Амины и аминокислоты. Белки и нуклеиновые кислоты

Амины

Амины – это производные аммиака, в котором один, два или все три атома водорода замещены органическими радикалами.

Строение и свойства аминов.

Известно много органических соединений, в которые азот входит в виде остатка аммиака, например: 1) метиламин СН₃ – NН₂; 2) диметиламин СН₃ – NH – СН₃; 3) фениламин (анилин) С₆Н₅ – NН₂; 4) метилэтиамин СН₃ – NН – C₂H₅.

Все эти соединения относятся к классу аминов.

Сходство аминов с аммиаком не только формальное. Они имеют и некоторые общие свойства.

1. Низшие представители аминов предельного ряда газообразны и имеют запах аммиака.

4СН₃ – NH₂ + 9O₂ → 4СO₂ + 10Н₂О + 2N₂.

2. Если амин растворить в воде и раствор испытать лакмусом, то появится щелочная реакция, как и в случае аммиака.

3. Амины имеют характерные свойства оснований.

4. Сходство свойств аминов и аммиака находит объяснение в их электронном строении.

5. В молекуле аммиака из пяти валентных электронов атома азота три участвуют в образовании ковалентных связей с атомами водорода, одна электронная пара остается свободной.

6. Электронное строение аминов аналогично строению аммиака.

7. У атома азота в них имеется также неподеленная пара электронов. В неорганической химии к основаниям относятся вещества, в которых атомы металла соединены с одной или несколькими гидроксильными группами. Но основания – понятие более широкое. Свойства их противоположны свойствам кислот.

8. Амины называются еще органическими основаниями.

9. Являясь основаниями, амины взаимодействуют с кислотами, при этом образуются соли.

Эта реакция аналогична реакциям аммиака и также заключается в присоединении протона.

Но при сходстве свойств этих веществ как оснований между ними имеются и различия:

а) амины – производные предельных углеводородов – оказываются более сильными основаниями, чем аммиак;

б) они отличаются от аммиака лишь наличием в молекулах углеводородных радикалов, поэтому видно влияние этих радикалов на атом азота;

в) в аминах под влиянием радикала – СН₃ электронное облако связи С – N смещается несколько к азоту, электронная плотность на азоте возрастает, и он прочнее удерживает присоединенный ион водорода;

г) гидроксильные группы воды от этого становятся более свободными, щелочные свойства раствора усиливаются.

Анилин

Основные свойства анилина:

а) ароматический амин – анилин имеет большое практическое значение;

б) анилин C₆H₅NH₂ – это бесцветная жидкость, которая плохо растворяется в воде;

в) имеет светло-коричневую окраску при частичном окислении на воздухе;

г) анилин сильно ядовит.

Основные свойства у анилина проявляются слабее, чем у аммиака и аминов предельного ряда.

1. Анилин не изменяет окраски лакмуса, но при взаимодействии с кислотами образует соли.

2. Если к анилину прилить концентрированную соляную кислоту, то происходит экзотермическая реакция и после охлаждения смеси можно наблюдать образование кристаллов соли: [C₆H₅NH₃]⁺Cl^- – хлорид фениламмония.

3. Если на раствор хлорида фениламмония подействовать раствором щелочи, то снова выделится анилин: \([C_6H_5NH_3]^++Cl^-+Na^++OH^- \rightarrow H_2O+C_6H_5NH_2+Na^++Cl^-\). Здесь выражено влияние ароматического радикала фенила – С₆Н₅.

4. В анилине C₆H₅NH₂ бензольное ядро смещает к себе неподеленную электронную пару азота аминогруппы. При этом электронная плотность на азоте уменьшается и он слабее связывает ион водорода, а это значит, что свойства вещества как основания проявляются в меньшей степени.

5. Аминогруппа влияет на бензольное ядро.

6. Бром в водном растворе не реагирует с бензолом.

Способы применения анилина:

1) анилин – один из важнейших продуктов химической промышленности;

2) он является исходным веществом для получения многочисленных анилиновых красителей;

3) анилин используется при получении лекарственных веществ, например сульфаниламидных препаратов, взрывчатых веществ, высокомолекулярных соединений и т. д. Открытие профессором Казанского университета Н.Н. Зининым (1842 г.) доступного способа получения анилина имело большое значение для развития химии и химической промышленности.

1. Промышленность органического синтеза началась с производства красителей.

2. Широкое развитие этого производства стало возможным на основе использования реакции получения анилина, известной сейчас в химии под названием реакции Зинина.

Особенности реакции Зинина:

1) эта реакция заключается в восстановлении нитробензола и выражается уравнением:

С₆Н₅ – NO₂ + 6Н → С₆Н₅ – NН₂ + 2Н₂О;

2) распространенным промышленным способом получения анилина является восстановление нитробензола металлами, например железом (чугунными стружками), в кислой среде;

3) восстановление нитросоединений соответствующего строения – это общий способ получения аминов.

Аминокислоты

Среди азотсодержащих органических веществ имеются соединения с двойственной функцией. Особенно важными из них являются аминокислоты.

Строение и физические свойства.

1. Аминокислоты – это вещества, в молекулах которых содержатся одновременно аминогруппа NН₂ и карбоксильная группа – СООН.

Например: NH₂ – CH₂ – COOH – аминоуксусная кислота, CH₃ – CH(NH₂) – COOH – аминопропионовая кислота.

2. Аминокислоты – это бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде.

3. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус.

4. Аминокислоты можно рассматривать как карбоновые кислоты, в молекулах которых атом водорода в радикале замещен аминогруппой. При этом аминогруппа может находится у разных атомов углерода, что обусловливает один из видов изомерии аминокислот.

Некоторые представители аминокислот:

1) аминоуксусная кислота Н₂N – СН₂ – СООН;

2) аминопропионовая кислота Н₂N – СН₂ – СН₂ – СООН;

3) аминомасляная кислота Н₂N – СН₂ – СН₂ – СН₂ – СООН;

4) аминовалериановая кислота Н₂N – (СН₂)₄ – СООН;

5) аминокапроновая кислота Н₂N – (СН₂)₅ – СООН.

5. Чем больше атомов углерода в молекуле аминокислоты, тем больше может существовать изомеров с различным положением аминогруппы по отношению к карбоксильной группе.

6. Чтобы в названии изомеров можно было указывать положение группы – NH₂ по отношению к карбоксилу, атомы углерода в молекуле аминокислоты обозначаются последовательно буквами греческого алфавита: а) α-аминокапроновая кислота; б) β-аминокапроновая кислота.

Особенности строения аминокислот заключаются в изомерии, которая может быть обусловлена также разветвлением углеродного скелета, а также строением своей углеродной цепи.

Способы применения аминокислот:

1) аминокислоты широко распространены в природе;

2) молекулы аминокислот – это те кирпичики, из которых построены все растительные и животные белки; аминокислоты, необходимые для построения белков организма, человек и животные получают в составе белков пищи;

3) аминокислоты прописываются при сильном истощении, после тяжелых операций;

4) их используют для питания больных, минуя желудочно-кишечный тракт;

5) аминокислоты необходимы в качестве лечебного средства при некоторых болезнях (например, глутаминовая кислота используется при нервных заболеваниях, гистидин – при язве желудка);

6) некоторые аминокислоты применяются в сельском хозяйстве для подкормки животных, что положительно влияет на их рост;

7) имеют техническое значение: аминокапроновая и аминоэнантовая кислоты образуют синтетические волокна – капрон и энант.

Амиды кислот

Характерные особенности амидов кислот:

1) это производные этих кислот, в которых гидроксильная группа замещена на аминогруппу, например: а) уксусная кислота – СН₃ – С(О) – ОН, б) амид уксусной кислоты – СН₃ – С(О) – NН₂;

2) общая формула амидов RCONН₂;

3) функциональная группа С(O)NН₂ называется амидогруппой;

4) названия амидов происходят от названий кислот, из которых они образовались, с добавлением части – амид;

5) амиды получаются путем нагревания аммонийных солей карбоновых кислот;

6) амиды также получаются под действием аммиака на сложные эфиры: RCOOR′ + NH₃ → RCONH₂ + R′OH;

7) амид муравьиной кислоты – это жидкость;

8) амиды всех других кислот – это белые кристаллические вещества;

9) низшие амиды хорошо растворимы в воде;

10) водные растворы амидов дают нейтральную реакцию на лакмус;

11) важнейшее свойство амидов – это их способность к гидролизу в присутствии кислот и щелочей. При этом образуются кислота и аммиак: RCONH₂ + H₂O → RCOOH + NH₃;

12) к амидам кислот относится мочевина.

Особенности мочевины:

а) мочевина – это конечный продукт азотистого обмена в организме человека и животных;

б) она образуется при распаде белков и выделяется вместе с мочой;

в) мочевину можно рассматривать как полный амид угольной кислоты: НО – С – О = ОH – угольная кислота, Н₂N – СО – NН₂ – мочевина;

г) мочевина, или карбамид, – это белое кристаллическое вещество, которое хорошо растворяется в воде;

д) впервые она была получена немецким ученым Велером в 1828 г. из цианата аммония:

NH₄OC ≡ N → H₂N – CO – NH₂;

е) это первое органическое соединение, которое получили синтетическим путем.

Способы получения и применения мочевины:

1) в промышленности мочевина получается из оксида углерода (IV) и аммиака при нагревании (150°C) и высоком давлении: СO₂ + 2NН₃ → Н₂N – СО – NН₂ + Н₂О;

2) с сильными минеральными кислотами мочевина образует соли: \(H_2N-CO-NH_2+HNO_3 \rightarrow H_2N-CO-NH_2 \cdot HNO_3\);

3) мочевина – это ценное высококонцентрированное азотное удобрение (46,6% азота), она широко используется на всех почвах и под все культуры;

4) как источник азота мочевину добавляют в корм скоту в качестве заменителя протеина.

Белки

Белки – это сложные высокомолекулярные природные соединения, построенные из L-аминокислот.

Белки в природе:

1) белки представляют наиболее важную составную часть организмов;

2) они содержатся в протоплазме и ядре всех растительных и животных клеток и являются главными носителями жизни;

3) по определению Ф. Энгельса, «жизнь есть способ существования белковых тел»;

4) молекулярная масса белков выражается десятками и сотнями тысяч, а у некоторых белков достигает нескольких миллионов.

Функции белков в организме многообразны.

1. Белки служат тем пластическим материалом, из которого построены опорные, мышечные и покровные ткани.

2. С помощью белков осуществляется перенос веществ в организме, например доставка кислорода из легких в ткани и выведение образовавшегося оксида углерода (IV).

3. Белки-ферменты катализируют в организме многочисленные химические реакции.

4. Гормоны (среди них есть вещества белковой природы) обеспечивают согласованную работу органов.

5. В виде антител, вырабатываемых организмом, белки служат защитой от инфекции. Различных белковых веществ в организме тысячи, и каждый белок выполняет строго определенную функцию.

6. Для любой химической реакции, протекающей в организме, существует свой отдельный белок-катализатор (фермент).

Состав и строение белков.

1. При гидролизе любого белка получается смесь L-аминокислот, причем наиболее часто встречаются в составе белков двадцать аминокислот.

2. Молекулы аминокислот содержат в радикале группы атомов: – SH, – ОН, – СООН, – NH₂ и даже бензольное кольцо.

Нуклеиновые кислоты

Характерные особенности нуклеиновых кислот и теории их происхождения:

1) нуклеиновые кислоты – природные полимеры, они были обнаружены в ядрах клеток (лат. nucleus – ядро) еще в прошлом столетии, но долгое время их роль в жизни организмов была неизвестна ученым;

2) несколько десятилетий назад было расшифровано строение нуклеиновых кислот и установлено, что они играют главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивают синтез белков в клетке.

Состав нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты подвергаются гидролизу, при этом получается не один продукт (как у крахмала или целлюлозы), а несколько (как у белков): а) углевод (пентоза); б) азотсодержащие гетероциклические соединения (пиримидиновые и пуриновые основания); в) ортофосфорная кислота.

В организмах существуют два вида нуклеиновых кислот:

1) рибонуклеиновые (РНК);

2) дезоксирибонуклеиновые (ДНК).

Основные отличия этих нуклеиновых кислот.

1. Они различаются характером углеводного компонента – пентозы.

2. При гидролизе одних кислот образуется рибоза, в таком случае это рибонуклеиновые кислоты (РНК).

3. При гидролизе других – дезоксирибоза, это дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

4. Различаются нуклеиновые кислоты и входящими в них азотистыми основаниями.

5. В РНК и ДНК входят по четыре основания из пяти, в их числе обязательно оба пуриновых основания – аденин и гуанин – и одно из пиримидиновых оснований – цитозин. Четвертое же основание (второе пиримидиновое) в нуклеиновых кислотах разное: в РНК это урацил, а в ДНК – тимин.

6. Неодинакова у нуклеиновых кислот и молекулярная масса: у РНК – от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов, ДНК – достигает даже нескольких десятков миллионов.

7. Структурными звеньями нуклеиновых кислот являются так называемые нуклеотиды.

Они выделены как промежуточные продукты гидролиза, когда процесс разложения не дошел до образования конечных продуктов.

Структурные формулы нуклеотидов.

Мононуклеотиды представляют собой фосфаты нуклеозидов, в которых фосфорная кислота связана сложноэфирной связью с одной из свободных гидроксильных групп пентозы.

Нуклеозиды – это N-гликозиды пиримидиновых или пуриновых оснований, в которых первый углеродный атом пентозы (атом углерода, обозначаемый 1) связан гликозидной связью с N-1-пиримидина или N-9-пурина.

Строение полинуклеотидов. Двойная спираль ДНК

Особенности строения полинуклеотидов:

1) основную структурную линию макромолекулы ДНК образуют последовательно соединенные друг с другом только звенья пентозы и ортофосфорной кислоты;

2) азотистые основания присоединены сбоку к углеводным звеньям;

3) они образуют «бахрому» макромолекулы нуклеиновой кислоты;

4) остатки ортофосфорной кислоты соединяют между собой углеводные звенья, образуя химические связи (за счет выделения молекул воды) с гидроксилом третьего атома углерода одной молекулы пентозы и гидроксилом пятого углеродного атома другой молекулы пентозы.

При этом у остатков фосфорной кислоты сохраняется еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать, что и обусловливает кислотные свойства макромолекул;

5) самое существенное в строении нуклеиновых кислот – последовательность азотистых (пиримидиновых и пуриновых) оснований, «прицепленных» к основной цепи, которая состоит из остатков пентозы и фосфорной кислоты, т. е. последовательность нуклеотидов в макромолекуле.

С определенной последовательностью нуклеотидов, т. е. первичной структурой нуклеиновых кислот, связаны их биологические функции в клетке.

Двойная спираль ДНК, ее особенности.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, в молекулах которых зашифрована в виде различной последовательности нуклеотидов вся наследственная информация биологического строения.

1. Макромолекулы ДНК представляют собой спираль, которая состоит из двух цепей, закрученных вокруг общей оси.

2. Это их вторичная структура.

3. В поддержании вторичной структуры, как и в белках, важная роль принадлежит водородным связям.

4. Образуются они здесь между пиримидиновыми и пуриновыми основаниями разных цепей макромолекулы, располагающимися, в отличие от радикалов белковых молекул, не снаружи, а внутри спирали.

5. Водородные связи образуются между атомами водорода, имеющими значительный (хотя и частичный) положительный заряд, и отрицательно заряженными атомами кислорода.

Происхождение положительных и отрицательных зарядов на атомах, между которыми образуются водородные связи:

1) азотистые основания соединяются по определенному принципу, дополняя друг друга, – пиримидиновое обязательно с пуриновым и наоборот, при этом между цепями молекулы всегда находятся одинаковые ступеньки из трех гетероциклов (а не из двух и не из четырех);

2) это обеспечивает равномерность в построении всей молекулы ДНК.

Химия и биохимия белков и нуклеиновых кислот в своем развитии привели к созданию новых наук: а) биоорганической химии; б) молекулярной биологии.