الكيمياء الجامعية — السنة الثانية · Bachelor Year 2

30الجزيئات الحيوية: الأحماض الأمينية والسكريات والليبيدات والنوكليوتيدات

مُحلٍّ شائع، أحلى بكثير من السكر، هو حمضان أمينيان تصل بينهما رابطة أميد واحدة، وأحدهما على هيئة إستره الميثيلي: حمض الأسبارتيك والفينيل ألانين، وكلاهما بالترتيب الفراغي الذي تستعمله الخلايا الحية. وجزيئات الحياة مبنية من عائلات قليلة من الوحدات الصغيرة، الأحماض الأمينية والسكريات والأحماض الدهنية والنوكليوتيدات، موصولة بتفاعلات الفصول السابقة: الأميدات، والأسيتالات، والإسترات. ويقرؤها هذا الفصل كما يقرؤها الكيميائي العضوي: المجموعات الوظيفية، والكيمياء الفراغية، والسلوك الحمضي–القاعدي، والتفاعلات التي تصلها وتقطعها.

ما تعرفه من قبل

مجلد السنة الأولى: قواعد CIP، وإسقاطات فيشر، والكيرالية، ونصف الأسيتالات والأسيتالات، و $\mathrm pK_a$ ومخططات التوزيع، والجزيئات الأمفيفيلية، وقانون بيو. والفصل 24: الأميدات، والإسترات، والتصبّن، والأحماض المنشطة. والفصل 23: الأمينات بوصفها قواعد. والفصل 28: المجموعات الحامية في طريق تخليقي.

30.1 الأحماض الأمينية

تعريف 30.1 (الأحماض الأمينية)

الحمض الأميني $\alpha$ $\ce{H2N-CHR-COOH}$ يحمل مجموعة أمينية ومجموعة حمض كربوكسيلي على الكربون نفسه؛ و $\ce{R}$ هي سلسلته الجانبية. وفي الماء قرب الأس الهيدروجيني المتعادل يوجد على هيئة أيون مزدوج الشحنة، $\ce{H3N+-CHR-COO-}$ ، يحمل شحنة موجبة وأخرى سالبة. ونقطة التعادل الكهربائي pI هي قيمة pH التي تنعدم عندها شحنته الصافية المتوسطة.

عشرون حمضًا أمينيًا تبني بروتينات الكائنات الحية. وكلها كيرالية ما عدا الغليسين ( $\ce{R = H}$ )، وللطبيعية منها الترتيب L (التعريف 30.8). وتصنّفها سلاسلها الجانبية عائلات: غير قطبية (الألانين، $\ce{R = CH3}$ ؛ والفينيل ألانين، $\ce{R = CH2C6H5}$ )، وقطبية، وحمضية (حمضا الأسبارتيك والغلوتاميك، بمجموعة كربوكسيلية ثانية) وقاعدية (الليسين، بمجموعة أمينية ثانية؛ والهستيدين، بحلقة إيميدازول).

قضية 30.2 (نقطة التعادل الكهربائي)

من أجل حمض أميني سلسلته الجانبية ليست حمضية ولا قاعدية، $\mathrm{pI} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ ، حيث $\mathrm pK_{a1}$ للمجموعة الكربوكسيلية و $\mathrm pK_{a2}$ لمجموعة الأمونيوم. ومن أجل سلسلة جانبية حمضية أو قاعدية، تكون pI متوسط قيمتي $\mathrm pK_a$ اللتين تحيطان بالصورة المتعادلة.

برهان. لنكتب $\ce{H2A+}$ للكاتيون، و $\ce{HA}$ للأيون المزدوج الشحنة و $\ce{A-}$ للأنيون. تنعدم الشحنة الصافية حين $[\ce{H2A+}] = [\ce{A-}]$ . ومن $K_{a1} = [\ce{HA}]h/[\ce{H2A+}]$ و $K_{a2} = [\ce{A-}]h/[\ce{HA}]$ ، مع $h = [\ce{H3O+}]$ ، تكون النسبة $[\ce{H2A+}]/[\ce{A-}] = h^2/(K_{a1}K_{a2})$ مساوية 1 من أجل $h^2 = K_{a1}K_{a2}$ ، أي $\mathrm{pH} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ . ومع مجموعة ثالثة قابلة للتأين ينطبق التعليل نفسه على التوازنين الواقعين على جانبي الصورة المتعادلة، إذ تكون المجموعة الثالثة حينئذ كليًا في حالة واحدة. ∎

من أجل الغليسين، $\mathrm pK_{a1} = 2.35$ و $\mathrm pK_{a2} = 9.78$ : pI $\approx 6.1$ . ولحمض الأسبارتيك (2.0، 3.9، 9.9) pI $\approx 3.0$ ؛ ولليسين (2.2، 9.1، 10.7) pI $\approx 9.9$ .

يمينًا: الشحنة الصافية لثلاثة أحماض أمينية بدلالة pH، انطلاقًا من قيم pK_a لها عند 25 C؛ وكل منحنى يقطع الصفر عند pI. يسارًا: صور الغليسين الثلاث، H3N+CH2COOH وH3N+CH2COO- وH2NCH2COO-؛ ويسود الأيون المزدوج الشحنة من نحو pH 3 إلى pH 9. — يمينًا: الشحنة الصافية لثلاثة أحماض أمينية بدلالة pH، انطلاقًا من قيم $\mathrm pK_a$ لها عند $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ وكل منحنى يقطع الصفر عند pI. يسارًا: صور الغليسين الثلاث، $\ce{H3N+CH2COOH}$ و $\ce{H3N+CH2COO-}$ و $\ce{H2NCH2COO-}$ ؛ ويسود الأيون المزدوج الشحنة من نحو pH 3 إلى pH 9.

طريقة 30.3 (الشحنة الصافية عند pH معلوم)

عدّد كل مجموعة قابلة للتأين مع $\mathrm pK_a$ لها: $\ce{NH3+}$ و $\ce{COOH}$ الطرفيتين، والسلاسل الجانبية القابلة للتأين.
لكل مجموعة، قارن pH و $\mathrm pK_a$ : تكون المجموعة مبرتنة في الغالب تحت $\mathrm pK_a$ لها، ومنزوعة البروتون في الغالب فوقها (وبأكثر من وحدة واحدة: فوق 90 %).
اجمع الشحنات: $\ce{NH3+}$ $+1$ ، $\ce{NH2}$ 0، $\ce{COOH}$ 0، $\ce{COO-}$ $-1$ (الإيميدازوليوم $+1$ ).
قرب $\mathrm pK_a$ ما، احسب تلك المجموعة نصف مشحونة؛ وللحصول على قيمة مضبوطة، استعمل الكسور $1/(1 + 10^{\mathrm pK_a - \mathrm{pH}})$ .

30.2 الببتيدات

تعريف 30.4 (الببتيدات)

رابطة الأميد المتكوّنة بين المجموعة الكربوكسيلية لحمض أميني والمجموعة الأمينية لآخر هي رابطة ببتيدية؛ وسلسلة الأحماض الأمينية الموصولة بروابط ببتيدية هي ببتيد (وبروتين حين تكون طويلة)، يُكتب من طرفه الأميني الحر (الطرف N) إلى طرفه الكربوكسيلي الحر (الطرف C). والاقتران الببتيدي يكوّن رابطة ببتيدية في المختبر بواسطة عامل اقتران، وهو كاشف يحوّل المجموعة الكربوكسيلية إلى مشتق منشط في ظروف لطيفة (كربوديإيميد، مثلًا).

بنيتا الرنين للرابطة الببتيدية. يتقاسم الزوج الحر للنيتروجين مع الكربونيل: فللرابطة C-N طابع جزئي لرابطة مزدوجة، وتقع الذرات الست C وC وO وN وH وC في مستوٍ واحد. — بنيتا الرنين للرابطة الببتيدية. يتقاسم الزوج الحر للنيتروجين مع الكربونيل: فللرابطة $\ce{C-N}$ طابع جزئي لرابطة مزدوجة، وتقع الذرات الست C وC وO وN وH وC في مستوٍ واحد.

قضية 30.5 (رابطة مستوية)

الرابطة الببتيدية مستوية، والدوران حول الرابطة $\ce{C-N}$ مقيد، ونيتروجين الأميد ليس قاعديًا ولا محبًا للنواة.

تعليل. بنية الرنين الثانية تعطي الرابطة $\ce{C-N}$ نصيبًا من طابع الرابطة المزدوجة: فتدويرها يقطع تداخل الزوج الحر للنيتروجين مع نظام $\pi$ في $\ce{C=O}$ ، وهو ما يكلف طاقة، فتبقى الذرات المحيطة بها في مستوٍ واحد، والترتيب trans (كربونا السلسلة في جهتين متقابلتين من الرابطة $\ce{C-N}$ ) هو المعتاد. والزوج الحر المنخرط في الرنين غير متاح لبروتون أو لمحب للإلكترونات، كما في كل أميد (الفصل 24). وتنطوي البروتينات حول سلاسل من هذه المستويات الصلبة. ∎

قضية 30.6 (لماذا الحماية والتنشيط)

يتطلب صنع ثنائي ببتيد معيّن من حمضين أمينيين حماية المجموعات التي يجب ألا تتفاعل وتنشيط المجموعة الكربوكسيلية التي يجب أن تتفاعل.

تعليل. الحمض الكربوكسيلي والأمين المخلوطان في درجة حرارة الغرفة يعطيان ملحًا، لا أميدًا؛ والتسخين لطرد الماء كان سيحوّل الأحماض الأمينية أيضًا إلى راسيمية. فيلزم التنشيط (كلوريد أسيل، أو أنهيدريد، أو عامل اقتران). لكن لكل حمض أميني المجموعتين كلتيهما: فتنشيط خليط من الغليسين والألانين كان سيعطي Gly–Ala وAla–Gly وGly–Gly وAla–Ala وسلاسل أطول. وحجب أمين الأول وحمض الثاني لا يترك إلا رابطة واحدة ممكنة. ∎

طريقة 30.7 (تخليق ثنائي ببتيد)

احمِ المجموعة الأمينية للحمض الأميني الطرفي N (على هيئة كربامات، مثلًا مجموعة tert-بيوتوكسي كربونيل).
احمِ المجموعة الكربوكسيلية للحمض الأميني الطرفي C (على هيئة إستر ميثيلي أو بنزيلي)، وكل سلسلة جانبية تفاعلية.
نشّط المجموعة الكربوكسيلية الحرة بعامل اقتران وأضف الشريك المحمي: فتتكوّن رابطة ببتيدية واحدة.
أزل المجموعات الحامية، ويُفضَّل أن تكون مجموعة متعامدة (التعريف 28.7)؛ وللاستمرار، أزل حماية الأمين وحدها وكرر.

تكرار الدورة مرات كثيرة في المحلول كان سيتطلب تنقية عند كل خطوة. أما في التخليق على الطور الصلب، فتُربط السلسلة النامية بطرفها C إلى حبيبة بوليمرية؛ وتُغسل الكواشف الزائدة والنواتج الثانوية بعد كل اقتران، ويُقطع الببتيد المكتمل عن الحامل في النهاية.

بيض يُقلى. تنفك بروتينات البياض عن انطوائها بالتسخين وترتبط بعضها ببعض: فيتحول السائل الشفاف إلى صلب أبيض معتم. ولا تنكسر أي رابطة ببتيدية؛ فالتغير في طريقة انطواء السلاسل (رسم توضيحي).

30.3 الكربوهيدرات

تعريف 30.8 (D وL)

يُرسم السكر أو الحمض الأميني بإسقاط فيشر وكربونه الأكثر أكسدة في الأعلى. ويكون D إذا اتجهت مجموعة $\ce{OH}$ على المركز الفراغي الأبعد عن الأعلى (أو، في الحمض الأميني $\alpha$ ، مجموعة $\ce{NH2}$ على الكربون $\alpha$ ) إلى اليمين، وL إذا اتجهت إلى اليسار. وهذان الواصفان يقارنان الترتيبات الفراغية بترتيب الغليسرالدهيد؛ وليسا واصفي CIP.

تعريف 30.9 (السكريات الأحادية)

السكر الأحادي ألدهيد أو كيتون متعدد الهيدروكسيل، صيغته عادة $\ce{C_nH_{2n}O_n}$ مع $n$ من 3 إلى 7، لا يمكن حلمهته إلى سكريات أصغر. والألدوز له مجموعة ألدهيد عند C1، والكيتوز مجموعة كيتون، عند C2 عادة. والغلوكوز ألدوهكسوز، والفركتوز كيتوهكسوز.

في الماء يكون الألدوهكسوز حلقيًا كله تقريبًا: إذ تُضاف $\ce{OH}$ على C5 إلى الألدهيد، مكوّنة حلقة نصف أسيتال سداسية (بيرانوز). ويكوّن التحلق مركزًا فراغيًا جديدًا عند C1.

تعريف 30.10 (الأنوميرات)

في إسقاط هاورث تُرسم حلقة السكر الحلقي مسطحة، عمودية على الصفحة، وأكسجينها في الخلف إلى اليمين وبدائلها فوق الحلقة أو تحتها. وكربون نصف الأسيتال (C1 في الألدوز) هو الكربون الأنوميري؛ والترتيبان اللذان يمكن أن يتخذهما يعطيان متماكبين لامرآويين، هما الأنوميران: ففي سكر من السلسلة D تكون مجموعة $\ce{OH}$ الأنوميرية في $\alpha$ تحت الحلقة (مقابل $\ce{CH2OH}$ )، وفي $\beta$ فوقها. وفي الماء يتحول الأنوميران أحدهما إلى الآخر عبر السلسلة المفتوحة، وينجرف الدوران الضوئي لأنومير مذاب حديثًا نحو قيمة توازن: وهذا الدوران المتعدد.

الغلوكوز D. يمينًا: السلسلة المفتوحة بإسقاط فيشر، ومجموعة OH على C5 إلى اليمين (D). وفي الوسط وإلى اليسار: الأنوميران البيرانوزيان بإسقاط هاورث؛ فالمجموعات الواقعة يمين إسقاط فيشر تتجه إلى الأسفل، والواقعة يساره تتجه إلى الأعلى، وC5 يحمل CH2OH إلى الأعلى. ولا يختلف الأنوميران إلا عند C1. وأُغفلت الهيدروجينات على C2 إلى C5. — الغلوكوز D. يمينًا: السلسلة المفتوحة بإسقاط فيشر، ومجموعة $\ce{OH}$ على C5 إلى اليمين (D). وفي الوسط وإلى اليسار: الأنوميران البيرانوزيان بإسقاط هاورث؛ فالمجموعات الواقعة يمين إسقاط فيشر تتجه إلى الأسفل، والواقعة يساره تتجه إلى الأعلى، وC5 يحمل $\ce{CH2OH}$ إلى الأعلى. ولا يختلف الأنوميران إلا عند C1. وأُغفلت الهيدروجينات على C2 إلى C5.

طريقة 30.11 (من فيشر إلى هاورث (ألدوبيرانوز D))

ارسم الحلقة وO في الخلف إلى اليمين، وC1 على اليمين، ثم C2 وC3 وC4 باتجاه عقارب الساعة على طول الأمام واليسار، وC5 في الخلف إلى اليسار.
المجموعات الواقعة على اليمين في إسقاط فيشر تتجه إلى الأسفل، والواقعة على اليسار إلى الأعلى.
على C5 (السلسلة D)، تتجه $\ce{CH2OH}$ إلى الأعلى.
على C1، تتجه $\ce{OH}$ إلى الأسفل في $\alpha$ ، وإلى الأعلى في $\beta$ .

قضية 30.12 (توازن الدوران المتعدد)

إذا كان الدورانان النوعيان للأنوميرين النقيين $[\alpha]_\alpha$ و $[\alpha]_\beta$ ودوران خليط التوازن $[\alpha]_{\mathrm{eq}}$ ، فإن الكسر المولي للأنومير $\alpha$ عند التوازن هو

x_\alpha = \frac{[\alpha]_{\mathrm{eq}} - [\alpha]_\beta}{[\alpha]_\alpha - [\alpha]_\beta}.

برهان. السلسلة المفتوحة جزء ضئيل من الخليط فتُهمل. وتتجمع دورانات الأنوميرين بنسبة تركيزيهما (قانون بيو، مجلد السنة الأولى)؛ وبما أن لهما الكتلة المولية نفسها، $[\alpha]_{\mathrm{eq}} = x_\alpha[\alpha]_\alpha + (1 - x_\alpha)[\alpha]_\beta$ ، التي تُحل لإيجاد $x_\alpha$ . ∎

للغلوكوز D عند التوازن في الماء $[\alpha] = +52.7$ (بوحدة ${}^{\circ}\,\mathrm{dm}^{-1}\,\mathrm{g}^{-1}\,\mathrm{mL}$ ). ومع دوراني الأنوميرين $+112$ و $+18.7$ (معطيات تمرين)، $x_\alpha = (52.7 - 18.7)/(112 - 18.7) \approx 0.36$ : أي نحو 36 % من $\alpha$ و64 % من $\beta$ . والأنومير $\beta$ ، الذي تكون كل بدائله استوائية في تشكّل الكرسي، هو الأكثر استقرارًا.

تعريف 30.13 (الغليكوزيدات)

الغليكوزيد هو الأسيتال المتكوّن حين تحل محل $\ce{OH}$ الأنوميرية لسكر مجموعة $\ce{OR}$ من كحول، غالبًا ما يكون سكرًا آخر؛ والرابطة من الكربون الأنوميري إلى ذلك الأكسجين هي الرابطة الغليكوزيدية. والسكر المختزل هو الذي يختزل المؤكسدات اللطيفة مثل محلول فهلنغ أو كاشف تولنز.

قضية 30.14 (مختزل أم لا)

السكر الذي فيه مجموعة نصف أسيتال (أو نصف كيتال) حرة مختزل؛ والغليكوزيد الذي تنخرط كل كربوناته الأنوميرية في روابط غليكوزيدية ليس كذلك.

تعليل. نصف الأسيتال في توازن مع السلسلة المفتوحة، التي يؤكسد الكاشف مجموعتها الألدهيدية؛ ثم يعيد التوازن فتح مزيد من الحلقات حتى يتفاعل السكر كله. أما الأسيتال فلا ينفتح في الماء المتعادل أو القاعدي: فيبقى الكربون الأنوميري مقفلًا، بلا ألدهيد يتأكسد. ∎

المالتوز (غلوكوزان، C1 لأحدهما مرتبط بالذرة O4 للآخر) يحتفظ بنصف أسيتال حر فهو مختزل؛ والسكروز يصل الكربونين الأنوميريين للغلوكوز والفركتوز أحدهما بالآخر فليس مختزلًا. والنشاء والسليلوز كلاهما سلسلتان من الغلوكوز موصولتان C1–O4: $\alpha$ في النشاء، الذي يلتف ويُهضم؛ و $\beta$ في السليلوز، الذي تتراص سلاسله المستقيمة في ألياف تمسكها الروابط الهيدروجينية.

30.4 الليبيدات

تعريف 30.15 (الليبيدات)

الحمض الدهني حمض كربوكسيلي ذو سلسلة طويلة غير متفرعة، من 12 إلى 22 كربونًا عادة، مشبعة أو ذات روابط مزدوجة (Z). وثلاثي الغليسريد هو الإستر الثلاثي للبروبان-1،2،3-تريول (الغليسرول) مع ثلاثة أحماض دهنية. والفوسفوليبيد إستر ثنائي للغليسرول مع حمضين دهنيين يحمل موضعه الثالث مجموعة فوسفات مرتبطة بمجموعة قطبية صغيرة.

الروابط المزدوجة (Z) تثني السلاسل، فتتراص حينئذ تراصًا رديئًا: فحمض الستياريك (18 كربونًا، مشبع) ينصهر عند $69{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، وحمض الأولييك (18 كربونًا، برابطة مزدوجة Z واحدة) عند $13{}^{\circ}\mathrm{C}$ . والدهون الغنية بالسلاسل المشبعة صلبة في درجة حرارة الغرفة؛ أما الزيوت، الغنية بالسلاسل غير المشبعة، فسائلة. وتتصبن ثلاثيات الغليسريد إلى غليسرول وصابون (الفصل 24).

طبقة فوسفوليبيدية ثنائية، رسم تخطيطي: تواجه الرؤوس القطبية الماء من الجانبين، وتلتقي الذيول الهيدروكربونية في الداخل. وتُبنى أغشية الخلايا على هذه البنية؛ أما الصابون، بذيل واحد لكل رأس، فيكوّن بدلًا من ذلك كريات صغيرة ذيولها في الداخل، تسمى المذيلات.

30.5 النوكليوتيدات

تعريف 30.16 (النوكليوتيدات)

القاعدة النووية حلقة غير متجانسة نيتروجينية: الأدينين (A) والغوانين (G)، وهما بيورينان؛ والسيتوزين (C) والثايمين (T) واليوراسيل (U)، وهي بيريميدينات. والنوكليوزيد قاعدة نووية مرتبطة بأحد نيتروجيناتها بالذرة C1 في الريبوز أو 2-ديوكسي ريبوز (غليكوزيد $N$ ). والنوكليوتيد إستر فوسفاتي لنوكليوزيد. وفي الأحماض النووية تتصل النوكليوتيدات بواسطة روابط فوسفاتية ثنائية الإستر: فمجموعة فوسفات واحدة تصل O3 لسكر بالذرة O5 للسكر التالي.

يستعمل DNA السكر 2-ديوكسي ريبوز والقواعد A وG وC وT؛ ويستعمل RNA الريبوز وU بدلًا من T. وللسلسلة اتجاه، من طرفها 5 $'$ إلى طرفها 3 $'$ ، والفوسفات، المتأينة عند الأس الهيدروجيني الفسيولوجي، تجعلها أنيونًا متعددًا. ويسير شريطا DNA في اتجاهين متعاكسين ويمسكهما معًا روابط هيدروجينية بين القواعد المتقابلة.

قضية 30.17 (تزاوج القواعد)

في DNA الثنائي الشريط، يتزاوج الأدينين مع الثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، والغوانين مع السيتوزين بواسطة ثلاث.

تعليل. الأزواج هي التي تتوافق حوافها بحيث تقابل المانحات ( $\ce{N-H}$ ) المستقبلات (أكسجين $\ce{C=O}$ ، ونيتروجين الحلقة) على المسافات الصحيحة، مع بيورين يقابل بيريميدينًا بحيث يكون لكل زوج العرض نفسه. يقدم A رابطة $\ce{N-H}$ (مجموعته الأمينية) و $\ce{N}$ حلقيًا؛ ويقدم T رابطة $\ce{C=O}$ ورابطة $\ce{N-H}$ : رابطتان. ويقدم G $\ce{C=O}$ و $\ce{N-H}$ و $\ce{N-H}$ (أمينية)؛ ويقدم C $\ce{N-H}$ (أمينية) و $\ce{N}$ و $\ce{C=O}$ : ثلاث روابط. ويبيّنها الشكل. ∎

زوجا القواعد في DNA. يسارًا: الثايمين والأدينين، رابطتان هيدروجينيتان (منقطتان). يمينًا: السيتوزين والغوانين، ثلاث. وR هو الديوكسي ريبوز لكل شريط؛ وتتجه مجموعتا R في كل زوج إلى الجهة نفسها، نحو العمودين الفقريين.

لمحة تاريخية — السكريات، 1891

حدد إميل فيشر، حتى سنة 1891، الترتيبات الفراغية للغلوكوز ومتماكباته، قبل أن يستطيع أي منهج فيزيائي رؤية جزيء: بتحويل السكريات بعضها إلى بعض وعدّ المتماكبات الفراغية الناتجة. والإسقاط الذي ابتكره لكتابتها ما زال يحمل اسمه. وصنع أيضًا أول ببتيدات صنعية، ونال جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1902. (صورة شخصية: أتيلييه فيكتوريا، برلين، نحو 1895، ملكية عامة؛ ويكيميديا كومنز.)

30.6 تمارين

تمرين 30.1 ★

ارسم الألانين على هيئة أيون مزدوج الشحنة، ثم الصورتين السائدتين عند pH 1 وعند pH 12.

حل

حل التمرين 30.1.

بين pH 3 و9، الأيون المزدوج الشحنة $\ce{H3N+-CH(CH3)-COO-}$ .
عند pH 1، الكاتيون $\ce{H3N+-CH(CH3)-COOH}$ .
عند pH 12، الأنيون $\ce{H2N-CH(CH3)-COO-}$ .

تمرين 30.2 ★

احسب نقطة التعادل الكهربائي للغليسين، ونقطة الألانين ( $\mathrm pK_a$ 2.35 و9.87).

حل

حل التمرين 30.2.

الغليسين: $(2.35 + 9.78)/2 \approx 6.1$ . الألانين: $(2.35 + 9.87)/2 \approx 6.1$ .

تمرين 30.3 ★

ارسم ثنائي الببتيد Ala–Gly وأحط رابطته الببتيدية بدائرة. بمَ يختلف عن Gly–Ala؟

حل

حل التمرين 30.3.

$\ce{H2N-CH(CH3)-CO-NH-CH2-COOH}$ : يقدم الألانين الطرف N، والغليسين الطرف C. أما Gly–Ala، $\ce{H2N-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH}$ ، فمتماكب بنيوي: المجموعة الأمينية الحرة فيه على الغليسين.

تمرين 30.4 ★

في إسقاط فيشر وفيه $\ce{COOH}$ في الأعلى والسلسلة الجانبية $\ce{CH2OH}$ في الأسفل، تتجه $\ce{NH2}$ في السيرين إلى اليسار. أهو D أم L؟ أعطِ واصف CIP له.

حل

حل التمرين 30.4.

$\ce{NH2}$ إلى اليسار: L. الأولويات $\ce{NH2}$ > $\ce{COOH}$ > $\ce{CH2OH}$ > $\ce{H}$ : فالسيرين L هو (S).

تمرين 30.5 ★★

أعطِ الشحنة الصافية للببتيد الثلاثي Lys–Gly–Asp عند pH 1 و7 و12.

حل

حل التمرين 30.5.

المجموعات: أمونيوم الطرف N (نحو 9)، والسلسلة الجانبية لليسين (10.7)، والسلسلة الجانبية للأسبارتات (3.9)، والمجموعة الكربوكسيلية للطرف C (نحو 2). عند pH 1: $+1 +1 + 0 + 0 = +2$ . وعند pH 7: $+1 +1 -1 -1 = 0$ . وعند pH 12: $0 + 0 - 1 - 1 = -2$ (فالسلسلة الجانبية لليسين، الواقعة 1.3 وحدة تحت pH 12، متعادلة في معظمها).

تمرين 30.6 ★★

لماذا يُستعمل عامل اقتران لتكوين رابطة ببتيدية، بدلًا من كلوريد أسيل الحمض الأميني المحمي المحضَّر بكلوريد الثيونيل والمسخَّن؟

حل

حل التمرين 30.6.

كلوريد الثيونيل والتسخين كانا سيهاجمان مجموعات أخرى أيضًا، والأهم أن كلوريد الأسيل الشديد التفاعلية للحمض الأميني يفقد ترتيبه الفراغي بسهولة (إذ يصير هيدروجين $\alpha$ حمضيًا): فيصير الببتيد راسيميًا جزئيًا. أما عامل الاقتران فينشط الحمض في درجة حرارة الغرفة، في ظروف لطيفة.

تمرين 30.7 ★★

يتحلق الفركتوز D عبر $\ce{OH}$ على C5 على كيتون C2. أعطِ حجم الحلقة وارسم $\beta$ -D-فركتوفورانوز بإسقاط هاورث.

حل

حل التمرين 30.7.

الذرة O5 مرتبطة بالذرة C2: حلقة من C2 وC3 وC4 وC5 وO، أي خمس ذرات (فورانوز). وبإسقاط هاورث، يكون O الحلقة في الخلف، وC2 على اليمين مع $\ce{CH2OH}$ (C1) إلى الأسفل و $\ce{OH}$ إلى الأعلى ( $\beta$ )؛ وعلى C3 $\ce{OH}$ إلى الأعلى (يسارًا في فيشر)، وعلى C4 $\ce{OH}$ إلى الأسفل، وC5 يحمل $\ce{CH2OH}$ (C6) إلى الأعلى.

تمرين 30.8 ★★

للأنوميرين النقيين للغالاكتوز D دورانان نوعيان $+150.7$ ( $\alpha$ ) و $+52.8$ ( $\beta$ ) ولخليط التوازن $+80.2$ (معطيات تمرين). احسب تركيب التوازن.

حل

حل التمرين 30.8.

$x_\alpha = (80.2 - 52.8)/(150.7 - 52.8) = 27.4/97.9 \approx 0.28$ : 28 % من $\alpha$ ، و72 % من $\beta$ .

تمرين 30.9 ★★

فسّر لماذا يختزل المالتوز محلول فهلنغ ولا يختزله السكروز، ولماذا يختزله السكروز بعد التسخين مع حمض مخفف.

حل

حل التمرين 30.9.

يحتفظ المالتوز بنصف أسيتال حر على غلوكوزه الثاني، ينفتح إلى ألدهيد: فهو مختزل. وفي السكروز ينخرط الكربونان الأنوميريان كلاهما في الرابطة الغليكوزيدية: فلا نصف أسيتال، ولا اختزال. والحمض المخفف يحلمه الرابطة الغليكوزيدية، وهي أسيتال: فيتحرر الغلوكوز والفركتوز، وكلاهما يختزل.

تمرين 30.10 ★★★

قرينة التصبّن لدهن هي كتلة هيدروكسيد البوتاسيوم، بوحدة mg، التي تصبّن 1 g منه. احسبها للتريولين، $\ce{C57H104O6}$ ، وفسّر لماذا تكون قيمتها أعلى للدهن ذي السلاسل الأقصر.

حل

حل التمرين 30.10.

التريولين، $885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، يستهلك ثلاثة $\ce{KOH}$ ( $56.105\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $3 \times 56.105/885.45 = 0.190$ g لكل g، أي قرينة تصبّن قدرها 190. والسلاسل الأقصر تعني كتلة مولية أصغر مع مجموعات الإستر الثلاث نفسها: فمولات أكثر من الدهن لكل غرام، وKOH أكثر.

تمرين 30.11 ★★★

خطط لتخليق Gly–Ala من الغليسين والألانين: المجموعات الحامية، والتنشيط، والاقتران، ونزع الحماية، مع زوج متعامد.

حل

حل التمرين 30.11.

احمِ أمين الغليسين على هيئة كربامات tert-بيوتوكسي كربونيل، وحمض الألانين على هيئة إستر ميثيلي. ثم اقرن بواسطة كربوديإيميد. ثم أزل الكربامات بالحمض والإستر بقاعدة مخففة (ظروف متعامدة، فيمكن تحرير أي من الطرفين وحده): Gly–Ala.

تمرين 30.12 ★★★

اكتب الشريط المتمم للشريط 5 $'$ -ATGCGT-3 $'$ ، ابتداءً من طرفه 5 $'$ ، وعُدّ الروابط الهيدروجينية التي تمسك الشريط المزدوج.

حل

حل التمرين 30.12.

5 $'$ -ACGCAT-3 $'$ (يُقرأ عكسيًا: A يتزاوج مع T، وG مع C). الأزواج: A–T، T–A، G–C، C–G، G–C، T–A: $3 \times 2 + 3 \times 3 = 15$ رابطة هيدروجينية.

30.7 مسألة: الأسبارتام

مسألة 30.1

مسألة نهاية الأسبوع — الحمضان الأمينيان وترتيباتهما الفراغية، وشحنة ثنائي الببتيد بدلالة pH، وتخليقه ومشكلة $\alpha$ / $\beta$ ، وحلمهته في مشروب غازي

الأسبارتام هو الإستر الميثيلي لثنائي الببتيد المتكوّن من المجموعة الكربوكسيلية $\alpha$ لحمض الأسبارتيك L مع المجموعة الأمينية للفينيل ألانين L. المعطيات: قيم $\mathrm pK_a$ لحمض الأسبارتيك 2.0 و3.9 و9.9 (قيم نموذجية لمجموعات ثنائي الببتيد). والكتل المولية ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011، H 1.008، N 14.007، O 15.999.

الجزء الأول — الحمضان الأمينيان.

سمِّ المركبات الثلاثة التي تحررها الحلمهة التامة للأسبارتام.
ارسم حمض الأسبارتيك L والفينيل ألانين L بإسقاط فيشر.
أعطِ واصف CIP لكل مركز فراغي.
كم متماكبًا فراغيًا للأسبارتام؟
ارسم الأسبارتام وعلّم الرابطة الببتيدية والإستر.
لماذا يكون الترتيب الفراغي لكل حمض أميني مهمًا للطعم الحلو؟

الجزء الثاني — الشحنة بدلالة pH.

عدّد المجموعات القابلة للتأين في الأسبارتام. لماذا لا يكون الطرف C إحداها؟
بالقيم النموذجية، أعطِ الشحنة الصافية عند pH 2.
السؤال نفسه عند pH 7.
السؤال نفسه عند pH 12.
قدّر نقطة التعادل الكهربائي في هذا النموذج.
لماذا تختلف قيم $\mathrm pK_a$ الحقيقية لثنائي الببتيد عن قيم حمض الأسبارتيك الحر؟

الجزء الثالث — التخليق.

لماذا لا يمكن ببساطة تسخين حمض الأسبارتيك مع الإستر الميثيلي للفينيل ألانين معًا؟
أي مجموعات حمض الأسبارتيك يجب حمايتها؟
ماذا يفعل عامل الاقتران بالمجموعة الكربوكسيلية الحرة؟
لحمض الأسبارتيك مجموعتان كربوكسيليتان. ماذا يتكوّن إذا اقترنت المجموعة الخطأ؟
اقترح حماية متعامدة لا تترك حرة إلا المجموعة الكربوكسيلية $\alpha$ ، وطريقة إزالتها.
لماذا يجب ألا يُترك الحمض الأميني المنشط طويلًا في ظروف قاعدية؟
اكتب تسلسل الخطوات.

الجزء الرابع — الحلمهة في مشروب غازي.

أي روابط الأسبارتام يمكن أن تُحلمه في مشروب حمضي؟ وأيها يتحلمه أولًا؟
أعطِ نواتج حلمهة الإستر وحده.
لماذا يكون مذاق المشروب القديم أقل حلاوة؟
احسب الكتلة المولية للأسبارتام، $\ce{C14H18N2O5}$ .
احسب كمية الأسبارتام في علبة تحوي $180\,\mathrm{mg}$ .
اذكر كتلة الميثانول المتحرر بالحلمهة التامة لكمية $180\,\mathrm{mg}$ من الأسبارتام.

حل

حل المسألة 30.1.

1. حمض الأسبارتيك L، والفينيل ألانين L والميثانول. 2. في كليهما، $\ce{COOH}$ في الأعلى، والسلسلة الجانبية في الأسفل ( $\ce{CH2COOH}$ ، $\ce{CH2C6H5}$ )، و $\ce{NH2}$ إلى اليسار. 3. (S) لكليهما. 4. مركزان فراغيان: أربعة متماكبات فراغية. 5. $\ce{H2N-CH(CH2COOH)-CO-NH-CH(CH2C6H5)-COOCH3}$ : الرابطة الببتيدية تصل البقيتين؛ والإستر هو $\ce{COOCH3}$ عند الطرف C. 6. مستقبلات الطعم كيرالية: فهي ترتبط بمتماكب فراغي واحد لا بصورته المرآوية ولا بمتماكباته اللامرآوية، كما قالت المقدمة. 7. $\ce{NH3+}$ للطرف N و $\ce{COOH}$ في السلسلة الجانبية لحمض الأسبارتيك؛ أما حمض الطرف C فإستر ميثيلي، بلا هيدروجين حمضي. 8. عند pH 2: $\ce{NH3+}$ ( $+1$ )، و $\ce{COOH}$ السلسلة الجانبية (0): $+1$ . 9. عند pH 7: $+1 - 1 = 0$ . 10. عند pH 12: $0 - 1 = -1$ . 11. بين قيمتي $\mathrm pK_a$ للمجموعتين اللتين تتغيران: $(3.9 + 9.9)/2 \approx 6.9$ . 12. في ثنائي الببتيد يحمل كربون الأمين أميدًا بدلًا من كربوكسيلات: فتتغير المجموعات والشحنات المجاورة، ومعها قيم $\mathrm pK_a$ (فأمونيوم الطرف N في الببتيد أكثر حموضة بوضوح من أمونيوم الحمض الأميني الحر). والنموذج يعطي الشكل، لا القيم المضبوطة. 13. الحمض والأمين يكوّنان ملحًا أولًا؛ والتسخين كان سيعطي خلائط (Asp–Asp، وسلاسل أطول، والمجموعة الكربوكسيلية الخطأ) ويحوّل المراكز الفراغية إلى راسيمية. 14. مجموعته الأمينية ومجموعة سلسلته الجانبية الكربوكسيلية. 15. يحوّل $\ce{OH}$ الحمض إلى مجموعة مغادرة جيدة، أي مشتق منشط يهاجمه الأمين في درجة حرارة الغرفة (استبدال أسيلي). 16. ثنائي الببتيد $\beta$ ، الموصول عبر السلسلة الجانبية: متماكب للأسبارتام، لا الأسبارتام. 17. الأمين على هيئة كربامات بنزيل أوكسي كربونيل والسلسلة الجانبية على هيئة إستر بنزيلي: يُزالان كلاهما معًا بالتحلل الهيدروجيني على البلاديوم، الذي يترك الإستر الميثيلي سليمًا (فهما متعامدان معه). 18. للحمض المنشط هيدروجين $\alpha$ حمضي؛ تنزعه القاعدة فيصير المركز الفراغي راسيميًا. 19. احمِ حمض الأسبارتيك (كربامات على N، وإستر بنزيلي على السلسلة الجانبية)؛ ثم نشّط $\ce{COOH}$ الحرة في الموضع $\alpha$ بعامل الاقتران؛ ثم أضف الإستر الميثيلي للفينيل ألانين L؛ ثم أجرِ التحلل الهيدروجيني. 20. الإستر الميثيلي والرابطة الببتيدية؛ والإستر أولًا، لأن الأميد أقل تفاعلية بكثير. 21. ثنائي الببتيد Asp–Phe (الحمض الحر) والميثانول. 22. الجزيء الحلو يُستهلك: ونواتج حلمهته لا تحل محله. 23. $14 \times 12.011 + 18 \times 1.008 + 2 \times 14.007 + 5 \times 15.999 = 294.307\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 24. $0.180/294.307 = 6.116 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$ ، أي $0.612\,\mathrm{mmol}$ . 25. جزيء ميثانول واحد لكل أسبارتام: $0.6116 \times 32.042 = \boldsymbol{\approx 19.6\,\mathrm{mg}}$ من الميثانول.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد