24.4. Конденсация аминокислот

Определения и обозначения

Конденсация аминокислот — образование соединения из аминокислот с выделением молекулы воды. При этом небольшие молекулы соединяются в более крупную частицу. Понятие помогает понять, почему образование пептида сопровождается появлением H₂O.

Пептидная связь — связь –CO–NH– между остатками аминокислот, возникающая при их конденсации. Она образуется на месте взаимодействия карбоксильной и аминогруппы. По этому фрагменту распознают пептидную цепь в структурной формуле.

Дипептид — соединение, образованное двумя остатками аминокислот, соединёнными одной пептидной связью. В его цепи находятся два остатка, поэтому при образовании выделяется одна молекула воды. На концах дипептида сохраняются свободные аминогруппа и карбоксильная группа.

Полипептид — цепь из многих остатков аминокислот, соединённых пептидными связями. Если в линейной цепи n остатков, связей между соседними остатками будет n − 1. Термин используют для описания основы строения белковых молекул.

Как это устроено

У аминокислоты есть карбоксильная группа –COOH и аминогруппа –NH₂, поэтому одна её молекула может соединяться с другой. При взаимодействии карбоксильная группа одной молекулы и аминогруппа другой располагаются рядом. Это позволяет удалить OH и H, а оставшиеся части соединить в новую связь.

Отщепившиеся OH и H образуют молекулу воды, потому что один фрагмент содержит кислород, а другой — водород. После удаления этих частиц от карбоксильной группы остаётся фрагмент –CO–, а от аминогруппы — –NH–. Между остатками поэтому появляется характерный фрагмент –CO–NH–, а не полная группа –COOH или –NH₂.

При соединении двух молекул образуется дипептид с одной пептидной связью. На его противоположных концах не участвовавшие группы сохраняют способность реагировать: с одной стороны остаётся аминогруппа, с другой — карбоксильная. Благодаря этому дипептид может присоединять следующие аминокислоты.

Новая аминокислота соединяется со свободным концом уже образовавшейся цепи, поэтому цепь постепенно удлиняется. При каждом таком присоединении формируется ещё один фрагмент –CO–NH– и отщепляется одна молекула воды. Для линейной цепи из n остатков число связей и молекул воды одинаково и равно n − 1.

Порядок аминокислотных остатков задаёт последовательность звеньев в цепи. Если поменять местами, например, первый и второй остатки, изменятся расположение боковых групп и строение всего пептида. Поэтому одинаковый набор аминокислот ещё не означает одинаковое вещество.

Образование пептидов при конденсации аминокислот

Сначала определите, сколько аминокислотных остатков должно быть в продукте, а затем найдите число соединений между соседними остатками. Для линейной цепи это число на единицу меньше числа остатков. По нему сразу устанавливают и количество выделившейся воды.

При записи структурной формулы проверяйте направление цепи слева направо. Оно показывает, какой остаток находится у свободной аминогруппы, а какой — у свободной карбоксильной группы.

Разбор задач

1. Конденсация двух молекул глицина

Условие: запишите уравнение конденсации двух молекул глицина и изобразите образующуюся пептидную связь. Глицин имеет формулу NH₂–CH₂–COOH. Нужно соединить карбоксильную группу одной молекулы с аминогруппой другой.

1. От первой молекулы мысленно выделяем группу –OH карбоксила, от второй — атом H аминогруппы.
2. Эти части образуют H₂O, а оставшиеся фрагменты соединяются как –CO–NH–.
3. Записываем продукт: NH₂–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH и отмечаем в нём пептидный фрагмент.

Ответ: 2NH₂–CH₂–COOH → NH₂–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH + H₂O; пептидная связь — –CO–NH–.

2. Конденсация глицина и аланина

Условие: составьте структурную формулу продукта конденсации глицина и аланина в указанном порядке. Формулы исходных веществ: NH₂–CH₂–COOH и NH₂–CH(CH₃)–COOH. Порядок означает, что остаток глицина должен быть записан перед остатком аланина.

1. У глицина берём карбоксильную группу, а у аланина — аминогруппу.
2. Удаляем OH и H с образованием воды, затем соединяем оставшиеся части через –CO–NH–.
3. Сохраняем свободную аминогруппу глицина слева и свободную карбоксильную группу аланина справа.

Ответ: NH₂–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O.

3. Образование трипептида

Условие: определите число пептидных связей и количество воды при образовании трипептида из трёх молекул аминокислот. Цепь считается линейной, без замыкания в цикл. Нужно посчитать соединения между соседними остатками.

1. Располагаем три остатка последовательно: первый — второй — третий.
2. Между первым и вторым, а также между вторым и третьим остатками образуются две связи.
3. Каждая связь возникает с отщеплением одной молекулы воды.

Ответ: образуются 2 пептидные связи и выделяются 2 молекулы воды; для n остатков действует формула n − 1.

Типичные ошибки

Иногда считают, что от молекулы отщепляется целая группа OH или NH₂. Так происходит из-за механического переноса групп без анализа состава воды. Проверьте себя: в уравнении должны удалиться именно OH и H, которые дают H₂O.

Другой вариант ошибки — запись связей –CO–O– или –CH₂–NH– вместо пептидной. Причина в том, что внимание обращают на соседние атомы, но не на карбонильную группу. Ищите последовательность C=O–N, то есть фрагмент –CO–NH–.

При записи дипептида учащиеся иногда переставляют аминокислотные остатки. Это случается, если не отмечать, какая аминокислота должна стоять первой по условию. Сверьте левый и правый концы цепи с заданным порядком и только после этого оформляйте формулу.

Для цепи из n аминокислот иногда указывают n молекул воды. Такая ошибка появляется при подсчёте исходных молекул вместо связей между ними. В линейной цепи нужно считать промежутки: их n − 1, поэтому столько же связей и молекул воды.

Связь с другими темами

Для понимания реакции нужны строение аминокислот и свойства функциональных групп –NH₂ и –COOH. Именно эти группы определяют, какие атомы участвуют в конденсации. Без их распознавания трудно правильно составить структурную формулу пептида.

Конденсация похожа на этерификацию и образование амидов. Во всех случаях соединение сопровождается отщеплением воды, но состав образующейся связи зависит от функциональных групп реагентов.

Знание пептидной связи необходимо при изучении белков и полипептидов. Обратный процесс — гидролиз — разрушает пептидные связи с участием воды и приводит к образованию аминокислот или более коротких пептидов.

Что запомнить

• Конденсация аминокислот сопровождается выделением воды.
• Пептидная связь имеет строение –CO–NH–.
• Дипептид состоит из двух аминокислотных остатков.
• В линейной цепи из n остатков находится n − 1 пептидная связь.
• При образовании каждой новой пептидной связи выделяется одна молекула воды.
• Порядок аминокислотных остатков в цепи важен.