氨基酸存在形式的分布及滴定法测定的可行性

2010-07-02张云孟洁

大学化学 2010年3期

关键词：正离子丝氨酸负离子

张云孟洁

(同济大学化学系上海200092)

氨基酸存在形式的分布及滴定法测定的可行性

张云*孟洁

(同济大学化学系上海200092)

讨论水溶液中各类氨基酸存在形式的分布及用传统滴定分析法测定的可行性，用谷氨酸、精氨酸、组氨酸及丝氨酸验证了讨论结果。结论:酸性氨基酸可以用碱滴定;碱性氨基酸可以用酸滴定;中性氨基酸既无法用碱滴定，也无法用酸滴定。

羧酸分子中烃基的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物称作氨基酸［1］。氨基酸是构成蛋白质的基础，也是蛋白质水解的产物。氨基酸具有酸碱两重性，其羧基可以提供质子，氨基可以接受质子，在水溶液中存在下述平衡:

氨基酸的上述3种存在形式分别称作负离子、偶极离子及正离子，其中的偶极离子可以看作分子内的羧基与氨基形成的内盐。在水溶液中，氨基酸主要以偶极离子的形式存在，而正离子和负离子的浓度都很低，且数量相等。此时，氨基酸水溶液的pH称作等电点。若考虑酸碱性质，可以将20种基本氨基酸分为酸性氨基酸、碱性氨基酸及中性氨基酸［1］。其中，谷氨酸和天冬氨酸属于酸性氨基酸;精氨酸、赖氨酸及组氨酸属于碱性氨基酸;除此之外的其余15种氨基酸属于中性氨基酸。

氨基酸常用的测定方法是色谱法，如纸色谱、薄层色谱、离子交换色谱及高效液相色谱等［1］。此外，氨基酸的测定方法还有毛细管电泳法、紫外分光光度法、荧光法、电化学分析法及非水滴定法等。相对于上述方法，传统滴定分析法具有操作方便，测定结果准确度高的特点。本文讨论水溶液中各类氨基酸存在形式的分布及用传统滴定分析法测定的可行性，并对讨论结果进行验证。

1 酸性氨基酸的分布及测定的可行性

1.1 酸性氨基酸各种存在形式的分布

酸性氨基酸在水溶液中可以有4种存在形式，分别记作H3A+(正离子)、H2A(偶极离子)、HA－(负离子)及A2－。其中，正离子H3A+可以看作三元酸;偶极离子H2A既可以看作二元酸，也可以看作一元碱;负离子HA－既可以看作一元酸，也可以看作二元碱;A2－可以看作三元碱。以谷氨酸为例，在等电点pH=3.22时，其正离子H3A、偶极离子H2AE、负离子HA及A的分布系数分别为0.079、0.843、0.079及0。上述分布系数说明，在等电点时，谷氨酸虽然主要以偶极离子的形式存在(占84.3%)，但正离子和负离子仍占一定的比例(各占7.9%)。酸性氨基酸的α-羧基与其他位置的羧基中质子的离解能力相近，其正离子的Ka1与Ka2相差不大，是引起这种现象的主要原因。

1.2 酸性氨基酸用碱滴定的可行性

将酸性氨基酸看作酸，讨论其用碱滴定剂滴定的可行性。以谷氨酸为例，其正离子H3A(看作三元酸)的p Ka1、p Ka2及p Ka3分别为2.19、4.25及9.67，用碱滴定时，滴定曲线有一个突跃，滴定产物是负离子HA，滴定反应是:

利用反应式(1)，可以求出正离子H3A的浓度。谷氨酸的偶极离子H2AE(看作二元酸)的p Ka1和p Ka2分别为4.25和9.67，用碱滴定时，滴定曲线也有一个突跃，滴定产物也是负离子HA，滴定反应是:

利用反应式(2)，可以求出偶极离子H2AE的浓度。谷氨酸的负离子HA的p Ka为9.67，是一元极弱酸，用碱滴定时，滴定曲线没有突跃，无法测出其浓度(有关酸碱直接滴定可行性的判据见文献［2］)。

从上述讨论可以得出结论:第一，谷氨酸的正离子H3A和偶极离子H2AE可以用碱滴定，而且滴定产物均是负离子HA;负离子HA无法用碱滴定。第二，由于谷氨酸的正离子H3A和偶极离子H2AE共存于溶液中，它们的滴定产物又均为负离子HA，反应式(1)和(2)对应的是同一个滴定终点。第三，根据反应式(1)和(2)，有以下关系:

