Амінокислоти, пептидна група і пептиди

Амінокислоти — це органічні сполуки, які в одній молекулі містять дві функціональні групи: аміногрупу NH₂ (основну) і карбоксильну групу COOH (кислотну). Найпростішою α-амінокислотою є аміноетанова кислота, яку також називають гліцином. Її формула — H₂N–CH₂–COOH, а молярна маса дорівнює 75 г/моль.

Загальна формула найпростіших α-амінокислот — H₂N–CH(R)–COOH, де R — бічний радикал. У гліцину R = H, тому його систематична назва — 2-аміноетанова кислота. У 2-амінопропанової кислоти (аланіну) R = CH₃. Нумерація атомів Карбону в таких сполуках починається з карбоксильного атома Карбону, тому аміногрупа міститься біля другого атома Карбону (α-положення).

Завдяки поєднанню двох груп гліцин виявляє амфотерність: аміногрупа NH₂ надає основних властивостей (здатна приєднувати протон), а карбоксильна група COOH — кислотних (здатна відщеплювати протон). У водному розчині поблизу нейтрального середовища значна частина молекул гліцину існує у формі внутрішньої солі (цвіттер-йона): ⁺H₃N–CH₂–COO⁻. Сумарний заряд такої частинки дорівнює нулю, тому її називають біполярним йоном.

Амінокислоти є будівельними компонентами білків. У природі трапляється понад 500 різних амінокислот, але в складі білків людини й тварин міститься лише 20 стандартних α-амінокислот. Гліцин — найпростіша з них.

Оскільки гліцин має і кислотну, і основну групи, він реагує як із кислотами, так і з лугами. Розгляньмо ці реакції на прикладі хлоридної кислоти та натрій гідроксиду.

Реакція з хлоридною кислотою (основні властивості)

Аміногрупа NH₂ гліцину виявляє основні властивості: вона приєднує протон H⁺ від кислоти, утворюючи амонієву сіль. Рівняння реакції:

H₂NCH₂COOH + HCl → [H₃NCH₂COOH]Cl

Продукт — хлорид амонієвої похідної гліцину. Ця реакція доводить, що амінокислота поводиться як основа: її аміногрупа нейтралізує кислоту.

Реакція з натрій гідроксидом (кислотні властивості)

Карбоксильна група COOH гліцину виявляє кислотні властивості: вона віддає протон лугу, утворюючи сіль карбонової кислоти (карбоксилат). Рівняння реакції:

H₂NCH₂COOH + NaOH → H₂NCH₂COONa + H₂O

Продукт — натрій аміноацетат (натрієва сіль гліцину). Виділяється вода. Ця реакція доводить, що амінокислота поводиться як кислота: її карбоксильна група нейтралізує луг.

У шкільних завданнях НМТ використовують молекулярні записи з нейтральною формулою H₂NCH₂COOH. У реальному водному розчині співвідношення йонних форм (катіонної, цвіттер-йонної та аніонної) залежить від pH середовища. За низького pH переважає катіонна форма ⁺H₃NCH₂COOH, за високого — аніонна H₂NCH₂COO⁻, а поблизу нейтрального pH — цвіттер-йон ⁺H₃NCH₂COO⁻.

Коли дві амінокислоти з'єднуються між собою, карбоксильна група однієї реагує з аміногрупою іншої. У результаті утворюється фрагмент –CO–NH– — пептидна група (пептидний зв'язок), і виділяється молекула води. Це реакція поліконденсації.

Утворення дипептиду з гліцину

Дві молекули гліцину реагують за схемою:

2 H₂NCH₂COOH → H₂NCH₂CONHCH₂COOH + H₂O

Продукт — гліцилгліцин (дипептид). Його молекулярна формула — C₄H₈N₂O₃. Молярна маса дипептиду: M = 2 · 75 − 18 = 132 г/моль. Віднімання 18 г/моль відповідає одній молекулі води, яка виділилася під час утворення одного пептидного зв'язку.

Утворення трипептиду

Три молекули гліцину, з'єднуючись послідовно, утворюють трипептид. При цьому виникають два пептидні зв'язки й виділяються дві молекули води. Молярна маса трипептиду:

M = 3 · 75 − 2 · 18 = 225 − 36 = 189 г/моль

Загальне правило: лінійний пептид із k амінокислотних залишків містить (k − 1) пептидних зв'язків, а його молярна маса дорівнює сумі молярних мас амінокислот мінус (k − 1) · 18 г/моль.

Кількість можливих дипептидів

Якщо маємо два види амінокислот — позначмо їх A і B — і дозволено повторення, то на першу позицію можна поставити A або B, і на другу позицію — також A або B. Це дає 2 × 2 = 4 комбінації:

AA, AB, BA, BB

Усі чотири дипептиди різні, оскільки порядок залишків визначає будову сполуки. Наприклад, AB (амінокислота A на N-кінці, B на C-кінці) і BA (B на N-кінці, A на C-кінці) — це різні речовини з різними властивостями.

Якщо ж кожну з двох різних амінокислот можна використати рівно один раз (повторення заборонені), то можливі лише два дипептиди: AB і BA. Комбінації AA і BB неможливі, бо для них потрібно дві молекули однієї амінокислоти.

Поліпептид — це ланцюг із багатьох амінокислотних залишків, з'єднаних пептидними зв'язками. Білки — це природні поліпептиди, що містять від десятків до тисяч амінокислотних залишків. Важливо пам'ятати: у пептидному зв'язку беруть участь карбоксильний атом Карбону однієї амінокислоти й амінний атом Нітрогену іншої, а не два атоми Карбону.

Розгляньмо три типові завдання, які можуть зустрітися на НМТ.

Приклад 1. Кількість дипептидів із дозволеними повтореннями

Завдання. Скільки різних лінійних дипептидів можна утворити з двох видів амінокислот A і B, якщо повторення амінокислот дозволені?

Розв'язання. На першу позицію дипептиду (N-кінець) можна поставити A або B — 2 варіанти. На другу позицію (C-кінець) також можна поставити A або B — ще 2 варіанти. Загальна кількість комбінацій: 2 × 2 = 4.

Перелік усіх можливих дипептидів:

AA (A–A), AB (A–B), BA (B–A), BB (B–B)

Відповідь: 4.

Поширена помилка — вважати AB і BA одним і тим самим пептидом. Насправді це різні сполуки, оскільки порядок амінокислотних залишків у пептиді має значення.

Приклад 2. Молярна маса трипептиду

Завдання. Обчисліть молярну масу (г/моль) лінійного трипептиду, утвореного з трьох залишків гліцину. Молярна маса гліцину дорівнює 75 г/моль.

Розв'язання. Трипептид із трьох залишків гліцину містить два пептидні зв'язки. Під час утворення кожного зв'язку виділяється одна молекула води (18 г/моль). Отже:

M(трипептиду) = 3 · M(гліцину) − 2 · M(H₂O)

M(трипептиду) = 3 · 75 − 2 · 18 = 225 − 36 = 189 г/моль

Відповідь: 189 г/моль.

Типові пастки:

• 225 г/моль — не відняти воду взагалі (ніби три молекули просто з'єдналися без виділення води).

• 207 г/моль — відняти лише одну молекулу води (забути, що в трипептиді два пептидні зв'язки).

Приклад 3. Реагенти, з якими реагує гліцин

Завдання. З кожним із яких двох реагентів реагує гліцин?

Варіанти відповіді:

• NaCl і N₂

• HCl і NaOH

• C₂H₆ і NaCl

• N₂ і C₂H₆

Розв'язання. Гліцин має аміногрупу (основні властивості) і карбоксильну групу (кислотні властивості). Тому він реагує:

• із хлоридною кислотою HCl (як основа, через аміногрупу);

• із натрій гідроксидом NaOH (як кислота, через карбоксильну групу).

З NaCl, етаном C₂H₆ та азотом N₂ за звичайних умов гліцин не реагує.

Відповідь: HCl і NaOH.

Пояснення дистракторів:

• NaCl — сіль, гліцин з нею не реагує.

• C₂H₆ (етан) — насичений вуглеводень, хімічно інертний за звичайних умов.

• N₂ — молекулярний азот, дуже інертний, не реагує з гліцином.

• Приписувати амінокислоті лише кислотні властивості. Пам'ятай: амінокислота має дві групи — COOH (кислотну) і NH₂ (основну). Тому вона реагує і з лугами, і з кислотами. Це амфотерність.

• Плутати пептидну групу –CO–NH– з естерною –COO–. Пептидний зв'язок утворюється між карбоксильною групою однієї амінокислоти й аміногрупою іншої. Естерний зв'язок — між карбоксильною групою й гідроксильною групою спирту. Не плутай ці два типи зв'язків.

• Віднімати одну H₂O незалежно від числа пептидних зв'язків. У дипептиді — один пептидний зв'язок і одна молекула води. У трипептиді — два зв'язки і дві молекули води. Загальне правило: для k залишків віднімаємо (k − 1) · 18 г/моль.

• Вважати AB і BA одним пептидом. Порядок амінокислотних залишків у пептиді має значення. AB (A на N-кінці, B на C-кінці) і BA (B на N-кінці, A на C-кінці) — це різні сполуки з різними властивостями.

• Називати число 4 без умови дозволених повторень. Якщо в задачі сказано «кожну амінокислоту використати рівно один раз», то з двох видів A і B можливі лише два дипептиди (AB і BA), а не чотири. Уважно читай умову!

Тема «Амінокислоти, пептидна група і пептиди» належить до пункту 3.4.2 програми НМТ з хімії. Вона передбачає знання амфотерності аміноетанової кислоти, будови пептидної групи та реакцій утворення ди- і трипептидів.

Формати завдань:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18 тесту. Правильна відповідь оцінюється в 1 бал, неправильна — 0 балів.

• Коротка числова відповідь — завдання 21 (дві частини, кожна по 1 балу) і завдання 22–24 (по 2 бали, без часткових балів).

Стратегія виконання:

• У завданнях на пептиди завжди визначай порядок амінокислотних залишків (N-кінець → C-кінець).

• Підраховуй число пептидних зв'язків: для k залишків їх k − 1.

• Кількість відщепленої води дорівнює кількості пептидних зв'язків.

• Для обчислення молярної маси пептиду: сума мас амінокислот мінус (число зв'язків) · 18.

• У завданнях на амфотерність пам'ятай: гліцин реагує і з кислотами, і з лугами.

• Уважно читай умову щодо дозволу повторень амінокислот — від цього залежить кількість можливих пептидів.

• Амінокислота поєднує дві функціональні групи: аміногрупу NH₂ (основну) і карбоксильну групу COOH (кислотну).

• Гліцин (аміноетанова кислота) виявляє амфотерність: реагує з кислотами через аміногрупу і з лугами через карбоксильну групу.

• Пептидна група –CO–NH– утворюється в результаті реакції поліконденсації між карбоксильною групою однієї амінокислоти й аміногрупою іншої з виділенням води.

• У лінійному пептиді з k амінокислотних залишків міститься (k − 1) пептидних зв'язків, а молярна маса дорівнює сумі мас амінокислот мінус (k − 1) · 18 г/моль.

• Кількість можливих дипептидів залежить від умови: за дозволених повторень з двох видів амінокислот виходить 4 дипептиди (AA, AB, BA, BB), без повторень — 2 (AB, BA).

• AB і BA — різні сполуки, оскільки порядок амінокислотних залишків у пептиді має значення.