22.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Аминокислоты — органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу –NH₂ и карбоксильную группу –COOH. Их общую формулу часто записывают как H₂N–R–COOH, где R — углеводородный или функционально замещённый фрагмент. Поэтому аминокислоты относят и к производным карбоновых кислот, и к азотсодержащим органическим соединениям.

α-Аминокислоты — вещества, в которых аминогруппа связана с атомом углерода, соседним с карбоксильной группой. Для них характерна структурная формула H₂N–CH(R)–COOH. Такое обозначение особенно важно, потому что большинство аминокислот, входящих в состав белков, являются именно α-аминокислотами.

Цвиттер-ион — внутренняя соль аминокислоты, в которой положительный и отрицательный заряды находятся в одной частице: ⁺NH₃–CH(R)–COO⁻. Она образуется при переносе протона от карбоксильной группы к аминогруппе. Это понятие помогает объяснить амфотерность и физические свойства аминокислот.

Радикал аминокислоты — углеводородный или функционально замещённый фрагмент R, связанный с α-атомом углерода. Именно радикал чаще всего различается у разных аминокислот и определяет их полярность, кислотно-основные свойства и другие особенности. Общая часть молекулы обеспечивает сходные реакции, а радикал — индивидуальные свойства.

Как это устроено

Аминокислоты относят к производным карбоновых кислот, потому что в их молекулах карбоксильная группа сохраняет характерные для кислот свойства. Одновременно наличие аминогруппы связывает их с аминами — азотсодержащими соединениями, способными присоединять протон. Сочетание двух разных функциональных групп в одной молекуле и объясняет двойственный характер аминокислот.

В α-аминокислоте обе группы связаны с одним и тем же α-атомом углерода, который непосредственно примыкает к карбоксильному углероду. Поэтому её формулу записывают как H₂N–CH(R)–COOH: R занимает место четвёртой группы у этого атома углерода. Такое строение позволяет выделить общую часть молекулы и сравнивать различные аминокислоты по радикалу.

Буквы α, β и γ показывают, насколько атом углерода с аминогруппой удалён от карбоксильной группы. Отсчёт начинают с углерода карбоксильной группы, затем идут α-, β- и γ-атомы. Если аминогруппа связана с α-атомом, соединение является α-аминокислотой, если с β- или γ-атомом — β- или γ-аминокислотой.

Карбоксильная группа может передать свой протон аминогруппе, поскольку последняя обладает основными свойствами. В результате образуются противоположно заряженные части: ⁻COO⁻ и ⁺NH₃, а частица становится цвиттер-ионом. В кристалле такие ионы прочно притягиваются друг к другу, поэтому аминокислоты обычно являются твёрдыми кристаллическими веществами с высокими температурами плавления.

Различия между аминокислотами во многом связаны с радикалом R. Неполярные радикалы почти не взаимодействуют с водой, полярные содержат группы, способные притягивать воду, а дополнительные кислотные или основные группы меняют заряд частицы. Бензольное кольцо придаёт радикалу ароматический характер, поэтому классификация учитывает не только углеродный скелет, но и все функциональные группы.

Классификация и общая характеристика аминокислот

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите положение аминогруппы относительно карбоксильной. Затем рассмотрите радикал и посчитайте все аминогруппы и карбоксильные группы в молекуле. Один и тот же представитель может одновременно иметь несколько характеристик, например быть α-аминокислотой и моноаминомонокарбоновой кислотой.

Неполярные аминокислоты содержат радикалы, почти не взаимодействующие с водой, а полярные — радикалы с полярными связями или дополнительными функциональными группами. Кислые аминокислоты имеют дополнительную карбоксильную группу, основные — дополнительную аминогруппу. Ароматические аминокислоты распознают по ароматическому кольцу в радикале.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите, к какому классу аминокислот относится соединение H₂N–CH₂–CH₂–COOH, и назовите его. Нужно установить не общее число атомов углерода, а положение аминогруппы относительно карбоксильной группы.

1. Атом углерода карбоксильной группы не включают в отсчёт положения аминогруппы; ближайший к нему атом цепи обозначают α.
2. В записи H₂N–CH₂–CH₂–COOH аминогруппа находится у крайнего атома CH₂, удалённого от карбоксильной группы на два углеродных атома цепи.
3. Между атомом углерода с аминогруппой и карбоксильным углеродом расположен ещё один атом углерода, поэтому положение является β.

Ответ: это β-аминопропионовая кислота, или β-аланин. Ошибка возникнет, если начать отсчёт с аминогруппы или считать карбоксильный углерод α-атомом.

Задача 2

Условие. Составьте структурные формулы двух изомеров аминокислот состава C₃H₇NO₂ и назовите их. Изомеры должны иметь одинаковый состав, но различаться строением или положением аминогруппы.

1. Берём трёхуглеродную цепь и сохраняем одну карбоксильную и одну аминогруппу.
2. Если аминогруппа находится у соседнего с карбоксильной группой атома, получаем CH₃–CH(NH₂)–COOH — 2-аминопропановую кислоту, или α-аланин.
3. Перемещаем аминогруппу на конец цепи: H₂N–CH₂–CH₂–COOH — 3-аминопропановая кислота, или β-аланин.

Ответ: возможная пара изомеров — α-аланин CH₃–CH(NH₂)–COOH и β-аланин H₂N–CH₂–CH₂–COOH. Их молекулярный состав одинаков, но положение функциональной группы разное.

Задача 3

Условие. Запишите цвиттер-ионную форму аминокислоты и определите, какие функциональные группы обусловливают её амфотерность. Возьмём общую формулу α-аминокислоты H₂N–CH(R)–COOH.

1. Карбоксильная группа отдаёт протон, превращаясь в карбоксилат-ион –COO⁻.
2. Аминогруппа принимает этот протон и превращается в ион ⁺NH₃.
3. Получаем запись ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻, где положительный и отрицательный заряды принадлежат одной частице.

Ответ: амфотерность обусловлена карбоксильной группой, способной отдавать протон, и аминогруппой, способной его принимать. Поэтому аминокислота может проявлять свойства и кислоты, и основания.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Аминокислотой считают любое соединение с аминогруппой. Так происходит, если не проверяют наличие второй обязательной группы. Проверьте формулу: в ней должны быть и –NH₂, и –COOH либо соответствующие им ионные формы.

Ошибка 2. Путают α-, β- и γ-положение, начиная отсчёт не от карбоксильной группы. Причина — привычка читать формулу слева направо без выделения главной группы. Сначала найдите карбоксильный углерод, затем последовательно обозначьте α-, β- и γ-атомы.

Ошибка 3. Аминокислоту записывают только в молекулярном виде и забывают о цвиттер-ионе. Такой подход не объясняет заряд, кристалличность и высокую температуру плавления вещества. Для твёрдого состояния проверяйте форму ⁺NH₃–CH(R)–COO⁻.

Ошибка 4. Класс определяют по названию углеводородного радикала, не учитывая дополнительные группы. Из-за этого лизин или аспарагиновую кислоту можно ошибочно отнести к неполярным. Проанализируйте весь радикал: его полярные, кислотные, основные и ароматические фрагменты.

Связь с другими темами

До изучения аминокислот нужно повторить строение карбоновых кислот и аминов, понятия функциональной группы, изомерии и правила составления структурных формул. Это позволит правильно распознавать группы и определять положение аминогруппы.

Дальше тема понадобится при изучении химических свойств аминокислот, пептидов и белков. Аминокислоты соединяются в цепи, а последовательность их радикалов влияет на свойства белковых молекул.

Амфотерность связывает тему с кислотно-основными свойствами карбоновых кислот и аминов. Понимание переноса протона помогает объяснить реакции аминокислот с кислотами и основаниями.

Что запомнить

• Аминокислоты содержат аминогруппу и карбоксильную группу.
• Для α-аминокислот аминогруппа находится у соседнего с карбоксильной группой атома углерода.
• Свойства аминокислоты определяются и общей частью молекулы, и её радикалом.
• В твёрдом состоянии аминокислоты существуют преимущественно в виде цвиттер-ионов.
• Аминокислоты проявляют амфотерность благодаря аминогруппе и карбоксильной группе.
• Аминокислоты классифицируют по положению аминогруппы, строению радикала и числу функциональных групп.