§ 24. Аминокислоты

Определения и обозначения

Аминокислоты — органические соединения, содержащие одновременно аминогруппу −NH₂ и карбоксильную группу −COOH. В общем виде их можно записать как H₂N−R−COOH, где R — углеводородный или другой заместитель. Наличие двух функциональных групп объясняет двойственный характер их химических свойств.

α-Аминокислоты — соединения, в которых аминогруппа находится у атома углерода, соседнего с карбоксильной группой: H₂N−CH(R)−COOH. Этот атом называют α-атомом углерода. Такая схема особенно важна, потому что именно α-аминокислоты являются основными структурными единицами белков.

Амфотерность аминокислот — способность реагировать и с кислотами, и со щелочами. Аминогруппа −NH₂ проявляет основные свойства и принимает протон, а карбоксильная группа −COOH проявляет кислотные свойства и отдаёт его. Поэтому одну и ту же аминокислоту можно рассматривать как соединение с двумя противоположными реакционными центрами.

Цвиттер-ион — внутренняя соль аминокислоты, в которой аминогруппа имеет положительный заряд, а карбоксильная группа — отрицательный: ⁺NH₃−CH(R)−COO⁻. Такая форма возникает при переносе протона внутри молекулы. Она помогает понять ионное строение кристаллов аминокислот и их поведение в растворах.

Как это устроено

Строение аминокислот объединяет признаки карбоновых кислот и аминов в одной молекуле. От карбоновой кислоты они получают группу −COOH, способную участвовать в реакциях нейтрализации, а от амина — группу −NH₂, способную присоединять протон. Поэтому свойства аминокислоты нельзя объяснить только одной из этих групп: обе влияют на растворимость, реакции и строение вещества.

В α-аминокислоте карбоксильный углерод входит в группу −COOH, а соседний атом углерода связан с аминогруппой, атомом водорода и радикалом R. Отсюда получается формула H₂N−CH(R)−COOH. Если заменить R, изменятся размер, состав и химические свойства молекулы: например, R = H соответствует глицину, а R = CH₃ — аланину.

Положение аминогруппы обозначают греческими буквами. В α-аминокислоте она находится у первого углерода после карбоксильной группы, в β-аминокислоте — у второго, а в γ-аминокислоте — у третьего: −COOH−CH(NH₂)−, −COOH−CH₂−CH(NH₂)− и −COOH−CH₂−CH₂−CH(NH₂)− соответственно. В белках преобладают α-аминокислоты, потому что именно их расположение удобно для регулярного соединения аминокислот в пептидные цепи и формирования пространственной структуры белков.

В молекуле аминокислоты карбоксильная группа может передать протон аминогруппе, поэтому образуется цвиттер-ион ⁺NH₃−CH(R)−COO⁻. В кристалле такие частицы удерживаются электростатическим притяжением, как ионы в соли, поэтому аминокислоты обычно имеют высокие температуры плавления. Растворимость зависит от среды: изменение кислотности меняет заряд частиц и силу их взаимодействия с водой.

В кислой среде аминогруппа присоединяет протон и превращается в −NH₃⁺, а в щелочной среде карбоксильная группа теряет протон и превращается в −COO⁻. Поэтому аминокислота реагирует с соляной кислотой, например образуя соль ⁺NH₃−CH₂−COOH Cl⁻, и с гидроксидом натрия, образуя ⁺NH₃−CH₂−COO⁻Na⁺. При соединении аминокислот карбоксильная группа одной молекулы взаимодействует с аминогруппой другой, отщепляется вода и возникает пептидная связь −CO−NH−.

Классификация и химические свойства аминокислот

Сначала определите число кислотных и основных групп, включая группы в радикале R. Затем сравните их количество: избыток карбоксильных групп делает аминокислоту кислой, а избыток аминогрупп — основной. Заряд в растворе зависит также от кислотности среды, поэтому слово «преимущественный» означает наиболее вероятный суммарный заряд при обычных условиях.

Разбор задач

Задача 1

Нужно записать структурную формулу и название аминокислоты состава C₂H₅NO₂. Дополнительно требуется назвать функциональные группы. Используем общую формулу α-аминокислот, а затем проверяем состав полученной молекулы.

1. В формуле H₂N−CH(R)−COOH два атома углерода уже входят в фрагмент −CH−COOH.
2. Чтобы получить состав C₂H₅NO₂, радикал R должен быть атомом водорода: H₂N−CH₂−COOH.
3. Структура содержит аминогруппу −NH₂ и карбоксильную группу −COOH; её название — аминоуксусная кислота, или глицин.

Ответ: H₂N−CH₂−COOH, глицин. В молекуле есть аминогруппа и карбоксильная группа. Подсчёт атомов даёт C₂H₅NO₂.

Задача 2

Рассмотрим реакции глицина H₂N−CH₂−COOH с HCl и NaOH. В первом случае кислота взаимодействует с основной аминогруппой, а во втором щёлочь нейтрализует кислотную карбоксильную группу. Поэтому продукты будут разными солями.

1. С соляной кислотой: H₂N−CH₂−COOH + HCl → ⁺NH₃−CH₂−COOH Cl⁻.
2. С гидроксидом натрия: H₂N−CH₂−COOH + NaOH → H₂N−CH₂−COO⁻Na⁺ + H₂O.
3. В первой реакции протон присоединяется к аминогруппе, во второй от карбоксильной группы отщепляется протон.

Ответ: глицин проявляет амфотерность. С кислотой он образует соль аммониевого типа, а со щёлочью — соль карбоксилата и воду. Это подтверждает участие разных функциональных групп.

Задача 3

Составим дипептид из глицина H₂N−CH₂−COOH и аланина H₂N−CH(CH₃)−COOH. Выберем карбоксильную группу глицина и аминогруппу аланина, чтобы получить цепь Gly−Ala. При конденсации удаляются −OH из карбоксильной группы и H из аминогруппы.

1. Записываем реагенты: H₂N−CH₂−COOH + H₂N−CH(CH₃)−COOH.
2. Соединяем их фрагментом −CO−NH−: H₂N−CH₂−CO−NH−CH(CH₃)−COOH.
3. Добавляем выделившуюся воду: H₂N−CH₂−COOH + H₂N−CH(CH₃)−COOH → H₂N−CH₂−CO−NH−CH(CH₃)−COOH + H₂O.

Ответ: образуется дипептид глицилаланин и одна молекула воды. Связь −CO−NH− называется пептидной. Число молекул воды равно числу образовавшихся пептидных связей.

Типичные ошибки

Аминокислоту иногда записывают как механическую смесь амина и карбоновой кислоты. Ошибка возникает из-за попытки рассматривать свойства групп отдельно, хотя они входят в одну молекулу и связаны общим углеродным скелетом. Проверьте себя: в структурной формуле должны одновременно присутствовать −NH₂ и −COOH.

Не всякая аминокислота является α-аминокислотой. У α-формы аминогруппа находится у соседнего с карбоксильной группой атома углерода, а у β- и γ-форм — дальше. Чтобы не ошибиться, отсчитайте атомы углерода от углерода группы −COOH.

В реакции со щёлочью иногда протонируют аминогруппу, хотя щёлочь не поставляет протон. Она отнимает его у −COOH, поэтому образуются −COO⁻ и вода. Проверка проста: при нейтрализации щёлочью должен появиться карбоксилат, а не дополнительная протонированная аминогруппа.

При образовании пептида забывают воду или соединяют группы не теми атомами. Пептидная связь возникает именно между углеродом карбонильной группы и азотом аминогруппы, то есть имеет фрагмент −CO−NH−. Уберите −OH и H, соедините оставшиеся части и посчитайте число молекул воды.

Связь с другими темами

Для понимания аминокислот нужны знания о карбоновых кислотах, аминах, функциональных группах и реакциях нейтрализации. Тема продолжает изучение органических соединений с несколькими функциональными группами и применение правил номенклатуры. Позднее эти знания понадобятся при изучении пептидов, белков, полимеров и биохимических процессов.

Что запомнить

• Аминокислоты содержат аминогруппу −NH₂ и карбоксильную группу −COOH.
• Общая формула α-аминокислот: H₂N−CH(R)−COOH.
• Аминокислоты проявляют амфотерность.
• В водном растворе аминокислоты могут существовать в виде цвиттер-ионов.
• С кислотами аминокислоты образуют соли по аминогруппе, а со щелочами — соли по карбоксильной группе.
• Пептидная связь образуется между карбоксильной и аминогруппами с выделением воды.
• Аминокислоты являются структурными единицами белков.