B I O TE HC N O L O G AI

CHEMIAORGANICZNA

Własno ści chemiczne

1. Kwasowość. Wartości pKa

Kwasowość aminokwasów jest znacznie MNIEJSZA od kwasowości zwykłych KWASÓW KARBOKSYLOWYCH – pKa większości aminokwasów mieszczą się w zakresie 9 – 10.

CH2 COOH

NH2

Glicyna (Gly) Alanina (Ala)

CH COOH

NH2

CH3 CH COOH

NH2

CHCH3

CH3

Walina (Val) Fenyloalanina (Fen)

CH2

NH2

COOHCH

pK a = 9,78 pKa = 9,87 pKa = 9,82 pKa = 9,13

WARTOŚCI SPRZĘŻONE:

: pKb = 4,22 pKb = 4,13 pKb = 4,18 pKb = 4,87 są to wartości pKb odpowiadające typowym AMINOM ALIFATYCZNYM

WNIOSEK

Wartości pKa aminokwasów odpowiadają grupom –NH3+ (a nie grupom -COOH)

(aminokwasy zamiast grupy NH2 muszą mieć grupę –NH3+)

2. Zasadowość. Wartości pKb

Zasadowość aminokwasów jest znacznie MNIEJSZA od zasadowości typowych AMIN ALIFATYCZNYCH – pKb większości aminokwasów mieszczą się w zakresie 9 – 10.

CH2 COOH

NH2

Glicyna (Gly) Alanina (Ala)

CH COOH

NH2

CH3 CH COOH

NH2

CHCH3

CH3

Walina (Val) Fenyloalanina (Fen)

CH2

NH2

COOHCH

pKb = 11,65 pKb = 11,66 pKb = 11,68 pKb = 12,17

WARTOŚCI SPRZĘŻONE:

: pKa = 2,35 pKa = 2,34 pKa = 2,32 pKa = 1,83 są to wartości pKa, które mogą odpowiadać KWASOM KARBOKSYLOWYM z podstawnikiem elektronoakceptorowym w sąsiedztwie grupy karboksylowej (np. podstawnikiem –NH3

+)

WNIOSEK

Wartości pKb aminokwasów odpowiadają grupom –COO- (a nie grupom –NH2 )

(aminokwasy zamiast grupy COOH muszą mieć grupę –COO- )

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 2 –

Cząsteczki AMINOKWASÓW mają więc charakter JONÓW OBOJNACZYCH (zwitterjonów)

CH COOH

NH2

R CH COO

NH3

R

łańcuch boczny aminokwasu

Zgodnie z przyjętą UMOWĄ podaje się nie wartość pK b aminokwasu, lecz wartość pK a sprzężonego kwasu.

Zatem każdemu aminokwasowi odpowiadają DWIE wartości pKa.

FORMALNIE odpowiadają one dwóm stałym dysocjacji dikwasu zawierającego: – jedną grupę kwasową COOH – jedną grupę kwasową NH3

+

AMINOKWASY zawierające (w formie niejonowej):

– JEDNĄ grupę –NH2 i JEDNĄ grupę –COOH nazywamy aminokwasami OBOJĘTNYMI

CH COO

NH3

CH3CH COOH

NH2

CH3

Alanina (Ala)

– JEDNĄ grupę –NH2 i DWIE grupy –COOH nazywamy aminokwasami KWASOWYMI

CH COOH

NH2

CH2HOOC

BARDZIEJ kwasowa grupa COOH

MNIEJSZA wartość pKaWIĘKSZA wartość pKa

MNIEJ kwasowa grupa COOH

CH COO

NH3

CH2HOOC

Kwas Asparaginowy (Asp)

pKa1 = 2,35

= 9,82a3pK

= 3,87a2pK

CH COOH

NH3

CH2HOOC

Forma najbardziej kwasowa

– DWIE grupy –NH2 i JEDNĄ grupę –COOH nazywamy aminokwasami ZASADOWYMI

CH COOH

NH2

CH2CH2CH2CH2H2N

WIĘKSZA wartość pKbMNIEJSZA wartość pKa sprzężonego kwasu

MNIEJ zasadowa grupa NH22

BARDZIEJ zasadowa grupa NHMNIEJSZA wartość pKbWIĘKSZA wartość pKa sprzężonego kwasu

CH COO

NH2

CH2CH2CH2CH2H3N

Lizyna (Lys)

CH COOH

NH3

CH2CH2CH2CH2H3NpKa1 = 2,18

= 9,85a2pK= 10,5a3pK

Forma najbardziej kwasowa

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 3 –

Równowagi w wodnych roztworach aminkowasów :

Uwaga! Dla kwasu HA nie ma znaczenia, czy wychodzi się z równania

HA + H2O A H3O+kwas zasada

sprzężona prowadzącego do stałej K a:

czy też z równania:

zasadasprzężona

kwas

+A H2O+ HA OH

prowadzącego do równania:

ponieważ po wstawieniu zamiast K b wyrażenia K w / Ka oraz K w =[H3O+][OH-] wyrażenie na K b przekształca się

w wyrażenie na K a

TABELARYZUJE SI Ę NAJCZĘŚCIEJ WARTO ŚCI K a !

AMINOKWASY OBOJ ĘTNE

Aminokwasy z jedną grupą zasadową (aminową) i jedną grupą kwasową (Gly, Ala, Phe, Val, Leu, Ile, Asn, Gln, Ser, Thr, Met, Pro, Hyp)

W roztworze ustalają się dwa stany równowagi (wygodnie jest zapisać je wychodząc od formy NAJBARDZIEJ KWASOWEJ i zapisywać etapy dysocjacji kolejno w porządku malejącej kwasowości poszczególnych grup)

FormaNAJBARDZIEJ zasadowa

FormaNAJBARDZIEJ kwasowa

a2K =A H3O

OK

H3OO=K a1

K a2

Anion

CH COO

NH2

RH2O

H3O

A

Równowaga 2Równowaga 1

a1K

OK JON OBOJNACZYKation

H3O

H2OCH COOH

NH3

R CH COO

NH3

R

dysocjacja grupy COOH (mocniejszy kwas)

dysocjacja grupy (słabszy kwas)

NH3

aK =A H3O

HA

bK =AH OH

A

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 4 –

Uproszczony schemat równowag wygląda następująco:

K O

K a1

Aa2K

a2K =A

O

HHK

O=K a1

(Dla uproszczenia zapisu zrezygnowano z nawiasów kwadratowych – czyli zamiast [K] wprowadzono oznaczenie: K , zaś stężenie jonów H3O

+ oznaczono przez H ) Mnożąc stronami wzory na stałe Ka1 i Ka2 otrzymuje się zależność:

2

a1K K

A=K a2

H.

(1)

Z zależności tej wynika, że stosunek stężenia anionu A do stężenia kationu K zależy od stężenia jonów wodorowych, czyli od pH roztworu. (pH wodnego roztworu czystego aminokwasu jest ściśle określone - patrz wzór 10 w dalszej części tekstu - jednak możemy je dowolnie regulować dodając kwasu mineralnego lub zasady, co skutkuje ustaleniem się nowych stanów rónowagi, w których stężenia kationu i anionu są inne niż początkowo)

AMINOKWASY KWASOWE

Aminokwasy z jedną grupą zasadową (aminową) i DWOMA GRUPAMI KWASOWYMI (Asp. Glu, Tyr, Cys)

W roztworze ustalają się trzy stany równowagi (wygodnie jest zapisać je wychodząc od formy NAJBARDZIEJ KWASOWEJ i zapisywać etapy dysocjacji kolejno w porządku malejącej kwasowości poszczególnych grup)

A

H3ODA=K a3

H3O

H2O

a3K

DADianion

COO

CH NH2

CH2

COO

NH3dysocjacja grupy

Równowaga 3dysocjacja drugiej grupy COOH

COO

CH NH3

CH2

COO

COO

CH NH3

CH2

COOH

COOH

CH NH3

CH2

COOH

FormaNAJBARDZIEJ zasadowa

FormaNAJBARDZIEJ kwasowa

a2K =A H3O

OK

H3OO=K a1

K a2

Anion

H2O

H3O

A

Równowaga 2Równowaga 1

a1K

OK JON OBOJNACZYKation

H3O

H2O

dysocjacja pierwszej grupy COOH

Uproszczony schemat równowag wygląda następująco:

K O

K a1

Aa2Ka2K =

A

O

HH

K

O=K a1

K a3 DAH

ADA

=K a3

Mnożąc stronami wzory na stałe Ka1 i Ka2 otrzymuje się zależność stosunku A/K od stężenia jonów wodorowych [H] – taki sam, jak wzór (1):

2

a1K K

A=K a2

H.

(2)

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 5 –

AMINOKWASY ZASADOWE

Aminokwasy z DWOMA GRUPAMI ZASADOWYMI (aminowymi) i jedną grupą kwasową (Lys, Arg, Hyl, Tyr, His)

W roztworze ustalają się trzy stany równowagi (wygodnie jest zapisać je wychodząc od formy NAJBARDZIEJ KWASOWEJ i zapisywać etapy dysocjacji kolejno w porządku malejącej kwasowości poszczególnych grup)

dysocjacja grupy COOH

H2O

H3O

Dikation JON OBOJNACZYDK O

K a1

Równowaga 1 Równowaga 2

A

H3O

H2O

Anion

a2K

a2K =O H3O

K O

H3OA=K a3

FormaNAJBARDZIEJ kwasowa

FormaNAJBARDZIEJ zasadowa

dysocjacja drugiej grupy

Równowaga 3

NH3

Kation K

K a3H2O

H3O

a1K =DK

H3OK

(CH2)4

NH3CH

COOH

NH3

NH3dysocjacja pierwsziej grupy

(CH2)4

NH3CH

COO

NH3

(CH2)4

NH2CH

COO

NH3

(CH2)4

NH2CH

COO

NH2

Uproszczony schemat równowag wygląda następująco:

K O

K a1

Aa2K

a3K =A

O

HH

K

O=K a2

K a3

DKH

DKK

=K a1

Mnożąc stronami wzory na stałe Ka2 i Ka3 otrzymuje się zależność stosunku A/K od stężenia jonów wodorowych [H] – wzór analogiczny do wzorów: (1) i (2)

.Ha3K =

A

KK a2

2

(3)

3. Punkt IZOELEKTRYCZNY. Warto ści pI

Definicja:

Punktem izoelektrycznym (pI) aminokwasu nazywamy takie pH wodnego roztworu aminokwasu, dla którego:

stężenie formy kationowej (K ) jest równe stężeniu formy anionowej (A)

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 6 –

AMINOKWASY OBOJ ĘTNE

Gdy A = K wówczas ze wzoru (1) otrzymujemy:

2

a1K =K a2 H

a stąd (po obustronnym zlogarytmowaniu):

Ha2K =K a1log log log+ 2

+a1K =K a2

pp p 2 H (punkt IZOELEKTRYCZNY to pH oznaczamy pI )

I2

ppp

a2K

=K a1

+ Dla AMINOKWASÓW OBOJ ĘTNYCHpunkt izoelektryczny jest średnią arytmetycznąobu wartości pKa

AMINOKWASY KWASOWE

Gdy A = K wówczas ze wzoru (2) otrzymujemy wzór taki sam, jak wyżej:

2

a1K =K a2 H

a stąd (po analogicznych przekształceniach):

a

Dla AMINOKWASÓW KWASOWYCHpunkt izoelektryczny jest średnią arytmetyczną dwu MNIEJSZYCH warto ści pK

+a1K

=K a2p

p p

2I

AMINOKWASY ZASADOWE

Gdy A = K wówczas ze wzoru (3) otrzymujemy analogiczny wzór:

Ha3K =K a22

a stąd (po analogicznych przekształceniach):

a

I2

ppp

a3K

=K a2

+ Dla AMINOKWASÓW ZASADOWYCHpunkt izoelektryczny jest średnią arytmetyczną dwu WIĘKSZYCH warto ści pK

Znaczenie pojęcia PUNKTU IZOELEKTRYCZNEGO : 1. W punkcie izoelektrycznym nie przebiega elektroliza

Z faktu jednakowego stężenia formy kwasowej i anionowej wynika, że formy te dla konkretnej cząsteczki, istnieją (w rozpatrywanym przedziale czasu) jednakowo długo. Tym samym, po przyłożeniu różnicy potencjałów, przemieszczenie się formy kationowej w kierunku katody jest kompensowane przez przemieszczenie się formy anionowej (powstałej z tej samej cząsteczki) w kierunku przeciwnym (tzn. - do anody). Sumarycznym efektem jest brak przemieszczenia, co powoduje, że elektroliza praktycznie nie przebiega (w niewielkiej objętościowo przestrzeni przyelektrodowej następuje wprawdzie rozładowanie części jonów, ale jest to znikomy, całkowicie zaniedbywalny ułamek w porównaniu z liczbą wszystkich jonów obecnych w roztworze).

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 7 –

2. W punkcie izoelektrycznym stężenie jonu obojnaczego jest największe

Z układu równań (dla aminokwasów obojętnych):

2K =A

O

HH

K

O=K 1AK O = amc+ +

gdzie: cam – stężenie aminokwasu (stałe)

otrzymamy zależność O = O(H) daną w postaci uwikłanej:

2K O

H1K

O HO =amc+ + 0=F(O,H)

ze wzoru na pierwszą pochodną funkcji uwikłanej:

O'(H) H = 0=

F'F'O (zerowanie pierwszej pochodnej wynika z faktu, że O ma być maksymalne)

stąd wynika że:

H = 0F' czyli:

2K O

H K 11KO

H = 0=F' 2 2 =OK 1

H

K 2H 2

skąd otrzymujemy:

= K1K 2H 2

co odpowiada punktowi izoelektrycznemu [ łatwo zauważyć, że FO’ > 0 oraz FH,H’’ > 0 zatem druga pochodna:

O' '(H) H

0=F''

F'O

<H

(przy założeniu O’(H) = 0)

co kończy dowód]

3. W punkcie izoelektrycznym aminokwasy mają: - najmniejszą rozpuszczalność - najmniejszą lepkość - najmniejsze ciśnienie osmotyczne

1. Wykorzystanie w zjawisku ELEKTROFOREZY – można tą metodą rozdzielać na przykład mieszaniny aminokwasów, które przy określonym pH (na ogół z góry dobranym poprzez dodanie odpowiedniego buforu) wędrują do elektrod z różną prędkością (np. jeżeli pH będzie punktem izoelektrycznym jednego ze składników mieszaniny, to aminokwas ten w ogóle nie będzie przemieszczał się w roztworze) i po pewnym czasie ulegają rozdzieleniu, co można wykorzystać np. w technikach analitycznych (elektroforeza bibułowa, żelowa itp.) lub preparatywnych.

4. Estryfikacja

Aminokwasy w wyniku działania alkoholu nasyconego bezwodnym chlorowodorem tworzą chlorowodorki estrów, które po zalkalizowaniu przechodzą w estry (na ogół ciecze, które dają się destylować)

R CH COOH

NH2

R1OH

HClsuchy

R CH COOR1

NH3 Cl

R CH COOR1

NH2

NaHCO3

ESTERaminokwasuaminokwas

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 8 –

Obecnie znacznie częściej stosuje się metodę z użyciem chlorku tionylu i alkoholu. Reakcję prowadzi się w niskiej temperaturze.

R CH COOH

NH2

R1OHR CH COOR1

NH3 Cl

R CH COOR1

NH2

NaHCO3

ESTERaminokwasuaminokwas

SOCl2-10 Co

5. Acylowanie

Aminokwasy pod wpływem chlorków kwasowych lub bezwodników tworzą N-acylopochodne.

R CH COOH

NH2

aminokwas

(CH3CO)2O

bezw. octowy

R CH COOH

NH C CH3

O

6. Ogrzewanie aminokwasów

Aminokwasy w wyniku ogrzewania tworzą produkty, których budowa zależy od położenia grupy aminowej w łańcuchu:

αααα-aminokwasy - tworzą się pochodne diketopiperazyny

R CH COOH

NH2

αααα-aminokwas

∆T R CH

C

NH

OHN

RCH

CO

pochodnadiketopiperazyny(dioksopiperazyny)

N

N

H

H

N

N

PIRAZYNA

PIPERAZYNA

ββββ-aminokwasy - tworzą się kwasy α,βα,βα,βα,β-nienasycone

R CH CH2

NH2

COOH

ββββ-aminokwas

∆T

kwas α,β α,β α,β α,β-nienasycony

R CH CH COOH NH3+

γγγγ- i δδδδ-aminokwasy - tworzą się laktamy

R CH

NH

CH2 CH2

C O

γγγγ-LAKTAM

∆T

γγγγ-aminokwas

R CH CH2

NH2

CH2 COOH

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 9 –

CH2

CH2CH2

NH

CHR

OC

R CH CH2

NH2

CH2 CH2 COOH

δδδδ-aminokwas

∆T

δδδδ-LAKTAM

UWAGA! Analogicznym reakcjom ulegają HYDROKSY KWASY:

αααα-hydroksykwasy - tworzą się LAKTYDY

LAKTYD

R CH

C

O

O

O

RCH

C

O

∆T

αααα-hydroksykwas

R CH COOH

OH

ββββ-kydroksykwasy - tworzą się kwasy α,βα,βα,βα,β-nienasycone

ββββ-hydroksykwas

+ H2OR CH CH COOH

kwas α,β α,β α,β α,β-nienasycony

∆TR CH CH2

OH

COOH

γγγγ- i δδδδ-hydrokskwasy - tworzą się LAKTONY

R CH CH2

OH

CH2 COOH

γγγγ-hydroksykwas

∆T

γγγγ-LAKTON

R CH

O

CH2 CH2

C O

δδδδ-hydroksykwasδδδδ-LAKTON

∆TR CH CH2

OH

CH2 CH2 COOHCH2

CH2CH2

O

CHR

OC

7. Tworzenie PEPTYDÓW Dwie cząsteczki (takich samych lub różnych) aminokwasów mogą reagować ze sobą w taki sposób, że grupa kwasowa jednej cząsteczki reaguje z grupą aminową drugiej z nich. W wyniku tej reakcji tworzy się ugrupowanie AMIDOWE, które nazywa się WIĄZANIEM PEPTYDOWYM. Produkt reakcji dwóch cząsteczek aminokwasów nazywa się DIPEPTYDEM. Dipeptyd jest także aminokwasem i może reagować z kolejną cząsteczką aminokwasu tworząc kolejne wiązanie peptydowe. Produkt tej reakcji (składający się z trzech fragmentów aminokwasów) nazywa się TRIPEPTYDEM..... itd

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 10 –

wiązanie PEPTYDOWE

H2N CH C

R1 R2

COOHCHHN

O

+H2N CH COOH

R2

DIPEPTYD

H2N CH COOH

R1

Przeprowadzenie takiej reakcji wymaga specjalnej procedury (powyższe aminokwasy mogłyby też reagować w odwrotnym porządku a także mogą tu reagować dwie cząsteczki tego samego aminokwasu) polegającej na wymuszeniu reakcji wybranych grup (karboksylowej i aminowej) poprzez zabezpieczenie pozostałych grup funkcyjnych (także: aminowej i karboksylowej), które w zaplanowanej reakcji nie mogą brać udziału. Po utworzeniu wiązania peptydowego (między aminokwasem I – zawierającym zabezpieczoną grupę aminową i aminokwasem II – zawierającym zabezpieczoną grupę karboksylową) usuwa się następnie grupy zabezpieczające (w taki sposób, aby nie naruszyć wiązania peptydowego), w wyniku czego otrzymuje się podany wyżej DIPEPTYD.

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 11 –

Aminokwasy – WŁASNOŚCI CHEMICZNE - 12–

45 9,7545 9,75

B I O TE HC N O L O G AI

CHEMIAORGANICZNA

S y n t e z a

1. Aminowanie αααα-halogenokwasów

1a. Reakcja z AMONIAKIEM . Niektóre aminokwasy można otrzymywać przez bezpośrednie aminowanie α-

fluorowcokwasów za pomocą amoniaku.

R CH COOH

Br

NH3

nadmiar

R CH COOH

NH2

1b. Reakcja Gabriela. Substratem jest tu ester halogenokwasu. Reakcja ta daje dobre wyniki w przypadku syntezy

glicyny (dla innych a-aminokwasów wydajności są mniejsze z uwagi na przebieg konkurencyjnej reakcji eliminacji).

C

C

O

O

N K +

Ftalimidek potasu

C

C

O

O

N COOCH3CH2COOCH3CH2Br

OHH2O

COOCH2H2NH

COOHCH2H2N

1c. Aminowanie z zastosowaniem bromomalonianu dietylu. Reakcja bromomalonianu dietylu z ftalimidkiem potasu przebiega z dobrą wydajnością z uwagi

na brak możliwości przebiegu konkurencyjnej reakcji eliminacji. Otrzymany ftalimido malonian dietylu poddaje się alkilowaniu a następnie kwasowej hydrolizie, w trakcie której przebiega dekarboksylacja jednej z grup karboksylowych.

H2O

C

C

O

O

N C

COOEt

COOEt

RR X C

C

O

O

N C

COOEt

COOEt

COOHCHH2N

R

H

EtO

CHBr

COOEt

COOEt

C

C

O

O

N CH

COOEt

COOEt

Ftalimidek potasu

+K

C

C

O

O

N

2. Synteza Streckera

Jest to reakcja analogiczna do reakcji otrzymywania cyjanohydryn. Substratami są tu aldehydy.

H2O

HCOOHCHH2N

R

R CO

H

HCN

NH3

R CH

NH2

CN