+ Н —уменьшение рН, - Н® —увеличение рН

Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поле, то в зависимости от рН раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при рН < 7 аммонийные ионы аминокислот передвигаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН > 7 карбо-ксилат-ионы передвигаются к положительному полюсу (аноду). Значение рН, при котором перемещения в электрическом поле не наблюдается, соответствует наличию в равновесной

40

смеси только биполярного иона. Оно обозначается pi и называется изоэлектрической точкой. Изоэлектрическдя точка определяется соотношением pi = 1/2 (pKai + рКа2).

Из уравнения равновесия следует, что как потеря протона, так и его приобретение молекулой аминокислоты происходят двухступенчато, поэтому кривая титрования аминокислот всегда имеет как минимум две точки перегиба, соответствующие переходам катион -> цвиттер-ион (и обратно) и цвиттер-ион -> анион (и обратно). Легкость отщепления или присоединения протона в сильной степени зависят от природы R; у большинства биологически важных аминокислот р! лежит в пределах значений рН от 6 до 8 (рН клеточной жидкости -около 7,4). Полное превращение биполярного иона в катион наступает при рН = 2-3, а полностью анионная форма существует при рЙ ^ 9-10. Строго говоря, биполярный ион в качестве носителя кислотных свойств имеет группу H3N+, а основные свойства в биполярном ионе проявляет карбоксилат-анион. Сопряжённое кислоте -СООН основание -СОО является более слабым, чем основание -NH2, сопряжённое кислоте NH3+, по причине делокализации отрицательного заряда в карбоксил ат-анионе, не имеющей места в группе -NH2. Поэтому кислота -СООН является более сильной кислотой по сравнению с кислотой H3N+, т.е. более склонна к отщеплению протона и переходу в сопряжённое основание СОО", а основание -NH2 как более сильное, чем основание СОО~, скорее склонно к удерживанию протона в форме сопряжённой кислоты H3N+. Если в боковой цепи аминокислоты имеются кислотные или основные группы, значение pi и ионные формы при раалич-ных рН сильно меняются.

Аминокислота pi рН = 7,4 (клеточная жидкость) рН = 5,0 (дистиллированная вода)

Leu 5,98 анион катион

Asp 3,47 анион анион

41

Более низкие (по сравнению с незамещёнными карбоновыми кислотами) значения рН, характеризующие кислотность аминокислот, отражают электроноакцепторное влияние аминогруппы (-I-эффект). Аналогичным образом основность аминокислот понижена по сравнению с аминами вследствие отрицательного I-эффекта карбоксильной группы. Расположение H^N+ и СОО при одном и том же атоме углерода приводит к тому, что аммониевая группировка снижает основные свойства карбоксилат-аниона вследствие дслокализации отрицательного заряда, а потеря протона группой H3N+ уменьшает это влияние, так как -I-эффект аминогруппы много меньше -I-эффекта аммониевого азота.

Аминокислота рКа, рКа2

СН3СН2СООН 4,38 нет

H3N+CH(CH3)COO- 2,34 9,69

CH3CH2NH2 нет 10,67

Удаление аминогруппы от карбоксильной (перемещение аминогруппы от а-углеродного к р~, у-атомам и так далее) не уничтожает возможности образования цвиттер-ионов, но заметно изменяет величины рКа, характеризующие кислотные и основные свойства биполярных ионов.

Амино- рКа кислота a-NH? e-NH2 a-COOH y-COOH

Lys 9,0 10,5 2,2 нет *

Glu 9,7 нет 2,2 4,3

3. Отношение аминокислот к нагреванию

Сосуществование двух функциональных групп, способных к взаимодействию друг с другом, приводит к возможности получения продуктов такого взаимодействия при нагревании аминокислот, причём строение продукта определяется расстоянием между амино- и карбоксильной группами:

а) a-аминокислоты при нагревании димеризуются с обра-

42

зованием шестичленных циклических дикетопиперазинов:

/9

н3^@ eoocj VN\

(pHR + CHR -* UCR CHR

coog екн3 Vhn

О Дикетопиперазин б) р-аминокислоты при нагревании отщепляют аммиак, превращаясь в а,р-непредельные кислоты, точнее, в их аммонийные соли:

в) у-аминокислоты претерпевают внутримолекулярную циклизацию, отщепляя молекулу воды с образованием внутреннего циклического амида (у-лактама):

Ч.Н2-^Н2 у-Лактам у-Лактамы являются кетопроизводными тетрагидропирро-ла (пирролидина), поэтому их называют пирролидонами. Как и всякий амид, лактамы склонны к таутомерии амид ~> иминол (и обратно). Этот частный случай прототропной таутомерии называют лактим-лактамной таутомерией (см. также с. 15).

R-Oh?0-"* Rt^^O0 Лактам я j N

N H N^_y Лактим

Как правило, равновесие процесса миграции протона сдвинуто в сторону лактамной формы, если только в молекуле не имеется факторов, стабилизирующих лактимную форму;

43

г) 5-аминокислоты при нагревании также превращаются в продукты внутримолекулярной циклизации (8-лактамы, производные пиперидона-2):

/Жг~-СЯ2 уСН2— СН2

R-сн VH-» R-CH Yh2

д) аминокислоты с более удалёнными друг от друга ами-но~ и карбоксильной группами при внутримолекулярной циклизации д