Аминокислоты: строение и кислотно-основные свойства

Зачем изучать аминокислоты, белки, липиды и биохимию

Живая клетка построена из тех же атомов и связей, что и вещества из предыдущих тем. Белки — полиамиды, длинные цепи аминокислотных остатков; жиры — сложные эфиры глицерина; ДНК и РНК — полиэфиры фосфорной кислоты и пентозы, несущие азотистые основания. Ферменты ускоряют реакции в миллионы раз, но пользуются теми же приёмами, что и химик в колбе: кислотным и основным катализом, нуклеофильной атакой, образованием иминов и тиоэфиров.

аспартам: эфир дипептида

тестостерон: стероид

никотинамид: часть NAD⁺

На рисунке — три молекулы из разных разделов темы. Подсластитель аспартам — метиловый эфир дипептида, тестостерон — стероидный гормон, родственник холестерина, а никотинамид входит в кофермент NAD⁺, который переносит гидрид-ион в окислительно-восстановительных реакциях клетки. В этой теме мы научимся рассчитывать заряд аминокислот при разных pH, синтезировать пептиды и устанавливать их последовательность, разберём строение белков, липидов и нуклеиновых кислот, механизм работы ферментов, кинетику и энергетику биохимических реакций и химию методов молекулярной биологии.

Как построена эта тема

Уроки 375–376 посвящены строению аминокислот, их ионным формам и изоэлектрической точке, а урок 377 — синтезу аминокислот. В уроках 378–379 мы разберём пептидную связь, синтез пептидов и установление их последовательности, в уроке 380 — уровни структуры белка, в уроке 381 — жиры, фосфолипиды, терпены и стероиды. Урок 382 посвящён нуклеотидам и нуклеиновым кислотам, уроки 383–384 — ферментам, коферментам и кинетике ферментативных реакций, уроки 385–386 — энергетике и главным путям обмена веществ, а урок 387 — химии методов молекулярной биологии. Урок 388 — практикум по всей теме.

Двадцать аминокислот

Аминокислота сочетает в одной молекуле аминогруппу, знакомую по уроку 298, и карбоксильную группу. В белках встречаются двадцать аминокислот, и у всех обе группы связаны с одним и тем же атомом углерода — α-атомом. Различаются белковые аминокислоты только боковой цепью R, и именно боковые цепи определяют, будет ли участок белка гидрофобным или полярным, кислым или основным.

Как узнать аминокислоту

1. Найдите общую часть \(\ce{H2N-CH(R)-COOH}\): она одинакова у всех белковых аминокислот, а различаются они боковой цепью R.
2. Отнесите аминокислоту к группе по боковой цепи. Неполярные боковые цепи у глицина (атом водорода), аланина (метильная группа), валина, лейцина, изолейцина, пролина (цикл с атомом азота), фенилаланина, триптофана и метионина. Полярные незаряженные боковые цепи у серина и треонина (группа OH), цистеина (группа SH), тирозина (фенольная группа), аспарагина и глутамина (амидные группы). Кислые боковые цепи несут группу COOH (аспарагиновая и глутаминовая кислоты), а основные — аминогруппу (лизин), гуанидиновую группу (аргинин) или имидазольное кольцо (гистидин).
3. Определите конфигурацию. Все белковые аминокислоты, кроме глицина, принадлежат L-ряду: в проекции Фишера с группой COOH наверху и боковой цепью внизу аминогруппа находится слева. По системе CIP это (S)-конфигурация у всех, кроме цистеина, у которого (R).
4. Учтите второй стереоцентр: он есть в боковой цепи изолейцина и треонина, поэтому L-изолейцин — это (2S,3S)-изомер, а L-треонин — (2S,3R)-изомер.

Gly — глицин

Ala — аланин

Val — валин

Leu — лейцин

Ile — изолейцин

Pro — пролин

Phe — фенилаланин

Trp — триптофан

Met — метионин

Ser — серин

Thr — треонин

Cys — цистеин

Tyr — тирозин

Asn — аспарагин

Gln — глутамин

Asp — аспарагиновая кислота

Glu — глутаминовая кислота

His — гистидин

Lys — лизин

Arg — аргинин

Примеры

1. Серин и цистеин. Серин \(\ce{HOCH2CH(NH2)COOH}\) — полярная аминокислота с группой OH в боковой цепи. Цистеин \(\ce{HSCH2CH(NH2)COOH}\) отличается от него только атомом серы вместо атома кислорода, и это различие важно: две молекулы цистеина окисляются в цистин с дисульфидным мостиком –S–S–.

2. L-Аланин и L-цистеин. Вокруг стереоцентра этих аминокислот группы расположены одинаково, но дескрипторы разные. Атом серы делает группу \(\ce{CH2SH}\) старше группы COOH, порядок обхода заместителей меняется, и L-цистеин получает дескриптор (R).

(S)-аланин

(R)-цистеин

Цвиттер-ионы и кислотно-основные формы

Карбоксильная группа аминокислоты — кислота, а аминогруппа — основание, и в одной молекуле они обмениваются протоном. Положение такого равновесия предсказывают, сравнивая значения pKa, как в уроке 24: протон переходит к основанию, если образующаяся кислота слабее исходной. Поэтому в кристалле и в нейтральном водном растворе аминокислота существует как внутренняя соль — цвиттер-ион.

Как нарисовать ионную форму

1. Сравните кислотность групп: pKa группы COOH около 2, а pKa группы \(\ce{NH3+}\) около 9–10. Значит, в нейтральной среде протон переходит от карбоксильной группы к аминогруппе и образуется цвиттер-ион \(\ce{H3N+-CHR-COO-}\).
2. Определите преобладающую форму по pH: ниже pKa₁ преобладает катион, между pKa₁ и pKa₂ — цвиттер-ион, выше pKa₂ — анион.
3. Учтите ионогенные боковые цепи: у аспарагиновой и глутаминовой кислот их pKa около 4, у гистидина — около 6, у цистеина — около 8, у тирозина — около 10, у лизина — 10,5, у аргинина — 12,5. Каждая такая группа добавляет ещё одну ступень равновесия и ещё одну ионную форму.
4. Объясните свойства солевой природой: кристаллы аминокислот плавятся с разложением выше 200 °C, хорошо растворимы в воде и почти нерастворимы в эфире.

Примеры

1. Глицин при разных pH. В сильнокислом растворе (pH 1) протонированы обе группы глицина, и он существует в виде катиона \(\ce{H3N+CH2COOH}\). При pH 6 карбоксильная группа уже отдала протон, а аммонийная ещё нет — это цвиттер-ион \(\ce{H3N+CH2COO-}\). В сильнощелочном растворе (pH 12) отщепляется и протон аммонийной группы, и глицин превращается в анион \(\ce{H2NCH2COO-}\) (рисунок выше).

2. Тирозин при pH 7. Фенольная группа тирозина (pKa около 10) при pH 7 ещё не отдала протон, поэтому тирозин, как и глицин, находится в форме цвиттер-иона \(\ce{HOC6H4CH2CH(NH3+)COO-}\) с суммарным зарядом 0.