1.3. Кислотно-лужні властивості амінокислот.
Амфотерність α-амінокислот обумовлена наявністю в їх молекулах функціональних груп кислотного (-СООН) і лужного (–NH2) характеру. Тому α-амінокислоти утворюють солі як з лугами, так і кислотами.
У водному розчині α-амінокислота існує у вигляді рівноважної суміші диполярного іона, катіонної і аніонної форм (зазвичай використовують запис будови α-амінокислоти в неіонізованому вигляді, що служить лише для зручності).
Положення рівноваги залежить від рН середовища. Загальним для всіх α-амінокислот є переважання катіонних форм в сильнокислих (рН 1—2) і аніонних — в сильнолужних (рН 13—14) середовищах.
Отже, характер іонізації амінокислоти залежить від рН середовища. В лужному середовищі при рН більше 7 іонізується карбоксильна група, а в кислому (при рН менше 7) – аміногрупа. При проміжних значеннях рН іонізуються обидві полярні групи, ступінь іонізації кожної з них залежить від величини рН.
Іонна будова обумовлює деякі особливості α-амінокислот:
високу температуру плавлення (амінокислоти – безбарвні кристалічні речовини з високими температурами плавління – 220-315°С)
нелеткість
розчинність у воді і нерозчинність в неполярних органічних розчинниках (ефір, бензол).
Відносна розчинність амінокислот у воді та полярних органічних розчинниках визначається їх дипольною структурою і наявністю гідрофільних (–NH2, –OH, –SH, –COOH, –NH, –CO) і гідрофобних груп (–CH3, –CH2-CH3, бензол).
Крім того, із збільшенням вуглецевого ланцюга R зменшується розчинність амінокислот у воді і збільшується розчинність у спирті.
Амінокислоти значно краще розчиняються в розчинах кислот і лугів, ніж у нейтральних розчинах.
Здатність α-амінокислот розчинятися у воді є важливим чинником забезпечення їх біологічного функціонування — з нею пов'язані всмоктуваність α-амінокислот, їх транспорт в організмі і т.п.
Повністю протонована α-амінокислота (катіонна форма) з позицій теорії Бренстеда є двоосновною кислотою, що містить дві кислотні групи: недисоційовану карбоксильну групу і протоновану аміногрупу, що характеризуються відповідними значеннями рКа1 і рКа2.
Віддаючи один протон, така двоосновна кислота перетворюється на слабку одноосновну кислоту — диполярний іон з однією кислотною NH3+-групою. Депротонування диполярного іону призводить до отримання аніонної форми α-амінокислоти — ацилат-іону, що є основою Бренстеда.
Значення рКа1, що характеризують кислотні властивості карбоксильної групи α-амінокислот, зазвичай лежать в інтервалі від 1 до 3; значення рКа2, що характеризують кислотність амонієвої групи, — від 9 до 10 (таблиця. 1.2).
Таблиця 1.2. Кислотно-лужні властивості та розчинність у воді найважливіших α-амінокислот.
-
Кислоти
рКа
pI
Розчинність в 100 г Н2О при 25°С, г
–COOH
–NH3+
іоногених груп в радикалі
Аланін
2,3
9,7
6,0
16,6
Аргінін
2,2
9,0
12,5
10,8
15
Аспарагин
2,0
8,8
5,4
2,5
Аспарагінова
2,1
9,8
3,9
3,0
0,5
Валін
2,3
9,6
6,0
8,8
Гліцин
2,3
9,6
6,0
25
Глутамін
2,2
9,1
5,7
4,2
Глутамінова
2,2
9,7
4,3
3,2
0,9
Гістидин
1,8
9,2
6,0
7,6
4,19
Ізолейцин
2,4
9,7
6,1
4,1
Лейцин
2,4
9,6
6,0
2,5
Лізин
2,2
9,0
10,45
9,8
легко розчинний
Метіонін
2,3
9,2
5,8
3,4
Пролін
2,0
10,6
6,3
162,3
Серин
2,2
9,2
5,7
5
Тирозин
2,2
9,1
10,1
5,7
0,05
Треонін
2,6
10,4
6,5
20,5
Триптофан
2,4
9,4
5,9
1,1
Фенілаланін
1,8
9,1
5,5
3
Цистеїн
1,7
10,8
8,3
5,0
легко розчинний
Положення рівноваги, тобто співвідношення різних форм α-амінокислоти, у водному розчині при певних значеннях рН істотно залежить від будови радикалу, головним чином наявність в ньому іоногених груп, що відіграють роль додаткових кислотних і лужних центрів.
Значення рН, при якому концентрація диполярних іонів максимальна, а мінімальні концентрації катіонних і аніонних форм α-амінокислоти рівні, називається ізоелектричною точкою (pI). Значення pI в загальному випадку обчислюється за формулою:
де n — максимальне число позитивних зарядів в повністю протонованій α-амінокислоті. У глутамінової кислоти n=1 і pI = 1/2(2,2+4,3)= 3,2; у валіну n= 1 і pI = 1/2(2,3+9,6)= 5,95; у лізину n = 2 і pI = 1/2(9,0+10,5)= 9,8.
У ізоелектричній точці сумарний заряд молекули α-амінокислоти дорівнює 0. Диполярні іони не переміщуються в електричному полі. При значеннях рН середовища нижче за значення pI катіон α-амінокислоти (амонієва форма) рухається до катода; при рН вище, ніж pI, ацилат-іон α-амінокислоти переміщується до анода. На цьому засновано розділення α-амінокислот методом електрофорезу.
Нейтральні α-амінокислоти мають значення pI декілька нижче 7 (5,5—6,3) внаслідок більшої здатності до іонізації карбоксильної групи під впливом —I-ефекта NH3+-групи. Наприклад у валіну ізоелектрична точка знаходиться при рН~6.
Кислі α-амінокислоти, що мають в радикалі додаткову карбоксильну групу, в сильнокислому середовищі знаходяться в повністю протонованій формі. Вони є триосновними кислотами (по Брендстеду), що характеризуються трьома значеннями рКа, як це видно на прикладі глутамінової кислоти (pI 3,2).
У кислих α-амінокислот (аспарагінової і глутамінової) ізоелектрична точка знаходиться при рН набагато нижче 7 (див. табл. 1.2). В організмі при фізіологічних значеннях рН (наприклад, рН крові 7,3—7,5, див. табл. 4.4) ці кислоти знаходяться в аніонній формі, оскільки у них іонізовано обидві карбоксильні групи.
Лужні α-амінокислоти мають ізоелектричні точки в області рН вище 7. У сильнокислому середовищі вони також є триосновними кислотами, етапи іонізації яких показані на прикладі лізину (pI=9,8).
У організмі лужні α-амінокислоти знаходяться у вигляді катіонів, тобто у них протоновані обидві аміногрупи.
Таким чином, залежно від природи функціональних груп у радикалі значення ізоелектричної точки рІ зміщується в кисле або лужне середовище:
моноаміномонокарбонові амінокислоти електронейтральні в слабокислому середовищі,
диаміномонокарбонові кислоти мають рНі>7,0,
моноамінодикарбонові кислоти мають рНі<7,0.
Якщо через водний розчин амінокислоти пропускати постійний струм, то:
при значеннях рН<рНі молекула амінокислоти буде переміщатися до катода,
при значеннях рН>рНі – до анода,
в ізоелектричній точці вона нерухома.
Оскільки ізоелектричні точки різних амінокислот неоднакові, то за допомогою електроструму можна розділити суміш амінокислот.
В радикалах α-амінокислот містяться й інші іоногені групи здатні до іонізації при різних значеннях рН. Наприклад, фенольна гідроксильна група в тирозині іонізована при рН 10,1; тіольна група в цистеїні — при рН 8,1—8,3 і так далі
В цілому жодна α-амінокислота in vivo не знаходиться в своїй ізоелектричній точці і не потрапляє в стан, що відповідає найменшій розчинності у воді. Таким чином, α-амінокислоти в організмі знаходяться в іонній формі.