19.4. Аминокислоты

Определения и обозначения

Аминокислота — органическое соединение, содержащее аминогруппу –NH₂ и карбоксильную группу –COOH. Карбоксильная группа связана с кислотными свойствами, а аминогруппа — с основными. Их сочетание в одной молекуле позволяет веществу взаимодействовать и с кислотами, и с основаниями.

α-Аминокислота — аминокислота, у которой аминогруппа присоединена к атому углерода, соседнему с карбоксильной группой. Общая структурная формула: H₂N–CH(R)–COOH, где R — боковой радикал, меняющийся у разных аминокислот. Эта формула помогает увидеть расположение групп и отличить α-аминокислоты от других.

Цвиттер-ион — частица аминокислоты, в которой есть положительно заряженная аммонийная группа –NH₃⁺ и отрицательно заряженная карбоксилатная группа –COO⁻. Заряды компенсируют друг друга, поэтому суммарный заряд равен нулю. Такое обозначение показывает, в какой форме многие аминокислоты существуют в воде и кристаллах.

Пептидная связь — связь –CO–NH– между остатками аминокислот. Она образуется при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой. Понимание этой связи необходимо, чтобы проследить, как из отдельных аминокислот складываются пептиды и белковые цепи.

Как это устроено

В общей формуле α-аминокислоты H₂N–CH(R)–COOH обе функциональные группы связаны с одним α-атомом углерода. Буква R обозначает радикал, который может иметь разное строение, поэтому именно он различает аминокислоты. Например, у глицина R = H, а у аланина R = CH₃. Общая часть формулы при этом сохраняется.

Карбоксильная группа способна отдавать протон, поэтому проявляет кислотные свойства. Аминогруппа, напротив, может присоединять протон и проявляет основные свойства. Благодаря присутствию обеих групп одна и та же аминокислота реагирует с веществами противоположного кислотно-основного характера. Это свойство называют амфотерностью.

В водном растворе протон от карбоксильной группы может перейти к аминогруппе. В результате вместо нейтральной записи H₂N–CH(R)–COOH получают частицу ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻. В ней одновременно присутствуют противоположные заряды, но их сумма равна нулю. Такую частицу называют цвиттер-ионом.

Ионное строение объясняет физические свойства аминокислот. В кристалле положительно и отрицательно заряженные частицы сильно притягиваются друг к другу, поэтому для разрушения решётки при плавлении требуется значительная энергия. Вода хорошо взаимодействует с заряженными частями частиц, что обычно способствует растворению аминокислот. Конкретная растворимость зависит также от строения радикала.

При соединении аминокислот карбоксильная группа одной молекулы взаимодействует с аминогруппой другой. Гидроксильная часть карбоксильной группы и атом водорода аминогруппы образуют молекулу воды. Оставшиеся части соединяются фрагментом –CO–NH–, то есть пептидной связью. Повторение такого процесса позволяет получать цепи из многих аминокислот.

Строение и основные свойства аминокислот

Сначала найдите в формуле общий фрагмент H₂N–CH(R)–COOH и проверьте, находится ли аминогруппа при α-атоме углерода. Затем сопоставьте группы с кислотными и основными свойствами. Последние строки таблицы помогают проследить переход от отдельной аминокислоты к пептиду.

Разбор задач

1. Формула глицина

Условие. Запишите структурную формулу глицина и укажите его аминогруппу и карбоксильную группу. Нужно узнать, как выглядит общая формула α-аминокислоты при R = H. По этой формуле можно выделить обе функциональные группы.

1. Запишем общую формулу: H₂N–CH(R)–COOH.
2. Для глицина R = H, поэтому центральный фрагмент –CH(R)– превращается в –CH₂–.
3. Получаем H₂N–CH₂–COOH: группа –NH₂ слева — аминогруппа, а –COOH справа — карбоксильная группа.

Ответ. Формула глицина — H₂N–CH₂–COOH. Аминогруппа –NH₂ связана с углеродом, соседним с карбоксильной группой, поэтому глицин является α-аминокислотой.

2. Реакции аланина с кислотой и основанием

Условие. Составьте уравнения реакций аланина с соляной кислотой и гидроксидом натрия. Формула аланина — H₂N–CH(CH₃)–COOH. В первом случае следует определить, какая группа принимает протон, а во втором — какая его отдаёт.

1. При взаимодействии с HCl основная аминогруппа принимает протон: H₂N превращается в H₃N⁺.
2. Записываем: H₂NCH(CH₃)COOH + HCl → [H₃N⁺CH(CH₃)COOH]Cl⁻.
3. При взаимодействии с NaOH карбоксильная группа отдаёт протон, а её остаток образует соль: H₂NCH(CH₃)COOH + NaOH → H₂NCH(CH₃)COONa + H₂O.

Ответ. В реакции с кислотой аланин ведёт себя как основание, а в реакции с NaOH — как кислота. Два уравнения показывают амфотерность: изменяется та группа, которая взаимодействует с реагентом.

3. Образование дипептида

Условие. Запишите образование дипептида из глицина и аланина, укажите пептидную связь и образующуюся малую молекулу. Сначала расположим глицин слева, аланин справа. Затем соединим карбоксильную группу глицина с аминогруппой аланина.

1. Запишем исходные вещества: H₂NCH₂COOH + H₂NCH(CH₃)COOH.
2. У группы –COOH глицина убираем –OH, а у группы –NH₂ аланина — H; вместе они образуют H₂O.
3. Оставшиеся части соединяем: H₂NCH₂CO–NHCH(CH₃)COOH.

Ответ. H₂NCH₂COOH + H₂NCH(CH₃)COOH → H₂NCH₂CONHCH(CH₃)COOH + H₂O. Пептидная связь в продукте — фрагмент –CO–NH–; малая молекула — вода.

Типичные ошибки

Называть любую аминокислоту α-аминокислотой неверно: положение аминогруппы может различаться. Путаница возникает, если ориентироваться только на наличие двух групп, не учитывая их расположение. Проверьте, связан ли атом азота с углеродом, соседним с карбоксильной группой.

Считать аминокислоту только кислотой или только основанием — значит учитывать лишь одну функциональную группу. Так бывает, если знакомое название одной группы заслоняет вторую. Для проверки найдите в формуле и –COOH, и –NH₂, а затем укажите, какая из них отдаёт протон, а какая принимает.

Записывать цвиттер-ион с ненулевым суммарным зарядом нельзя: в нём присутствуют и положительный, и отрицательный заряды. Ошибка часто появляется, если заряд одной группы забывают или ставят не у того атома. Проверьте запись –NH₃⁺ и –COO⁻ и сложите заряды: +1 и −1 дают ноль.

При образовании пептидной связи нельзя забывать воду или соединять не те части молекул. Обычно это происходит, когда формулу продукта пытаются составить без сравнения исходных групп. Найдите –COOH и –NH₂, уберите OH и H, запишите H₂O, а остаток –CO–NH– выделите как пептидную связь.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать аминокислоты, нужно знать строение аминогруппы и карбоксильной группы, а также свойства аминов и карбоновых кислот. Кислотно-основные реакции помогают объяснить, как аминокислота взаимодействует с кислотой или основанием и почему в воде возникают заряженные группы. Позже та же логика соединения аминокислот пригодится при изучении белков: пептидные связи образуют их цепи, а последовательность остатков связана со строением белка.

Что запомнить

• Аминокислоты содержат аминогруппу и карбоксильную группу.
• В α-аминокислотах эти группы связаны с одним и тем же α-атомом углерода.
• Аминокислоты проявляют и кислотные, и основные свойства.
• В воде аминокислоты могут существовать в виде цвиттер-ионов.
• При образовании пептидной связи отщепляется молекула воды.
• Пептидная связь имеет фрагмент –CO–NH–.