Amino acid là hợp chất hữu cơ tạp chức, trong phân tử đồng thời chứa nhóm amino –NH2 và nhóm carboxyl –COOH. Các amino acid thiên nhiên tạo nên protein hầu hết là alpha-amino acid, nghĩa là nhóm –NH2 gắn vào nguyên tử carbon liền kề nhóm –COOH. Công thức chung của alpha-amino acid đơn giản nhất là H2N–CHR–COOH, trong đó R là nguyên tử hydrogen hoặc gốc hydrocarbon.
Vì phân tử chứa cùng lúc một nhóm mang tính base (–NH2) và một nhóm mang tính acid (–COOH), proton của nhóm carboxyl chuyển sang nhóm amino ngay trong nội bộ phân tử. Kết quả là ở trạng thái rắn và trong dung dịch, amino acid tồn tại chủ yếu ở dạng ion lưỡng cực (zwitterion): H3N+–CHR–COO–. Chính cấu trúc ion này giải thích vì sao amino acid là chất rắn kết tinh, không màu, có nhiệt độ nóng chảy cao và tan tốt trong nước — khác hẳn amine hay carboxylic acid có phân tử khối tương đương.
Bên cạnh tên thay thế, chương trình dùng chủ yếu tên thường của năm amino acid dưới đây. Cần thuộc công thức, phân tử khối và tỉ lệ số nhóm –NH2 so với số nhóm –COOH, vì tỉ lệ này quyết định toàn bộ phần tính toán và cả màu quỳ tím.
| Tên thường | Công thức cấu tạo | Phân tử khối | Số –NH2 : –COOH | pI | Quỳ tím |
|---|---|---|---|---|---|
| Glycine | H2N–CH2–COOH | 75 | 1 : 1 | 5,97 | không đổi màu |
| Alanine | CH3–CH(NH2)–COOH | 89 | 1 : 1 | 6,00 | không đổi màu |
| Valine | (CH3)2CH–CH(NH2)–COOH | 117 | 1 : 1 | 5,96 | không đổi màu |
| Lysine | H2N–(CH2)4–CH(NH2)–COOH | 146 | 2 : 1 | 9,74 | hoá xanh |
| Glutamic acid | HOOC–(CH2)2–CH(NH2)–COOH | 147 | 1 : 2 | 3,22 | hoá đỏ |
Quy tắc đọc màu quỳ tím rất gọn: đếm hai nhóm chức rồi so. Số nhóm –NH2 nhiều hơn số nhóm –COOH thì dung dịch có môi trường base, quỳ hoá xanh (lysine). Số nhóm –COOH nhiều hơn thì môi trường acid, quỳ hoá đỏ (glutamic acid). Bằng nhau thì dung dịch gần trung tính, quỳ không đổi màu (glycine, alanine, valine).
Amino acid tác dụng được với cả dung dịch acid mạnh và dung dịch base mạnh, nên nó là chất lưỡng tính.
Tác dụng với acid, nhóm –NH2 nhận proton tạo muối ammonium: H2N–CH2–COOH + HCl tạo ra ClH3N–CH2–COOH. Tác dụng với base, nhóm –COOH nhường proton tạo muối carboxylate: H2N–CH2–COOH + NaOH tạo ra H2N–CH2–COONa và H2O.
Tỉ lệ mol phản ứng bám đúng số nhóm chức: số mol HCl tối đa bằng số mol amino acid nhân số nhóm –NH2; số mol NaOH tối đa bằng số mol amino acid nhân số nhóm –COOH. Một mol lysine ăn được 2 mol HCl, một mol glutamic acid ăn được 2 mol NaOH.
Điểm đẳng điện pI là giá trị pH mà ở đó amino acid tồn tại chủ yếu dưới dạng ion lưỡng cực trung hoà về điện, nên khi đặt trong điện trường nó không di chuyển về cực nào.
Khi pH của dung dịch nhỏ hơn pI, môi trường dư proton, phân tử nhận thêm proton và tồn tại chủ yếu ở dạng cation, do đó di chuyển về cực âm của điện trường. Khi pH của dung dịch lớn hơn pI, môi trường thiếu proton, phân tử nhường proton và tồn tại chủ yếu ở dạng anion, do đó di chuyển về cực dương. Cách nhớ ngắn: môi trường acid thì tích điện dương, chạy về cực trái dấu là cực âm.
Amino acid có nhiều nhóm –COOH thì pI nhỏ (glutamic acid pI bằng 3,22); nhiều nhóm –NH2 thì pI lớn (lysine pI bằng 9,74); cân bằng hai nhóm thì pI xấp xỉ 6.
Nhóm –COOH của amino acid phản ứng với alcohol khi có xúc tác acid khan, tạo ester giống hệt carboxylic acid: H2N–CH2–COOH tác dụng với C2H5OH (xúc tác HCl khan) tạo H2N–CH2–COOC2H5 và H2O. Ester của glycine với ethanol có phân tử khối bằng 103.
Các amino acid mà nhóm –NH2 và nhóm –COOH cách nhau đủ xa (từ vị trí epsilon trở đi) có thể trùng ngưng: nhóm –COOH của phân tử này tách nước với nhóm –NH2 của phân tử kia, tạo liên kết amide –CO–NH–. Sản phẩm là polyamide, chính là tơ.
Thí dụ, trùng ngưng n phân tử H2N–(CH2)5–COOH thu được (–NH–(CH2)5–CO–)n tức tơ capron, đồng thời tách ra n phân tử H2O. Cần nhớ số phân tử nước tách ra đúng bằng n vì mỗi phân tử monomer đóng góp một nhóm –COOH và một nhóm –NH2, mạch khép kín theo dây chuyền.
Bước 1 — đếm nguyên tử để ra công thức phân tử. Nhóm (CH3)2CH– có 3 carbon và 7 hydrogen; nhóm –CH(NH2)– có 1 carbon, 1 hydrogen và thêm 2 hydrogen của nhóm amino cùng 1 nitrogen; nhóm –COOH có 1 carbon, 1 hydrogen và 2 oxygen. Cộng lại: 5 carbon, 11 hydrogen, 1 nitrogen, 2 oxygen. Vậy công thức phân tử của valine là C5H11NO2.
Bước 2 — tính phân tử khối. Lấy 5 nhân 12 bằng 60, cộng 11 nhân 1 bằng 11, cộng 14 của nitrogen, cộng 2 nhân 16 bằng 32. Tổng là 60 cộng 11 cộng 14 cộng 32, bằng 117.
Bước 3 — dự đoán màu quỳ tím. Phân tử valine chứa đúng một nhóm –NH2 và đúng một nhóm –COOH, tỉ lệ 1 : 1. Tính base của nhóm amino và tính acid của nhóm carboxyl bù trừ nhau, dung dịch gần như trung tính (điểm đẳng điện của valine là 5,96, rất gần 6). Vì vậy dung dịch valine không làm đổi màu quỳ tím.
Chốt lại: C5H11NO2, phân tử khối 117, quỳ tím không đổi màu. Muốn quỳ hoá xanh thì phải có nhiều nhóm –NH2 hơn nhóm –COOH như lysine, muốn quỳ hoá đỏ thì phải nhiều nhóm –COOH hơn như glutamic acid.
Bước 1 — so sánh pH với pI. Ở pH bằng 2, giá trị pH nhỏ hơn pI bằng 6,00. Môi trường rất giàu proton nên nhóm carboxylate –COO– của ion lưỡng cực nhận thêm proton, quay về dạng –COOH, trong khi nhóm –NH3+ vẫn giữ nguyên điện tích dương.
Bước 2 — kết luận dạng tồn tại và hướng di chuyển. Toàn phân tử mang một điện tích dương, tức tồn tại chủ yếu ở dạng cation CH3–CH(NH3+)–COOH. Hạt mang điện dương bị hút về phía điện cực trái dấu, nên alanine di chuyển về cực âm.
Bước 3 — trường hợp pH bằng 10. Lúc này pH lớn hơn pI, môi trường nghèo proton nên nhóm –NH3+ nhường proton, trở về dạng –NH2, còn nhóm carboxyl tồn tại ở dạng –COO–. Phân tử mang một điện tích âm, tức là anion, và di chuyển về cực dương.
Ghi nhớ đường mòn: pH nhỏ hơn pI thì tích điện dương và chạy về cực âm; pH lớn hơn pI thì tích điện âm và chạy về cực dương; pH đúng bằng pI thì phân tử trung hoà điện, đứng yên giữa hai điện cực. Đây cũng là nguyên tắc của kỹ thuật điện di dùng để tách hỗn hợp amino acid.
Bước 1 — kiểm tỉ lệ mol. Số mol NaOH bằng 0,150 nhân 1, tức 0,15 mol, đúng bằng số mol X. Tỉ lệ 1 : 1 xác nhận X chỉ có một nhóm –COOH, khớp với dữ kiện đề cho.
Bước 2 — tính phân tử khối của muối. Muối thu được là H2N–R–COONa, khối lượng 16,65 gam ứng với 0,15 mol nên phân tử khối bằng 16,65 chia 0,15, tức 111.
Bước 3 — suy ngược ra phân tử khối của X. Khi thay một nguyên tử hydrogen của nhóm –COOH bằng nguyên tử sodium, phân tử khối tăng thêm 23 trừ 1, tức tăng 22. Vậy phân tử khối của X bằng 111 trừ 22, bằng 89.
Bước 4 — nhận danh X. Amino acid no, mạch hở, một nhóm –NH2 và một nhóm –COOH có phân tử khối 89 là alanine, công thức cấu tạo CH3–CH(NH2)–COOH, công thức phân tử C3H7NO2. Kiểm lại: 3 nhân 12 cộng 7 cộng 14 cộng 32 bằng 89, khớp.
Bước 5 — thử lại bằng bảo toàn khối lượng. Khối lượng X là 0,15 nhân 89 bằng 13,35 gam; cộng khối lượng NaOH 0,15 nhân 40 bằng 6 gam, tổng 19,35 gam. Vế phải là 16,65 gam muối cộng 0,15 nhân 18 bằng 2,7 gam nước, tổng cũng 19,35 gam. Hai vế bằng nhau nên kết quả đáng tin.