Амины, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты

Залежавшаяся рыба в холодильнике пахнет именно аминами — азотсодержащими основаниями. Варёное яйцо — это денатурированный белок: структура рухнула от нагрева, хотя химический состав не изменился. А в каждой клетке твоего тела молекула ДНК хранит инструкцию по сборке всех белков сразу. Три этажа органической химии азота — от зловония до наследственности.

Амины: рыба, краска, история

Амины — производные аммиака, где водород замещён углеводородными радикалами. Метиламин — газ с запахом тухлой рыбы; вместе с кадаверином и путресцином он создаёт «аромат» несвежего мяса. Как аммиак, амины проявляют основные свойства и с кислотами дают соли. Отдельная страница — анилин $C_6{H}_{5}N{H}_2$: бесцветная маслянистая жидкость, темнеющая на воздухе. Николай Зинин получил его восстановлением нитробензола в 1842 году: $C_6{H}_{5}N{O}_2+6[H]\to C_6{H}_{5}N{H}_2+2H_{2}O$. Так началась анилинокрасочная промышленность, а реакция до сих пор носит имя Зинина.

Три ряда аминов и их соли

По числу радикалов у атома азота амины делятся на первичные, вторичные и третичные: у метиламина $C{H}_{3}N{H}_2$ радикал один, в диметиламине их два, в триметиламине — три, и все трое живут на кухне гурмана: триметиламин отвечает за запах селёдки и морской рыбы. Основность — визитная карточка класса: как аммиак, амины принимают ион водорода и с кислотами дают соли.

Соль амина — вещество уже без рыбы: метиламин с соляной кислотой даёт хлорид метиламмония, летучее основание связано, и запах исчезает. Кислота уксуса работает так же — она связывает летучие амины в нелетучие соли. Анилин при этом остаётся веществом рабочим и опасным: из него делают красители, лекарства и полиуретан, но он ядовит и проходит через кожу, поэтому в школьной лаборатории его не наливают.

Получают амины по-разному, и оба пути проходят через аммиак. Исторический путь — восстановление нитросоединений: так работал Зинин с нитробензолом, так же сегодня делают анилин в реакторе с водородом над катализатором. Второй путь проще: спирт встречается с аммиаком при нагревании, атом водорода в аммиаке меняется на радикал — и получается амин. По этой схеме из метанола собирают метиламин, а дальше ступенями — вторичные и третичные амины.

Аминокислоты, белки и ДНК

Аминокислота несёт сразу две противоположные группы: основную -NH2 и кислотную -COOH. Простейшая — глицин $N{H}_2-C{H}_2-COOH$. Такая пара делает молекулу амфотерной: она реагирует и с кислотами, и со щелочами. Белки — полипептиды: аминокислоты сшиты пептидными связями -CO-NH-, а всего в белках встречается 20 альфа-аминокислот. Структур четыре: первичная — порядок остатков, вторичная — спираль, третичная — сворачивание в глобулу, четвертичная — сборка из нескольких цепей, как у гемоглобина с его четырьмя субъединицами. Нагрев, спирт и соли тяжёлых металлов разрушают структуру — это денатурация. Нуклеиновые кислоты собраны из нуклеотидов: азотистое основание, сахар (дезоксирибоза у ДНК, рибоза у РНК) и остаток фосфорной кислоты. В двойной спирали ДНК, описанной Уотсоном и Криком в 1953 году, основания спарены строго: аденин с тимином, гуанин с цитозином — эта закономерность называется комплементарностью.

Амфотерность на практике

Две противоположные группы в одной молекуле дают редкое поведение. С соляной кислотой глицин реагирует аминогруппой: она принимает ион водорода, и получается соль с положительным зарядом на азоте. С щёлочью в игру вступает карбоксильная группа — она отдаёт свой ион водорода, как любая кислота. Одна и та же пробирка, два разных реагента, две разные соли — это и есть амфотерность, показанная руками.

В воде глицин идёт ещё дальше: протон перескакивает с карбоксила на аминогруппу внутри самой молекулы, и она становится заряженной с двух концов — внутренняя соль, цвиттер-ион. Отсюда неожиданное свойство: аминокислоты, как ионы, отлично растворяются в воде и плохо — в органических растворителях, а их растворы почти нейтральны.

Соединение двух аминокислот — реакция поликонденсации: карбоксил одной встречается с аминогруппой другой, отщепляется вода и рождается пептидная связь. Глицин плюс аланин — дипептид; дальше растут трипептиды и олигопептиды, а цепь из сотен звеньев — уже белок. В клетке эту сборку без остановки ведут рибосомы.

Белки: целый штат специалистов

Все белки собраны из одних и тех же двадцати аминокислот — разница в порядке звеньев, длине цепи и том, как эта цепь свернулась. Часть аминокислот тело строит само, но незаменимые приходят только с едой: мясо, рыба, яйца, бобовые. Белок пищи распадается до аминокислот, и организм собирает из этих деталей свои молекулы — конструктор без права менять набор.

• ферменты ускоряют реакции: пепсин в желудке переваривает белок
• гемоглобин переносит кислород от лёгких к тканям
• антитела распознают вирусы и бактерии
• коллаген держит кожу и связки, кератин строит волосы и ногти
• инсулин руководит обменом глюкозы как гормон

Масштаб этой работы легко недооценить: белки составляют почти половину сухого вещества клетки, и почти каждая реакция в теле идёт под руководством белка-фермента. Расщепить крахмал, починить мембрану, провести нервный сигнал — всюду нужен свой белковый инструмент. И если испортить структуру, инструмент ломается даже при идеальном составе: состав и форма здесь не одно и то же.

РНК и правило Чаргаффа

РНК одноцепочечная, её сахар — рибоза, а вместо тимина в паре стоит урацил; работают эти молекулы посредниками и инструментами при сборке белка. В ДНК же статистика жёсткая: число аденинов всегда равно числу тиминов, а гуанинов — цитозинам. Правило Чаргаффа прямо следует из комплементарности, и на нём построены задачи, где по количеству одной буквы восстанавливается вся таблица фрагмента.

Комплементарность — не только школьная задача, а рабочий инструмент науки и медицины. Тест на инфекцию ищет в пробе участок наследственной молекулы возбудителя по принципу дополнения: находят фрагмент, спаренный с искомым, — и диагноз ясен. Генетическая экспертиза сравнивает участки ДНК с разной частотой букв, а секвенирование читает цепь буква за буквой. Всё это стоит на том же спаривании, которое ты проверяешь в задачах с нуклеотидами.

Ты варил яйцо и видел, как белок побелел и затвердел: нагрев разрушил структуру — это денатурация. Аминокислоты на месте, но свёрток «раскрутился» и запутался по-новому, обратно сырым он не станет. Врачи используют то же свойство при отравлениях солями тяжёлых металлов: сырой белок связывает ионы и не даёт им добраться до твоих белков.

Не путай денатурацию с гидролизом. Денатурация ломает пространственную структуру, но не режет цепь; гидролиз разрывает пептидные связи и возвращает отдельные аминокислоты. Варёное яйцо — денатурация, а полное расщепление белка пищеварительными ферментами — гидролиз.

Разбор типовой задачи

Словарь урока

Амины#

производные аммиака, где водород замещён радикалами; проявляют основные свойства

Аминокислоты#

соединения с аминогруппой и карбоксильной группой, строительные блоки белков

Амфотерность#

способность реагировать и с кислотами, и со щелочами

Пептидная связь#

связь между карбонилом и азотом соседних аминокислотных остатков

Денатурация#

разрушение пространственной структуры белка нагревом, спиртом или солями тяжёлых металлов

Комплементарность#

строгое спаривание оснований: аденин с тимином, гуанин с цитозином

Как это спрашивают на контрольной

• объяснить амфотерность аминокислоты уравнениями с кислотой и щёлочью
• посчитать пептидные связи по числу остатков — и наоборот
• определить структуру белка по описанию: спираль, глобула, субъединицы
• решить задачу по правилу Чаргаффа, как в разборе выше
• отличить денатурацию от гидролиза и привести пример каждой

Биология и химия спрашивают про белки по-разному, но база одна: две функциональные группы, одна пептидная связь, одна спираль и два правила спаривания. Если быстро считаешь связи по формуле из Совета и помнишь число водородных связей в парах — половина заданий закрыта до чтения вопроса.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема