Аминокислоты. Классификация. Реакционная способность

1.

ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА ХИМИИ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Лекция
Аминокислоты. Классификация.
Реакционная способность.
1.Строение, номенклатура, изомерия.
2. Физические и химические свойства.
Лектор: кандидат биологических наук, доцент
Атавина Ольга Васильевна

2. Цели лекции:

1. Обучающая - Сформировать знания о
строении, номенклатуре и реакционной
способности аминокислот.
2. Развивающая – Расширять кругозор
обучающихся на основе интеграции знаний;
развивать логическое мышление.
3. Воспитательная – Содействовать
формированию у обучающихся устойчивого
интереса к изучению дисциплины
«Органическая химия»

3.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Аминокислотами называют гетерофункциональные
соединения, содержащие одновременно -NH2 и - СООН группы
в составе одной молекулы.
Г

4.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
• Аминокислоты находят широкое применение в синтетической
и аналитической химии (например, трилон Б ). На основе
ароматических аминокислот синтезируют диазокрасители, из
антраниловой кислоты получают краситель индиго, из
капролактама (циклического внутримолекулярного амида ε –
аминокапроновой кислоты) – синтетическое волокно капрон,
сложные эфиры антраниловой кислоты имеют приятный
запах и используются в парфюмерии.

5.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

6.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

7.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Строение аминокислот
Алифатические аминокислоты подразделяются на α, β, γ,
δ, ε - аминокислоты и т.д.
C C C C COOH

8.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

9.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Номенклатура алифатических аминокислот
1. Тривиальная номенклатура в основном используется для
широко распространённых аминокислот.
2. Рациональная
Аминогруппа обозначается префиксом амино-, а карбоксильная группа
3. IUPAC как старшая — суффиксом -овая кислота.
CH2 CH
COOH
OH NH2
серин
-амино- -гидроксипропионовая кислота
2-амино-3-гидроксипропановая кислота
9

10.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Ароматические аминокислоты существуют в виде орто-,
мета- и пара-изомеров. В названиях ароматических
аминокислот в качестве родоначальной структуры используется
бензойная кислота.

11.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

12. Классификация -аминокислот

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Классификация -аминокислот

13. Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

14.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
По количеству карбокси- и аминогрупп -аминокислоты
классифицируют на:
• Моноаминомонокарбоновые кислоты (глицин, аланин,
валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, цистеин,
фенилаланин, тирозин, метионин, триптофан и т.д.)
• Моноаминодикарбоновые кислоты (аспарагиновая кислота,
глутаминовая кислота)
• Диаминомонокарбоновые кислоты (лизин, аргинин)
• Диаминодикарбоновые кислоты (цистин)
14

15.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Классификация по встречаемости в белках :
В составе белков человека открыто 20 α – аминокислот. Все
белковые аминокислоты отличаются друг от друга
радикалами (исключение – пролин - иминокислота , у
которой вместо аминогруппы –NH2 - =NH).
15

16. Алифатические АК

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Алифатические АК
CH3 CH
CH2 COOH
NH2
NH2
Тривиальноe
Рациональноe
IUPAC
Обозначниe
COOH
глицин, гликокол
Аминоуксусная кислота
Аминоэтановая кислота
Gly, Гли
Аланин
-аминопропионовая кислота
2-аминопропановая кислота
Ala, Ала
CH3
CH
CH3
CH
COOH
NH2
Валин
-аминоизовалeриановая кислота
2-амино-3-мeтилбутановая кислота
Val, Вал

17.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
CH3
CH CH2 CH
CH3
COOH
NH2
Лeйцин
-аминоизокапроновая кислота
2-амино-4-мeтилпeнтaновая кислота
Leu, Лeй
CH3
CH
CH3 CH2
CH
COOH
NH2
Изолeйцин
-амино- -мeтилвалeриановая кислота
2-амино-3-мeтилпeнтaновая кислота
Ile, Илe

18. Содержащие ОН-группу

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Содержащие ОН-группу
CH2 CH
OH
COOH
NH2
Ceрин
-амино- -оксипропионовая кислота
2-амино-3-гидроксипропановая кислота
Ser, Сeр
CH3 CH
OH
CH
COOH
NH2
Трeонин
-амино- -оксимасляная кислота
2-амино-3-гидроксибутановая кислота
Thr, Трe

19. Серосодержащие АК

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Серосодержащие
АК
S
CH2 CH
SH
COOH
2
NH2
CH2 CH
SH
COOH
-2e, -2H+
NH2
S
CH2 CH2 CH
COOH
NH2
Цистeин
Цистеин
-амино- -тиопропионовая кислота
2-амино-3-сульфанилпропановая кислота
(2-амино-3-тиопропановая кислота,
2-амино-3-мeркаптопропановая кислота – устаревш.)
Cys, Цис
CH3 S
CH2 CH
CH2 CH
NH2
Цистин
COOH
NH2
Мeтионин
-амино- -мeтилтиомасляная кислота
2-амино-4-метилсульфанилбутановая кислота
(2-амино-4-метилтиобутановая кислота – устаревш.)
Met, Мет.
COOH

20. Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды
HOOC
CH2 CH
COOH
HOOC CH2 CH2 CH
NH2
NH2
Аспарагиновая кислота
Аминоянтарная кислота
Аминобутандиовая кислота
Asp, Асп
O
Глутаминовая кислота
-aминоглутаровая кислота
2-аминопентандиовая кислота
Glu, Глу
O
C
H2N
COOH
CH2 CH
COOH
NH2
Аспарагин
Амид аспарагиновой кислоты
2,4-диамино-4-оксобутановая кислота
Asn, Асн
H2N
C CH2 CH2 CH COOH
NH2
Глутамин
Амид глутаминовой кислоты
2,5-диамино-5-оксопентановая кислота
Gln, Глн

21. Содержащие аминогруппу

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Содержащие аминогруппу
CH2 CH2 CH2 CH2 CH
NH2
COOH
NH2
Лизин
, -диаминокапроновая кислота
2,6-диаминогексановая кислота
Lys, Лиз
NH
H2N
C
NH
CH2 CH2 CH2 CH
COOH
NH2
Аргинин
-амино- -гуанидилвалериановая кислота
2-амино-5-[амино(имино)метил]аминопентановая к-та
Arg, Арг

22. Ароматические АК

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Ароматические АК
CH2 CH
COOH
NH2
Фенилаланин
-амино- -фенилпропионовая к-та
2-амино-3-фенилпропановая к-та
Phe, Фен
HO
CH2 CH
COOH
NH2
Тирозин
-амино- -(п-оксифенил)пропионовая к-та
2-амино-3-(4-гидроксифенил)пропановая к-та
Tyr, Тир

23. Гетероциклические АК

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Гетероциклические АК
CH2
CH
COOH
NH2
N
H
COOH
Триптофан
-амино- -индолилпропионовая к-та
2-амино-3-(1H-индол-3-ил)пропановая к-та
Trp, Три
N
N
H
CH2
CH
COOH
NH2
Гистидин
-амино- -имидазолилпропионовая к-та
2-амино-3-(1H-имидазол5-ил)пропионовая к-та
His, Гис
N
H
Пролин
Пирролидин- -карбоновая к-та
2-пирролидинкарбоновая к-та
Pro, Про

24.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
По пищевой ценности для человека аминокислоты делятся на:
заменимые и незаменимые.
• Основным источником α - аминокислот для организма
человека служат пищевые белки. Многие α -аминокислоты
синтезируются в организме, некоторые же необходимые для
синтеза белков α-аминокислоты не синтезируются в
организме и должны поступать извне. Такие аминокислоты
называют незаменимыми вал, лиз, фен, лей, иле, тре, три,
мет.
• При некоторых, чаще всего врожденных, заболеваниях
перечень незаменимых кислот расширяется. Например, при
фенилкетонурии человеческий организм не синтезирует еще
одну аминокислоту — тирозин , которая в организме
здоровых людей получается при гидроксилировании
фенилаланина.
24

25.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
По характеру катаболизма (биохимической роли):
1). глюкогенные – при распаде дают метаболиты, не
повышающие уровень кетоновых тел, способные легко
становиться субстратом для глюконеогенеза (процесс
образования в печени молекул глюкозы из молекул
других органических соединений) -Гли, Ала, Тре, Вал,
Аск, Глк, Apr, Гис, Мет. и др.
2). кетогенные - повышающие уровень кетоновых тел в
крови животных и человека - Лей, Лиз

26.

Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия
Изомерия
1. Структурная изомерия
CH3
CH3
CH CH2 CH
CH3
COOH
NH2
лейцин
CH
CH3 CH2
CH
COOH
NH2
изолейцин
CH3 CH COOH
NH2
аланин
CH2 CH2 COOH
NH2
-аланин

27. Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

2. Стереоизомерия
α - Аминокислоты - хиральные соединения. Исключение
составляет глицин
Относительная конфигурация - аминокислот
определяется по положению –NН2 группы. Расположение
аминогруппы слева соответствует L - конфигурации, справа D - конфигурации.
Почти все природные - аминокислоты принадлежат к
L - ряду.

28. Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

COOH
COOH
H
NH2
H2N
R
R
COOH
COOH
H
H
NH2
R
D-аминокислота
H2N
H
R
L-аминокислота

29. Аминокислоты, строение, номенклатура, изомерия

30. Физические и химические свойства

Физические свойства
-Аминокислоты - кристаллические вещества. Имеют
высокие температуры плавления (выше 200 С), нелетучие,
растворимые в воде и нерастворимые в неполярных
органических растворителях. Способность - аминокислот
растворяться в воде является важным фактором
обеспечения их биологического функционирования - с нею
связаны всасываемость - аминокислот, их транспорт в
организме и т.п.

31. Физические и химические свойства

Физические свойства
-Аминокислоты - кристаллические вещества. Имеют
высокие температуры плавления (выше 200 С), нелетучие,
растворимые в воде и нерастворимые в неполярных
органических растворителях. Способность - аминокислот
растворяться в воде является важным фактором
обеспечения их биологического функционирования - с нею
связаны всасываемость - аминокислот, их транспорт в
организме и т.п.

32. Физические и химические свойства

В твердом состоянии и водных растворах при
нейтральных значениях pH -аминокислоты существуют
преимущественно в виде внутренних солей. В
сильнокислой среде преобладает катионная форма, в
сильнощелочной - анионная.
+
CH3 CH
COOH
+
NH3
Сильнокислая среда
-H
+
+H
CH3 CH
COO -
+
NH3
Почти нейтральная
+
-H
+
CH3 CH
+H
Сильнощелочная среда
NH2
COO-

33. Физические и химические свойства

Положение равновесия аминокислоты в водном растворе
при определенном значении pH существенно зависит от
строения радикала.
Значение pH, при котором концентрация диполярных
ионов максимальна, а минимальные концентрации
катионных и анионных форм -аминокислоты равны,
называется изоэлектрической точкой (pI).
В изоэлектрической точке суммарный заряд молекулы
кислоты равен 0.

34.

Физические и химические свойства
• Для моноаминомонокарбоновых кислот pI ≈ 5-6
• pI моноаминодикарбоновых кислот (Asp, Glu) ≈ 3
• pI диаминомонокарбоновых кислот (His, Lys, Arg) ≈ 8-11
• Если pH меньше pI, AK имеет заряд + и движется к катоду
• Если pH больше pI, AK имеет заряд — и движется к аноду
На этом основано разделение -аминокислот
методом электрофореза.

35. Физические и химические свойства

Химические свойства
1. Кислотно-основные свойства.
-Аминокислоты - амфотерные соединения, вступают в
реакции как с кислотами, так и со щелочами с
образованием солей:
а) Кислотные свойства. Реакция со щелочами:
б) Основные свойства.
Реакция с сильными минеральными кислотами:

36. Физические и химические свойства

2. Образование хелатных комплексов

37. Физические и химические свойства

3. Образование дикетопиперазинов.
-аминокислоты при нагревании дают
дикетопиперазины (диоксопиперазины):

38. Физические и химические свойства

H
H
O
O H
CH3 N H
H
аланин
H N
H O
CH3
O
t
O
N
CH3
+
CH3
N
2 H2O
O
H
2,5-диоксо-3,6-диметилпиперазин

39. Физические и химические свойства

4. Образование лактамов.
- и -аминокислоты при нагревании отщепляют воду,
циклизуются с образованием лактамов – циклических амидов:
O
CH2
C
OH
t
CH2
CH2 N H
H
-аминомасляная кислота
O
CH2 C
CH2
N H
+
H2O
CH2
-бутиролактам
39

40. Физические и химические свойства

5. Реакция поликонденсации ( образование пептидов):

41.

