Амины, аминокислоты и белки

Основность аминов, амфотерность аминокислот, пептидная связь, структурная организация белков

Амины: классификация и строение

Аминами называют производные аммиака NH₃, в которых один, два или все три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. По числу замещённых атомов водорода различают первичные (R–NH₂), вторичные (R–NH–R′) и третичные (R–N(R′)–R″) амины. По природе радикала амины делят на алифатические (радикал предельный, например метиламин CH₃NH₂) и ароматические (радикал связан с бензольным кольцом непосредственно, например анилин C₆H₅NH₂).

${C H}_{3} - {N H}_{2} (м е т и л а м и н)$

Основность аминов

Как и в молекуле аммиака, атом азота в аминах сохраняет неподелённую электронную пару, за счёт которой амины способны присоединять протон и проявлять свойства оснований. Алкильные радикалы — доноры электронной плотности (положительный индуктивный эффект), поэтому они повышают электронную плотность на атоме азота и усиливают основность предельных аминов по сравнению с аммиаком: метиламин — более сильное основание, чем аммиак. У ароматических аминов, напротив, неподелённая пара атома азота частично вовлекается в сопряжение с π-системой бензольного кольца (подобно тому, как это происходит с кислородом в феноле), из-за чего электронная плотность на азоте понижается — ароматические амины (анилин) являются значительно более слабыми основаниями, чем аммиак и тем более чем алифатические амины.

Химические свойства аминов: основные свойства

Растворы предельных аминов в воде имеют щелочную реакцию среды за счёт обратимого протонирования:

${C H}_{3} {N H}_{2} + H_{2} O ⇌ {C H}_{3} {N H}_{3}^{+} + {O H}^{-}$

С кислотами амины реагируют необратимо, образуя соли алкиламмония (аналог солей аммония):

${C H}_{3} {N H}_{2} + H C l \to [{C H}_{3} {N H}_{3}] C l$

Анилин, будучи слабым основанием, с водой практически не реагирует (не изменяет окраску индикаторов), но с сильными кислотами образует соли:

$C_{6} H_{5} {N H}_{2} + H C l \to [C_{6} H_{5} {N H}_{3}] C l$

Анилин — ароматический амин с особыми свойствами

Взаимное влияние аминогруппы и бензольного кольца в молекуле анилина двустороннее, как и в случае фенола: аминогруппа не только сама ослабляется как основание, но и, отдавая электронную плотность в кольцо, повышает электронную плотность в орто- и пара-положениях кольца, активируя его к электрофильному замещению. Поэтому анилин, подобно фенолу, реагирует с бромной водой без катализатора уже при комнатной температуре, сразу же образуя белый осадок 2,4,6-триброманилина — эта реакция служит качественной пробой на анилин:

$C_{6} H_{5} {N H}_{2} + {3 B r}_{2} \to C_{6} H_{2} {B r}_{3} {N H}_{2} ↓ + 3 H B r$

Получение аминов: реакция Зинина

Важнейший промышленный способ получения анилина — восстановление нитробензола, открытое русским химиком Н. Н. Зининым (реакция Зинина). В качестве восстановителя используют водород в момент выделения (например, систему Fe + HCl):

$C_{6} H_{5} {N O}_{2} + {3 H}_{2} \to (F e, H C l) C_{6} H_{5} {N H}_{2} + {2 H}_{2} O$

Анилин — важнейшее сырьё для производства красителей, лекарственных препаратов, полимерных материалов (в том числе некоторых видов полиуретанов).

Аминокислоты: строение и номенклатура

Аминокислотами называют соединения, в молекулах которых одновременно присутствуют аминогруппа –NH₂ и карбоксильная группа –COOH. Для построения белков особое значение имеют α-аминокислоты, у которых обе группы связаны с одним и тем же (α-) атомом углерода: общая формула H₂N–CH(R)–COOH, где R — боковой радикал, различный у разных аминокислот (например, у простейшей аминокислоты глицина R = H). Именно порядком чередования 20 стандартных α-аминокислот с разными боковыми радикалами определяется всё многообразие природных белков.

