Universitaire scheikunde — jaar 2 · Bachelor Year 2

30Biomoleculen: aminozuren, suikers, lipiden en nucleotiden

Een gangbare zoetstof, veel zoeter dan suiker, bestaat uit twee aminozuren die door één enkele amidebinding verbonden zijn, waarvan er één als methylester voorkomt: asparaginezuur en fenylalanine, allebei met de configuratie die levende cellen gebruiken. De moleculen van het leven zijn opgebouwd uit een paar families van kleine eenheden, aminozuren, suikers, vetzuren en nucleotiden, verbonden door de reacties van de vorige hoofdstukken: amiden, acetalen, esters. Dit hoofdstuk leest ze zoals een organisch chemicus dat doet: functionele groepen, stereochemie, zuur-basegedrag, en de reacties die ze verbinden en doorknippen.

Wat je al weet

Het deel van jaar 1: CIP-regels, fischerprojecties, chiraliteit, hemiacetalen en acetalen, $\mathrm pK_a$ en verdelingsdiagrammen, amfifiele moleculen, de wet van Biot. Hoofdstuk 24: amiden, esters, verzeping, geactiveerde zuren. Hoofdstuk 23: aminen als basen. Hoofdstuk 28: beschermende groepen in een route.

30.1 Aminozuren

Definitie 30.1 (Aminozuren)

Een $\alpha$ -aminozuur $\ce{H2N-CHR-COOH}$ draagt een aminogroep en een carbonzuurgroep op hetzelfde koolstofatoom; $\ce{R}$ is zijn zijketen. In water bij ongeveer neutrale pH bestaat het als zwitterion, $\ce{H3N+-CHR-COO-}$ , met een positieve en een negatieve lading. Het iso-elektrisch punt pI is de pH waarbij zijn gemiddelde nettolading nul is.

Twintig aminozuren bouwen de eiwitten van levende wezens op. Allemaal behalve glycine ( $\ce{R = H}$ ) zijn ze chiraal, en de natuurlijke hebben de L-configuratie (Definitie 30.8). Hun zijketens delen ze in in families: apolair (alanine, $\ce{R = CH3}$ ; fenylalanine, $\ce{R = CH2C6H5}$ ), polair, zuur (asparaginezuur en glutaminezuur, met een tweede carbonzuurgroep) en basisch (lysine, met een tweede aminogroep; histidine, met een imidazoolring).

Propositie 30.2 (Iso-elektrisch punt)

Voor een aminozuur met een zijketen die zuur noch basisch is, geldt $\mathrm{pI} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ , waarin $\mathrm pK_{a1}$ bij de carbonzuurgroep hoort en $\mathrm pK_{a2}$ bij de ammoniumgroep. Bij een zure of basische zijketen is pI het gemiddelde van de twee $\mathrm pK_a$ die de neutrale vorm omsluiten.

Bewijs. Schrijf $\ce{H2A+}$ voor het kation, $\ce{HA}$ voor het zwitterion en $\ce{A-}$ voor het anion. De nettolading is nul wanneer $[\ce{H2A+}] = [\ce{A-}]$ . Uit $K_{a1} = [\ce{HA}]h/[\ce{H2A+}]$ en $K_{a2} = [\ce{A-}]h/[\ce{HA}]$ , met $h = [\ce{H3O+}]$ , volgt dat de verhouding $[\ce{H2A+}]/[\ce{A-}] = h^2/(K_{a1}K_{a2})$ gelijk is aan 1 voor $h^2 = K_{a1}K_{a2}$ , dus $\mathrm{pH} = (\mathrm pK_{a1} + \mathrm pK_{a2})/2$ . Met een derde ioniseerbare groep geldt dezelfde redenering voor de twee evenwichten aan weerszijden van de neutrale vorm, waarbij de derde groep dan volledig in één toestand verkeert. ∎

Voor glycine is $\mathrm pK_{a1} = 2.35$ en $\mathrm pK_{a2} = 9.78$ : pI $\approx 6.1$ . Asparaginezuur (2.0, 3.9, 9.9) heeft pI $\approx 3.0$ ; lysine (2.2, 9.1, 10.7) heeft pI $\approx 9.9$ .

Links: nettolading van drie aminozuren tegen de pH, uit hun pK_a bij 25 C; elke kromme snijdt nul bij de pI. Rechts: de drie vormen van glycine, H3N+CH2COOH, H3N+CH2COO- en H2NCH2COO-; het zwitterion overheerst van ongeveer pH 3 tot pH 9. — Links: nettolading van drie aminozuren tegen de pH, uit hun $\mathrm pK_a$ bij $25{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; elke kromme snijdt nul bij de pI. Rechts: de drie vormen van glycine, $\ce{H3N+CH2COOH}$ , $\ce{H3N+CH2COO-}$ en $\ce{H2NCH2COO-}$ ; het zwitterion overheerst van ongeveer pH 3 tot pH 9.

Methode 30.3 (Nettolading bij een gegeven pH)

Som elke ioniseerbare groep op met haar $\mathrm pK_a$ : de eindstandige $\ce{NH3+}$ en $\ce{COOH}$ , en de ioniseerbare zijketens.
Vergelijk voor elke groep pH en $\mathrm pK_a$ : een groep is grotendeels geprotoneerd onder haar $\mathrm pK_a$ , grotendeels gedeprotoneerd erboven (bij meer dan 1 eenheid verschil: meer dan 90 %).
Tel de ladingen op: $\ce{NH3+}$ $+1$ , $\ce{NH2}$ 0, $\ce{COOH}$ 0, $\ce{COO-}$ $-1$ (imidazolium $+1$ ).
Tel een groep dicht bij haar $\mathrm pK_a$ als half geladen; gebruik voor een exacte waarde de fracties $1/(1 + 10^{\mathrm pK_a - \mathrm{pH}})$ .

30.2 Peptiden

Definitie 30.4 (Peptiden)

De amidebinding die gevormd wordt tussen de carbonzuurgroep van een aminozuur en de aminogroep van een ander, is een peptidebinding; een keten van aminozuren die door peptidebindingen verbonden zijn, is een peptide (een eiwit als hij lang is), geschreven vanaf zijn vrije aminouiteinde (N-terminus) tot zijn vrije carbonzuuruiteinde (C-terminus). Een peptidekoppeling vormt een peptidebinding in het laboratorium met een koppelingsreagens, een reagens dat de carbonzuurgroep onder milde omstandigheden omzet in een geactiveerd derivaat (een carbodiimide, bijvoorbeeld).

De twee resonantiestructuren van de peptidebinding. Het vrije elektronenpaar van stikstof wordt gedeeld met de carbonylgroep: de binding C-N heeft een gedeeltelijk dubbelbindingskarakter, en de zes atomen C, C, O, N, H, C liggen in één vlak. — De twee resonantiestructuren van de peptidebinding. Het vrije elektronenpaar van stikstof wordt gedeeld met de carbonylgroep: de binding $\ce{C-N}$ heeft een gedeeltelijk dubbelbindingskarakter, en de zes atomen C, C, O, N, H, C liggen in één vlak.

Propositie 30.5 (Een vlakke binding)

De peptidebinding is vlak, de rotatie om de binding $\ce{C-N}$ is beperkt, en het amidestikstofatoom is basisch noch nucleofiel.

Redenering. De tweede resonantiestructuur geeft de binding $\ce{C-N}$ een deel dubbelbindingskarakter: haar draaien zou de overlap van het vrije elektronenpaar van stikstof met het $\pi$ -systeem van $\ce{C=O}$ verbreken, wat energie kost, zodat de atomen eromheen in één vlak blijven, met de trans-schikking (de twee ketenkoolstofatomen aan weerszijden van de binding $\ce{C-N}$ ) als de gebruikelijke. Het vrije elektronenpaar dat in de resonantie betrokken is, is niet beschikbaar voor een proton of een elektrofiel, zoals bij elk amide (Hoofdstuk 24). Eiwitten vouwen zich rond ketens van deze starre vlakken. ∎

Propositie 30.6 (Waarom beschermen en activeren)

Om één bepaald dipeptide uit twee aminozuren te maken, moet je zowel de groepen beschermen die niet mogen reageren als de carbonzuurgroep activeren die wel moet reageren.

Redenering. Een carbonzuur en een amine die bij kamertemperatuur gemengd worden, geven een zout, geen amide; verhitten om water af te drijven zou de aminozuren bovendien racemiseren. Activering (een acylchloride, een anhydride of een koppelingsreagens) is dus nodig. Maar elk aminozuur heeft beide groepen: een mengsel van glycine en alanine activeren zou Gly–Ala, Ala–Gly, Gly–Gly, Ala–Ala en langere ketens geven. Het amine van het eerste en het zuur van het tweede blokkeren laat maar één mogelijke binding over. ∎

Methode 30.7 (Synthese van een dipeptide)

Bescherm de aminogroep van het N-terminale aminozuur (als carbamaat, bijvoorbeeld een tert-butoxycarbonylgroep).
Bescherm de carbonzuurgroep van het C-terminale aminozuur (als methyl- of benzylester), en elke reactieve zijketen.
Activeer de vrije carbonzuurgroep met een koppelingsreagens en voeg de beschermde partner toe: er vormt zich één peptidebinding.
Verwijder de beschermende groepen, bij voorkeur een orthogonale set (Definitie 28.7); om verder te gaan, verwijder je alleen de bescherming van het amine en herhaal je.

De cyclus vele keren herhalen in oplossing zou bij elke stap een zuivering vragen. Bij de vastefasesynthese is de groeiende keten met haar C-terminus aan een polymeerbolletje vastgemaakt; overmaat reagentia en bijproducten worden na elke koppeling weggewassen, en het afgewerkte peptide wordt op het einde van de drager geknipt.

Eieren bakken. De eiwitten in het eiwit ontvouwen zich bij verhitten en binden aan elkaar: de doorschijnende vloeistof wordt een ondoorzichtige witte vaste stof. Er breekt geen enkele peptidebinding; de verandering zit in de manier waarop de ketens gevouwen zijn (illustratie).

30.3 Koolhydraten

Definitie 30.8 (D en L)

Een suiker of een aminozuur wordt in fischerprojectie getekend met zijn meest geoxideerde koolstofatoom bovenaan. Het is D als de $\ce{OH}$ op het stereocentrum dat het verst van de top ligt (of, voor een $\alpha$ -aminozuur, de $\ce{NH2}$ op het $\alpha$ -koolstofatoom) naar rechts wijst, en L als hij naar links wijst. De descriptoren vergelijken configuraties met die van glyceraldehyde; het zijn niet de CIP-descriptoren.

Definitie 30.9 (Monosachariden)

Een monosacharide is een polyhydroxyaldehyde of -keton, meestal $\ce{C_nH_{2n}O_n}$ met $n$ van 3 tot 7, dat niet tot kleinere suikers gehydrolyseerd kan worden. Een aldose heeft een aldehydegroep op C1, een ketose een ketongroep, meestal op C2. Glucose is een aldohexose, fructose een ketohexose.

In water is een aldohexose bijna volledig cyclisch: de $\ce{OH}$ op C5 addeert aan het aldehyde en vormt een zesledige hemiacetaalring (een pyranose). De cyclisatie creëert een nieuw stereocentrum op C1.

Definitie 30.10 (Anomeren)

In een haworthprojectie wordt de ring van een cyclische suiker plat getekend, loodrecht op de pagina, met zijn zuurstofatoom achteraan rechts en zijn substituenten boven of onder de ring. Het hemiacetaalkoolstofatoom (C1 van een aldose) is het anomere koolstofatoom; de twee configuraties die het kan aannemen, geven twee diastereo-isomeren, de anomeren: bij een D-suiker heeft $\alpha$ de anomere $\ce{OH}$ onder de ring (tegenover de $\ce{CH2OH}$ ), $\beta$ erboven. In water gaan de anomeren via de open keten in elkaar over, en de optische rotatie van een pas opgelost anomeer verschuift naar een evenwichtswaarde: mutarotatie.

D-Glucose. Links: de open keten in fischerprojectie, OH op C5 naar rechts (D). Midden en rechts: de twee pyranose-anomeren in haworthprojectie; de groepen rechts in de fischerprojectie wijzen omlaag, die links omhoog, en C5 draagt de CH2OH omhoog. De anomeren verschillen alleen op C1. De waterstofatomen op C2 tot C5 zijn weggelaten. — D-Glucose. Links: de open keten in fischerprojectie, $\ce{OH}$ op C5 naar rechts (D). Midden en rechts: de twee pyranose-anomeren in haworthprojectie; de groepen rechts in de fischerprojectie wijzen omlaag, die links omhoog, en C5 draagt de $\ce{CH2OH}$ omhoog. De anomeren verschillen alleen op C1. De waterstofatomen op C2 tot C5 zijn weggelaten.

Methode 30.11 (Van Fischer naar Haworth (D-aldopyranose))

Teken de ring met O achteraan rechts, C1 rechts, dan C2, C3, C4 met de klok mee langs de voorkant en links, C5 achteraan links.
Groepen rechts in de fischerprojectie gaan omlaag, groepen links gaan omhoog.
Op C5 (D-reeks) gaat de $\ce{CH2OH}$ omhoog.
Op C1 gaat de $\ce{OH}$ omlaag voor $\alpha$ , omhoog voor $\beta$ .

Propositie 30.12 (Mutarotatie-evenwicht)

Als de specifieke rotaties van de zuivere anomeren $[\alpha]_\alpha$ en $[\alpha]_\beta$ zijn en die van het evenwichtsmengsel $[\alpha]_{\mathrm{eq}}$ , dan is de molfractie van het $\alpha$ -anomeer bij evenwicht

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

Bewijs. De open keten is een heel kleine fractie van het mengsel en wordt verwaarloosd. De rotaties van de twee anomeren tellen op naar verhouding van hun concentraties (wet van Biot, deel van jaar 1); omdat ze dezelfde molaire massa hebben, is $[\alpha]_{\mathrm{eq}} = x_\alpha[\alpha]_\alpha + (1 - x_\alpha)[\alpha]_\beta$ , wat opgelost wordt naar $x_\alpha$ . ∎

D-Glucose heeft bij evenwicht in water $[\alpha] = +52.7$ (in ${}^{\circ}\,\mathrm{dm}^{-1}\,\mathrm{g}^{-1}\,\mathrm{mL}$ ). Met anomeerrotaties van $+112$ en $+18.7$ (gegevens voor de oefening) is $x_\alpha = (52.7 - 18.7)/(112 - 18.7) \approx 0.36$ : ongeveer 36 % $\alpha$ en 64 % $\beta$ . Het $\beta$ -anomeer, met al zijn substituenten equatoriaal in de stoel, is het stabielste.

Definitie 30.13 (Glycosiden)

Een glycoside is het acetaal dat ontstaat wanneer de anomere $\ce{OH}$ van een suiker vervangen wordt door een groep $\ce{OR}$ van een alcohol, vaak een andere suiker; de binding van het anomere koolstofatoom naar dat zuurstofatoom is de glycosidische binding. Een reducerende suiker is een suiker die milde oxidatoren zoals de oplossing van Fehling of het reagens van Tollens reduceert.

Propositie 30.14 (Reducerend of niet)

Een suiker met een vrije hemiacetaal- (of hemiketaal)groep is reducerend; een glycoside waarvan de anomere koolstofatomen allemaal in glycosidische bindingen betrokken zijn, is dat niet.

Redenering. Een hemiacetaal staat in evenwicht met de open keten, waarvan de aldehydegroep door het reagens geoxideerd wordt; het evenwicht opent dan meer ringen tot alle suiker gereageerd heeft. Een acetaal gaat in neutraal of basisch water niet open: het anomere koolstofatoom blijft vergrendeld, zonder aldehyde om te oxideren. ∎

Maltose (twee glucosen, C1 van de ene gebonden aan O4 van de andere) houdt één vrij hemiacetaal en is reducerend; sacharose verbindt de anomere koolstofatomen van glucose en fructose met elkaar en is dat niet. Zetmeel en cellulose zijn allebei ketens van glucose, verbonden C1–O4: $\alpha$ in zetmeel, dat zich oprolt en verteerd wordt; $\beta$ in cellulose, waarvan de rechte ketens zich tot vezels schikken die door waterstofbruggen bijeengehouden worden.

30.4 Lipiden

Definitie 30.15 (Lipiden)

Een vetzuur is een carbonzuur met een lange onvertakte keten, meestal van 12 tot 22 koolstofatomen, verzadigd of met (Z)-dubbele bindingen. Een triglyceride is de triester van propaan-1,2,3-triol (glycerol) met drie vetzuren. Een fosfolipide is een diester van glycerol met twee vetzuren waarvan de derde positie een fosfaatgroep draagt die aan een kleine polaire groep gebonden is.

De (Z)-dubbele bindingen buigen de ketens, die zich dan slecht stapelen: stearinezuur (18 koolstofatomen, verzadigd) smelt bij $69{}^{\circ}\mathrm{C}$ , oliezuur (18 koolstofatomen, één Z-dubbele binding) bij $13{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Vetten die rijk zijn aan verzadigde ketens zijn vast bij kamertemperatuur; oliën, rijk aan onverzadigde ketens, zijn vloeibaar. Triglyceriden worden verzeept tot glycerol en zepen (Hoofdstuk 24).

Een fosfolipidedubbellaag, schematisch: de polaire koppen zijn aan beide kanten naar het water gericht, de koolwaterstofstaarten ontmoeten elkaar binnenin. Celmembranen zijn op deze structuur gebouwd; zepen, met één staart per kop, vormen in plaats daarvan kleine bolletjes met de staarten binnenin, micellen genoemd.

30.5 Nucleotiden

Definitie 30.16 (Nucleotiden)

Een nucleobase is een stikstofheterocyclus: adenine (A) en guanine (G), purinen; cytosine (C), thymine (T) en uracil (U), pyrimidinen. Een nucleoside is een nucleobase die via een stikstofatoom gebonden is aan C1 van ribose of 2-desoxyribose (een $N$ -glycoside). Een nucleotide is een fosfaatester van een nucleoside. In nucleïnezuren zijn de nucleotiden verbonden door fosfodiësterbindingen: één fosfaat verbindt O3 van de ene suiker met O5 van de volgende.

DNA gebruikt 2-desoxyribose en de basen A, G, C, T; RNA gebruikt ribose en U in plaats van T. De keten heeft een richting, van haar 5 $'$ -uiteinde naar haar 3 $'$ -uiteinde, en de fosfaten, geïoniseerd bij fysiologische pH, maken er een polyanion van. Twee DNA-strengen lopen in tegengestelde richting en worden bijeengehouden door waterstofbruggen tussen basen die tegenover elkaar staan.

Propositie 30.17 (Basenparing)

In dubbelstrengs DNA paart adenine met thymine via twee waterstofbruggen, en guanine met cytosine via drie.

Redenering. De paren zijn die waarvan de randen donoren ( $\ce{N-H}$ ) tegenover acceptoren (zuurstof van $\ce{C=O}$ , ringstikstof) plaatsen op de juiste afstanden, met een purine tegenover een pyrimidine, zodat elk paar dezelfde breedte heeft. A biedt $\ce{N-H}$ (zijn aminogroep) en een ring- $\ce{N}$ ; T biedt $\ce{C=O}$ en $\ce{N-H}$ : twee bruggen. G biedt $\ce{C=O}$ , $\ce{N-H}$ en $\ce{N-H}$ (amino); C biedt $\ce{N-H}$ (amino), $\ce{N}$ en $\ce{C=O}$ : drie bruggen. De figuur toont ze. ∎

De twee basenparen van DNA. Links: thymine en adenine, twee waterstofbruggen (gestippeld). Rechts: cytosine en guanine, drie. R is de desoxyribose van elke streng; de twee groepen R van een paar wijzen naar dezelfde kant, naar de twee ruggengraten.

Geschiedenis — De suikers, 1891

Emil Fischer bepaalde tegen 1891 de configuraties van glucose en van zijn isomeren, nog voor enige fysische methode een molecuul kon zien: door suikers in elkaar om te zetten en de verkregen stereo-isomeren te tellen. De projectie die hij uitvond om ze op te schrijven, draagt nog altijd zijn naam. Hij maakte ook de eerste synthetische peptiden, en kreeg in 1902 de Nobelprijs voor de Scheikunde. (Portret: Atelier Victoria, Berlijn, rond 1895, publiek domein; Wikimedia Commons.)

30.6 Oefeningen

Oefening 30.1 ★

Teken alanine als zwitterion, en daarna de vormen die overheersen bij pH 1 en bij pH 12.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.1.

Tussen pH 3 en 9 het zwitterion $\ce{H3N+-CH(CH3)-COO-}$ .
Bij pH 1 het kation $\ce{H3N+-CH(CH3)-COOH}$ .
Bij pH 12 het anion $\ce{H2N-CH(CH3)-COO-}$ .

Oefening 30.2 ★

Bereken het iso-elektrisch punt van glycine, en dat van alanine ( $\mathrm pK_a$ 2.35 en 9.87).

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.2.

Glycine: $(2.35 + 9.78)/2 \approx 6.1$ . Alanine: $(2.35 + 9.87)/2 \approx 6.1$ .

Oefening 30.3 ★

Teken het dipeptide Ala–Gly en omcirkel zijn peptidebinding. Waarin verschilt het van Gly–Ala?

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.3.

$\ce{H2N-CH(CH3)-CO-NH-CH2-COOH}$ : alanine levert de N-terminus, glycine de C-terminus. Gly–Ala, $\ce{H2N-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH}$ , is een constitutie-isomeer: de vrije aminogroep zit op glycine.

Oefening 30.4 ★

In een fischerprojectie met $\ce{COOH}$ bovenaan en de zijketen $\ce{CH2OH}$ onderaan wijst de $\ce{NH2}$ van serine naar links. Is het D of L? Geef zijn CIP-descriptor.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.4.

$\ce{NH2}$ links: L. Prioriteiten $\ce{NH2}$ > $\ce{COOH}$ > $\ce{CH2OH}$ > $\ce{H}$ : L-serine is (S).

Oefening 30.5 ★★

Geef de nettolading van het tripeptide Lys–Gly–Asp bij pH 1, 7 en 12.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.5.

Groepen: N-terminaal ammonium (ongeveer 9), zijketen van lysine (10.7), zijketen van aspartaat (3.9), C-terminale carbonzuurgroep (ongeveer 2). pH 1: $+1 +1 + 0 + 0 = +2$ . pH 7: $+1 +1 -1 -1 = 0$ . pH 12: $0 + 0 - 1 - 1 = -2$ (de zijketen van lysine, 1.3 eenheden onder pH 12, is grotendeels neutraal).

Oefening 30.6 ★★

Waarom gebruikt men een koppelingsreagens om een peptidebinding te maken, eerder dan een acylchloride van het beschermde aminozuur, gemaakt met thionylchloride, en verhitting?

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.6.

Thionylchloride en warmte zouden ook andere groepen aanvallen, en vooral verliest het zeer reactieve acylchloride van een aminozuur gemakkelijk zijn configuratie (het $\alpha$ -waterstofatoom wordt zuur): het peptide zou gedeeltelijk geracemiseerd zijn. Een koppelingsreagens activeert het zuur bij kamertemperatuur, onder milde omstandigheden.

Oefening 30.7 ★★

D-Fructose cycliseert via zijn $\ce{OH}$ op C5 met het keton op C2. Geef de grootte van de ring en teken $\beta$ -D-fructofuranose in haworthprojectie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.7.

O5 gebonden aan C2: een ring van C2, C3, C4, C5 en O, vijf atomen (een furanose). In haworthprojectie: ring-O achteraan, C2 rechts met $\ce{CH2OH}$ (C1) omlaag en $\ce{OH}$ omhoog ( $\beta$ ); op C3 $\ce{OH}$ omhoog (links in Fischer), op C4 $\ce{OH}$ omlaag, C5 met $\ce{CH2OH}$ (C6) omhoog.

Oefening 30.8 ★★

De zuivere anomeren van D-galactose hebben specifieke rotaties van $+150.7$ ( $\alpha$ ) en $+52.8$ ( $\beta$ ), en het evenwichtsmengsel $+80.2$ (gegevens voor de oefening). Bereken de evenwichtssamenstelling.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.8.

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

Oefening 30.9 ★★

Leg uit waarom maltose de oplossing van Fehling reduceert en sacharose niet, en waarom sacharose dat wel doet na verhitten met verdund zuur.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.9.

Maltose houdt een vrij hemiacetaal op zijn tweede glucose, dat opengaat tot een aldehyde: reducerend. In sacharose zijn beide anomere koolstofatomen in de glycosidische binding betrokken: geen hemiacetaal, niet reducerend. Verdund zuur hydrolyseert de glycosidische binding, een acetaal: glucose en fructose komen vrij, en beide reduceren.

Oefening 30.10 ★★★

Het verzepingsgetal van een vet is de massa kaliumhydroxide, in mg, die 1 g ervan verzeept. Bereken het voor trioleïne, $\ce{C57H104O6}$ , en leg uit waarom een vet met kortere ketens een hogere waarde heeft.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.10.

Trioleïne, $885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , verbruikt drie $\ce{KOH}$ ( $56.105\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $3 \times 56.105/885.45 = 0.190$ g per g, een verzepingsgetal van 190. Kortere ketens betekenen een kleinere molaire massa voor dezelfde drie estergroepen: meer mol vet per gram, meer KOH.

Oefening 30.11 ★★★

Plan de synthese van Gly–Ala uit glycine en alanine: beschermende groepen, activering, koppeling, ontscherming, met een orthogonaal paar.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.11.

Bescherm het amine van glycine als tert-butoxycarbonylcarbamaat, en het zuur van alanine als methylester. Koppel met een carbodiimide. Verwijder het carbamaat met zuur en de ester met verdunde base (orthogonale omstandigheden, zodat elk uiteinde afzonderlijk vrijgemaakt kan worden): Gly–Ala.

Oefening 30.12 ★★★

Schrijf de streng op die complementair is aan 5 $'$ -ATGCGT-3 $'$ , vanaf haar 5 $'$ -uiteinde, en tel de waterstofbruggen die de dubbele streng bijeenhouden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 30.12.

5 $'$ -ACGCAT-3 $'$ (antiparallel gelezen: A paart met T, G met C). Paren: A–T, T–A, G–C, C–G, G–C, T–A: $3 \times 2 + 3 \times 3 = 15$ waterstofbruggen.

30.7 Probleem: aspartaam

Probleem 30.1

Weekendprobleem — de twee aminozuren en hun configuraties, de lading van het dipeptide tegen de pH, zijn synthese en het $\alpha$ / $\beta$ -probleem, en zijn hydrolyse in een frisdrank

Aspartaam is de methylester van het dipeptide dat gevormd wordt door de $\alpha$ -carbonzuurgroep van L-asparaginezuur met de aminogroep van L-fenylalanine. Gegevens: $\mathrm pK_a$ van asparaginezuur 2.0, 3.9 en 9.9 (modelwaarden voor de groepen van het dipeptide). Molaire massa’s ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999.

Deel I — De twee aminozuren.

Geef de drie verbindingen die vrijkomen bij de volledige hydrolyse van aspartaam.
Teken L-asparaginezuur en L-fenylalanine in fischerprojectie.
Geef de CIP-descriptor van elk stereocentrum.
Hoeveel stereo-isomeren heeft aspartaam?
Teken aspartaam en markeer de peptidebinding en de ester.
Waarom is de configuratie van elk aminozuur belangrijk voor de zoete smaak?

Deel II — Lading tegen de pH.

Som de ioniseerbare groepen van aspartaam op. Waarom hoort de C-terminus daar niet bij?
Geef met de modelwaarden de nettolading bij pH 2.
Hetzelfde bij pH 7.
Hetzelfde bij pH 12.
Schat het iso-elektrisch punt in dit model.
Waarom zouden de echte $\mathrm pK_a$ -waarden van het dipeptide verschillen van die van vrij asparaginezuur?

Deel III — Synthese.

Waarom kun je asparaginezuur en de methylester van fenylalanine niet gewoon samen verhitten?
Welke groepen van asparaginezuur moeten beschermd worden?
Wat doet een koppelingsreagens met de vrije carbonzuurgroep?
Asparaginezuur heeft twee carbonzuurgroepen. Wat ontstaat er als de verkeerde gekoppeld wordt?
Stel een orthogonale bescherming voor die alleen de $\alpha$ -carbonzuurgroep vrij laat, en de verwijdering ervan.
Waarom mag het geactiveerde aminozuur niet te lang onder basische omstandigheden blijven?
Schrijf de volgorde van de stappen op.

Deel IV — Hydrolyse in een frisdrank.

Welke bindingen van aspartaam kunnen in een zure drank gehydrolyseerd worden? Welke eerst?
Geef de producten van de hydrolyse van alleen de ester.
Waarom smaakt een oude drank minder zoet?
Bereken de molaire massa van aspartaam, $\ce{C14H18N2O5}$ .
Bereken de hoeveelheid aspartaam in een blikje dat $180\,\mathrm{mg}$ bevat.
Geef de massa methanol die vrijkomt bij de volledige hydrolyse van $180\,\mathrm{mg}$ aspartaam.

Oplossing

Oplossing van Probleem 30.1.

1. L-Asparaginezuur, L-fenylalanine en methanol. 2. In beide $\ce{COOH}$ bovenaan, de zijketen onderaan ( $\ce{CH2COOH}$ , $\ce{CH2C6H5}$ ), $\ce{NH2}$ links. 3. (S) voor beide. 4. Twee stereocentra: vier stereo-isomeren. 5. $\ce{H2N-CH(CH2COOH)-CO-NH-CH(CH2C6H5)-COOCH3}$ : de peptidebinding verbindt de twee residuen; de ester is de $\ce{COOCH3}$ aan de C-terminus. 6. Smaakreceptoren zijn chiraal: ze binden één stereo-isomeer en niet zijn spiegelbeeld of zijn diastereo-isomeren, zoals de inleiding zei. 7. De N-terminale $\ce{NH3+}$ en de $\ce{COOH}$ van de zijketen van asparaginezuur; het C-terminale zuur is een methylester, zonder zuur waterstofatoom. 8. Bij pH 2: $\ce{NH3+}$ ( $+1$ ), $\ce{COOH}$ van de zijketen (0): $+1$ . 9. Bij pH 7: $+1 - 1 = 0$ . 10. Bij pH 12: $0 - 1 = -1$ . 11. Tussen de twee $\mathrm pK_a$ van de groepen die veranderen: $(3.9 + 9.9)/2 \approx 6.9$ . 12. In het dipeptide draagt het koolstofatoom van het amine een amide in plaats van een carboxylaat: de naburige groepen en ladingen veranderen, en daarmee ook de $\mathrm pK_a$ (het N-terminale ammonium van een peptide is duidelijk zuurder dan dat van een vrij aminozuur). Het model geeft de vorm, niet de exacte waarden. 13. Zuur en amine vormen eerst een zout; verhitten zou mengsels geven (Asp–Asp, langere ketens, de verkeerde carbonzuurgroep) en de stereocentra racemiseren. 14. Zijn aminogroep en de carbonzuurgroep van zijn zijketen. 15. Het maakt van de $\ce{OH}$ van het zuur een goede vertrekkende groep, een geactiveerd derivaat dat het amine bij kamertemperatuur aanvalt (acylsubstitutie). 16. Het $\beta$ -dipeptide, verbonden via de zijketen: een isomeer van aspartaam, geen aspartaam. 17. Het amine als benzyloxycarbonylcarbamaat en de zijketen als benzylester: beide worden samen verwijderd door hydrogenolyse over palladium, die de methylester ongemoeid laat (orthogonaal daarop). 18. Een geactiveerd zuur heeft een zuur $\alpha$ -waterstofatoom; base haalt het weg en het stereocentrum racemiseert. 19. Bescherm asparaginezuur (carbamaat op N, benzylester op de zijketen); activeer de vrije $\alpha$ - $\ce{COOH}$ met het koppelingsreagens; voeg de methylester van L-fenylalanine toe; hydrogenolyseer. 20. De methylester en de peptidebinding; de ester eerst, want een amide is veel minder reactief. 21. Het dipeptide Asp–Phe (vrij zuur) en methanol. 22. Het zoete molecuul wordt verbruikt: zijn hydrolyseproducten nemen zijn plaats niet in. 23. $14 \times 12.011 + 18 \times 1.008 + 2 \times 14.007 + 5 \times 15.999 = 294.307\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 24. $0.180/294.307 = 6.116 \times 10^{-4}\,\mathrm{mol}$ , $0.612\,\mathrm{mmol}$ . 25. Eén methanol per aspartaam: $0.6116 \times 32.042 = \boldsymbol{\approx 19.6\,\mathrm{mg}}$ methanol.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst