2.6. Качественные реакции на аминокислоты

Все аминокислоты дают качественные реакции на соответствующую амино- (NH₂) и карбоксильную (СООН) группы.

По значению рН водного раствора можно определить к какому типу относится аминокислота: нейтральная, кислотная (рН  4) или основная (рН  7).

Аминокислоты, содержащие первичную алифатическую аминогруппу, при взаимодействии с азотистой кислотой при температуре 0-5С выделяют газообразный азот. Наблюдается «моментальное закипание» реакционной смеси (стр. 22-23).

Аминобензойные кислоты дают качественную реакцию на первичную ароматическую аминогруппу – при добавлении азотистой кислоты и β-нафтола образуется красно-оранжевый азокраситель.

-Аминокислоты дают ряд специфических реакций, которые позволяют отличить их от аминокислот другого строения: биуретовую и нингидриновую реакции.

Биуретовая реакция (реакция Пиотровского) – образование нерастворимой комплексной соли синего цвета при обработке щелочного раствора -аминокислоты насыщенным раствором Сu(OH)₂ (стр. 24).

Нингидриновая реакция (реакцияРуэманна) – появление сине-фиолетовой окраски при взаимодействии с нингидрином. Окраску обеспечивает продукт конденсации.

Ароматические и гетероциклические аминокислоты (кроме пролина) дают ксантопротеиновую реакцию – появление желтой окраски в результате кипячения аминокислоты, содержащей ароматический цикл, с азотной кислотой. После добавления сильного основания желтое окрашивание переходит в оранжевое. Реакция обусловлена возможностью образованием ароматических нитропроизводных.

Серусодержащие аминокислоты (цистеин, цистин) дают реакцию Фоля  образование серо-черного осадка свинец(II)-сульфида при добавлении свинец(II)-ацетата к продукту щелочного гидролиза анализируемой пробы. При щелочном гидролизе «слабосвязанная сера» в цистеине и цистине достаточно легко отщепляется, в результате чего образуется сероводород, который, реагируя со щелочью, дает сульфиды натрия или калия. При добавлении в реакционную смесь Pb(СН₃СОО)₂ образуется темный осадок PbS.

Кроме перечисленных, наиболее распространенных, цветных реакций на -аминокислоты и белки существует ряд специфических реакций на конкретные аминокислоты. Это реакция Циммермана на глицин, реакции Адамкевича-Гопкинса-Коля и Вуазена на триптофан, реакция Милона на тирозин, реакция Паули на гистидин и тирозин, реакция Скарагучи на аргинин и др.

3. Пептиды и белки

Пептиды и белки – высокомолекулярные соединения, построенные из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью –С(О)–NH– .

3.1. Строение и номенклатура

Количество аминокислот в пептиде может сильно варьировать. В соответствии с их количеством различают:

олигопептиды  молекулы, содержащие от двух до десяти аминокислотных остатков; иногда в их названии упоминается количество входящих в их состав аминокислот, например, дипептид, трипептид, пентапептид и пр.;

полипептиды  молекулы, в состав которых входит от десяти до 100 аминокислот;

белки (протеины)  молекулы, в состав которых входят свыше 100 остатков аминокислот. Молекулярная масса белковых молекул колеблется от 10 тыс. до нескольких миллионов.

Молекулы пептидов и белков представляет собой линейную или разветвленную цепь с аминогруппой (NH₂) на одном и карбоксильной группой (СООН) на другом конце цепи. Встречаются пептиды и белки с замкнутой цепью  циклопептиды (к ним относятся многие бактериальные токсины, гормоны и антибиотики).

Белки (протеины) построены из 20 основных протеиногенных -L-аминокислот (табл. 2). Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Набор и порядок соединения аминокислот в белке определяется строением генов в ДНК индивидумов. Каждый белок в соответствии с его специфической структурой выполняет свойственную ему функцию. Несмотря на разнообразие, элементный состав белков колеблется незначительно. В процентах от абсолютно cухой массы они содержат: углерод – 50–55%, водород – 6,5–7,3%, кислород – 21–24%, азот – 15–18%, серу – до 2%, золы – до 0,5%. Некоторые белки в небольших количествах содержат фосфор, селен, железо, цинк, медь.

Размер белка измеряется в числе аминокислотных остатков или в дальтонах (Да), килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, например, в среднем, состоят из 466 аминокислотных остатков и имеют молекулярную массу 53 кДа, а самый большой из известных в настоящее время белков  титин (компонент мускулов человека) состоит из 38138 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу до 3700 кДа.

В отличие от белков многие природные пептиды содержат амино­кислоты, которые не встречаются в белках, в том числе D-аминокислоты (b-аланин, a-3-карбоксифенилаланин, дийодтирозин и др.).

В соответствии с номенклатурой IUPAC в наименовании пептидов используются тривиальные названия всех аминокислот, образующих молекулу, а также учитывается последовательность их соединения друг с другом. Аминокислотные остатки последовательно перечисляют, начиная с N-конца. Поскольку эти остатки находятся в молекуле пептида в виде ацила, то им дается суффикс «ил». Название С-концевой аминокислоты со свободной СООН-группой остается без изменения. Например:

Названия белков, которые состоят из огромного числа аминокислотных остатков, по номенклатуре IUPAC получаются очень объемными. Поэтому для обозначения аминокислотной последовательности белка используют трехбуквенные обозначения тривиальных названий протеиногенных -аминокислот. Например, обозначение фрагмента белка:

…GlyPheAlaAlaTyrVal…

Многие белки и пептиды имеют тривиальные названия, присвоенные чаще всего в зависимости либо от местности или источника выделения, либо от растворимости, формы молекулы, аминокислотного состава. Например, казеин (белок молока) – от латинского слова сaseus (сыр), авидин (белок яйца) – аvis (птица), фазеолин (белок фасоли) – phaseolus vulgaris (фасоль популярная), инсулин (гормон)  insula (остров) и т. д.

3.2. Распространение в природе, биологическая роль.

Низкомолекулярные пептиды содержатся в небольших количествах почти во всех живых клетках (например, в животных и растительных тканях широко распространен трипептид глутатион, в мышцах позвоночных  дипептиды анзерин и карнозин). К пептидам относятся многие природные биологически активные вещества: некоторые гормоны (адренокортико­тропный гормон, глюкагон, вазопрессин, окситоцин), антибиотики (грамицидин, бациллин).

Белки – это высшая форма развития органических веществ. Без них не было бы жизни на Земле. В настоящее время установлено, что в живой природе не существует небелковых организмов. Поэтому значение белков в природе исключительно велико, так как они играют первостепенную роль во всех явлениях жизни.

Белки  это основные вещества, из которых построены ядра и протоплазма живых клеток, мышцы, хрящи, сухожилия, кожа, волосы. Они содержатся также в растениях, которые, наряду с синтезом углеводов, осуществляют синтез белков из простых неорганических веществ. Белки являются основной частью пищи. В процессе пищеварения белки гидролизуются до аминокислот, которые служат исходным сырьем для синтеза новых белков, необходимых данному организму.

В организме животных содержится до 40-50 % белков в расчете на сухую массу, у растений до 20-35%.

В белках объединены признаки разных классов органических соеди­нений, что в своем сочетании дает совершенно новые качества, играющие определяющую роль в жизненных процессах.

В живых организмах белки выполняют разнообразные биологические функции.

1) Структурная функция  белки образуют основу протоплазмы любой живой клетки, в комплексе с фосфолипидами являются основным структурным материалом всех клеточных мембран и органелл. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др.

2) Транспортная функция  белки-транспортеры узнают и связывают определенные гормоны, сахара, липиды, ионы и несут их к определенным клеткам или через клеточные мембраны. Например, белок крови гемоглобин присоединяет и транспортирует кислород от легких к тканям и органам.

3) Защитная функция  белки-антитела распознают и расщепляют вредные вещества, попадающие в клетку (атигены), защищают животные и растительные организмы от патогенов. Например, внутренние стенки пищевода и желудка выстланы защитным слоем слизистых белков – муцинов. Основу кожи, предохраняющей тело от многих внешних воздействий, составляет белок коллаген. В клетках синтезируются также и противо­вирусные белки – интерфероны.

4) Запасная функция – резервные белки способны образовывать запасные отложения, которые используются в качестве источника энергии и аминокислот.для питания при росте организма (овальбумин яиц, казеин молока, проламины семян). При полном расщеплении 1 г белка образуется 17, 6 кДж энергии.

5) Гормональная функция  белки-гормоны регулируют обмен веществ в организме. Например, гормон инсулин регулирует содержание сахара в крови.

6) Каталитическая функция – белки-ферменты определяют скорость биохимических реакций в биологических системах.

Кроме перечисленных функций белки отвечают за преобразование генетической информации, генерирование и передачу нервных импульсов, за способность организма поддерживать давление в клетках и крови, физиологическое значение рН внутренней среды, и др.