$H_{2} N - {C H}_{2} - C O O H (г л и ц и н, а м и н о у к с у с н а я к и с л о т а)$

Амфотерность аминокислот

Присутствие в одной молекуле и основной (–NH₂), и кислотной (–COOH) групп делает аминокислоты амфотерными соединениями: они реагируют и с кислотами (за счёт основной аминогруппы), и со щелочами (за счёт кислотной карбоксильной группы):

$H_{2} N - {C H}_{2} - C O O H + H C l \to [{C l H}_{3} N - {C H}_{2} - C O O H]$

$H_{2} N - {C H}_{2} - C O O H + N a O H \to H_{2} N - {C H}_{2} - C O O N a + H_{2} O$

Более того, в твёрдом состоянии и в нейтральном водном растворе аминокислоты существуют преимущественно не в незаряженной форме, а в виде биполярного иона (внутренней соли, цвиттер-иона): карбоксильная группа отдаёт протон аминогруппе того же самого атома углерода, при этом молекула в целом остаётся электронейтральной, но несёт одновременно отрицательный и положительный заряды на разных своих частях: H₃N⁺–CH₂–COO⁻. Именно существованием биполярного иона объясняются нехарактерные для «обычных» органических веществ физические свойства аминокислот — высокие температуры плавления (с разложением) и хорошая растворимость в воде, сближающая их с солями.

Пептидная связь. Образование полипептидов

Молекулы аминокислот способны вступать в реакцию поликонденсации друг с другом: карбоксильная группа одной молекулы взаимодействует с аминогруппой другой, отщепляя воду и образуя амидную связь –CO–NH–, которую в биохимии называют пептидной связью:

$H_{2} N - {C H}_{2} - C O O H + H_{2} N - {C H}_{2} - C O O H \to H_{2} N - {C H}_{2} - C O - N H - {C H}_{2} - C O O H + H_{2} O$

Продукт соединения двух аминокислотных остатков называют дипептидом, трёх — трипептидом, а очень длинную цепь из множества аминокислотных остатков — полипептидом. Белки — это природные высокомолекулярные полипептиды, построенные из остатков α-аминокислот, соединённых пептидными связями.

Структурная организация белков

Строение белковой молекулы описывают на нескольких уровнях. Первичная структура — линейная последовательность аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями; именно она однозначно определяет все дальнейшие уровни организации и, в конечном счёте, биологическую функцию белка. Вторичная структура — упорядоченное пространственное расположение полипептидной цепи (α-спираль или β-складчатый слой), стабилизированное водородными связями между C=O и N–H группами пептидного остова. Третичная структура — конкретная трёхмерная укладка (сворачивание) всей полипептидной цепи в компактную глобулу, удерживаемая множеством нековалентных взаимодействий (водородными связями, гидрофобными взаимодействиями боковых радикалов, ионными связями), а также ковалентными дисульфидными мостиками –S–S– между остатками цистеина. Четвертичная структура характерна не для всех белков и представляет собой объединение нескольких отдельных полипептидных субъединиц в единый функциональный комплекс (например, гемоглобин состоит из четырёх субъединиц).

Качественные реакции на белки. Денатурация

Для обнаружения белков используют две характерные качественные реакции. Биуретовая реакция — взаимодействие белка со свежеосаждённым Cu(OH)₂ в щелочной среде без нагревания даёт фиолетовое (сине-фиолетовое) окрашивание за счёт образования комплекса меди(II) с пептидными связями; эта реакция доказывает наличие в молекуле многочисленных пептидных связей. Ксантопротеиновая реакция — при действии концентрированной азотной кислоты на белок (при нагревании) появляется жёлтое окрашивание (переходящее в оранжевое при добавлении раствора щёлочи), обусловленное нитрованием ароматических колец боковых радикалов остатков фенилаланина, тирозина и триптофана; эта реакция подтверждает присутствие ароматических аминокислотных остатков.

Денатурацией называют разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка (при сохранении первичной, то есть последовательности аминокислот и пептидных связей) под действием нагревания, растворов солей тяжёлых металлов, концентрированных кислот и щелочей, спирта, ультрафиолетового облучения. При денатурации белок теряет свою биологическую активность (например, ферментативную) и часто выпадает в осадок (свёртывание белка при варке яйца — классический пример необратимой денатурации).

Пример 1: нейтрализация анилина соляной кислотой

Условие. Вычислите объём раствора соляной кислоты с массовой долей HCl 10% (плотность раствора 1,05 г/мл), необходимый для полной нейтрализации 9,3 г анилина.

Решение. n(C₆H₅NH₂) = m/M = 9,3 г / 93 г/моль = 0,1 моль. По уравнению C₆H₅NH₂ + HCl → [C₆H₅NH₃]Cl вещества реагируют в соотношении 1:1, значит n(HCl) = 0,1 моль. Масса чистого HCl: m(HCl) = 0,1 моль · 36,5 г/моль = 3,65 г. Масса раствора кислоты: m(р-ра) = m(HCl)/w = 3,65 г / 0,10 = 36,5 г. Объём раствора: V = m/ρ = 36,5 г / 1,05 г/мл ≈ 34,8 мл.

Ответ: ≈34,8 мл раствора соляной кислоты.

Пример 2: образование дипептида из глицина

Условие. Вычислите массу дипептида глицилглицина, образующегося при поликонденсации 15 г глицина (реакцию считать протекающей количественно).

Решение. n(H₂N–CH₂–COOH) = m/M = 15 г / 75 г/моль = 0,2 моль. По уравнению реакции две молекулы глицина образуют одну молекулу дипептида и одну молекулу воды, значит n(дипептида) = 0,2 моль / 2 = 0,1 моль. Молярная масса дипептида M(H₂N–CH₂–CO–NH–CH₂–COOH) = 2·75 − 18 = 132 г/моль (сумма масс двух молекул глицина за вычетом одной молекулы воды). Масса дипептида: m = n·M = 0,1 моль · 132 г/моль = 13,2 г.

Ответ: 13,2 г глицилглицина.

Типичные ошибки

Частая ошибка — считать анилин и все амины одинаково сильными основаниями, сравнимыми с аммиаком: на самом деле алифатические амины — более сильные основания, чем аммиак, а ароматические (анилин) — заметно более слабые, из-за сопряжения неподелённой пары азота с кольцом. Вторая ошибка — забывать об амфотерности аминокислот и писать только одну из двух возможных реакций (только с кислотой или только со щёлочью), не учитывая, что в растворе преобладает биполярный ион. Также часто путают биуретовую реакцию (на пептидные связи, фиолетовое окрашивание с Cu(OH)₂) и ксантопротеиновую реакцию (на ароматические остатки, жёлтое окрашивание с HNO₃). Наконец, ошибочно полагают, что при денатурации разрушается и первичная структура белка — на самом деле пептидные связи при обычной денатурации сохраняются, разрушается лишь пространственная укладка цепи.

Краткий словарь терминов

Амины — производные аммиака, в которых атомы водорода замещены на углеводородные радикалы; проявляют основные свойства.

Реакция Зинина — восстановление нитробензола до анилина водородом в момент выделения (система Fe + HCl).

Аминокислоты — соединения, содержащие одновременно аминогруппу и карбоксильную группу; проявляют амфотерные свойства.

Биполярный ион (цвиттер-ион) — внутренняя соль аминокислоты, в которой карбоксильная группа депротонирована, а аминогруппа протонирована.

Пептидная связь — амидная связь –CO–NH–, образующаяся при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты с аминогруппой другой.

Денатурация — разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка при сохранении первичной структуры.

Заключение

Амины и аминокислоты объединяет азотсодержащая функциональная группа –NH₂, придающая им основные свойства, но именно сочетание этой группы с карбоксильной в молекулах аминокислот порождает их уникальную амфотерность и способность к поликонденсации через пептидную связь — так простые молекулы аминокислот образуют колоссальное структурное и функциональное разнообразие белков, от первичной последовательности до сложных пространственных структур. Эти же принципы поликонденсации (образование полимера с отщеплением низкомолекулярного продукта) лежат в основе следующей темы — высокомолекулярных соединений и полимеров в целом.