Реакции аминогруппы. 
Амины, аминоспирты, аминокислоты, белки

1. Реакция ацилирования. Образование N-замещённых амидов.

N-замещенные амиды часто рассматривают как N-ацильные производные. Эта реакция была отмечена ранее как реакция защиты аминогруппы. Её можно рассматривать как процесс ацилирования аминогруппы хлорангидридами или ангидридами кислот:

Реакция протекает лучше в щелочной среде. Примером может служить получение N-бензоилаланина в присутствии водного раствора гидроксида натрия. Этот метод получения N-ацильных производных называют ацилированием по Шоттен-Бауману:

Щёлочь необходима для связывания выделяющегося хлоро-водорода, т.к. в кислой среде N-ацильные производные легко гидролизуются, освобождая исходную аминокислоту:

Это общепринятый способ удаления защитной группы. Однако в некоторых случаях невозможно удалять защитную группу гидролизом в кислой среде. Например, при гидролизе пептидов будет разрушаться пептидная связь. В этих случаях защиту проводят такими реагентами, удаление которых можно провести не гидролизом, а каким-либо другим методом. Например, аминогруппу можно защищать реакцией с карбобензоксихлоридом (бензиловый эфир хлормуравьиной кислоты). Карбобензоксигруппа удаляется затем каталитическим гидрогенолизом:

2. Алкилирование аминокислот.

Аминокислоты можно алкилировать по аминогруппе галоидными алкилами (обычно иодистыми алкилами). Например, алкилированием глицина можно получить метиламиноуксусную кислоту саркозин, которая в связанном виде содержится в некоторых белках.

При избытке иодистого метила образуется четвертичная аммонийная соль:

3. Действие азотистой кислоты (дезаминирование in vitro).

Реакция протекает так же, как и при взаимодействии с азотистой кислотой алифатических первичных аминов выделяется азот, а аминогруппа замещается на гидроксильную группу:

Таким образом можно установить структурное родство аминокислот с соответствующими оксикислотами. По объёму выделившегося азота определяют количество б-аминокислоты, вступившей в реакцию (метод Ван-Слайка).

4. Взаимодействие с альдегидами.

б-Аминокислоты, подобно первичным аминам, реагируют с альдегидами, образуя замещенные имины (основания Шиффа). Реакция протекает через стадию образования карбиноламинов.

При взаимодействии б-аминокислот с формальдегидом образуются относительно устойчивые карбиноламины N-метилольные производные, свободная карбоксильная группа которых может быть оттитрована щелочью.

Формальдегид, взятый в избытке, способствует отщеплению протона от NH₃⁺ группы биполярного иона и легко соединяется со свободной (непротонированной) аминогруппой, образуя устойчивое метилольное производное.

Титрование аминокислоты в избытке формальдегида (формольное титрование) представляет собой аналитический метод (метод Серенсена), при помощи которого прослеживается, в частности, образование свободных аминокислот в процессе гидролиза белков.

5. Взаимодейстивие с динитрофторбензолом (ДНФБ).

Важной реакцией б-аминогруппы является её реакция с 2,4-динитрофторбензолом (ДНФБ) в слабощелочном растворе, которую впервые использовал Фредерик Сенгер для количественного введения метки в аминогруппы аминокислот и пептидов. Эта реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения.

Продукт реакции окрашен в интенсивно желтый цвет. Эта реакция представляет исключительную ценность для идентификации N-концевых аминокислот полипептидных цепей.

Все вышеперечисленные реакции аминогруппы аминокислот можно представить следующей схемой:

Реакции функциональных групп, содержащихся в радикалах аминокислот Аминокислоты вступают также в реакции, типичные для функциональных групп, присутствующих в их радикалах. Например для SH-групп цистеина, гидроксильной группы тирозина и треонина, гуанидиновой группы аргинина.

1. Реакции сульфгидрильной (тиоловой) группы.

Для сульфгидрильной группы характерна исключительно высокая реакционная способность. Например, при действии на цистеин незначительных концентраций ионов некоторых тяжелых металлов образуются меркаптиды.

В щелочных растворах цистеин легко теряет атом серы. Так, при нагревании цистеина с ацетатом свинца в щелочном растворе образуется черный осадок сульфида свинца. Эта реакция применяется для обнаружения сульфгидрильной группы в пептидах и белках.

Тиоловая группа цистеина легко подвергается окислению с образованием дисульфида. Этот процесс можно отразить следующей схемой:

Дисульфидные связи, присоединяя два атома водорода, переходят в сульфгидрильные (тиоловые) группы:

Рассмотрим этот процесс на примере превращения цистеина в цистин:

В цистине при действии восстановителей дисульфидная связь разрывается и образуется две молекулы цистеина:

Дисульфидная связь может также подвергаться окислению под действием таких жестких окислителей, как например надмуравьиная кислота. В результате образуется цистеиновая кислота:

2. Реакции гидроксильной группы — реакции элиминирования.

Эти реакции характерны для аминокислот, содержащих в радикале гидроксильную группу в в-положении по отношению к карбоксильной группе (серин и треонин).

В результате ряда последовательных реакций аминокислота превращается в кетокислоту. Рассмотрим этот процесс на примере превращения треонина в 2-оксобутановую кислоту.

3. Реакции гуанидильной группы.

Гуанидильная группа содержится в радикале аргинина:

Гуанидильная группа аргинина легко отщепляется при гидролизе в избытке гидроксида бария при 100⁰С с образованием мочевины и орнитина:

Орнитин б-аминокислота, содержащая в радикале вторую аминогруппу, в состав белков не входит. Появляется в организме в результате гидролитического расщепления аргинина с участием фермента аргиназы. Аргиназа в значительных количествах содержится в печени и в малых количествах в почках и селезенке млекопитающих животных.

Специфические реакции б-аминокислот Присутствие у одного атома углерода двух функциональных групп (аминогруппы и карбоксильной) приводит к появлению специфических реакций.

1. Образование пептидов реакция ацилирования одной аминокислоты другой аминокислотой:

Затем дипептид присоединяет следующую молекулу аминокислоты, образуя трипептид, и так далее:

Подробно механизм образования пептидов и их номенклатуру мы рассмотрим ниже, в теме «Пептиды и белки».

2. Межмолекулярная циклизация образование дикето-пиперазинов.

При отщеплении двух молекул воды от двух молекул аминокислот образуется циклический дипептид дикетопиперазин:

Реакции аминокислот in vivo.

Простые аминокислоты, как и многие другие простые «биологические молекулы», не накапливаются в клетке: как правило, их избыток разрушается при помощи реакций, которые снабжают живую систему энергией. Три основные реакции, катализируемые ферментами, благодаря которым осуществляется превращение аминокислот в клетке, это реакции дезаминирования, переаминирования и декарбоксилирования.

1. Дезаминирование аминокислот В организме дезаминирование может осуществляться как неокислительным, так и окислительным путём.

Неокислительное дезаминирование встречается, в основном, у бактерий и грибов. Например, превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую под действием фермента аспартазы.

Окислительное дезаминирование протекает при участии фермента оксидазы. Для того чтобы полностью прошла реакция окислительного дезаминирования, фермент, катализирующий эту реакцию, нуждается в окислительном (дегидрирующем) агенте. Обычно акцептором водорода в таких системах служит ФАД (флавинадениндинуклеотид), который затем переходит в восстановленную форму, сокращённо обозначаемую ФАД-Н₂.

Окислительное дезаминирование осуществляется через стадию образования промежуточного имина.

Рассмотрим процесс превращения аланина в пировиноградную кислоту.

Реакции дезаминирования позволяют организму удалять избыток аминокислот, однако при этом повышается концентрация нежелательных азотистых веществ. Высокие концентрации аммиака и его производных токсичны для организма, который поэтому стремится освободиться от них, выделяя лишний азот в виде мочевины или мочевой кислоты.

Мочевая кислота образуется в организме взрослого человека в качестве побочного продукта. Высокое содержание мочевой кислоты приводит к мочекаменной болезни. Мочевая кислота в виде кристаллов мононатриевой соли образует камни в почках и в мочевом пузыре. Соли мочевой кислоты в суставах вызывают болезненные симптомы подагры очень широко распространенного заболевания человека. Содержание мочевой кислоты и её солей в организме человека может представлять интерес с точки зрения эволюционной теории, поскольку большинство животных полностью разлагают мочевую кислоту до её выделения из организма. Было высказано предположение о том, что присутствие мочевой кислоты в организме человека предоставляет людям некоторое эволюционное преиму-щество. Эта гипотеза ещё не доказана, но она может быть интересным связующим звеном между биохимическими свойствами вещества и поведением живых организмов.

2. Переаминирование (трансамнирование).

Реакция сводится к взаимопревращению аминогруппы и карбонильной группы под действием ферментов трансаминаз.

Эта реакция служит не только для разрушения аминокислот, но и для их биосинтеза. Рассмотрим реакцию взаимопревращения аспарагиновой кислоты и б-кетоглутаровой в щавелевоуксусную и глутаминовую кислоты:

Эта схема не отражает истинного механизма процесса.

Данное взаимопревращение нуждается в пиридоксальфосфате, который образует имин с исходной аминокислотой, сохраняет аминогруппу при превращении аминокислоты в соответствующую б-кетокислоту и образует имин с другой б-кетокислотой.

Рассмотрим процесс превращения аминокислоты I в б-кетокислоту I и б-кетокислоты II в аминокислоту II.

Альдегидная группа пиридоксальфосфата образует имин с аминокислотой I, имин далее изомеризуется и после гидролиза выделяет кетокислоту I и пиридоксаминфосфат.

Таким образом, из исходной аминокислоты получилась кетокислота. Образовавшийся пиридоксаминфосфат далее реагирует с другой кетокислотой (кетокислота II), образуя имин, содержащий радикал новой кетокислоты®. Имин далее изомеризуется и после гидролиза образует новую аминокислоту (аминокислота II):

По завершении всей сложной последовательности реакций, после гидролиза пиридоксальфосфат регенерируется и способен принять участие в следующих взаимопревращениях аминокислот и б-кетокислот.

Как своеобразную реакцию взаимопревращения аминокислоты и амидоаминокислоты, сопровождающуюся заменой амидогруппы одной аминокислоты на гидроксильную группу другой, можно рассматривать реакцию взаимодействия L-аспарагиновой кислоты и L-глутамина, катализируемую аспарагинсинтетазой в присутствии АТФ, и приводящую к образованию L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты.

3. Декарбоксилирование аминокислот.

Декарбоксилирование in vivo это путь образования биогенных аминов. В организме эта реакция катализируется ферментами декарбоксилазами. Некоторые амины обладают ярко выраженной биологической активностью. Интересной, например, является реакция образование дофамина при декарбоксилировании диоксифенилаланина, поскольку дофамин это биологический предшественник адреналина.

В реакции декарбоксилирования, которая протекает при гниении белков, лизин и орнитин, образуют диамины: кадаверин и путресцин.

Интересной является реакция декарбоксилирования глутаминовой кислоты, так как она приводит к образованию г-аминомасляной кислоты, которую рассматривают как природный транквилизатор.

Этот процесс также нуждается в присутствии пиридоксаль-фосфата.

Ярко выраженной биологической активностью обладает амин, образующийся при декарбоксилировании гистидина:

Гистамин является медиатором аллергии: он расширяет все периферические сосуды, что приводит к резкому падению артериального давления, нарушает проницаемость сосудистой стенки, что может быть одной из причин появления отеков, вызывает бронхоспазм и.т.д. Группа препаратов, применяемых в медицине для уменьшения проявления аллергических реакций, так или иначе связанных с гистамином, была названа антигистаминными препаратами.

4. Реакции гидроксилирования и карбоксилирования.

С помощью этих реакций в молекулу органического соединения вводится дополнительная гидроксильная или карбоксильная группы. Реакции протекают при участии соответствующих ферментов и приводят к образованию модифицированных аминокислот. Эти реакции не имеют аналогов в химии in vitro.

Гидроксилированием называют введение в молекулу органического соединения гидроксильной группы. Так, гидрокси-лирование фенилаланина приводит к образованию тирозина:

Отсутствие в организме фермента, катализирующего эту реакцию, приводит к тяжелому заболеванию фенилкетонурии.

Значительный интерес представляет реакция гидроксилирования пролина:

Гидроксилирование пролина необходимо для стабилизации тройной спирали коллагена, которая осуществляется за счет образования водородных связей.

При цинге нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате образуются менее прочные коллагеновые волокна, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов.

Карбоксилированием называют введение в молекулу органического соединения карбоксильной группы. Таким образом получают, например, г-карбоксиглутаминовую кислоту:

г-Карбоксиглутаминовая кислота входит в состав белков, участвующих в процессах свертывания крови, так как две близлежащие карбоксильные группы в её структуре способствуют более полному связыванию белковых факторов с ионами кальция:

Нарушение карбоксилирования глутамата приводит к снижению свертываемости крови.

Таким образом, модифицированные аминокислоты, имеющие в своих структурах дополнительные функциональные группы, приобретают свойства, необходимые для выполнения ими специфических функций.

5. Восстановительное аминирование.

Это реакция превращения б-кетокислот в б-аминокислоты осуществляется в организме при участии восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАД•Н). Так, продуктом метаболизма углеводов является б-кетоглутаровая кислота, которая в результате ряда реакций превращается в глутаминовую кислоту:

6. Альдольное расщепление.

Реакция протекает с б-аминокислотами, содержащими гидроксильную группу в в-положении углеводородного радикала.

Рассмотрим, например, реакцию расщепления серина, в результате которой образуются глицин и формальдегид.

В результате этой реакции расщепляется С-С связь между би в-углеродными атомами. Образующийся формальдегид не выделяется, а связывается с другим коферментом тетрагидро-фолиевой кислотой и в качестве одноуглеродного фрагмента участвует далее в синтезе многих важных соединений.