6.9.3. Способы получения аминокислот

-аминокислоты получают из природных веществ и синтетически. Белки при кислотном гидролизе дают смесь -аминокислот.

Среди синтетических способов получения аминокислот важнейшими являются следующие.

1. Аммонолиз -галогенкарбоновых кислот избытком аммиака приводит к аммонийным солям -аминокислот:

.

2. Обработка альдегидов смесью хлорида аммония с цианидами с последующим гидролизом (Штреккера*–Зелинского*) также приводит к -аминокислотам:

3. Алкилирование ацетаминомалонового эфира с последующим гидролизом эфира и декарбоксилированием малонового фрагмента.

Ацетаминомалоновый эфир можно получить обработкой ацетамида броммалоновым эфиром:

CH₃CONH₂ + BrCH(COOC₂H₅)₂  CH₃-CO-NH-CH(COOC₂H₅)₂,

из которого далее получают натриевую соль и обрабатывают алкилгалогенидом:

4. Восстановительное аминирование -оксокислот также может служить способом получения -аминокарбоновых кислот. Реакцию проводят в условиях каталитического гидрирования в присутствии аммиака:

5. Присоединением аммиака к ,-ненасыщенным кислотам  универсальный способ получения -аминокислот; эта реакция встречалась ранее, в главе 6.5.3.2.

6. Другим удобным способом получения -аминокислот, предложенным В.М. Родионовым*, является конденсация альдегидов с малоновой кислотой в присутствии аммиака:

7. Гидролизом лактамов получают -аминокислоты (аминокислоты с удалённым, концевым положением аминогруппы. А лактамы, в свою очередь, являются продуктом бекмановской перегруппировки оксимов. В целом схему можно представить в следующем виде:

8. -Аминокислоты можно получить из продуктов теломеризации этилена с тетрахлорметаном (гл. 4.2.3.6):

Cl-(CH₂CH₂)_n-CCl₃ NH₂(CH₂CH₂)_nCOOH

6.9.4. Важнейшие представители аминокислот

-аминокислоты (табл. 6.7) являются структурными единицами важнейшего класса биополимеров  белков, занимают ключевое положение в азотистом обмене. Восемь из них являются незаменимыми, т.е. не синтезируются в организме человека, но необходимы для синтеза белков. Это валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан. Многие из -аминокислот используются в медицинской практике в качестве лекарственных средств, влияющих на тканевой обмен и при психических расстройствах (глицин, метионин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

-аминопропионовая кислота (-аланин) входит в состав пантотеновой кислоты  компонента кофермента А (кофермента ацилирования), играющего важную роль в процессах обмена веществ, в частности активирующего карбоновые кислоты, превращая их в сложные эфиры тиоспиртов.

-аминомасляная кислота принимает участие в обменных процессах головного мозга, является нейромедиатором. Применяется при лечении нервно-психических заболеваний.

6.9.5. Пептиды

Как уже рассматривалось в свойствах -аминокислот, при их взаимодействии друг с другом за счёт амино- и карбоксильной групп образуются пептиды (дипептиды, трипептиды и т.д. — по количеству аминокислотных остатков). Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называются олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков — полипептидами. Полипептидная цепь, построенная из большого количества аминокислотных остатков (>100), лежит в основе первичной структуры белковой молекулы.

6.9.5.1. Строение, номенклатура

Пептидная (амидная) связь имеет свойства частично двойной связи. Это проявляется в уменьшении длины этой связи (0.132 нм) по сравнению с длиной простой связиC–N(0.147нм). Частично двоесвязанный характер пептидной связи делает невозможным свободное вращение заместителей вокруг неё, поэтому пептидная группировка является плоской и имеет обычнотранс-конфигурацию:

При образовании молекулы белка или полипептида -аминокислоты могут соединяться в различной последовательности. Возможно огромное число комбинаций. Так, из 20—26 аминокислот можно образовать более 10¹⁸комбинаций. Существование различного типа полипептидов практически неограничено.

Аминокислотный остаток, несущий свободную аминогруппу, называется N-концевым, а несущий свободную карбоксильную группу —С-концевым. Пептидные и белковые цепи принято называть сN-конца. При этом используют тривиальные названия аминокислот, в которых окончание -инзаменяется на -ил; исключение —С-концевой остаток, название которого совпадает с названием соответствующей аминокислоты. Для записи широко используют трёхбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных остатков. Например:

Ala-Cys-Val — аланил-цистеил-валин

6.9.5.2. Свойства, способы установления структуры

Олигопептиды по свойствам близки к аминокислотам, полипептиды — подобны белкам. Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллические вещества, разлагающиеся при нагревании до 470—570 К. Они хорошо растворимы в воде, разбавленных кислотах и щелочах, почти не растворяются в органических растворителях, за исключением олигопептидов, построенных из остатков гидрофобных аминокислот. Химические свойства олигопептидов определяются содержащимися в них функциональными группами, а также особенностями пептидной связи. Их химические превращения в значительной мере аналогичны соответствующим реакциям аминокислот. Они дают положительную нингидриновую реакцию (гл. 6.9.2.3) ибиуретовую реакцию. Биуретовая реакция — это цветная реакция на биуретNH₂-CO-NH-CO-NH₂, которую осуществляют, прибавляя к его щелочному раствору разбавленный водный раствор солиCu²⁺, обычноCuSO₄. При этом раствор окрашивается в интенсивный фиолетовый цвет благодаря образованию комплексного соединения. В пептиде для этого должно быть не менее двух амидных группировок:

Атом меди в таком комплексе, вероятно, образует связи именно с атомами азота, а не кислорода, так как атомы азота представляют более мягкие оснόвные центры и в соответствии с принципом Р. Пирсона (гл. 1.6) образуют более прочные связи с атомом меди.

Для идентификации аминокислотного состава белков и пептидов используют специфические реакции на аминокислоты. Эти реакции протекают за счёт участия функциональных групп, находящихся в углеводородных радикалах аминокислотных остатков. К ним относятся: ксантопротеиновая реакция— появление жёлтого окрашивания при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой (качественная реакция на тирозин и фенилаланин);реакция Эрлиха— появление красно-фиолетового окрашивания при взаимодействии сп-диметиламинобензальдегидом в сернокислой среде (качественная реакция на триптофан); взаимодействие с ацетатом свинца в щелочной среде — выпадение чёрного осадкаPbS (качественная реакция на серосодержащие аминокислоты).

Аминокислотный состав устанавливается путём анализа пептидных и белковых гидролизатов различными методами. Амидные связи способны гидролизоваться как в кислой, так и в щелочной среде. При полном гидролизе образуется смесь аминокислот. Щелочной гидролиз практически не используется из-за неустойчивости многих -аминокислот в этих условиях. Обычно гидролиз осуществляют в кислой среде.

Последовательность соединения аминокислот в полипептиде (или в белковой молекуле) устанавливают путём ступенчатого расщепления или рентгеноструктурным анализом. Разработаны химические способы отщепления -аминокислот с N-конца. В основе их лежат нуклеофильные свойства первичной аминогруппы. Это 1) метод динитрофенилирования, в котором реагентом является 2,4-динитро-1-фторбензол; 2) метод Эдмана, в котором используется фенилизотиоцианат; 3) дансильный метод, использующий реакцию с дансилхлоридом (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфохлоридом):

1)
	2,4-динитро-1-фторбензол
2)
	фенилизотиоцианат
3)
	дансилхлорид (5-N,N-диметиламинонафталин-1-сульфохлорид)

После гидролиза получившееся N-замещённое производное концевой аминокислоты отделяют и идентифицируют обычно одним из хроматографических методов.

6.9.5.3. Химический синтез

Химический синтез пептидов заключается в создании пептидной связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. Сложность синтеза связана с необходимостью обеспечения строго определённой последовательности аминокислот. Для проведения целенаправленного контролируемого синтеза пептидов необходима предварительная временная защита всех (или некоторых) функциональных групп, которые не участвуют в образовании пептидной связи, а также предварительная активация одной из компонент пептидного синтеза. По окончании синтеза защитные группы удаляют. При получении биологически активных пептидов необходимое условие — предотвращение рацемизации аминокислот на всех этапах пептидного синтеза.

Итак, образование пептидных связей происходит в реакции между аминокислотой или её функциональным производным с защищённой аминогруппой (1) и аминокислотой в виде соли или сложного эфира (2):

(1) (2)

Среди N-защитных групп наиболее важными являются ацильные защитные группы, в том числе моноацилы замещённой угольной кислоты типа , например бензилоксикарбонильная группа и трет-бутоксикарбонильная группа:

бензилоксикарбонильная группа трет-бутоксикарбонильная группа

а также ацилы муравьиной и трифторуксусной кислот.

Для активации карбоксильной группы её превращают в сложноэфирное производное или в смешанный ангидрид. В сложноэфирном производном спиртовый остаток должен содержать сильный электроноакцепторный заместитель — в результате образуется высокореакционноспособный эфир, легко подвергающийся аминолизу под действием другой аминокислоты. Это, например, п-нитрофениловый эфир, пентафторфениловый эфир.

X =

,

Смешанные ангидриды наиболее часто получают при взаимодействии с эфирами хлормуравьиной кислоты Cl-COOC₂H₅ и Cl-COOC₄H₉-изо. В этом случае

X =

,

.

При активации карбоксильной группы в первой аминокислоте вторую аминокислоту достаточно этерифицировать, превратив её, например, в этиловый эфир (R = C₂H₅).

Наряду с синтезом пептидов в растворах большое значение имеет синтез пептидов с применением нерастворимых носителей (твёрдофазный синтез пептидов). В этом методе наращивание пептидной цепочки происходит на поверхности твёрдого гранулированного полимерного носителя. Полимер содержит активные группы (CH₂Cl, CH₂OH), и N-защищённая аминокислота взаимодействует с такими активными группами за счёт своей карбоксильной группы, образуется сложноэфирная связь. Затем следует отщепление защитной группы, образование пептидной связи с другой молекулой N-защищённой аминокислоты и т.д. После наращивания цепи достаточной длины полипептид отщепляют от носителя действием смеси HBr+CF₃COOH.

Благодаря этому способу удалось свести процесс пептидного синтеза к стандартной последовательности периодически повторяющихся процедур, легко поддающихся автоматизации. В настоящее время созданы различные типы автоматических синтезаторов пептидов.