Физические и химические свойства
1. Реакция элиминирования.
-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, образуя
ненасыщенные кислоты:
t
NH3
CH2 CH COOH +
. CH2 CH2 COOH
NH2

42. Физические и химические свойства

2. Ацилирование (защита аминогруппы)
O
CH3 CH
COOH
NH2
+
CH3 C
Cl
CH3 CH
COOH
+
HCl
NH
C O
CH3
аланин
ацетилхлорид
N-ацетилаланин
42

43. Физические и химические свойства

3. Арилирование
O2N
F
+
NH2 CH
COOH
CH3
NO2
O2N
NH CH
COOH
+
HF
CH3
NO2
N-(2,4-динитрофенил)аланин
Реакция используется для определения N-концевой аминокислоты в пептидах и
белках по Сэнджеру
43

44. Физические и химические свойства

4.Взаимодействие с карбонильными соединениями
H
R
CH
NH2
COOH
+
C O
H
R
CH
COOH
NH
CH2 O H
Данная реакция используется в формольном титровании по
Сёренсену: метилольные производные являются гораздо более
сильными кислотами чем аминокислоты и они легко
оттитроввываются щёлочью. Реакция с формальдегидом лежит
в основе количественного определения α-аминокислот
44

45. Физические и химические свойства

5. Взаимодействие с азотистой кислотой
R
CH
COOH
+
NH2
-аминокислота
HNO2
R
CH
COOH
+
N2
+
H2O
OH
-гидроксикислота
Реакция с азотистой кислотой используется определения
аминокислот по Ван-Сляйку: по объему выделившегося азота
легко найти количество аминокислоты.
45

46. Физические и химические свойства

6. Дезаминирование - это реакция удаления аминогруппы
путем окислительного, восстановительного,
гидролитического или внутримолекулярного
дезаминирования.
В организме преобладает путь окислительного
дезаминирования с участием ферментов дегидрогеназ и
кофермента - НАД+:
- На первой стадии процесса осуществляется
дегидрирование -звена с образованием -иминокислоты.
- На второй стадии происходит неферментативный
гидролиз, приводящий к образованию -кетонокислоты и
сопровождающийся выделением аммиака,
включающегося в цикл образования мочевины.

47. Физические и химические свойства

48. Физические и химические свойства

7.Переаминирование (трансаминирование)
- это путь синтеза необходимых АК из -кетонокислот.
При этом донором аминогруппы является -АК,
находящаяся в избытке, а акцептором аминогруппы
-кетонокислоты (ПВК, ЩУК, -кетомаслянная кислота).
Процесс происходит с участием фермента - трансаминазы и
кофермента – пиридоксальфосфата.

49. Физические и химические свойства

Процесс переаминирования связывает обмен белков и
углеводов в организме, регулирует содержание АК и синтез
незаменимых -АК.

50. Физические и химические свойства

1. Образование сложных эфиров
Реакция используется для защиты карбоксильной группы в
синтезе пептидов

51. Физические и химические свойства

2. Декарбоксилирование (путь образования биогенных
аминов из - аминокислот).
Процесс идет с участием ферментов декарбоксилаз.
CH2
CH
COOH
NH2
N
CH2
декарбоксилаза
CO2
триптофан
N
H
гистидин
CH
H
триптамин
N
CH2
NH2
N
H
CH2
COOH
декарбоксилаза
N
N
NH2
CO2
CH2
H
CH2
NH2
гистамин
51

52. Аминокислоты и их производные, применяемые в медицине.

Аминокислоты и их производные, применяемые в
медицине
1) Пара-Аминобензойная кислота (т. пл. 187 °С). Получается из
4-нитротолуола путем окисления его в 4-нитробензойную
кислоту, которую затем восстанавливают в п-аминобензойную
кислоту (ПАБК).

53. Ароматические аминокислоты и их производные, применяемые в медицине.

Сложные эфиры ПАБК анестезин и новокаин
используются в качестве местноанестезирующих
ненаркотических препаратов. Они обладают низкой
токсичностью и ценными фармакологическими свойствами.

54. Ароматические аминокислоты и их производные, применяемые в медицине.

2) 4-Амино-2-гидроксибензойная (пара-аминосалициловая)
кислота ПАСК (т. пл. 220 °С). Получается прямым
карбоксилированием мета-аминофенола. Бензольное
кольцо за счет наличия двух сильных электронодонорных
групп очень активно в реакциях электрофильного
замещения, поэтому ПАСК образуется в более мягких
условиях, чем салициловая кислота Используется в качестве
противотуберкулезного средства.

55. Ароматические аминокислоты и их производные, применяемые в медицине.

3) Антраниловая (о-аминобензойная кислота).
Бесцветное кристаллическое вещество (т. пл. 147 °С),
используется для синтеза красителей, например синего
индиго, участвует в биосинтезе гетероциклических
соединений. Ее производные оказывают
противовоспалительное действие.

56.

Спасибо
за
Ваше внимание!