Kimia Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

30Biomolekul: Asam Amino, Gula, Lipid, dan Nukleotida

Sebuah pemanis yang lazim, jauh lebih manis daripada gula, terdiri atas dua asam amino yang disambungkan oleh satu ikatan amida, salah satunya dalam bentuk metil esternya: asam aspartat dan fenilalanina, keduanya dengan konfigurasi yang dipakai sel-sel hidup. Molekul-molekul kehidupan dibangun dari beberapa keluarga satuan kecil, yaitu asam amino, gula, asam lemak, dan nukleotida, yang disambungkan oleh reaksi-reaksi dari bab-bab sebelumnya: amida, asetal, ester. Bab ini membacanya seperti seorang kimiawan organik: gugus fungsi, stereokimia, perilaku asam–basa, dan reaksi-reaksi yang menyambung dan memotongnya.

Yang sudah kamu ketahui

Jilid Tahun 1: aturan CIP, proyeksi Fischer, kekiralan, hemiasetal dan asetal, $\mathrm pK_a$ dan diagram distribusi, molekul amfifilik, hukum Biot. Bab 24: amida, ester, saponifikasi, asam teraktivasi. Bab 23: amina sebagai basa. Bab 28: gugus pelindung dalam sebuah jalur.

30.1 Asam amino

Definisi 30.1 (Asam amino)

Sebuah asam $\alpha$ -amino $\ce{H2N-CHR-COOH}$ membawa gugus amino dan gugus asam karboksilat pada karbon yang sama; $\ce{R}$ adalah rantai samping-nya. Dalam air di sekitar pH netral, asam amino berada sebagai zwitterion, $\ce{H3N+-CHR-COO-}$ , yang membawa satu muatan positif dan satu muatan negatif. Yang disebut titik isoelektrik pI adalah pH tempat muatan bersih rata-ratanya nol.

Dua puluh asam amino membangun protein makhluk hidup. Semuanya kecuali glisina ( $\ce{R = H}$ ) bersifat kiral, dan yang alami mempunyai konfigurasi L (Definisi 30.8). Rantai sampingnya memilah asam-asam amino itu menjadi beberapa keluarga: nonpolar (alanina, $\ce{R = CH3}$ ; fenilalanina, $\ce{R = CH2C6H5}$ ), polar, asam (asam aspartat dan glutamat, dengan gugus karboksilat kedua) dan basa (lisina, dengan gugus amino kedua; histidina, dengan cincin imidazol).

Proposisi 30.2 (Titik isoelektrik)

Untuk asam amino dengan rantai samping yang tidak asam dan tidak basa, $\mathrm{pI} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ , dengan $\mathrm pK_{a1}$ milik gugus karboksilat dan $\mathrm pK_{a2}$ milik gugus amonium. Untuk rantai samping yang asam atau basa, pI adalah rata-rata kedua $\mathrm pK_a$ yang mengapit bentuk netral.

Bukti. Tuliskan $\ce{H2A+}$ untuk kation, $\ce{HA}$ untuk zwitterion, dan $\ce{A-}$ untuk anion. Muatan bersihnya nol jika $[\ce{H2A+}] = [\ce{A-}]$ . Dari $K_{a1} = [\ce{HA}]h/[\ce{H2A+}]$ dan $K_{a2} = [\ce{A-}]h/[\ce{HA}]$ , dengan $h = [\ce{H3O+}]$ , rasio $[\ce{H2A+}]/[\ce{A-}] = h^2/(K_{a1}K_{a2})$ sama dengan 1 untuk $h^2 = K_{a1}K_{a2}$ , yaitu $\mathrm{pH} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ . Dengan gugus terionkan ketiga, argumen yang sama berlaku untuk kedua kesetimbangan di kedua sisi bentuk netral, karena gugus ketiga itu lalu berada seluruhnya dalam satu keadaan. ∎

Untuk glisina, $\mathrm pK_{a1} = 2.35$ dan $\mathrm pK_{a2} = 9.78$ : pI $\approx 6.1$ . Asam aspartat (2.0, 3.9, 9.9) mempunyai pI $\approx 3.0$ ; lisina (2.2, 9.1, 10.7) mempunyai pI $\approx 9.9$ .

Kiri: muatan bersih tiga asam amino terhadap pH, dari pK_a-nya pada 25 C; setiap kurva memotong nol pada pI. Kanan: ketiga bentuk glisina, H3N+CH2COOH, H3N+CH2COO-, dan H2NCH2COO-; zwitterion dominan dari sekitar pH 3 sampai pH 9. — Kiri: muatan bersih tiga asam amino terhadap pH, dari $\mathrm pK_a$ -nya pada $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; setiap kurva memotong nol pada pI. Kanan: ketiga bentuk glisina, $\ce{H3N+CH2COOH}$ , $\ce{H3N+CH2COO-}$ , dan $\ce{H2NCH2COO-}$ ; zwitterion dominan dari sekitar pH 3 sampai pH 9.

Metode 30.3 (Muatan bersih pada pH tertentu)

Daftarlah setiap gugus terionkan beserta $\mathrm pK_a$ -nya: $\ce{NH3+}$ dan $\ce{COOH}$ ujung, serta rantai-rantai samping yang terionkan.
Untuk setiap gugus, bandingkan pH dan $\mathrm pK_a$ : sebuah gugus sebagian besar terprotonasi di bawah $\mathrm pK_a$ -nya, sebagian besar terdeprotonasi di atasnya (dengan selisih lebih dari 1 satuan: lebih dari 90 %).
Jumlahkan muatannya: $\ce{NH3+}$ $+1$ , $\ce{NH2}$ 0, $\ce{COOH}$ 0, $\ce{COO-}$ $-1$ (imidazolium $+1$ ).
Di dekat sebuah $\mathrm pK_a$ , hitunglah gugus itu bermuatan separuh; untuk nilai yang eksak, pakailah fraksi $1/(1 + 10^{\mathrm pK_a - \mathrm{pH}})$ .

30.2 Peptida

Definisi 30.4 (Peptida)

Ikatan amida yang terbentuk antara gugus karboksilat sebuah asam amino dan gugus amino asam amino lain disebut ikatan peptida; rantai asam amino yang disambungkan oleh ikatan-ikatan peptida disebut peptida (protein jika panjang), yang ditulis dari ujung amino bebasnya (ujung-N) sampai ujung karboksilat bebasnya (ujung-C). Yang disebut kopling peptida membentuk ikatan peptida di laboratorium dengan sebuah pereaksi kopling, yaitu pereaksi yang mengubah gugus karboksilat menjadi turunan teraktivasi dalam kondisi lunak (misalnya sebuah karbodiimida).

Kedua struktur resonansi ikatan peptida. Pasangan elektron bebas nitrogen dipakai bersama dengan karbonil: ikatan C-N mempunyai sifat ikatan rangkap parsial, dan keenam atom C, C, O, N, H, C terletak pada satu bidang. — Kedua struktur resonansi ikatan peptida. Pasangan elektron bebas nitrogen dipakai bersama dengan karbonil: ikatan $\ce{C-N}$ mempunyai sifat ikatan rangkap parsial, dan keenam atom C, C, O, N, H, C terletak pada satu bidang.

Proposisi 30.5 (Ikatan yang planar)

Ikatan peptida bersifat planar, rotasi pada ikatan $\ce{C-N}$ terhambat, dan nitrogen amida tidak bersifat basa dan tidak nukleofilik.

Argumen. Struktur resonansi kedua memberi ikatan $\ce{C-N}$ sebagian sifat ikatan rangkap: memutarnya akan memutus tumpang-tindih pasangan elektron bebas nitrogen dengan sistem $\pi$ $\ce{C=O}$ , yang memerlukan energi, sehingga atom-atom di sekitarnya tetap berada pada satu bidang, dengan susunan trans (kedua karbon rantai pada sisi ikatan $\ce{C-N}$ yang berseberangan) sebagai susunan yang lazim. Pasangan elektron bebas yang terlibat dalam resonansi tidak tersedia bagi proton atau elektrofil, seperti pada setiap amida (Bab 24). Protein melipat di sekitar rantai-rantai bidang kaku ini. ∎

Proposisi 30.6 (Mengapa melindungi dan mengaktifkan)

Membuat satu dipeptida tertentu dari dua asam amino memerlukan perlindungan gugus-gugus yang tidak boleh bereaksi sekaligus aktivasi gugus karboksilat yang harus bereaksi.

Argumen. Asam karboksilat dan amina yang dicampur pada suhu kamar menghasilkan garam, bukan amida; pemanasan untuk mengusir air juga akan merasemisasi asam-asam amino itu. Karena itu diperlukan aktivasi (asil klorida, anhidrida, atau pereaksi kopling). Tetapi setiap asam amino mempunyai kedua gugus itu: mengaktifkan campuran glisina dan alanina akan menghasilkan Gly–Ala, Ala–Gly, Gly–Gly, Ala–Ala, dan rantai-rantai yang lebih panjang. Memblokir amina asam amino pertama dan asam asam amino kedua hanya menyisakan satu ikatan yang mungkin. ∎

Metode 30.7 (Sintesis sebuah dipeptida)

Lindungi gugus amino asam amino ujung-N (sebagai karbamat, misalnya gugus tert-butoksikarbonil).
Lindungi gugus karboksilat asam amino ujung-C (sebagai metil atau benzil ester), dan setiap rantai samping yang reaktif.
Aktifkan gugus karboksilat yang bebas dengan pereaksi kopling dan tambahkan pasangan yang terlindungi: satu ikatan peptida terbentuk.
Lepaskan gugus-gugus pelindungnya, sebaiknya sehimpunan gugus ortogonal (Definisi 28.7); untuk melanjutkan, lepaskan hanya pelindung amina dan ulangi.

Mengulangi siklus itu berkali-kali dalam larutan akan memerlukan pemurnian pada setiap tahap. Dalam sintesis fase padat, rantai yang sedang tumbuh ditambatkan melalui ujung-C-nya pada sebutir manik polimer; pereaksi berlebih dan produk samping dicuci setelah setiap kopling, dan peptida yang sudah jadi dipotong dari penyangganya di akhir.

Telur yang sedang digoreng. Protein-protein putih telur membuka lipatannya pada pemanasan dan saling berikatan: cairan yang tembus cahaya berubah menjadi padatan putih yang opak. Tidak ada ikatan peptida yang putus; perubahannya terletak pada cara rantai-rantai itu terlipat (ilustrasi).

30.3 Karbohidrat

Definisi 30.8 (D dan L)

Gula atau asam amino digambar dalam proyeksi Fischer dengan karbonnya yang paling teroksidasi di atas. Senyawa itu D jika $\ce{OH}$ pada pusat stereogenik yang paling jauh dari atas (atau, untuk asam $\alpha$ -amino, $\ce{NH2}$ pada karbon $\alpha$ ) mengarah ke kanan, dan L jika mengarah ke kiri. Deskriptor ini membandingkan konfigurasi dengan konfigurasi gliseraldehida; deskriptor ini bukan deskriptor CIP.

Definisi 30.9 (Monosakarida)

Yang disebut monosakarida adalah aldehida atau keton polihidroksi, biasanya $\ce{C_nH_{2n}O_n}$ dengan $n$ dari 3 sampai 7, yang tidak dapat dihidrolisis menjadi gula yang lebih kecil. Sebuah aldosa mempunyai gugus aldehida pada C1, sebuah ketosa mempunyai gugus keton, biasanya pada C2. Glukosa adalah aldoheksosa, fruktosa ketoheksosa.

Dalam air, aldoheksosa hampir seluruhnya berbentuk siklik: $\ce{OH}$ pada C5 beradisi pada aldehida dan membentuk cincin hemiasetal beranggota enam (piranosa). Siklisasi itu menciptakan pusat stereogenik baru pada C1.

Definisi 30.10 (Anomer)

Dalam proyeksi Haworth, cincin gula siklik digambar datar, tegak lurus halaman, dengan oksigennya di belakang kanan dan substituen-substituennya di atas atau di bawah cincin. Karbon hemiasetal (C1 sebuah aldosa) disebut karbon anomerik; kedua konfigurasi yang dapat diambilnya menghasilkan dua diastereoisomer, yaitu anomer: untuk gula D, $\alpha$ mempunyai $\ce{OH}$ anomerik di bawah cincin (berseberangan dengan $\ce{CH2OH}$ ), $\beta$ di atas. Dalam air, anomer-anomer saling berubah melalui rantai terbuka, dan rotasi optik anomer yang baru dilarutkan bergeser menuju nilai kesetimbangan: mutarotasi.

D-Glukosa. Kiri: rantai terbuka dalam proyeksi Fischer, OH pada C5 di kanan (D). Tengah dan kanan: kedua anomer piranosa dalam proyeksi Haworth; gugus-gugus di sebelah kanan proyeksi Fischer mengarah ke bawah, gugus-gugus di sebelah kiri mengarah ke atas, dan C5 membawa CH2OH ke atas. Kedua anomer hanya berbeda pada C1. Hidrogen-hidrogen pada C2 sampai C5 tidak digambar. — D-Glukosa. Kiri: rantai terbuka dalam proyeksi Fischer, $\ce{OH}$ pada C5 di kanan (D). Tengah dan kanan: kedua anomer piranosa dalam proyeksi Haworth; gugus-gugus di sebelah kanan proyeksi Fischer mengarah ke bawah, gugus-gugus di sebelah kiri mengarah ke atas, dan C5 membawa $\ce{CH2OH}$ ke atas. Kedua anomer hanya berbeda pada C1. Hidrogen-hidrogen pada C2 sampai C5 tidak digambar.

Metode 30.11 (Dari Fischer ke Haworth (D-aldopiranosa))

Gambarlah cincin dengan O di belakang kanan, C1 di kanan, lalu C2, C3, C4 searah jarum jam di sepanjang bagian depan dan kiri, C5 di belakang kiri.
Gugus-gugus di sebelah kanan dalam proyeksi Fischer mengarah ke bawah, gugus-gugus di sebelah kiri mengarah ke atas.
Pada C5 (deret D), $\ce{CH2OH}$ mengarah ke atas.
Pada C1, $\ce{OH}$ mengarah ke bawah untuk $\alpha$ , ke atas untuk $\beta$ .

Proposisi 30.12 (Kesetimbangan mutarotasi)

Jika rotasi spesifik anomer-anomer murni adalah $[\alpha]_\alpha$ dan $[\alpha]_\beta$ dan rotasi spesifik campuran kesetimbangan adalah $[\alpha]_{\mathrm{eq}}$ , fraksi mol anomer $\alpha$ pada kesetimbangan adalah

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

Bukti. Rantai terbuka hanya merupakan fraksi yang sangat kecil dari campuran dan diabaikan. Rotasi kedua anomer saling menjumlah sebanding dengan konsentrasinya (hukum Biot, jilid Tahun 1); karena keduanya mempunyai massa molar yang sama, $[\alpha]_{\mathrm{eq}} = x_\alpha[\alpha]_\alpha + (1 - x_\alpha)[\alpha]_\beta$ , yang diselesaikan untuk $x_\alpha$ . ∎

D-Glukosa dalam kesetimbangan di dalam air mempunyai $[\alpha] = +52.7$ (dalam ${}^{\circ}\,\mathrm{dm}^{-1}\,\mathrm{g}^{-1}\,\mathrm{mL}$ ). Dengan rotasi anomer $+112$ dan $+18.7$ (data latihan), $x_\alpha = (52.7 - 18.7)/(112 - 18.7) \approx 0.36$ : sekitar 36 % $\alpha$ dan 64 % $\beta$ . Anomer $\beta$ , dengan semua substituennya ekuatorial pada konformasi kursi, adalah yang lebih stabil.

Definisi 30.13 (Glikosida)

Yang disebut glikosida adalah asetal yang terbentuk ketika $\ce{OH}$ anomerik sebuah gula digantikan oleh gugus $\ce{OR}$ dari sebuah alkohol, sering gula lain; ikatan dari karbon anomerik ke oksigen itu adalah ikatan glikosidik. Yang disebut gula pereduksi adalah gula yang mereduksi pengoksidasi lunak seperti larutan Fehling atau pereaksi Tollens.

Proposisi 30.14 (Pereduksi atau tidak)

Gula dengan gugus hemiasetal (atau hemiketal) bebas bersifat pereduksi; glikosida yang semua karbon anomeriknya terlibat dalam ikatan glikosidik tidak.

Argumen. Hemiasetal berada dalam kesetimbangan dengan rantai terbuka, yang gugus aldehidanya dioksidasi oleh pereaksi; kesetimbangan itu lalu membuka lebih banyak cincin sampai seluruh gula bereaksi. Asetal tidak terbuka dalam air netral atau basa: karbon anomeriknya tetap terkunci, tanpa aldehida yang dapat dioksidasi. ∎

Maltosa (dua glukosa, C1 yang satu terikat pada O4 yang lain) mempertahankan satu hemiasetal bebas dan bersifat pereduksi; sukrosa menyambungkan karbon anomerik glukosa dan fruktosa satu sama lain dan tidak bersifat pereduksi. Pati dan selulosa sama-sama merupakan rantai glukosa yang tersambung C1–O4: $\alpha$ dalam pati, yang melingkar dan dapat dicerna; $\beta$ dalam selulosa, yang rantai-rantainya lurus dan tersusun menjadi serat yang ditahan oleh ikatan hidrogen.

30.4 Lipid

Definisi 30.15 (Lipid)

Yang disebut asam lemak adalah asam karboksilat dengan rantai panjang tak bercabang, biasanya berkarbon 12 sampai 22, jenuh atau dengan ikatan rangkap (Z). Yang disebut trigliserida adalah triester propana-1,2,3-triol (gliserol) dengan tiga asam lemak. Yang disebut fosfolipid adalah diester gliserol dengan dua asam lemak yang posisi ketiganya membawa gugus fosfat yang terikat pada gugus polar kecil.

Ikatan-ikatan rangkap (Z) membengkokkan rantai-rantai, yang lalu tersusun kurang rapat: asam stearat (18 karbon, jenuh) meleleh pada $69{}^{\circ}\mathrm{C}$ , asam oleat (18 karbon, satu ikatan rangkap Z) pada $13{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Lemak yang kaya akan rantai jenuh berwujud padat pada suhu kamar; minyak, yang kaya akan rantai tak jenuh, berwujud cair. Trigliserida disabunkan menjadi gliserol dan sabun (Bab 24).

Lapisan ganda fosfolipid, skematis: kepala-kepala polar menghadap air di kedua sisi, ekor-ekor hidrokarbon bertemu di bagian dalam. Membran sel dibangun di atas struktur ini; sabun, dengan satu ekor per kepala, justru membentuk bola-bola kecil dengan ekor di dalam, yang disebut misel.

30.5 Nukleotida

Definisi 30.16 (Nukleotida)

Yang disebut basa nukleat adalah heterosiklik nitrogen: adenina (A) dan guanina (G), purina; sitosina (C), timina (T), dan urasil (U), pirimidina. Yang disebut nukleosida adalah basa nukleat yang terikat melalui sebuah nitrogen pada C1 ribosa atau 2-deoksiribosa ( $N$ -glikosida). Yang disebut nukleotida adalah ester fosfat sebuah nukleosida. Dalam asam nukleat, nukleotida-nukleotida disambungkan oleh ikatan fosfodiester: satu fosfat menghubungkan O3 sebuah gula dengan O5 gula berikutnya.

DNA memakai 2-deoksiribosa dan basa A, G, C, T; RNA memakai ribosa dan U sebagai pengganti T. Rantainya mempunyai arah, dari ujung 5 $'$ ke ujung 3 $'$ -nya, dan gugus-gugus fosfat, yang terionisasi pada pH fisiologis, membuatnya menjadi polianion. Dua untai DNA berjalan dalam arah yang berlawanan dan ditahan bersama oleh ikatan hidrogen antara basa-basa yang saling berhadapan.

Proposisi 30.17 (Pasangan basa)

Dalam DNA untai ganda, adenina berpasangan dengan timina melalui dua ikatan hidrogen, dan guanina dengan sitosina melalui tiga.

Argumen. Pasangan-pasangan itu adalah pasangan yang tepinya mempertemukan donor ( $\ce{N-H}$ ) dengan akseptor (oksigen $\ce{C=O}$ , nitrogen cincin) pada jarak yang tepat, dengan purina berhadapan dengan pirimidina sehingga setiap pasangan mempunyai lebar yang sama. A menawarkan $\ce{N-H}$ (gugus aminonya) dan sebuah $\ce{N}$ cincin; T menawarkan $\ce{C=O}$ dan $\ce{N-H}$ : dua ikatan. G menawarkan $\ce{C=O}$ , $\ce{N-H}$ , dan $\ce{N-H}$ (amino); C menawarkan $\ce{N-H}$ (amino), $\ce{N}$ , dan $\ce{C=O}$ : tiga ikatan. Gambar memperlihatkannya. ∎

Kedua pasangan basa DNA. Kiri: timina dan adenina, dua ikatan hidrogen (bertitik). Kanan: sitosina dan guanina, tiga. R adalah deoksiribosa masing-masing untai; kedua gugus R sebuah pasangan mengarah ke sisi yang sama, ke arah kedua tulang punggung.

Sejarah — Gula, 1891

Emil Fischer, pada tahun 1891, telah menentukan konfigurasi glukosa dan isomer-isomernya, sebelum ada metode fisika yang dapat melihat molekul: dengan mengubah gula-gula satu menjadi yang lain dan menghitung stereoisomer yang diperoleh. Proyeksi yang ia ciptakan untuk menuliskannya masih menyandang namanya. Ia juga membuat peptida sintetis yang pertama, dan menerima Hadiah Nobel Kimia 1902. (Potret: Atelier Victoria, Berlin, sekitar 1895, domain publik; Wikimedia Commons.)

30.6 Latihan

Latihan 30.1 ★

Gambarlah alanina sebagai zwitterion, lalu bentuk-bentuk yang dominan pada pH 1 dan pada pH 12.

Solusi

Solusi Latihan 30.1.

Di antara pH 3 dan 9, zwitterion $\ce{H3N+-CH(CH3)-COO-}$ .
Pada pH 1, kation $\ce{H3N+-CH(CH3)-COOH}$ .
Pada pH 12, anion $\ce{H2N-CH(CH3)-COO-}$ .

Latihan 30.2 ★

Hitunglah titik isoelektrik glisina, dan titik isoelektrik alanina ( $\mathrm pK_a$ 2.35 dan 9.87).

Solusi

Solusi Latihan 30.2.

Glisina: $(2.35 + 9.78)/2 \approx 6.1$ . Alanina: $(2.35 + 9.87)/2 \approx 6.1$ .

Latihan 30.3 ★

Gambarlah dipeptida Ala–Gly dan lingkarilah ikatan peptidanya. Apa bedanya dengan Gly–Ala?

Solusi

Solusi Latihan 30.3.

$\ce{H2N-CH(CH3)-CO-NH-CH2-COOH}$ : alanina menyediakan ujung-N, glisina ujung-C. Gly–Ala, $\ce{H2N-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH}$ , adalah isomer konstitusi: gugus amino bebasnya berada pada glisina.

Latihan 30.4 ★

Dalam proyeksi Fischer dengan $\ce{COOH}$ di atas dan rantai samping $\ce{CH2OH}$ di bawah, $\ce{NH2}$ serina mengarah ke kiri. Apakah serina itu D atau L? Tuliskan deskriptor CIP-nya.

Solusi

Solusi Latihan 30.4.

$\ce{NH2}$ di kiri: L. Prioritas $\ce{NH2}$ > $\ce{COOH}$ > $\ce{CH2OH}$ > $\ce{H}$ : L-serina adalah (S).

Latihan 30.5 ★★

Tentukan muatan bersih tripeptida Lys–Gly–Asp pada pH 1, 7, dan 12.

Solusi

Solusi Latihan 30.5.

Gugus-gugus: amonium ujung-N (sekitar 9), rantai samping lisina (10.7), rantai samping aspartat (3.9), gugus karboksilat ujung-C (sekitar 2). pH 1: $+1 +1 + 0 + 0 = +2$ . pH 7: $+1 +1 -1 -1 = 0$ . pH 12: $0 + 0 - 1 - 1 = -2$ (rantai samping lisina, 1.3 satuan di bawah pH 12, sebagian besar netral).

Latihan 30.6 ★★

Mengapa pereaksi kopling dipakai untuk membentuk ikatan peptida, alih-alih asil klorida asam amino terlindungi yang dibuat dengan tionil klorida dan dipanaskan?

Solusi

Solusi Latihan 30.6.

Tionil klorida dan pemanasan juga akan menyerang gugus-gugus lain dan, terutama, asil klorida sebuah asam amino yang sangat reaktif mudah kehilangan konfigurasinya (hidrogen $\alpha$ -nya menjadi asam): peptida itu akan sebagian terasemisasi. Pereaksi kopling mengaktifkan asam pada suhu kamar, dalam kondisi lunak.

Latihan 30.7 ★★

D-Fruktosa mengalami siklisasi melalui $\ce{OH}$ C5-nya ke keton C2. Tentukan ukuran cincinnya dan gambarlah $\beta$ -D-fruktofuranosa dalam proyeksi Haworth.

Solusi

Solusi Latihan 30.7.

O5 terikat pada C2: cincin C2, C3, C4, C5, dan O, lima atom (sebuah furanosa). Dalam proyeksi Haworth, O cincin di belakang, C2 di kanan dengan $\ce{CH2OH}$ (C1) di bawah dan $\ce{OH}$ di atas ( $\beta$ ); $\ce{OH}$ C3 di atas (di kiri dalam proyeksi Fischer), $\ce{OH}$ C4 di bawah, C5 membawa $\ce{CH2OH}$ (C6) di atas.

Latihan 30.8 ★★

Anomer-anomer murni D-galaktosa mempunyai rotasi spesifik $+150.7$ ( $\alpha$ ) dan $+52.8$ ( $\beta$ ), dan campuran kesetimbangannya $+80.2$ (data latihan). Hitunglah komposisi kesetimbangannya.

Solusi

Solusi Latihan 30.8.

$x_\alpha = (80.2 - 52.8)/(150.7 - 52.8) = 27.4/97.9 \approx 0.28$ : 28 % $\alpha$ , 72 % $\beta$ .

Latihan 30.9 ★★

Jelaskan mengapa maltosa mereduksi larutan Fehling sedangkan sukrosa tidak, dan mengapa sukrosa mereduksinya setelah dipanaskan dengan asam encer.

Solusi

Solusi Latihan 30.9.

Maltosa mempertahankan satu hemiasetal bebas pada glukosa keduanya, yang terbuka menjadi aldehida: pereduksi. Dalam sukrosa, kedua karbon anomerik terlibat dalam ikatan glikosidik: tidak ada hemiasetal, bukan pereduksi. Asam encer menghidrolisis ikatan glikosidik, sebuah asetal: glukosa dan fruktosa dilepaskan, dan keduanya mereduksi.

Latihan 30.10 ★★★

Bilangan penyabunan sebuah lemak adalah massa kalium hidroksida, dalam mg, yang menyabunkan 1 g lemak itu. Hitunglah bilangan itu untuk triolein, $\ce{C57H104O6}$ , dan jelaskan mengapa lemak dengan rantai yang lebih pendek mempunyai nilai yang lebih tinggi.

Solusi

Solusi Latihan 30.10.

Triolein, $885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , memerlukan tiga $\ce{KOH}$ ( $56.105\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $3 \times 56.105/885.45 = 0.190$ g per g, yaitu bilangan penyabunan 190. Rantai yang lebih pendek berarti massa molar yang lebih kecil untuk tiga gugus ester yang sama: lebih banyak mol lemak per gram, lebih banyak KOH.

Latihan 30.11 ★★★

Rencanakan sintesis Gly–Ala dari glisina dan alanina: gugus pelindung, aktivasi, kopling, pelepasan perlindungan, dengan sepasang gugus ortogonal.

Solusi

Solusi Latihan 30.11.

Lindungi amina glisina sebagai karbamat tert-butoksikarbonil, dan asam alanina sebagai metil ester. Lakukan kopling dengan karbodiimida. Lepaskan karbamat dengan asam dan ester dengan basa encer (kondisi ortogonal, sehingga masing-masing ujung dapat dibebaskan sendiri): Gly–Ala.

Latihan 30.12 ★★★

Tuliskan untai yang komplementer dengan 5 $'$ -ATGCGT-3 $'$ , dari ujung 5 $'$ -nya, dan hitunglah ikatan-ikatan hidrogen yang menahan untai ganda itu.

Solusi

Solusi Latihan 30.12.

5 $'$ -ACGCAT-3 $'$ (dibaca antiparalel: A berpasangan dengan T, G dengan C). Pasangan: A–T, T–A, G–C, C–G, G–C, T–A: $3 \times 2 + 3 \times 3 = 15$ ikatan hidrogen.

30.7 Soal: Aspartam

Soal 30.1

Soal akhir pekan — kedua asam amino dan konfigurasinya, muatan dipeptida terhadap pH, sintesisnya dan masalah $\alpha$ / $\beta$ , serta hidrolisisnya dalam minuman ringan

Aspartam adalah metil ester dipeptida yang dibentuk oleh gugus $\alpha$ -karboksilat asam L-aspartat dengan gugus amino L-fenilalanina. Data: $\mathrm pK_a$ asam aspartat 2.0, 3.9, dan 9.9 (nilai model untuk gugus-gugus dipeptida). Massa molar ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999.

Bagian I — Kedua asam amino.

Sebutkan ketiga senyawa yang dilepaskan oleh hidrolisis sempurna aspartam.
Gambarlah asam L-aspartat dan L-fenilalanina dalam proyeksi Fischer.
Tuliskan deskriptor CIP setiap pusat stereogenik.
Berapa stereoisomer yang dimiliki aspartam?
Gambarlah aspartam dan tandailah ikatan peptida dan esternya.
Mengapa konfigurasi setiap asam amino penting bagi rasa manisnya?

Bagian II — Muatan terhadap pH.

Daftarlah gugus-gugus aspartam yang terionkan. Mengapa ujung-C tidak termasuk di antaranya?
Dengan nilai-nilai model, tentukan muatan bersih pada pH 2.
Hal yang sama pada pH 7.
Hal yang sama pada pH 12.
Perkirakan titik isoelektrik dalam model ini.
Mengapa nilai $\mathrm pK_a$ dipeptida yang sesungguhnya akan berbeda dari nilai asam aspartat bebas?

Bagian III — Sintesis.

Mengapa asam aspartat dan metil ester fenilalanina tidak dapat begitu saja dipanaskan bersama?
Gugus-gugus asam aspartat manakah yang harus dilindungi?
Apa yang dilakukan pereaksi kopling pada gugus karboksilat yang bebas?
Asam aspartat mempunyai dua gugus karboksilat. Apa yang terbentuk jika gugus yang salah yang dikopling?
Usulkan perlindungan ortogonal yang hanya membiarkan gugus $\alpha$ -karboksilat bebas, beserta pelepasannya.
Mengapa asam amino yang teraktivasi tidak boleh dibiarkan terlalu lama dalam kondisi basa?
Tuliskan urutan tahap-tahapnya.

Bagian IV — Hidrolisis dalam minuman ringan.

Ikatan-ikatan aspartam manakah yang dapat terhidrolisis dalam minuman yang asam? Manakah yang lebih dahulu?
Tuliskan produk-produk hidrolisis esternya saja.
Mengapa minuman yang sudah lama terasa kurang manis?
Hitunglah massa molar aspartam, $\ce{C14H18N2O5}$ .
Hitunglah jumlah aspartam dalam sebuah kaleng yang mengandung $180\,\mathrm{mg}$ .
Nyatakan massa metanol yang dilepaskan oleh hidrolisis sempurna $180\,\mathrm{mg}$ aspartam.

Solusi

Solusi Soal 30.1.

1. Asam L-aspartat, L-fenilalanina, dan metanol. 2. Pada keduanya, $\ce{COOH}$ di atas, rantai samping di bawah ( $\ce{CH2COOH}$ , $\ce{CH2C6H5}$ ), $\ce{NH2}$ di kiri. 3. (S) untuk keduanya. 4. Dua pusat stereogenik: empat stereoisomer. 5. $\ce{H2N-CH(CH2COOH)-CO-NH-CH(CH2C6H5)-COOCH3}$ : ikatan peptida menyambungkan kedua residu; esternya adalah $\ce{COOCH3}$ pada ujung-C. 6. Reseptor rasa bersifat kiral: reseptor itu mengikat satu stereoisomer dan tidak mengikat bayangan cerminnya atau diastereoisomer-diastereoisomernya, seperti disebutkan pada pembuka bab. 7. $\ce{NH3+}$ ujung-N dan $\ce{COOH}$ rantai samping asam aspartat; asam ujung-C berupa metil ester, tanpa hidrogen yang asam. 8. Pada pH 2: $\ce{NH3+}$ ( $+1$ ), $\ce{COOH}$ rantai samping (0): $+1$ . 9. Pada pH 7: $+1 - 1 = 0$ . 10. Pada pH 12: $0 - 1 = -1$ . 11. Di antara kedua $\mathrm pK_a$ gugus yang berubah: $(3.9 + 9.9)/2 \approx 6.9$ . 12. Dalam dipeptida, karbon amina membawa amida alih-alih karboksilat: gugus-gugus dan muatan-muatan di sekitarnya berubah, demikian pula $\mathrm pK_a$ -nya (amonium ujung-N sebuah peptida jelas lebih asam daripada amonium asam amino bebas). Model itu memberikan bentuk, bukan nilai yang eksak. 13. Asam dan amina mula-mula membentuk garam; pemanasan akan menghasilkan campuran (Asp–Asp, rantai yang lebih panjang, gugus karboksilat yang salah) dan merasemisasi pusat-pusat stereogenik. 14. Gugus aminonya dan gugus karboksilat rantai sampingnya. 15. Pereaksi itu mengubah $\ce{OH}$ asam menjadi gugus pergi yang baik, sebuah turunan teraktivasi yang diserang amina pada suhu kamar (substitusi asil). 16. $\beta$ -dipeptida, yang tersambung melalui rantai samping: sebuah isomer aspartam, bukan aspartam. 17. Amina sebagai karbamat benziloksikarbonil dan rantai samping sebagai benzil ester: keduanya dilepaskan bersama-sama melalui hidrogenolisis pada paladium, yang membiarkan metil ester tidak tersentuh (ortogonal terhadapnya). 18. Asam yang teraktivasi mempunyai hidrogen $\alpha$ yang asam; basa melepaskannya dan pusat stereogeniknya terasemisasi. 19. Lindungi asam aspartat (karbamat pada N, benzil ester pada rantai samping); aktifkan $\alpha$ - $\ce{COOH}$ yang bebas dengan pereaksi kopling; tambahkan metil ester L-fenilalanina; lakukan hidrogenolisis. 20. Metil ester dan ikatan peptida; ester lebih dahulu, karena amida jauh kurang reaktif. 21. Dipeptida Asp–Phe (asam bebas) dan metanol. 22. Molekul yang manis itu terpakai: produk-produk hidrolisisnya tidak menggantikannya. 23. $14 \times 12.011 + 18 \times 1.008 + 2 \times 14.007 + 5 \times 15.999 = 294.307\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 24. $0.180/294.307 = 6.116 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.612\,\mathrm{mmol}$ . 25. Satu metanol per aspartam: $0.6116 \times 32.042 = \boldsymbol{\approx 19.6\,\mathrm{mg}}$ metanol.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium