Методичка по органической химии Часть 2

78

конфигураций с абсолютной конфигурацией эталонных (ключевых) соединений, т. е. определить их относительную конфигурацию.

За такой эталон условно принят глицериновый альдегид, предложенный в 1906 г. Н.А. Розановым:

Считается, что все вещества, родственные глицериновому альдегиду по конфигурации хирального центра, т.е. с расположением групп – ОН, -NH2 , - Hal справа,

Запомним, что D и L указывают на относительную конфигурацию молекулы. Познакомимся с некоторыми свойствами подобных молекул.

Хиральным соединениям свойственна способность вращать плоскость поляризованного света вправо (+) или влево (-), что называется оптической активностью. Отсюда и другое название энантиомеров – оптические изомеры.

Условиями оптической активности являются:

1.Отсутствие плоскости симметрии (хиральность молекулы)

2.Наличие в молекуле центров хиральности.

Мерой оптической активности является D - удельное вращения; характеризует угол и направление вращения плоскости поляризованного света. Знак вращения (+) или (-) не связан с конфигурацией D и L и определяется только инструментально на приборе – поляриметре или сахариметре (для сахаров). Например,

Многие биологически важные вещества содержат в молекуле более одного центра хиральности. Подсчет числа стереоизомеров производится по формуле N= 2n, где n – число хиральных центров.

Представителем соединений с двумя центрами хиральности служит винная кислота. Рассмотрим этот пример подробнее.

79

1 и 2 – это энантиомеры (D и L). Они отличаются не по физическим и химическим свойствам, а только знаком вращения плоскости поляризованного света. Формулы 3 и 4 являются идентичными. Формулы 1 и 3, 2 и 3 являются пространственными изомерами, но не зеркальными, это диастереомеры. Они отличаются по физическим и химическим свойствам.

При отнесении энантиомеров к D– или L-ряду пользуются «оксикислотным ключом», т.е. сравнивают со стандартом тот хиральный центр, который остался без изменения при переходе от него. В данном случае это верхний хиральный центр (приведите путь превращения глицеринового альдегида в винную кислоту).

D– и L- энантиомеры проявляют оптическую активность. Мезовинная кислота – типичный пример молекулы, содержащей центры хиральности, но в целом являющейся ахиральной из-за наличия плоскости симметрии и потому не проявляющей оптическую активность.

Рацемат– это смесь равных количеств энантиомеров. Оптической активностью не обладает, вследствие компенсации вращения. Таким образом, у винной кислоты существуют 4 формы: 2 энантиомера (D- и L-), 1 мезо-форма и 1 рацемическая смесь. Рацемические смеси получаются синтетическим путем.

Поскольку природные источники не могут удовлетворить потребности современной биоорганической и биологической химии в разнообразных оптически активных соединениях, то либо расщепляют рацематы, либо ведут асимметрический синтез.

Существует несколько способов расщепления рацематов:

а) механический отбор кристаллов по их форме – исторически первый метод, примененный Луи Пастером;

б) биохимический (ферментативный) метод; в) химический – через диастереомеры;

г) хроматографический на оптически активных сорбентах.

Глоссарий

Лактон – внутренний циклический сложный эфир, образующийся при нагревании - и - гидроксикислот .

Лактид – циклический сложный диэфир, образующийся при нагреваниигидроксикислот; имеет две сложноэфирные связи.

Ацетоуксусный эфир – этиловый эфир ацетоуксусной кислоты.

Таутомерия – явление существования в растворе равновесных изомерных форм, способных переходить в друг в друга; равновесная динамическая изомерия. Кето-енольная таутомерия – равновесие между кетонной и енольной формами Стереоизомеры – это изомеры, отличающиеся пространственным расположением атомов в молекуле.

80

Плоскость симметрии – это воображаемая плоскость, проходящая через молекулу или атом углерода с его заместителями и делящая молекулу на две симметричные части. Оптическая активность – способность вещества вращать плоскость поляризованного света вправо или влево.

Хиральность – отсутствие плоскости симметрии, несовместимость со своим зеркальным изображением.

Энантиомеры – это стереоизомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Диастереомеры – стереоизомеры, не являющиеся зеркальным отражением друг друга, обладающие различными физико-химическими свойствами.

Рацемическая смесь (рацемат) – эквимолярная смесь энантиомеров (1:1)

Тема 6. АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ И ПЕПТИДОВ

Цель занятия: сформировать представление о стереохимии и реакционной способности аминокислот на основе их строения; научиться составлять первичную структуру пептидов и характеризовать их физико-химические свойства в зависимости от аминокислотного состава.

Конкретные задачи

1. Студент должен знать: основы стереохимии - аминокислот; структурные формулы и тривиальные названия 20 протеиногенных аминокислот; классификацию аминокислот на основе физико-химических свойств их радикалов; общие и специфические свойства - аминокислот.

2. Студент должен уметь: определять стереохимический ряд аминокислот, писать формулы Фишера для энантиомеров L - и D – ряда; составлять ди-, три-, тетрапептиды и фрагменты первичной структуры белков; изображать пространственное и электронное строение пептидной связи; давать физико-химическую характеристику пептидов на основе свойств радикалов аминокислот, входящих в их состав.

Мотивация. Знание темы необходимо для изучения в курсе биохимии промежуточного обмена аминокислот, структурной организации белковых молекул, а также для понимания взаимосвязи структуры, физико-химических свойств и биологических функций белков.

Вопросы для самоподготовки

1.Напишите общую формулу - аминокислот.

2.Объясните, почему - аминокислоты обладают оптической активностью. Напишите проекционные формулы L- и D – аланина.

3.Дайте классификацию - аминокислот на основе физикохимических свойств их радикалов. Выучить формулы всех 20 аминокислот.

4.Опишите химические свойства - аминокислот: амфотерность, изоэлектрическая точка аминокислот на примере аланина, лизина, глутаминовой кислоты; реакции аминокислот с азотистой кислотой и формальдегидом; реакции

декарбоксилирования на примере гистидина, триптофана, глутаминовой кислоты; способность к образованию комплексных солей с катионами Cu2+.

81

5. Напишите схему реакции образования трипептида: Лиз – Ала – Сер. Охарактеризуйте его свойства.

Этапы занятия и контроль усвоения знаний.

1-ый этап. Проверка преподавателем письменного выполнения домашнего задания по теме занятия и оценка его.

2-ой этап. Написание тест-контроля по предложенным билетам и оценка его результатов ( 0, 5, 10 баллов).

3-й этап. Устный опрос у доски. Написание общей формулы -амино- кислот. Обсуждение их физико-химических свойств (оптическая активность и оптическая изомерия, классификация на основе растворимости в воде боковых

радикалов, заряд, изоэлектрическая точка). Рассмотрение основных биологически важных химических свойств - аминокислот (амфотерность, способность к образованию биполярных ионов и комплексных солей, декарбоксилирование, пути дезаминирования, образование пептидов). Составление пептидов и характеристика их свойств. Рассмотрение электронного и пространственного строения пептидной связи, значения ее транс-конфигурации для образования вторичной структуры белка.

4-й этап. Самостоятельное изучение студентами принципа метода и этапов выполнения лабораторных работ. Выполнение лабораторных работ по теме 5-й этап. Оформление протоколов в виде таблицы, данной в рабочих тетрадях.

6-й этап.. Проверка преподавателем написания уравнений проделанных реакций, наблюдений, выводов. Обсуждение практической значимости каждой работы, оценка практических навыков, приобретенных студентами.

____________________________

82

Теория

Аминокислотами называются органические соединения, содержащие карбоксильную и аминогруппу: (NH2)m-R –(COOH)n

Классификация:

1)по количеству СООН- и NH2-групп аминокислоты делятся на моноаминокарбоновые, диаминокарбоновые, моноаминодикарбоновые и т.д.

2)по взаимному расположению двух функциональных групп: , , - и т.д. аминокислоты. Изомерия: 1) по строению углеродного скелета; 2) оптическая (стерео) изомерия.

H2N-CH2-CH2- СН2 –COOH -Аминомасляная Природный транквикислота (ГАМК) лизатор

Примечание: * - оптически активна

С биологической точки зрения огромное значение имеют - аминокислоты. Это «кирпичики», из которых построены молекулы белка –протеиногенные аминокислоты. Основным источником - аминокислот для живого организма служат белки пищи. Большинство - аминокислот синтезируются в организме, но некоторые, необходимые для синтеза белков, не синтезируются в организме или синтезируются в недостаточном количестве и должны поступать извне. Такие аминокислоты называются незаменимыми, это:

Валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, треонин, лизин, гистидин, аргинин.

Классификация -аминокислот.

Общая структурная формула протеиногенных аминокислот:

H2N-CH-COOH

R

Различаются они только боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, суммарному заряду (полярности) и растворимости в воде (гидрофильности или гидрофобности).

Поэтому целесообразно классифицировать протеиногенные кислоты на основе физико-химических свойств их R- групп. Для краткого обозначения протеиногенных аминокислот используют трехбуквенные сокращения их тривиальных названий.

83

I. Аминокислоты с неполярными (гидрофобными) R-группами (8):

II. Аминокислоты с полярными (гидрофильными) незаряженными радикалами (7):

NH2-CH2-COOH

84

НО-содержащие аминокислоты:

OH

SH-содержащие аминокислоты:

5. NH2-CH-COOH

CH2

SH

цистеин (Цис)

Cледует отметить, что спиртовые и фенольные ОН-группы и тиоловая SH-группа проявляют в воде очень слабую кислотность по сравнению с карбоксильной –СООН- группой, поэтому их кислотными свойствами можно пренебречь.

Амиды аминокислот, содержащие группу –С=О:

NH2

Амидная группа проявляет, в отличие от аминов, очень слабые основные свойства в силу того, что неподеленная электронная пара азота включена в р, - сопряжение.

Основностью этой группы тоже можно пренебречь.

O

C..

NH2

85

III. Аминокислоты с полярными (гидрофильными) положительно

86

Во всех - -аминокислотах, за исключением глицина, - атом углерода связан с четырьмя различными замещающими группами и, следовательно, является

асимметрическим, или хиральным. Такие молекулы встречаются в двух стереоизомерных формах и проявляют оптическую активность.

Все аминокислоты, входящие в состав молекул белков, являются L- стереоизомерами.

Химические свойства аминокислот

I. Общие (неспецифические) свойства.

1.Все свойства карбоновых кислот (см. тему № 4).

2.Все свойства аминов.

Свойства аминов

Аминами называются органические производные аммиака, в которых один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы (первичные, вторичные и третичные амины).

Все протеиногенные -аминокислоты – за исключением пролина – содержат первичную аминогруппу.

а) Основные свойства ( способность образовывать соли с кислотами) -: обусловлены наличием неподеленной электронной пары на внешнем электронном уровне атома азота:

+ -

(СH3)3N + HCl (CH3)3NH Cl

триметиламин триметиламмоний хлорид б) Нуклеофильные свойства проявляются в реакциях:

- алкилирования аминов (получение аминов из аммиака и алкилгалогенидов):

C2H5NH2

Этиламин

Дальнейшее алкилирование приведет ко вторичному амину, затем к третичному амину, который можно превратить в соль четвертичного аммониевого основания (реакция Гофмана).

87

Переносчиком ацетильной группы на нуклеофильные субстраты in vivo служит ацетилкофермент А.

- взаимодействия аминов с альдегидами и кетонами (обсуждались в теме № 3).

в) Реакция с азотистой кислотой – качественная реакция на класс аминов.

Третичные амины с азотистой кислотой не реагируют.

Первичные ароматические амины дают очень реакционноспособные соли диазония (реакция диазотирования), которые дальше вступают в различные превращения (в том числе реакция азосочетания, например, с -нафтолом).

3. Амфотерность – способность проявлять как кислотные:

NH 2 – R – COOH + HCI == [ N+H3 – R – COOH] CI

так и основные свойства:

NH 2 – R – COOH + NaOH === NH 2 – R – COONa + H2O

Амфотерность аминокислот проявляется и внутримолекулярно – в водном растворе все аминокислоты образуют внутренние соли:

NH 2 – R – COOH === + NH 3 – R – COO-

II. Специфические свойства обусловлены взаимным влиянием двух функциональных групп. -, - и - Аминокислоты при нагревании вступают в реакции, аналогичные реакциям соответствующих оксикислот.

1. - Аминокислоты при нагревании образуют дикетопиперазины. Реакция идет межмолекулярно через промежуточное образование дипептидов: дипептидов: