Гидрофильные аминокислоты. 
Биохимия

К гидрофильным относятся аминокислоты, содержащие в боковой цепи карбоксильную или аминогруппу. Обе эти группы при физиологических значениях pH ионизированы.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты — кислые аминокислоты, лизин и аргинин — сильно основные, а гистидин — слабо основная аминокислота. Кольцевая структура в молекуле гистидина называется имидазольным кольцом.

Аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты в белках представлены также и своими амидами — аспарагином и глутамином.

К гидрофильным относятся также гидроксилсодержащие аминокислоты:

Цистеин, как и серин, содержит тиольную группуSH вместо гидроксильнойОН. Его специфическая роль в белках двояка: благодаря цистеину в активные центры белков могут быть введены тиольные группы, а два остатка цистеина в белках могут соединяться ковалентной связьюS-S-.

Пролин примечателен тем, что его остаток вызывает излом пептидной цепи. В отличие от других аминокислот свободный пролин содержит не амино-, а иминогруппу.

Определение электрического заряда аминокислоты по кривой титрования

Аминокислоты — амфотерные электролиты (амфолиты) обладают свойствами как кислот, так и оснований. На основании положений физической химии, аминокислоты принадлежат к слабым электролитам и в водных растворах в зависимости от pH среды несут на себе различный заряд в соответствии с уравнением равновесия (константы равновесия К_а, К_а2 и K_aR):

И, как видно из табл. 3.1, боковые функциональные группы ряда аминокислот также обладают кислотно-основными свойствами: рK_aR — это константа кислотности для боковой цепи аминокислоты, имеющей функциональные группы с кислотно-основными свойствами. Например, в боковой цепи глутаминовой кислоты имеется функциональная группаСООН, для которой при определенных условиях характерно кислотно-основное равновесие.

Электрический заряд на функциональной группе определяется соотношением между значениями рК_а этой группы и pH раствора, описываемым уравнением Гендерсона-Гассельбаха (2.4). Каждая способная к ионизации группа аминокислоты может находиться в одном из двух состояний — заряженном или нейтральном. Анион СООобладает основными свойствами (принимает ион Н⁺), а катион NH³⁺ — свойствами кислоты (отдает ион Н⁺).

Значение pH, при котором аминокислота находится в растворе только в виде цвиттер-иона (суммарно электрически нейтральна), называют изоэлектрической точкой (ИЭТ) аминокислоты. В ИЭТ растворимость аминокислот минимальна, и в электрическом поле постоянного тока аминокислоты остаются неподвижными. В изоэлектрическом состоянии аминокислоты обладают повышенной плотностью, высокой точкой плавления (свыше 200 °С). Растворы аминокислот обладают более высокой диэлектрической постоянной, чем вода, причем максимум значения достигается в ИЭТ. Значение pH в изоэлектрической точке (pi) для моноаминокарбоновых кислот (кислоты, у которых боковые цепи не имеют функциональных групп, способных к ионизации, иными словами, не содержат аминои карбоксильных групп) можно определить следующим образом: р! = (К_а + К_аг)/2.

Таблица 3.1

Характеристика аминокислот¹

Окончание табл. 3.1

¹ Если неизвестно, какая аминокислота стоит в боковой цепи белка — аспарагин или аспарагиновая кислота, ис пользуют обозначение Asx или В. В случае глутамина или глутаминовой кислоты применяется Glx или Z.

Зоны буферного действия у аминокислот очень малы. Значения рКаи рК_а2, pi для аминокислот определяют, как правило, методом потенциометрического титрования. На рис. 3.1 представлена типичная кривая титрования аминокислоты.

Рис. 3.1. Кривая титрования аминокислоты.

Значения рК_аи рК_а2> рК_ая, pi для каждой аминокислоты индивидуальны. В табл. 3.2 представлены значения этих параметров для некоторых аминокислот.

Значения pK_al, рК_а2, рK_aR, pi для некоторых аминокислот

Таблица 3.2

Из данных, приведенных в табл. 3.2, видно, что буферными свойствами при значениях pH, близких к pH крови и межклеточной жидкости, обладает практически только одна аминокислота — гистидин, так как для нее величина рK_aR = 6,04. Это свойство гистидина в организме используется следующим образом: гемоглобин характеризуется высоким содержанием гистидина, что очень важно для создания высокой буферной емкости при pH, близкой к 7, для переноса кислорода и углекислого газа. Зоны буферного действия аминокислот очень малы.

Аминокислоты при значениях pH, отличающихся от значения их pH в ИЭТ (pi), несут суммарный электрический заряд, который в зависимости от pH может быть как положительным, так и отрицательным. При любом значении pH, превышающем значение pi, суммарный заряд молекулы отрицательный, и в электрическом поле она движется в сторону положительного электрода {анода). Соответственно при pH ниже значения pi молекула аминокислоты несет положительный заряд и в электрическом поле движется к катоду. Чем больше значения pH отличаются от значения pi, тем больший суммарный заряд несет молекула и тем выше скорость ее движения к электроду. Данные свойства молекул аминокислот широко используются для их разделения и анализа в смесях, например, методами электрофореза и ионнообменной хроматографии.

Для разделения применяют препаративные методики получения относительно больших количеств чистого материала, который может быть в дальнейшем использован для различных целей.

Для анализа применяют аналитические методики, направленные на контроль качества, определение состава смеси компонентов, определение их заряда и т. п.