Аминокислоты — это бифункциональные органические соединения, содержащие одновременно базовую аминогруппу (—NH2) и кислотную карбоксильную группу (—COOH).
Общая формула предельных АК
CnH2n+1NO2(n ≥ 2)
Межклассовый изомер: Нитросоединения
CnH2n+1NO2(n ≥ 1)
SVYAT | BIOCHEM
1
Строение и Двойственность
Аминокислоты сочетают в одной молекуле противоположные по химическому характеру группы. Это определяет их как типичные амфотерные органические вещества.
Кислотный центр (—COOH)
Способен отдавать протон водорода (H+) при взаимодействии с основаниями, активными металлами или спиртами.
Основный центр (—NH2)
Благодаря неподеленной электронной паре атома азота способен принимать протон водорода (H+) от сильных кислот по донорно-акцепторному механизму.
2
Главные аминокислоты для ЕГЭ
Ниже представлены формулы и названия ключевых аминокислот, знание которых обязательно для экзамена. Обратите внимание на боковые радикалы.
Кислые аминокислоты: содержат избыток карбоксильных групп (например, глутаминовая кислота: 1 группа —NH2, 2 группы —COOH).
Основные аминокислоты: содержат избыток аминогрупп (например, лизин: 2 группы —NH2, 1 группа —COOH).
3
Физические свойства и Внутренние соли
В твердом состоянии и в водных растворах аминокислоты существуют преимущественно в виде биполярных ионов — цвиттер-ионов. Протон от карбоксильной группы переходит на аминогруппу.
Образование цвиттер-иона (внутренней соли)
Благодаря ионной кристаллической решетке аминокислоты представляют собой белые твердые кристаллические вещества с высокими температурами плавления. Они хорошо растворимы в воде и практически не растворяются в неполярных органических растворителях.
4
Изомерия
Виды структурной изомерии:
1. Изомерия положения аминогруппы (α- и β-формы):
α-аланин (2-аминопропановая кислота)
β-аланин (3-аминопропановая кислота)
2. Изомерия углеродного скелета (на примере C4H9NO2):
3. Межклассовая изомерия (между АК и нитросоединениями):
β-аланин (аминокислота)
NH2—CH2—CH2—COOH
←
C3H7NO2
→
1-нитропропан (нитросоединение)
CH3—CH2—CH2—NO2
SVYAT | BIOCHEM
Способы получения
1
Синтез из карбоновых кислот через галогенирование
Это классический лабораторный метод получения α-аминокислот. Он состоит из двух последовательных химических стадий.
Стадия 1: α-галогенирование карбоновой кислоты по Геллю-Фольгарду-Зелинскому
Хлорирование карбоновой кислоты протекает селективно в α-положение (к соседнему с карбоксилом атому углерода) в присутствии катализатора — красного фосфора.
CH3—CH2—COOH + Cl2Pкрасн., t°→ + HCl
2-хлорпропановая кислота
Стадия 2: Нуклеофильное замещение галогена действием аммиака
Для проведения данной реакции необходим избыток аммиака, который связывает выделяющийся хлороводород в хлорид аммония.
+ 2 NH3t°→ + NH4Cl
Аланин (2-аминопропановая кислота)
2
Гидролиз пептидов и белков
Гидролиз под действием растворов неорганических кислот или щелочей позволяет расщепить цепи белков до индивидуальных аминокислот. Подробные уравнения реакций с учетом среды приведены в соответствующем разделе.
SVYAT | BIOCHEM
Химические свойства
1
Реакции по карбоксильной группе (—COOH)
А) Образование солей с металлами и щелочами:
2 NH2—CH2—COOH + 2 Na→2 NH2—CH2—COONa + H2↑
Глицинат натрия
+ KOH→ + H2O
Аланинат калия
Б) Этерификация (со спиртами в присутствии кислоты):
Из-за присутствия сильной кислоты в реакционной смеси продукт выделяется в виде соли по аминогруппе.
Сложные эфиры аминокислот гидролизуются как в кислой, так и в щелочной среде. На экзамене важно правильно отразить конечные ионные формы продуктов:
В кислой среде (HCl):[NH3—CH2—COOH]Cl + CH3OH
В щелочной среде (NaOH):NH2—CH2—COONa + CH3OH
В) Декарбоксилирование солей (Реакция Дюма): ⭐
При сплавлении солей аминокислот с твердой щелочью происходит элиминирование карбонатной группы. Обратите внимание на перераспределение атомов, выделенных цветом:
* Углеродный атом карбоксильной группы и оба его кислородных атома уходят вместе с гидроксидом натрия с образованием карбоната натрия Na2CO3. Освободившийся атом водорода встает на место карбоксильной группы, образуя амин.
2
Реакции по аминогруппе (—NH₂)
А) Солеобразование со сильными кислотами:
NH2—CH2—COOH + HCl→[NH3—CH2—COOH]Cl
Хлорид глициния
Б) Взаимодействие с азотистой кислотой (HNO₂):
Качественная реакция. Сопровождается бурным выделением молекулярного азота (N2). Образуется α-гидроксикислота.
+ HNO2→ + N2↑ + H2O
Молочная кислота (2-гидроксипропановая кислота) + Газообразный азот
3
Горение аминокислот
При полном сгорании аминокислот выделяется углекислый газ, вода и газообразный азот.
4 NH2—CH2—COOH + 9 O2t°→8 CO2 + 2 N2 + 10 H2O
SVYAT | BIOCHEM
Пептиды и белки
1
Образование пептидной связи
Пептиды образуются за счет реакции поликонденсации между аминокислотами. Карбоксильная группа одной молекулы взаимодействует с аминогруппой другой с отщеплением молекулы воды и образованием амидной (пептидной) связи —CO—NH—.
Пример дипептида: Глицилаланин (Gly-Ala)Выделенная синим группа —C(=O)—NH— представляет собой пептидную (амидную) связь
2
Гидролиз пептидов: Нейтральный, Кислый и Щелочной
Расщепление пептидов протекает под действием воды при нагревании в присутствии катализаторов. В зависимости от среды образуются разные конечные продукты, что является частым элементом в цепочках второй части ЕГЭ.
1. Кислая среда (гидролиз с избытком HCl):
Пептидные связи расщепляются; образующиеся свободные аминокислоты мгновенно связываются с кислотой по своей аминогруппе в аммониевые соли.
Для идентификации белков и отдельных аминокислотных остатков в химии используются специфические аналитические тесты.
Биуретовая реакцияТест на пептидные связи (—CO—NH—)
При действии на белок свежеосажденного гидроксида меди(II) в щелочной среде (Cu(OH)2 + NaOH) происходит образование растворимого комплексного соединения меди ярко-фиолетового цвета.
Ксантопротеиновая реакцияТест на ароматические кольца (Phe, Tyr, Trp)
При добавлении к белку концентрированной азотной кислоты (HNO3) при нагревании выпадает осадок желтого цвета. Это результат нитрования ароматических колец аминокислотных остатков. При добавлении избытка щелочи окраска меняется на оранжевую.
Реакция ФоляТест на серосодержащие остатки (Cys, Met)
При нагревании белка со щелочью и ацетатом свинца(II) (NaOH + (CH3COO)2Pb) выпадает черный осадок сульфида свинца(II) (PbS↓). Это указывает на отщепление серы из цистеиновых фрагментов.
Запах при горении
Все белки при непосредственном горении издают характерный резкий запах жженых перьев (волос, рога).