Белки – это полипептиды достаточно большой молекулярной массы, имеющие определенную пространственную структуру, которая зависит от последовательности входящих в белковую цепь аминокислот. Эта структура может быть компактной (глобулярные белки) или вытянутой (фибриллярные белки). Все ферменты – глобулярные белки, к фибриллярным же относятся коллаген, кератин – белки кожи, волос, очень прочные и хорошо растяжимые.
По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислот, и сложные – комплексы или ковалентные соединения полипептидов с молекулами других классов:

нуклеиновыми кислотами – нуклеопротеиды;
полисахаридами – гликопротеины;
липидами – липопротеиды;
пигментами – хромопротеиды;
остатками фосфорной кислоты – фосфопротеиды.

Белковую часть сложного белка называют апобелком , небелковую – простетической группой . Почти все простые и сложные глобулярные белки являются ферментами – биологическими катализаторами биохимических реакций в живых организмах.

Задачи

Задача 1. Какой объем газа (в нормальных условиях) выделится при реакции с азотистой кислотой 0,001 моля аминокислоты: а) лейцина; б) лизина; в) пролина?

Решение

Запишем уравнения реакций перечисленных аминокислот с азотистой кислотой. В случае лейцина и лизина происходит дезаминирование по Ван-Слайку, причем у лизина – по двум аминогруппам, содержащимся в молекуле. В пролине нет первичной аминогруппы, поэтому процесс останавливается на стадии N-нитрозирования.

В реакции (а) количество молей лейцина n(Лей) равно количеству молей выделевшегося азота n(N 2), поэтому выделяется 0,001 моля, или 22,4 мл азота. В реакции (б) образуется удвоенное количество газа 2n(N 2) по сравнению с n(лиз), так как в исходной аминокислоте две первичные аминогруппы; объем выделившегося азота составит 44,8 мл. В реакции (в) азот не выделяется: пролин – единственная из 20 важнейших аминокислот, у которой в a-положении находится вторичный атом азота. При его нитрозировании образуется N-нитрозо- (а не диазо-) соединение.

Ответ: а) 22,4 мл N 2 ; б) 44,8 мл N 2 ; в) нет выделения N 2 .

Задача 2. В результате обработки раствора, содержащего 9,36 мг неизвестной аминокислоты, избытком азотистой кислоты при 748 мм рт.ст. и 20 °С получено 2,01 мл азота. Какова минимальная молярная масса этой аминокислоты?

Решение

Реакция аминокислоты с азотистой кислотой:

Используя объединенный газовый закон PV/T = const , рассчитаем объем азота при нормальных условиях (при температуре 0 °С, или 273 °К, и давлении 760 мм рт.ст.): V 0 (N 2) (н.у.) = (Р 1 ·V 1 ·T 0)/(P 0 ·T 1) = (748·2,01·273)/(760·293) = 1,84 мл.

Поскольку количества молей вещества аминокислоты и выделяющегося газа N2 одинаковы, составим пропорцию:
9,36 мг аминокислоты дает 1,84 мл N 2 ;
M (молекулярная масса аминокислоты) даст = 22,4 N 2 .
М = (9,36·22,4)/1,84 = 114.
Это может быть валин:

Задача 3. Гемоглобин животного содержит 0,335% железа (по массе). Какова минимальная молярная масса этого белка? Сколько атомов железа входит в состав молекулы, если определенная методом измерения осмотического давления молекулярная масса белка равна 67000?

Решение

Массовая доля железа в гемоглобине: С%(Fe) = /M(белка), где n – число атомов Fe в молекуле белка. Пусть n = 1, тогда М(белка)1 = M(Fe)·100%/C%(Fe) = 56·100/0,335 = 16700. Поскольку истинное значение (по условию) М(белка) ист. = 67000, n = М ист./М 1 = 67000/16700 = 4.

Задача 4. При щелочном гидролизе 48 г дипептида, состоящего из остатков одной и той же аминокислоты, образовалось только одно вещество – натриевая соль аминокислоты. Масса этой соли равна 66,6 г. Установите строение дипептида.

Решение

Уравнение реакции щелочного гидролиза дипептида:

Обозначим количество дипептида в молях (дипептида) = х. Тогда в реакции гидролиза расходуется удвоенное количество щелочи (NaOH) = 2х и образуется (аминокислоты) = 2х и (H2O) = х. Составим уравнение материального баланса, используя формулу m = ·M;

m(дипептида) + m(NaOH) = m(соли аминокислоты) + m(H 2 O); 48 + 2х·40 = 66,6 + х·18; 62х = 18,6; х = 0,3 моля. M(дипептида) = m/ = 48/0,3 = 160. M(аминокислоты) = [М(дипептида) + M(H 2 O)]/2 = 178/2 = 89 г/моль. Аминокислота – аланин. Строение дипептида:.

Аминокислоты — это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функциональные группы противоположного характера: амино­группу с основными свойствами и карбоксильную группу с кис­лотными свойствами. Аминокислоты реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

Н 2 N -СН 2 -СООН + HCl → Сl [Н 3 N-СН 2 -СООН],

Н 2 N -СН 2 -СООН + NaOH → H 2 N-CH 2 -COONa + Н 2 О.

При растворении аминокислот в воде карбоксильная группа отщепляет ион водорода, который может присоединиться к ами­ногруппе. При этом образуется внутренняя соль, молекула кото­рой представляет собой биполярный ион:

H 2 N-CH 2 -СООН + Н 3 N -СН 2 -СОO — .

Кислотно-основные превращения аминокислот в различных средах можно изобразить следующей общей схемой:

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, щелоч­ную или кислую среду в зависимости от количества функцио­нальных групп. Так, глутаминовая кислота образует кислый рас­твор (две группы -СООН, одна -NH 2), лизин — щелочной (одна группа -СООН, две -NH 2).

Подобно первичным аминам, аминокислоты реагируют с азо­тистой кислотой, при этом аминогруппа превращается в гидроксогруппу, а аминокислота - в гидроксикислоту:

H 2 N-CH(R)-COOH + HNO 2 → HO-CH(R)-COOH + N 2 + H 2 O

Измерение объема выделившегося азота позволяет определить количество аминокислоты (метод Ван-Слайка ).

Аминокислоты могут реагировать со спиртами в присутствии газообразного хлороводорода, превращаясь в сложный эфир (точнее, в хлороводородную соль эфира):

H 2 N-CH(R)-COOH + R’OH H 2 N-CH(R)-COOR’ + Н 2 О.

Сложные эфиры аминокислот не имеют биполярной структу­ры и являются летучими соединениями.

Важнейшее свойство аминокислот - их способность к кон­денсации с образованием пептидов.

Качественные реакции .

1) Все аминокислоты окисляются нингидрином

с образованием продуктов, окрашенных в сине-фиолетовый цвет. Иминокислота пролин дает с нингидрином желтое окрашивание. Эта реакция может быть использована для количественного опре­деления аминокислот спектрофотометрическим методом.

2) При нагревании ароматических аминокислот с концентри­рованной азотной кислотой происходит нитрование бензольного кольца и образуются соединения, окрашенные в желтый цвет. Эта реакция называется ксантопротеиновой (от греч. ксантос - жел­тый).

Аминокислоты содержат амино - и карбоксильную группы и проявляют все свойства, характерные для соединений с такими функциональными группами. При написании реакций аминокислот пользуются формулами с неионизированными амино- и карбоксигруппами.

1)реакции по аминогруппе. Аминогруппа в аминокислотах проявляет обычные свойства аминов: амины являются основаниями, а в реакциях выступают в роли нуклеофилов.

1. Реакция аминокислот как основания. При взаимодействии аминокислоты с кислотами образуются аммонийные соли:

Натриевая соль аминокислоты. Глицин и его натриевая соль (Е640) I. По числу функциональных групп Моноаминомонокарбоновые кислоты простейший представитель: Моноаминодикарбоновые кислоты Например: Диаминомонокарбоновые кислоты Например: II. По взаимному положению карбоксильной и аминогруппы -α-аминокислоты - β-аминокислоты - γ-аминокислоты Формулы и названия некоторых α-аминокислот, остатки которых входят в состав белков Белки представляют собой природные полимеры, макромолекулы которых построены из большого числа остатков 20 различных α-аминокислот. В биохимии для аминокислот используют, как правило, короткие тривиальные названия и трехбуквенные обозначения. Моноаминомонокарбоновые кислоты Аминоэтановая, или аминоуксусная кислота, или глицин (гликокол) 2-аминопропановая, или α-аминопропионовая кислота, или аланин 2-амино-З-гидроксипропановая, или α-амино-β-гидроксипропионовая кислота, или серин 2-амино-З-меркаптопропановая кислота, или β-меркаптоаланин, или цистеин 2-амино-З-фенилпропановая кислота, или β-фенилаланин, или фенилаланин 2-амино-3-(4-гидроксифенил)-пропановая кислота, или β-(n-гидроксифенип)-апанин, или тирозин 2-амино-З-метилбутановая, или α-аминоизовалериановая кислота, или валин Моноаминодикарбоновые кислоты Диаминомонокарбоновая кислота Классификация природных аминокислот I. Заменимые аминокислоты - могут синтезироваться в организме человека. К ним среди вышеперечисленных относятся: глицин, аланин, серин, цистеин, тирозин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. II. Незаменимые аминокислоты - не могут синтезироваться в организме человека, должны поступать в организм в составе белков пищи. Фенилаланин, валин, лизин - представители незаменимых аминокислот. Физические свойства Большинство аминокислот - бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус. Температуры плавления разных аминокислот лежат в пределах 230-300°C. Химические свойства Аминокислоты являются амфотерными соединениями, что обусловлено наличием в их молекулах функциональных групп кислотного (-СООН) и основного (-NH 2) характера. 1. Взаимодействие с основаниями 2. Взаимодействие с кислотами 3. Образование внутренних солей (биполярных ионов) В водных растворах аминокислоты существуют в виде равновесных смесей молекул и биполярных ионов, которые в кислой среде переходят в катионную форму, а в щелочной среде - в анионную форму. а) Моноаминомонокарбоновые кислоты При образовании внутренних солей моноаминомонокарбоновых кислот характер среды не изменяется. Поэтому эти аминокислоты называются нейтральными. Суммарный заряд внутренних солей таких кислот равен нулю. При добавлении кислоты (Н +) карбоксилат-ион протонируется и остается только положительный заряд на группе -NH б) Моноаминодикарбоновые кислоты При образовании внутренних солей моноаминодикарбоновых кислот образуется избыток ионов водорода, поэтому водные растворы этих кислот имеют рН в) Диаминомонокарбоновые кислоты При образовании внутренних солей диаминомонокарбоновых кислот образуется избыток гидроксид-ионов, поэтому их водные растворы имеют рН > 7. Такие аминокислоты называются основными. Суммарный заряд внутренних солей основных аминокислот положительный. 4. Образование пептидов При взаимодействии карбоксильной группы одной молекулы аминокислоты и аминогруппы другой молекулы аминокислоты образуются дипептиды: При взаимодействии двух разных аминокислот образуется смесь четырех дипептидов; например: Дипептид, присоединяя еще одну молекулу аминокислоты, может образовать трипептид. Аналогично из трипептида можно получить тетрапептид и т. д. 5. Образование производных по карбоксильной группе Как и карбоновые кислоты, аминокислоты могут образовывать сложные эфиры, хлорангидриды и др. Например: 6. Поликонденсация ε-аминокапроновой кислоты Способы получения 1. Аммонолиз α-галогенкарбоновых кислот 2. Гидролиз белков

Глицин (аминоуксусная кислота, гликокол, Gly, G) H 2 NCH 2 COOH Молекулярная масса 75,07; бесцветные кристаллы; t плавления 232-236°С (с разложением); хорошо растворим в воде, не растворим в большинстве органических растворитеей. При 25°С рК а 2,34 (СООН) и 9,6 (NH 2); рI 5,97. По химическим свойствам глицин - типичная алифатическая α-аминокислота. Количественное определение основано на образовании окрашенных продуктов с о-фталевым альдегидом (реакция Циммермана). В составе белков встречается чаще, чем др. аминокислоты. Служит предшественником в биосинтезе порфириновых соединений и пуриновых оснований. Глицин - кодируемая аминокислота, заменимая; его биосинтез осуществляется переаминированием глиоксиловой кислоты, ферментативным расщеплением серина и треонина. Синтезируют лицин из хлоруксусной кислоты и NH 3 . В спектре ЯМР в D 2 О химический сдвиг протонов группы СН 2 составляет 3,55 м.д. Внутренняя соль глицина (CH 3) 3 + NCH 2 COO - называется бетаином. Применяется глицин для синтеза пептидов, как компонент буферных растворовров, в смеси с другими аминокислотами - для парентерального питания. Хроматограммы образцов, содержащих это вещество

2. Действие азотистой кислоты. При действии азотистой кислоты образуются гидроксикислоты и выделяется азот и вода:

Эту реакцию используют для количественного определения свободных аминных групп в аминокислотах, а также и в белках.

