Решение: Трипептид Пролин-Лизин-Глицин + Реакции

Задача:

Напишите структурную формулу трипептида, в состав которого входят следующие аминокислоты: Пролин, Лизин, Глицин.

Для трипептида напишите реакции с водным раствором гидроксида натрия и соляной кислотой.

Решение:

1. Структурные формулы аминокислот:

Для начала вспомним структурные формулы каждой аминокислоты:

• Глицин (Gly): \( \text{H}_2\text{N}-\text{CH}_2-\text{COOH} \)
• Пролин (Pro): Это циклическая аминокислота.

\[ \text{ \begin{array}{c} \text{H}_2\text{C}-\text{CH}_2 \\ | \quad \quad | \\ \text{H}_2\text{C} \quad \text{CH}-\text{COOH} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{N} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{H} \end{array} } \]

• Лизин (Lys): \( \text{H}_2\text{N}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{NH}_2)-\text{COOH} \)

2. Структурная формула трипептида:

Трипептид образуется путем образования пептидных связей между аминокислотами. Порядок аминокислот в задаче не указан, поэтому мы можем выбрать любой порядок. Давайте возьмем порядок: Пролин-Лизин-Глицин.

При образовании пептидной связи от карбоксильной группы одной аминокислоты отщепляется группа \( \text{-OH} \), а от аминогруппы другой аминокислоты отщепляется атом \( \text{H} \). Образуется молекула воды и пептидная связь \( \text{-CO-NH-} \).

Трипептид Пролин-Лизин-Глицин:

\[ \text{ \begin{array}{c} \text{H}_2\text{C}-\text{CH}_2 \\ | \quad \quad | \\ \text{H}_2\text{C} \quad \text{CH}-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH}(\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{COOH} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{N} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{H} \end{array} } \]

(Примечание: В пролине аминогруппа является частью цикла, поэтому она участвует в образовании пептидной связи, а свободная аминогруппа лизина остается.)

3. Реакции трипептида:

Трипептид содержит свободную аминогруппу (в лизине), свободную карбоксильную группу (в глицине) и пептидные связи. Поэтому он будет реагировать как с кислотами, так и с щелочами.

а) Реакция с водным раствором гидроксида натрия (NaOH) - щелочной гидролиз:

Гидроксид натрия вызывает гидролиз пептидных связей, а также реагирует с карбоксильной группой. В данном случае, при избытке щелочи, произойдет полный гидролиз трипептида до отдельных аминокислот, которые будут находиться в виде солей.

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{NaOH} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин-Na} + \text{Лизин-Na} + \text{Глицин-Na} + 2\text{H}_2\text{O} \]

(Примечание: 4 моля NaOH нужны для гидролиза двух пептидных связей и нейтрализации двух карбоксильных групп (одна концевая и одна в лизине), а также одной аминогруппы в лизине, которая может быть протонирована в нейтральной среде, но в щелочной будет депротонирована и может реагировать с избытком щелочи, хотя чаще всего учитывают только карбоксильные группы и пептидные связи при гидролизе. Для простоты, при полном гидролизе до солей аминокислот, каждая аминокислота будет в виде натриевой соли.)

Более детально, при гидролизе пептидные связи разрываются, и образуются аминокислоты. Затем карбоксильные группы аминокислот реагируют с NaOH, образуя соли:

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{NaOH, нагревание}} \text{Пролин} + \text{Лизин} + \text{Глицин} \]

Затем:

• \( \text{Пролин} + \text{NaOH} \rightarrow \text{Пролин-Na} + \text{H}_2\text{O} \)
• \( \text{Лизин} + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Лизин-2Na} + 2\text{H}_2\text{O} \) (Лизин имеет две аминогруппы и одну карбоксильную, но в щелочной среде реагирует карбоксильная группа и аминогруппы остаются свободными, однако при полном гидролизе и избытке щелочи, аминогруппы могут быть депротонированы, а карбоксильные группы образуют соли. В данном случае, если речь идет о реакции с NaOH, то карбоксильная группа лизина образует соль, а аминогруппы остаются свободными. Если же речь идет о полном гидролизе с последующей нейтрализацией, то каждая аминокислота будет в виде соли.)
• \( \text{Глицин} + \text{NaOH} \rightarrow \text{Глицин-Na} + \text{H}_2\text{O} \)

Суммарно, при полном гидролизе и нейтрализации всех кислотных групп:

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{NaOH} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин-Na} + \text{Лизин-Na} + \text{Глицин-Na} + 2\text{H}_2\text{O} \]

(Здесь "Лизин-Na" подразумевает соль, где карбоксильная группа нейтрализована, а аминогруппы остаются свободными. Если бы речь шла о протонировании аминогрупп, то это было бы в кислой среде.)

б) Реакция с соляной кислотой (HCl) - кислотный гидролиз:

Соляная кислота также вызывает гидролиз пептидных связей, а также протонирует свободные аминогруппы. При избытке кислоты произойдет полный гидролиз трипептида до отдельных аминокислот, которые будут находиться в виде солей.

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{HCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин}\cdot\text{HCl} + \text{Лизин}\cdot 2\text{HCl} + \text{Глицин}\cdot\text{HCl} \]

(Примечание: 4 моля HCl нужны для гидролиза двух пептидных связей и протонирования двух аминогрупп (одна концевая в лизине и одна в боковой цепи лизина), а также одной аминогруппы в пролине, которая является частью цикла, но также может быть протонирована. В данном случае, при полном гидролизе до солей аминокислот, каждая аминокислота будет в виде хлоргидрата.)

Более детально, при гидролизе пептидные связи разрываются, и образуются аминокислоты. Затем аминогруппы аминокислот реагируют с HCl, образуя соли:

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{HCl, нагревание}} \text{Пролин} + \text{Лизин} + \text{Глицин} \]

Затем:

• \( \text{Пролин} + \text{HCl} \rightarrow \text{Пролин}\cdot\text{HCl} \)
• \( \text{Лизин} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{Лизин}\cdot 2\text{HCl} \) (Лизин имеет две аминогруппы, обе протонируются)
• \( \text{Глицин} + \text{HCl} \rightarrow \text{Глицин}\cdot\text{HCl} \)

Суммарно, при полном гидролизе и протонировании всех аминогрупп:

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{HCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин}\cdot\text{HCl} + \text{Лизин}\cdot 2\text{HCl} + \text{Глицин}\cdot\text{HCl} \]

Краткий вывод для тетради:

1. Структурная формула трипептида Пролин-Лизин-Глицин:

\[ \text{ \begin{array}{c} \text{H}_2\text{C}-\text{CH}_2 \\ | \quad \quad | \\ \text{H}_2\text{C} \quad \text{CH}-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH}(\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{COOH} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{N} \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \text{H} \end{array} } \]

2. Реакции трипептида:

а) С водным раствором гидроксида натрия (NaOH):

Происходит щелочной гидролиз пептидных связей и нейтрализация карбоксильных групп. В результате образуются натриевые соли аминокислот.

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{NaOH} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин-Na} + \text{Лизин-Na} + \text{Глицин-Na} + 2\text{H}_2\text{O} \]

б) С соляной кислотой (HCl):

Происходит кислотный гидролиз пептидных связей и протонирование аминогрупп. В результате образуются хлоргидраты аминокислот.

\[ \text{Пролин-Лизин-Глицин} + 4\text{HCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{нагревание}} \text{Пролин}\cdot\text{HCl} + \text{Лизин}\cdot 2\text{HCl} + \text{Глицин}\cdot\text{HCl} \]