Эталонные решения задач

Задача 1.

Гидролитическое расщепление L-аспарагина до L-аспарагиновой кислоты, при участии фермента аспарагиназы, используется в медицине при лечении лейкозов. Лейкозные клетки не могут синтезировать аспарагин и получают его из плазмы крови. Если аспарагин, содержащейся в плазме крови, разрушить реакцией гидролиза, происходит нарушение метаболизма в лейкозных клетках. Напишите реакцию гидролитического превращения L-аспарагина в L-аспарагиновую кислоту проекционными формулами Фишера.

Решение.

Задача 2.

Смесь глицина, аланина, лизина, аргинина, серина и глутаминовой кислоты разделяли методом электрофореза при рН = 6.

Определите направление движения аминокислот при электрофорезе, если изоэлектрические точки этих аминокислот соответственно равны значениям pH: 6,0; 6,0; 9,8; 10,8; 5,7 и 3,2.

Решение.

В изоэлектрической точке (pI рН) суммарный заряд б-аминокислоты равен нулю. В данных условиях такое соотношение выполняется для аланина, глицина и серина и эти аминокислоты в электрическом поле перемещаться не будут.

При рН > pI преобладает анионная форма и аминокислота (в данном случае глутаминовая кислота) будет перемещаться к аноду.

В случае, когда рН < pI в растворе преобладает катионная форма, поэтому лизин и аргинин будут перемещаться к катоду.

Задача 3.

Даны три аминокислоты: аспарагиновая, лизин и глицин. Определить, в какой среде кислой, нейтральной или щелочной будут находиться изоэлектрические точки (И.Э.Т) этих кислот по сравнению с глицином, для которого рI = 6.

Решение.

У аспарагиновой кислоты И.Э.Т. будет находиться в более кислой среде, чем у глицина, так как для подавления диссоциации второй карбоксильной группы требуется дополнительное количество ионов H⁺.

У лизина И.Э.Т. будет находиться в более щелочной среде, чем у глицина, так как для предотвращения образования второй NH₃⁺ группы требуется дополнительное количество ионов OH.

Задача 4.

Написать уравнения реакций аланина:

• а) с водным раствором щелочи;
• б) с водным раствором соляной кислоты;
• в) с бензоилхлоридом в щелочной среде.

Решение.

Задача 5.

Написать уравнения реакций лейцина:

• а) с уксусным ангидридом;
• б) с нитритом натрия в среде соляной кислоты;
• в) с этиловым спиртом в среде серной кислоты;
• г) с карбобензоксихлоридом.

Решение.

Задача 6.

В сильнощелочном растворе аминокислота существует в виде аниона и содержит две основные группы: NH₂ и СОО. Учитывая тот факт, что константы основности для NH₂-группы и карбоксилат-аниона R СОО соответственно равны 6,3•10⁵ и 2,5•10¹², определите, какая из этих групп будет более основной и к какой группе будет предпочтительно присоединяться протон при прибавлении к раствору кислоты. Какое соединение при этом образуется?

Решение.

Из приведенных констант основности следует, что аминогруппа является более сильным основанием, чем карбоксильный ион (6,3•10⁵ > 2,5•10¹²), поэтому при добавлении кислоты протон будет присоединяться к аминогруппе, образуя биполярный ион:

Задача 7.

В сильнокислом растворе аминокислота существует в виде катиона и содержит две кислотые группы: NH₃⁺ и СООН. Учитывая, что константы кислотности для NH₃⁺ и СООН групп соответственно равны 1,6•10¹⁰ и 4•10³, определите, какая из этих групп будет более кислой и какая из них будет легче отдавать протон при прибавлении к исходному раствору щелочи. Какое соединение при этом образуется?

Решение.

Из приведенных констант кислотности следует, что карбоксильная группа является более сильной кислотой, чем NH₃⁺ ион, так как K_а(NH₃⁺) = 1,6•10¹⁰ < K_а(СООН) = 4•10³, поэтому при добавлении щелочи карбоксильная группа будет отдавать протон, образуя биполярный ион:

Задача 8.

При взаимодействии первичной аминогруппы с азотистой кислотой выделяется азот, по объёму которого по методу Ван-Слайка определяют число аминогрупп в кислоте.

При обработке равных количеств (по 0,001 моль) трех различных аминокислот получили (при н.у.):

• а) в первом случае 22,4 мл азота;
• б) во втором случае 44,8 мл азота;
• в) в третьем случае азот не выделялся вообще.

Какие возможные аминокислоты были взяты для этих экспериментов?

Решение.

Рассчитаем количество азота, выделившихся в первом и втором опытах:

а).

Таким образом, из 0,001 моль аминокислоты выделилось 0,001 моль азота. Следовательно, это может быть любая моноамино-карбоновая кислота (одноили двухосновная).

б).

В этом опыте количество выделившегося азота вдвое больше количества исходной кислоты. Следовательно, аминокислота содержит две аминогруппы (это может быть, в частности, лизин или орнитин).

в) В этом опыте азот не выделился вообще, следовательно, аминокислота не содержала свободной первичной аминогруппы. Например, это может быть иминокислота пролин.

Задача 9.

Напишите все возможные стереоизомеры треонина в проекциях Фишера. Укажите конфигурацию каждого асимметрического центра. Какие структуры являются энантиомерами, а какие диастереомерами? Есть ли среди приведенных структур мезоформа?

Решение.

Молекула треонина содержит два асимметрических центра:

следовательно, число оптических изомеров равно 2ⁿ = 2² = 4.

I и II, III и IV энантиомеры;

I и III, I и IV, II и III, II и IV диастереомеры.

Среди приведенных структур мезоформы нет, так как каждый стереоизомер имеет свой энантиомер.

Задача 10.

Укажите, какие исходные вещества надо взять для синтеза фенилаланина методом прямого аммонолиза и методом циангидринного синтеза. Напишите уравнения всех реакций.

Решение.

Для синтезов необходимо иметь фенилэтаналь, 2-хлор-3-фенил-пропановую кислоту, аммиак и синильную кислоту.

а) аммонолиз:

б) циангидринный синтез:

Задача 11.

Фрагментом гормона окситоцина является трипептид цис-тир-иле. Напишите строение этого пептида, выделите пептидные связи и дайте полное название данного пептида.

Решение.

Задача 12.

Проведите синтез дипептида с аминокислотной последовательностью цистир, с предварительной защитой аминогруппы и активацией карбоксильной группы. Укажите все стадии процесса и назовите этот дипептид.

Решение.

Аминогруппа тирозина будет участвовать в образовании пептидной связи, а аминогруппа цистеина должна быть свободной, поэтому надо проводить «защиту» аминогруппы цистеина карбобензоксихлоридом:

Для того чтобы провести реакцию с тирозином, надо «активировать» карбоксильную группу цистеина:

Тирозин следует «защитить» со стороны карбоксильной группы. Для этого проводят реакцию этерификации:

Полученный сложный эфир тирозина вступает в реакцию нуклеофильного замещения с карбобензоксихлоридом цистеина, защищенного по аминогруппе.

Последняя стадия процесса снятие «защиты» аминогруппы гидрогенолизом и гидролиз сложноэфирной группы в щелочной среде:

Задача 13.

Напишите формулу трипептида гис-лиз-три. Дайте полное название этого трипептида, укажите пептидные связи, Nи С-концевые аминокислоты. Определите, в какой области рН находится изоэлектрическая точка данного пептида.

Решение.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в щелочной среде, так как в данном пептиде число основных групп преобладает над числом карбоксильных групп.

Задача 14.

Напишите тетрапептид со следующей последовательностью аминокислот: лизин-аланин-валин-глутаминовая кислота. Отметьте незаменимые аминокислоты, нейтральные и кислые. Выделите пептидную связь и объясните, почему она имеет плоское строение и вокруг каких связей возможно свободное вращение.

Решение.

Незаменимые кислоты лизин и валин. Кислая кислота глутаминовая, нейтральные валин и аланин.

Плоское строение пептидной связи обусловлено sp²-гибридизацией атома углерода карбонильной группы. Сопряжение неподеленной пары электронов атома азота с двойной связью С = О (р-р сопряжение) приводит к частичной двоесвязанности связи С N, что и объясняет плоское строение всей группы СО NH.

Свободное вращение возможно вокруг одинарной связи азота с б-углеродным атомом и вокруг связи б-углеродного атома с атомом углерода карбонильной группы.

Задача 15.

В пептидном гидролизате обнаружено четыре аминокислоты в молярном соотношении: гли: ала:фен:сер = 2:1:1:3. Молярная масса этого пептида равна 1438 г/моль. Определите аминокислотный состав данного пептида.

Решение.

Рассчитаем суммарную массу двух моль глицина, одного моль аланина, одного моль фенилаланина и 3 моль серина:

m=2M (глицина) + 1M (аланина) + 1M (фенилаланина) + 2M (серина).

m = 275 + 89 + 165 + 1053 = 719 г.

Измеренная молярная масса пептида составляет 1438 г/моль, следовательно, число всех аминокислот в пептиде должно быть в два раза больше и тогда состав пептида будет следующим: 4 молекулы глицина, 2 молекулы аланина, 2 молекулы фенилаланина и 6 молекул серина.

В данном случае можно лишь установить количественный состав пептида, но нет возможности установить, в каком порядке эти аминокислоты связаны в пептид.

Задача 16.

Как известно, атом галогена прочно привязан к бензольному кольцу, и поэтому ароматические галогениды не склонны реагировать с нуклеофилами. Объясните, почему 2,4-динитро-фторбензол легко реагирует со свободной аминогруппой N-концевой аминокислоты пептида и не реагирует с атомом азота пептидной группы NН С = О, хотя атом азота этой амидной группы тоже содержит неподеленную пару электронов.

Решение.

Наличие сильно электроноакцепторных нитрогрупп в ортои параположениях бензольного кольца и атома фтора, имеющего наибольшую электроотрицательность из всех известных элементов, резко уменьшают электронную плотность у атома углерода бензольного кольца, связанного со фтором, делая тем самым молекулу более восприимчивой к атаке нуклеофилом. В качестве нуклеофила выступает атом азота аминогруппы, содержащий неподеленную пару электронов.

Атом азота амидной группы в этой реакции в роли нуклеофила не может конкурировать со свободной аминогруппой, так как в результате сопряжения неподеленной пары электронов атома азота с двойной связью карбонильной группы, амиды становятся значительно более слабыми нуклеофилами, чем амины.

сопряжение пары электронов азота с двойной связью С = О Задача 17.

Напишите формулу тетрапептид фен-цис-три-глу. С помощью каких цветных реакций можно доказать наличие в этом пептиде бензольного кольца, пептидной связи, серусодержащей аминокислоты и триптофана?

Решение.

Ароматическое кольцо в пептиде можно обнаружить реакцией с концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция).

Для качественного и количественного определения триптофана можно использовать реакцию Эрлиха в среде серной кислоты появляется красно-фиолетовое окрашивание.

Наличие пептидной связи доказывается с помощью биуретовой реакции.

Для обнаружения цистеина используют реакцию с ацетатом свинца в щелочной среде.

Задача 18.

Укажите направления движения (движутся к катоду или к аноду, не перемещаются в электрическом поле) в процессе электрофореза при рН = 1,9; 3; 6,5 и 13 следующих пептидов:

• а) лиз-гли-ала-гли;
• б) лиз-гли-ала-глу.

Решение.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в щелочной среде, так как число аминогрупп превышает число карбоксильных групп.

В сильнокислой среде при рН = 1,9 и при рН = 3 за счет протони-рования аминогрупп образуются катионы R NH₃⁺ и пептид будет перемещаться к катоду. При рН = 6,5 (среда почти нейтральная) пептид будет перемещаться к катоду, так как его изоэлектрическая точка находится в щелочной среде. В сильнощелочной среде при рН = 13 образуется карбоксилат-ион и пептид будет перемещаться к аноду.

Изоэлектрическая точка этого пептида находится в среде близкой к нейтральной, так как число аминогрупп этого пептида равно числу карбоксильных групп. Поэтому в сильнокислой среде (при рН = 1,9 и рН = 3) диссоциация карбоксильных групп подавлена, а аминогруппы будут протонированы и пептид будет перемещаться к катоду. При рН = 6,5 (среда близкая к нейтральной) пептид в электрическом поле перемещаться не будет, так как он практически находится в изоэлектрическом состоянии. В сильнощелочной среде (при рН = 13) будут преобладать анионы (карбоксилат-ионы), и пептид начнет перемещаться к аноду.