Кислотно-основные свойства и прототропная таутомерия

Наличие в молекулах а-аминокислот одновременно и ки­слотной, и основной групп (разд. 8.2) приводит не только к то­му, что они амфолиты и могут существовать в виде двух прототропных таутомеров ТБИ и ТНС, но и к тому, что наиболее термодинамически устойчивым таутомером оказывается тот, в котором его функциональные группы, перейдя в заряженные формы, проявляют не прямые, а сопряженные, т. е. противопо­ложные свойства. Поэтому в молекулах а-аминокислот из-за их биполярно-ионной структуры отрицательно заряженная карбок­сильная группа проявляет основные свойства, а положительно заряженная аммонийная группа - кислотные свойства. Вслед­ствие этого а-аминокислоты взаимодействуют и с кислотами, и а - щелочами, образуя разные типы солей, в которых аминокис­лоты выступают в виде или катиона, или аниона.

Аминокислоты, которые могут существовать только в трех формах: молекула, катион и анион, - называются нейтральны­ми. Из 20 природных аминокислот 13 - нейтральные: аланин, аспарагин, валин, глицин, глутамин, изолейцин, лейцин, метио­нин, пролин, серии, треонин, триптофан, фенилаланин. Каждая из перечисленных аминокислот в водных растворах по мере уве­личения значения рН может находиться в сильнокислой среде [рН < рK_а(СООН) - 2] в виде катиона, при рН = рI - молекулы, а в щелочной среде - аниона. В растворах с рН между указанными значениями аминокислоты находятся в слабокислой среде в виде смеси катиона и молекулы, а в слабо­основной среде - смеси молекулы и аниона.

Все нейтральные аминокислоты имеют близкие кислотно-ос­новные показатели рКa(СООН) =2,0 - 3,0, рI = 5,5 + 6,5, 9,0 - 10,5, причем рI вычисляется по формуле

Как видно из схемы, по значениям кислотно-основных ха­рактеристик нейтральных аминокислот можно установить, в виде каких частиц находится любая из этих кислот при данном значении рН ее водного раствора. Это чрезвычайно важно, так как каждая из указанных частиц: молекула, катион или анион аминокислоты - имеет не только отличные от других химиче­ские свойства, но и свое специфическое влияние на биологиче­ские и физиологические функции данной аминокислоты в жи­вых системах. Кроме этого, знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет исключительно важное значение для пони­мания многих свойств и функций пептидов и белков.

Своеобразие кислотно-основных свойств аминокислот прояв­ляется и при изучении этих свойств с помощью потенциометри-ческого титрования щелочью. Прежде всего для этого нужно брать соль катиона аминокислоты, например глицингидрохло-рид. Эта соль при титровании щелочью выступает донором двух протонов.

Получаемая при этом кривая титрования (рис. 21.1) внеш­не очень похожа на кривые титрования обычных кислот (см. рис. 8.2), но интерпретация ее иная, так как она результат нейтрализации двух протонов, а не одного, как в случаях, про­иллюстрированных на рис. 8.2. Поэтому имеющаяся на кривой

Кривая титрования глицингидрохлорида [H₃NCH₂COOH]Cl- титрования точка перегиба соответствует состоянию эквива­лентности, достигаемому при добавлении 1 экв. щелочи, когда катион аминокислоты, отдав протон от карбоксильной группы, полностью перешел в молекулу. Поэтому рН системы в точке эквивалентности, где аминокислота находится только как мо­лекула, соответствует изоэлектрической точке (рI) этой аминокислоты. Кривая титрования после точки эквивалентности ха­рактеризует процесс связывания второго протона, отрываемого от аммонийной группы аминокислоты.

С учетом перечисленных особенностей кривая титрования со­ли аминокислоты кроме определения ее рI позволяет определить значения ее рК_а(СООH) и pK_a(NH₃). Значение рK_а(СООН) уста­навливают по кривой титрования по величине рН системы, содержащей 0,5 экв. щелочи, так как в этот момент в растворе находится 50 % катионов и 50 % молекул аминокислоты. Значение pK_a(NH3) также устанавливают на основании кривой тит­рования, но по величине рН системы, содержащей 1,5 экв. ще­лочи, так как в этот момент в растворе находится 50 % молекул и 50 % анионов титруемой аминокислоты. Начальный и конечный участки кривой титрования не информативны, поскольку в эти моменты в системе происходит не только нейтрализация аминокислоты, но и гидролиз ее солей, где она выступает в ки­слой среде катионом, а в щелочной среде - анионом.

Аминокислоты кислотные содержат в заместителе допол­нительную кислотную группу: аспарагиновая и глутаминовая кислоты - карбоксильную группу (СООН), цистеин – тиольную группу (SH), а тирозин - n-гидроксифенильную Кислотные свойства этих групп характеризуются величиной pK_a(R) (табл. 21.1). Все эти кислоты в водных растворах по мере умень­шения кислотности среды, т. е. возрастания рН, могут находиться в четырех формах: катиона, молекулы, моноаниона и дианиона (разд. 8.2), причем строение моноаниона зависит от того, какая из двух кислотных групп в молекуле ионизуется первой.

В молекулах аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также в цистеине вначале ионизуется кислотная группа заместителя, так как поэтому строение их моноаниона "сложное", поскольку он содержит две отрицательно заряженные группы -СОO- и R- - и одну аммонийную группу, заряженную положи­тельно. Для этих аминокислот изоэлектрическая точка вычис­ляется по формуле:

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в биологических сре­дах (рН = 7) на 100 %, а цистеин - около 1 % находятся в виде мо­ноаниона. Для аниона цистеина в растворе возможно таутомер-ное равновесие "сложный" моноанион "простой" моноанион.

Моноанион тирозина имеет строение "простого" таутомера, так как и его изоэлектрическая точка вычисляется по обычной формуле:

Аминокислоты основные содержат в заместителе основные группы (см. табл. 21.1). Поэтому лизин, аргинин и гистидин в водных растворах по мере уменьшения кислотности среды могут находиться в четырех формах: дикатиона, монокатиона, молекулы и аниона. Структура монокатиона основных аминокислот слож­ная, так как она содержит две положительно заряженные группы и одну отрицательно заряженную группу (СОО-). Струк­тура молекул этих кислот (а именно: какая основная группа не­сет положительный заряд) зависит от того, какая из двух прото-нированных основных групп в монокатионе ионизуется первой.

В случае молекул лизина и аргинина в растворе наиболее ус­тойчив таутомер ТБИ II, а для гистидина характерно таутомер-ное равновесие с преобладанием ТБИ I. Изоэлектрическая точка основных аминокислот вычисляется по формуле:

В биологических средах (рН = 7) основные аминокислоты на­ходятся в виде монокатиона, причем лизин и аргинин на 100 %, а гистидин - около 1 %. Эти кислоты являются активными акцеп­торами не только протонов, но и других комплексообразователей (катионов d-металлов), выступая полидентатными лигандами.

Знание кислотно-основных свойств аминокислот имеет ис­ключительно важное значение для их разделения, идентифика­ции и количественного анализа, так как позволяет осуществ­лять эти процессы с определенной формой данной аминокисло­ты (молекулой, катионом или анионом). Если в анализируемой системе имеется смесь указанных частиц, то это сильно затрудняет анализ аминокислот и снижает точность любого метода. Понимание особенностей кислотно-основных свойств аминокис­лот крайне необходимо для объяснения многих свойств пепти­дов и белков.