Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

окислот

39

ственной близости положительного заряда к карбоксилу — так называемый эффект поля.

Оба эффекта обычно наблюдаются при диссоциации большинства органических кислот и оснований, и аминокислоты не исключение в этом отношении. Например, галогенирование уксусной кислоты дает еще более сильную кислоту. Сила кислот повышается в ряду: уксусная кислота < монохлор- < дихлор- < <трихлоруксусная кислота. Такое изменение кислотных свойств — следствие отрицательного индуктивного эффекта, т. е. оттягивания электронной плотности от карбоксигруппы через ко-валентные связи Молекулы кислоты (искажение или изменение электронной плотности, передаваемое через о-связи) на электрод-отрицательный атом хлора. Отсюда следует, что замена трех атомов хлора на три еще более электроотрицательные атома фтора приведет к еще более сильной кислоте — трифторуксусной.

В то же время повышению кислотности карбоксильной группы может способствовать влияние, передаваемое без посредства ковалентных связей (через пространство). Такие электростатические эффекты называются эффектами поля. В качестве иллюстрации рассмотрим поведение малоновой и диэтилмалоновой кислот при диссоциации. Отношение констант диссоциации Ki и Ki в водных растворах для первого соединения равно 700, для второго— 120 ООО.

д с2н5 л

в О I 'о

С-СН2-< I ЧОН

ОТ NOH С2Нд

малоновая кислота Эиэтилмалоноеая кислотй

K,/>Cj = 7О0 К,/Кг = 120 ООО

Легко видеть, что в случае малоновой кислоты большая часть пространства между двумя карбоксильными группами занята молекулами воды, тогда как в случае диэтилмалоновой кислоты — двумя алкильными группами. Две этильные группы представляют собой среду с низкой диэлектрической проницаемостью, так что образование единичного отрицательного заряда на первой карбоксильной группе оказывает сильное влияние на поведение второго карбоксила. Следовательно, при диссоциации второго протона проявляется сильное электростатическое отталкивание, что приводит к большому различию первой и второй констант диссоциации диэтилмалоновой кислоты. Однако молекулы воды сильно экранируют отрицательный заряд после диссоциации первого протона малоновой кислоты, так что диссоциация второго протона приведет к более слабому электростатическому отталкиванию. Отметим, что наличие в молекуле

40

Глава 2

положительно заряженного катиона аммония стабилизировало бы образовавшийся отрицательный заряд карбоксильной группы.

Учитывая эти соображения, можно разобраться в поведении аминокислот при диссоциации. Например, замещение а-протона в глицине на метильную группу должно лишь незначительно повлиять на рКа карбоксильной группы. Это действительно выполняется для аланина (табл. 2.1), а также для других аминокислот с нейтральными боковыми группами. Однако в р-аланине, в котором аминогруппа отделена от карбоксильной уже двумя углеродными атомами, эти две функциональные группы оказывают друг на друга меньшее влияние и значение рКа попадает в интервал между значениями рКа глицина и рКа уксусной кислоты. рКа карбоксигруппы нейромедиатора ГАМК, в котором амино- и карбоксигруппы отделены тремя углеродными атомами, близко по значению таковой в уксусной кислоте.

Сходная ситуация наблюдается и для дикарбоновых аминокислот. Аспара-гиновая кислота несет в боковой цепи р-карбоксильную группу, которая, подобно а-карбоксильной группе, но в меньшей степени, испытывает влияние аминогруппы, рКа = 3,86 (табл. 2.1). Глутаминовая же кислота несет в боковой цепи у-карбоксильную группу, которая расположена на большем расстоянии от аминогруппы, и едва ли последняя влияет на нее, рКа = 4,25. Следовательно, помимо строения различие между аспарагиновой и глутаминовой кислотами заключается в силе этих кислот, что может оказаться важным в биохимических процессах.

Вернемся еще раз к свойствам аминогруппы глицина: она проявляет более сильные основные свойства (более высокое значение рКа), чем обычный органический амин. Можно ожидать, что единичный отрицательный заряд карбоксильной группы приведет к повышению электронной плотности на аминогруппе и что электростатическое притяжение (эффект поля) между аммоний-катионом и карбоксилат-анионом затруднит отрыв протона от аммонийной группы. Это действительно так, и оба эффекта играют важную роль. Тем не менее рКа аминогруппы глицина равен 9,60, тогда как у метиламина 10,64 (табл. 2.1). Это происходит потому, что наиболее важным, или определяющим, эффектом является оттягивание электронов карбоксильной (карбонильной) группой. Так, если нейтрализовать весь заряд карбоксильной группы путем превращения ее в амид, то рКа аминогруппы глициламида равен 8,0, а для глицилглицина 8,13. При этом не возможны ни повышение электронной плотности карбоксилат-анионом, ни эффект поля (электростатическое влияние); единственным эффектом остается оттягивание электронов амидной карбонильной группой. Отметим, что этерификация аспарагиновой и глутаминовой кислот аналогичным образом влияет на свойства полученных соединений (табл. 2.1). Аминогруппы диэтиловых эфиров обладают кислыми свойствами.

Помимо индуктивного эффекта и эффекта поля важную роль| в определении силы органических кислот и оснований играют

Биоорганическая химия аминокислот

41

резонансные эффекты. Например, рКа простого алкилового спирта равен ~15, а гидроксила тирозина 9,11. Аналогично, рКа гид-роксильной группы фенола равен 9,8 (табл. 2.1). Это легко понять, представив, что после ионизации фенолят-анион стабилизирован путем образования резонансных структур: ОН Ое о

фенол

Такие же представления можно привлечь для объяснения еще более низких значений рКа «-нитрофенола (р/(а = 7,1) (для него существует еще одна важная резонансная структура):

п-нитрофенол (оранжевый) (бесцветный) (Лтах=*»00нм)

Резонансный эффект не следует смешивать с понижением значения рКа, к которым приводит галогенирование фенола (табл. 2.1), поскольку при этом вновь проявляется отрицательный индуктивный эффект. Тем не менее резонансные эффекты могут быть полезны при изучении других важных соединений, как, например, при сравнении основности циклогексиламина и анилина. Цикло-гексиламин характеризуется значением рКа, типичным для органического амина (табл. 2.1), а анилин проявляет значительно более кислые свойства. Это происходит потому, что в любой данный момент времени электронная плотность на аминогруппе анилина гораздо ниже, чем на аминогруппе циклогексиламина. Свободная пара электронов азота анилина сопряжена с электронами ароматического цикла путем образования резонансных структур:

NH2 NH2 NH3

анилин

Хотя не существует аминокислот, производных анилина, в биологических системах можно найти примеры расположения экзо-циклических аминогрупп на гетероциклическом ароматическом кольце. Наиболее известны пурины (аденин и гуанин) и пиримидин (цитозин). Их свойства обсуждаются в гл. 3.

42

Глава 2

Три важных фактора — индуктивный эффект, эффект поля и резонансный эффект — могут сильно влиять на поведение органических кислот и оснований, включая и биологически важные а-аминокислоты. В водном растворе, обычной среде протекания биологических реакций, эти эффекты обусловливают большое разнообразие свойств, так что процессы диссоциации могут происходить во всем диапазоне рН. Это важно, потому что белки, построенные из аминокислот, в зависимости от своего аминокислотного состава могут принимать участие в кислотно-основных превращениях. Действительно, в упрощенном виде диссоциацию аминокислот можно рассматривать как миниатюрную модель диссоциации белка. В биохимических реакциях важные функции выполняют белки, и аналогия с аминокислотами может служить основой для понимания процессов передачи протонов. Однако такая модель слишком упрощена. Она не учитывает кооперативные взаимодействия. Например, как поведет себя лизин при диссоциации под действием линейно-расположенных положительно заряженных аминокислотных остатков, входящих в состав белка? Далее, каким образом близко расположенная гидрофобная область белковой молекулы (т. е. область с более низкой диэлектрической проницаемостью) влияет на ее диссоциацию в данном химическом процессе? То, что в этом случае можно ожидать значительных изменений, видно из поведения глицина при диссоциации в среде с низкой диэлектрической проницаемостью; например, в 95%-ном этаноле (рКа карбоксильной группы глицина равен 3,8, а аминогруппы 10,0). Можно было бы подумать, что в этом случае по кислотности глицин близок к уксусной кислоте, но это не так, поскольку для последней рКа равен 7,1.

На примере ионизации цистеина, выбранного в качестве простой модели, можно проиллюстрировать, что диссоциация на поверхности белка отражает сложное взаимодействие мономерных остатков аминокислот. Схему ионизации можно представить следующим образом:

ch2sh ch2sh ch,sh

h—с—cooh h—c—coo6 *=^=* h—c—coo® nh3® nh3® nh2

ch2se h—с—cooe

• I

nh2

где p/Ci = 1,71, pK2 и/или р/(з = 8,33 и/или 10,38 (табл. 24).

Биоорганическая химия аминокислот

43

Константа ионизации карбоксильной группы (p/Ci) мала, ее легко определить. Однако аммонийная и тиольная группы имеют близкие значения рК (ср. метиламин и метилмеркаптан, табл. 2.1), так что не известно, которая из групп ионизуется первой. Ki, К2 и Кз— это макроскопические константы ионизации, экспериментально найденные из кривых титрования. /С2 и Кг складываются из четырех микроскопических констант ионизации. После отрыва протона от карбоксильной группы процесс ионизации может протекать двумя путями:

CH2Se

н—с—соое

у- NH,?

CH,SH CH,S9

I I

н—с—cooe н—с—coo®

I » I

NH39 NH2

H—C—COO9 Pki = 8.9

I Р*з - 10,4

NHj p*r4 = 10,0

Поскольку четыре микроскопические константы ионизации нельзя определить из кривых титрования, необходимо было использовать спектрофотометрический анализ в ультрафиолетовой области для группы R—S-. р/С = 8,65 бетаиновой структуры цистеина (ионизация тиола в присутствии положительно заряженного атома азота) и р/С = 8,75 5-метилцистеина (ионизация амино

страница 7
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.07.2017)