептидов и белков. Поэтому изучение аминокислот подготавливает к разбору состава белков и их образования. Свойства аминокислот также помогают понимать их превращения в живых организмах.

Что запомнить

• Аминокислоты содержат аминогруппу и карбоксильную группу.
• У α-аминокислот обе группы связаны с одним α-атомом углерода.
• Различия между аминокислотами определяются строением радикала R.
• Аминокислоты амфотерны и реагируют как с кислотами, так и со щелочами.
• В растворе аминокислоты существуют преимущественно в форме цвиттер-ионов.
• Пептидная связь образуется при взаимодействии аминогруппы и карбоксильной группы с отщеплением воды.