3.Образование N - ацильных производных, реакция ацилирования.

Аминокислоты реагируют с ангидридами и галогенангидридами кислот, образуя N - ацильные производные аминокислот:

Бензиловый эфир натриевая соль N карбобензоксиглицин - хлормуравьиной глицина

Ацилирование - один из способов защиты аминогруппы. N-ацильные производные имеют большое значение при синтезе пептидов, так как N-ацилпроизводные легко гидролизуются с образованием свободной аминогруппы.

4.Образование оснований Шиффа. При взаимодействии a - аминокислот с альдегидами образуются замещенные имины (основания Шиффа) через стадию образования карбиноламинов:

аланин формальдегид N-метилольное производное аланина

5.Реакция алкилирования. Амииногруппа в a -аминокислоте алкилируется с образованием N – алкилпроизводных:

Наибольшее значение имеет реакция с 2,4 - динитрофторбензолом. Получаемые динитрофенильные производные (ДНФ-производные) используются при установлении аминокислотной последовательности в пептидах и белках. Взаимодействие a- аминокислот с 2,4-динитрофторбензолом является примером реакции нуклеофильного замещения в бензольном ядре. За счет наличия в бензольном кольце двух сильных электроноакцепторных групп галоген становится подвижным и вступает в реакцию замещения:

фторбензол N - 2,4 - динитрофенил - a - аминокислота

(ДНФБ) ДНФ - производные a - аминокислот

6.Реакция с фенилизотиоцианатом. Эта реакция широко используется при установлении строения пептидов. Фенилизотиоцианат является производным изотиоциановой кислоты H-N=C=S. Взаимодействие a - аминокислот с фенилизотиоцианатом протекает по механизму реакции нуклеофильного присоединения. В образовавшемся продукте далее осуществляется внутримолекулярная реакция замещения, приводящая к образованию циклического замещенного амида: фенилтиогидантоин.

Циклические соединения получаются с количественным выходом и представляют собой фенильные производные тиогидантоина (ФТГ - производные) - аминокислот. ФТГ - производные различаются строением радикала R.

Образование сложных эфиров - один из методов защиты карбоксильной группы в синтезе пептидов.

3.Образование галогенангидридов. При действии на a- аминокислоты с защищенной аминогруппой оксидихлоридом серы (тионилхлоридом) или оксид-трихлоридом фосфора (хлорокисью фосфора) образуются хлорангидриды:

Получение галогенангидридов - один из способов активации карбоксильной группы в пептидном синтезе.

4.Получение ангидридов a - аминокислот. Галогенангидриды обладают очень высокой реакционной способностью, что снижает селективность реакции при их использовании. Поэтому более часто используемый способ активации карбоксильной группы в синтезе пептидов - это превращение ее в ангидридную. Ангидриды по сравнению с галогенангидридами кислот обладают меньшей активностью. При взаимодействии a- аминокислоты, имеющей защищенную аминогруппу, с этиловым эфиром хлормуравьиной кислоты(этилхлорформиатом) образуется ангидридная связь:

5. Декарбоксилирование. a - Аминокислоты, имеющие две электроноакцепторные группы при одном и том же атоме углерода, легко декарбоксилируются. В лабораторных условиях это осуществляется при нагревании аминокислот с гидроксидом бария.Эта реакция протекает в организме при участии ферментов декарбоксилаз с образованием биогенных аминов:

Отношение аминокислот к нагреванию. При нагревании a- аминокислот образуются циклические амиды, называемые дикетопиперазинами:

Дикетопиперазин

g - лактам (бутиролактам)

В тех случаях, когда амино - и карбоксильная группы разделены пятью и более углеродными атомами, при нагревании происходит поликонденсация с образованием полимерных полиамидных цепей с отщеплением молекулы воды.