Введение Рис. 1. Распределение химических соединений
реклама
1 Введение Рис. 1. Распределение химических соединений, зарегистрированных CAS, по классам (на 01.01.2000) Особенности жизненных процессов Структура живых организмов H3C N H3C N - OOC (CH2)2 - OOC CH CH2 Fe CH3 N N (CH2)2 CH CH2 CH3 2 Аминокислоты 1. γ CH3 β CH2 α CH COOH γ CH3 NH2 β CH α CH2 COOH NH2 α-аминомасляная кислота β-аминомасляная кислота NH2 CH2 CH2 CH2 COOH γ-аминомасляная кислота 2. Глицин, NH2 CH2 COOH моноаминомонокарбоновая кислота HOOC CH2 CH COOH NH2 H2N (CH2)4 CH COOH NH2 Аспаргиновая кислота, моноаминодикарбоновая кислота Лизин, диаминомонокарбоновая кислота 3 3. Полярный радикал ионогенный HOOC CH CH2 NH2 неионогенный HO CH2 CH COOH NH2 OH Тирозин Серин фенольная спиртовая ОН-группа диссоциирует В щелочной среде не диссоциирует 4 Таблица 1. Биологически важные природные аминокислоты NH2 CH COOH R Ala Открыватель, исходный Материал с наибольшим (pI) материал содержанием а) Нейтральные гидрофобные аминокислоты CH3CHCOOH Вейль, фиброин шелка (1888) фиброин шелка (29,7%) 6.02 Валин Val NH2 (CH3)2CHCHCOOH Лейцин Leu Изолейцин Ile Фенилаланин Phe Метионин Met Триптофан Trp Название Аланин Сокращение Структурная формула Горуп-Безане, экстракт желез эластин (17,4%), (1856) сухожилия и аорта быка NH2 (17,6%) (CH3)2CHCH2CHCOOH Пруст, творог (1819) Сывороточный альбумин быка (12,8%), NH2 кукуруза (19%) CH3 NH2 Эрлих, патока (1904) Сывороточный альбумин быка (2,6%), CH3CH2CH CH COOH белок овса (4,3%) C6H5CH2CHCOOH Шульце и Барбьери, ростки Сывороточный альбумин люпина (1879) (7,8%), γ-глубулин (4,6%), NH2 овальбумин (7,7%) CH3 S CH2CH2 CH COOH Мюллер, казеин (1921) γ-казеин (4,1%), овальбумин (5,2%), NH2 β-лактоглобулин (3,2%) CH2 CH COOH Гопкинс и Кол, казеин (1901) лизоцим (яйца) (10,6%), α-лактальбумин (7%)) NH NH 5.97 5.98 6.1 5.88 5.8 5.88 NH2 Фишер, казеин (1901) Пролин Pro Глицин б) Нейтральные гидрофильные аминокислоты H2NCH2COOH Gly Браконно, шелк (1820) COOH сальмин (6,9%), казеин 6.10 (10,6%), желатин (16,3%) фиброин шелка (29,7%) 5.97 5 Серин Треонин HOCH2 Ser CH3CH Thr OH Тирозин Tyr Аспарагин Asn Глутамин Gln Цистеин Cys CH COOH NH2 Крамер, шелковый клей (1865) CH COOH Розе и др., фибрин (1935) NH2 HO CH2CHCOOH NH2 NH2 C CH2 Либих, сыр (1846) NH2 CH COOH Вокелин и Робике, спаржа (1806) O NH2 C CH2CH2 CH COOH Шульце, сахарная свекла (1877) O NH2 HSCH2CHCOOH Бауман, цистин (1884) NH2 Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота Лизин в) Кислые аминокислоты (ионогенные) HOOC CH2 CH COOH Asp Риттхаузен, бобовые (1868) Glu HOOC CH2CH2 NH2 CH COOH Риттхаузен, бобовые (1866) NH2 г) Основные аминокислоты (ионогенные) H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH Lys Дрехсель, казеин (1899) Arg HN H2N Гистидин His C NH CH2CH2CH2CHCOOH 6.50 5.65 5.41 кератин волос (14,4%), кератин перьев (8,2%), кератин шерсти (11,9%) 5.02 эдестин (12,0%), 3,20 глобулин ячменя (10,3%) глиадин пшеницы 3.22 (39,2%), глиадин ржи (37,7%), кукуруза (22,9%) 9.74 Шульце и др., проростки люпина (1886) 10.7 6 Коссель, стурин (1896) гемоглобин (7,0%) 7.58 NH2 N NH2 NH 5.70 миоглобин лошади (15,5%), сывороточный альбумин быка (12,8%) сальмин (86,4%), желатин (8,3%) NH2 Аргинин фиброин шелка (16,2%), трипсиноген (16,7%), пепсин (12,2%) кератин волос (8,5%), яичный белок (10,5%) фиброин шелка (12,8%), папаин (14,7%) CH2CHCOOH 6 Номенклатура аминокислот CH3 Ala Cys HN CH COOH или Cys CH3 Ala H2N CH CH2 S H2N CH COOH H2N CH COO CH2 Lys CH3 Ala HN CH COOH CH2 или Lys CH2 COO CH2 NH Природные аминокислоты Стереохимия аминокислот COOH NH2 CH COOH R H H2N COOH H R R α-аминокислота β α L-α-аминокислота β α CH3 CH2 CH CH COOH CH3 CH CH COOH CH3 NH2 OH NH2 Изолейцин NH2 Треонин D-α-аминокислота HO N H COOH 4-гидроксипролин 7 COOH H H2N H NH2 NH2 H2N COOH CH2 S S CH2 H H2N COOH L-цистин H H2N CH2 S S CH2 CH2 S S CH2 H COOH COOH H COOH D-цистин Мезоформа цистина α-Аминокислоты D- и L-стереохимических рядов HOOCCH2CHCO NHCHCOOCH3 CH2C6H5 NH2 остаток остаток L-аспарагиновой метилового эфира кислоты L-фенилаланина O NH2 HOOC NH O плоскость симметрии O COOCH3 остаток спирта фенхола 8 Расщепление рацематов RCH COOH RCH COOH RCH COOH NH2 L-форма NHCOCH3 L-форма NH2 L-форма (CH3CO)2O RCH COOH RCH COOH NH2 D-форма NHCOCH3 D-форма α-аминокислота (рацемат) ацилаза -CH3COOH RCH COOH NHCOCH3 D-форма N-ацетил-α-аминокислота (рацемат) Разделение смеси RCH COOH RCH COOH NH2 L-α-аминокислота NHCOCH3 N-ацетил-D-α-аминокислота -HCl RCH COOH + CH3COOH NH2 D-α-аминокислота Физические и химические свойства H2N CH COO H R Несуществующая в природе форма! H3N CH COO R Биполярный ион (цвиттер-ион), внутренняя соль 9 Кислотно-основные свойства H2N CH - COO H+ OH- H3N R - COO CH H+ OH- H3N R H2N щелочной раствор CH CH COOH R COOH кислый раствор R Аминокислота pKa1 рКа2 СН3СН3СООН 4,38 нет Н3N+СН(СН3)СОО– 2,34 9,69 CH3CH2NH2 нет 10,67 Аминокислота H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH (Lys) рКа α-NH2 ε-NH2 α-COOH γ-COOH 9,0 10,5 2,2 нет 9,7 нет 2,2 4,3 NH2 HOOC CH2CH2 CH COOH (Glu) NH2 Образование эфиров R CH COOH + CH3OH NH2 HCl (сухой) -H2O NH3 R CH COOCH3 R CH COOCH3 -NH4Cl + NH3 Cl NH2 метиловый эфир α-аминокислоты 10 Образование галогенангидридов O CH3 R CH C NH COOH SOCl2 или POCl3 CH3 CH COOH + Cl NHX замещенная α-аминокислота CH C NH C Cl O O R R C OC2H5 R -HCl O CH C NHX O O C OC2H5 O смешанный ангидрид этилхлорформиат Образование N-ацильных производных R CH NH2 COOH + Cl C R' -HCl R O CH COOH NH C O карбобензоксигруппа CH2O C Cl O карбобензоксихлорид R' 11 R CH COOH + C6H5 CH2 O : NH2 карбобензоксизащита Cl O карбобензоксихлорид α-аминокислота R C CH COOH HN C O H2 / Pd, 25°C удаление защиты R CH COOH + C6H5CH3 + CO2 NH2 CH2C6H5 O трет-бутоксикарбонильная группа (БОК-защита) CH3 CH3 C O CH3 C N3 O трет-бутоксикарбоксазид Реакции с участием только аминогруппы H3N+ CHR H3N+ CHR COO- + NH2 R' COO- + Me OH H2N CHR H2N CHR COO- NH3+ R' COO- Me+ + H2O 12 Алкилирование COO- Me+ + R'Cl H2N CHR R' HN CHR R' H2N+ CHR COOH + MeCl COO- (CH3)3N + CH2 COO N,N,N-триметилглицин Ацилирование O H2N COO- + R' C CHR Cl + B: O R' C NH COO-BH+ + BH+Cl- CHR или O H2N COO- + R' C CHR 2 O + B: O R' C NH CHR COO-BH+ + BH+R' COO- 13 Образование оснований Шиффа O H2N - + COO Na CHR CH CH CH C + N CHR N CHR COO-Na+ CH O OH + H2NCHCOOH 2 C O нингидрин OH HCl COOH N C H R α-аминокислота N и т.д. 14 O O C C + CO2 + RC N C C O OH O H + 3H2O сине-фиолетовая окраска Дезаминирование аминокислот OH А H3N+ CHR COO- + HNO2 R COO- CH2 CH RCH R CH COOH + N2 + H2O CH COOH + NH3 NH3+ (таким образом у некоторых микроорганизмов и высших растений аспарагиновая кислота превращается в фумаровую) Б NH3+ CHR COO- + 2H+ R CH2 COOH + NH3+ (у некоторых микроорганизмов) В NH3+ CHR COO- + H2O R CH COOH OH (тип дезаминирования, характерный для микроорганизмов) 15 Г COO- CH2 CH фермент OH NH3+ COO- CH2 C NH3+ CH3 C COO- H2O CH3 C NH2+ COO- + NH4+ O (этот тип дезаминирования характерен для таких аминокислот, как серин, треонин, цистеин, гомоцистеин) Образование ДНФ-производных NO2 O2N NO2 F + NH2CHCOOH R 2,4-динитрофторбензол (ДНФБ) OHO2N -HF NHCHCOOH R ДНФ-производные α-аминокислот 16 Образование ФТГ-производных (реакция Эдмана) C6H5 O δ+ N C S + NH2CH2COOH фенилизотиоцианат C6H5 NH C глицин S S циклизация; H+ -H2O C6H5 N NH CH2 C OH NH O Амидная связь фенилтиогидантоин Фрагмент Фрагмент мочевины тиомочевины O S HN O NH R Гидантоин HN O S NH R Тиогидантоин C6H5 N O NH Радикал α-аминокислоты R ФТГ-производные α-аминокислот 17 Отношение аминокислот к нагреванию а) α-аминокислоты при нагревании димеризуются с образованием шестичленных циклических дикетопиперазинов: O H3N OOC HN R R COO R R H3N NH O дикетопиперазин б) β-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в α, β-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли: H R O H3N R O -NH3 O α R β O O O NH4 в) γ-аминокислоты претерпевают внутримолекулярную циклизацию, отщепляя молекулу воды с образованием внутреннего циклического амида (γ-лактама): R NH3 R O NH H O H R NH -H2O O O O γ-лактам 18 лактам R N δ+H R N δO R R O H O N H OH N лактим г) δ-аминокислоты при нагревании также превращаются в продукты внутримолекулярной циклизации (δ-лактамы, производные пиперидона-2). R R NH3 O O NH O δ-лактим 19 д) O n H3N+ (CH2)5 COO- NH (CH2)5 C n Биологически важные химические реакции H O C 2-O POCH 3 2 H CH C N 2-O POCH 3 2 OH + N R COOH H O NH2CHCOOH CH3 R N H CH3 H α-аминокислота пиридоксальфосфат Альдимин I фермент фермент Lys NH2 (CH2)4 H H O O O - O P O- N OH O N CH3 H пиридоксальфосфат - O P O- (CH2)4 H O O N H Фермент-имин CH3 20 Трансаминирование Донорная α-аминокислота HOOC CH2 CH Акцепторная α-оксокислота COOH + HOOC CH2 CH2 C NH2 O α-оксоглутаровая кислота L-аспаргиновая кислота HOOC COOH трансаминаза + пиридоксальфосфат CH2 C COOH + HOOC CH2 CH2 CH COOH O NH2 Щавелевоуксусная кислота L-глутаминовая кислота Донорная α-аминокислота Акцепторная α-оксокислота Перенос аминогруппы Подвижный атом водорода H H P R C C N OCH2 COO C H H O N CH3 COO- R - P -H+ C OCH2 N H O N H H Альдимин I II CH3 H+ 21 COO- R C H P H OCH2 N C O N CH2NH2 H P OCH2 OH +H2O + R N CH3 CH3 O Пиридоксаминфосфат α-оксокислота Декарбоксилирование OOC Декарбоксилаза + пиридоксальфосфат NH3+ CH RCH2NH2 + CO2 R α-аминокислота амин Декарбоксилирование в организме H H P COO- H H - C R C C N OCH2 COO- CHR H H O N H Альдимин I CH3 P C OCH2 N H O -CO2 N H IV CH3 H+ 22 CH2R H P C N H H OCH2 P O N C O OCH2 OH +H2O + RCH2NH2 N CH3 CH3 H H Альдимин Iа Пиридоксальфосфат N биогенный амин N CH2CHCOOH N NH2 H -CO2 CH2CH2NH2 N H гистидин гистамин Элиминирование R CH CH COOH X NH2 -HX R CH C COOH таутомерия NH2 β-замещенная α-аминокислота X=OH, SH енаминный фрагмент HO R CH2 C COOH NH α-иминокислота H2O иминогруппа R CH2 C COOH NH2 карбиноламинная группа -NH3 RCH2 C COOH O α-оксокислота 23 CH2 CH OH NH2 COOH -H2O серин H2O CH2 C COOH таутомерия CH3 C NH2 COOH NH енаминнокислота α-иминокислота HO CH3 C COOH NH2 CH3 C -NH3 COOH O Пировиноградная кислота CH-кислотный центр OH H R H P CH C C N OCH2 COO- H H P O N R CH3 -H2O CH C C N OCH2 COOH O N H H Альдимин I Альдимин I б CH3 +H2O 24 H P C O OCH2 OH + R N CH CH3 COO- C NH2 H V Пиридоксальфосфат R CH2 COO- C NH +H2O R -NH3 CH2 C O Va α-оксокислота Альдольное расщепление HOCH2 CH COO- COO- CH2 NH3+ глицин серин H + C O H NH3+ формальдегид Окислительное дезаминирование HOOCCH2CH2CHCOOH НАД+ НАДН + Н+ HOOCCH2CH2CCOOH NH2 L-глутаминовая кислота COO- NH α-иминоглутаровая кислота HOOCCH2CH2CCOOH + H2O HOOCCH2CH2CCOOH + NH3 NH O α-оксоглутаровая кислота 25 R CH COOH + HNO2 NH2 α-аминокислота R CH COOH + N2 + H2O OH α-гидроксикислота