即在与OH－的反应中，1个H3A相当于2个H2AE。若以式(2)计量，对谷氨酸的偶极离子H2AE而言，测出的是其一倍浓度;对正离子H3A而言，测出的是其两倍浓度;对谷氨酸的水溶液而言，测出的是其偶极离子H2AE的一倍浓度与正离子H3A的两倍浓度之和。第四，在等电点时，谷氨酸的水溶液由偶极离子H2AE、正离子H3A及负离子HA3部分组成，而且正离子H3A的浓度又与负离子HA的浓度相等(各占7.9%)。因此，以式(2)计量，用碱滴定谷氨酸的水溶液，测出的既是偶极离子H2AE的一倍浓度与正离子H3A的两倍浓度之和，又是偶极离子H2AE、正离子H3A及负离子HA浓度的总和，实际上也是谷氨酸的总浓度。

1.3 酸性氨基酸用酸滴定的可行性

将酸性氨基酸看作碱，讨论其用酸滴定剂滴定的可行性。仍然以谷氨酸为例，其负离子HA的p Kb1和p Kb2分别为9.75和11.81，是二元极弱碱;偶极离子H2AE的p Kb为11.81，是一元极弱碱。用酸滴定谷氨酸的负离子HA或偶极离子H2AE时，它们的滴定曲线均没有突跃，无法测出它们的浓度。虽然谷氨酸的A(看作三元碱)的p Kb1、p Kb2及p Kb3分别为4.33、9.75及11.81，用酸滴定时，滴定曲线有一个突跃，可以测出A的浓度，但在等电点时，在谷氨酸的水溶液中，A的分布系数为0，其浓度也为0，这种滴定没有实际意义。

由于天冬氨酸的各级离解常数与谷氨酸相近，上述由谷氨酸得出的结论，同样适用于天冬氨酸，实际上也适用于所有的酸性氨基酸。因此，按传统滴定分析法的观点，酸性氨基酸的水溶液可以用碱滴定剂滴定，但无法用酸滴定剂滴定。

2 碱性氨基酸的分布及测定的可行性

碱性氨基酸的分布及用传统滴定分析法对其测定的可行性，与酸性氨基酸非常相似，用类似于对酸性氨基酸的讨论方法，可以对碱性氨基酸进行讨论。碱性氨基酸在水溶液中也可以有4种存在形式，分别记作H3A2+、H2A+(正离子)、HA(偶极离子)及A－(负离子)。在等电点时，虽然碱性氨基酸的正离子和负离子各占一定的比例，但其偶极离子仍是主要存在形式。用酸滴定剂滴定碱性氨基酸的水溶液，滴定曲线有一个突跃，利用下述滴定反应:

可以求出该氨基酸的总浓度。由于碱性氨基酸的偶极离子是极弱酸，无法用碱滴定剂滴定。因此，按传统滴定分析法的观点，碱性氨基酸的水溶液可以用酸滴定剂滴定，但无法用碱滴定剂滴定。

3 中性氨基酸的分布及测定的可行性

3.1 中性氨基酸各种存在形式的分布

中性氨基酸在水溶液中可以有3种存在形式(酪氨酸和半胱氨酸除外)，分别记作H2A+(正离子)、HA(偶极离子)及A－(负离子)，其中正离子H2A+可以看作二元酸;偶极离子HA既可以看作一元酸，也可以看作一元碱;负离子A－可以看作二元碱。以丝氨酸为例，在等电点pH=5.68时，其正离子H2A、偶极离子HAS及负离子A的分布系数分别为0、1.00及0。上述分布系数说明，在水溶液中，丝氨酸虽然有3种存在形式，但在等电点时，其偶极离子HAS的形式占绝对多数，而正离子H2A+S和负离子A－S的形式接近于0。中性氨基酸的α-羧基与α-质子化氨基中质子的离解能力相差较大(即其正离子的Ka1与Ka2相差较大)，是引起这种现象的主要原因。在等电点时，其他中性氨基酸(酪氨酸和半胱氨酸除外)的各种存在形式的分布情况与丝氨酸相似。

3.2 中性氨基酸用碱或酸滴定的可行性

以丝氨酸为例，讨论中性氨基酸用碱或酸滴定的可行性。将丝氨酸的偶极离子HAS看作酸，其p Ka为9.15，是一元极弱酸，用碱滴定时，滴定曲线没有突跃，无法测出其浓度。将偶极离子HAS看作碱，其p Kb为11.79，是一元极弱碱，用酸滴定时，滴定曲线同样没有突跃，也无法测出其浓度。虽然丝氨酸的正离子H2A+S(看作二元酸)的p Ka1和p Ka2分别为2.21和9.15，可以用碱滴定;负离子AS(看作二元碱)的p Kb1和p Kb2分别为4.85和11.79，可以用酸滴定;但在等电点时，正离子H2A+S和负离子A－S的浓度均接近于0，这种滴定没有实际意义。其他中性氨基酸(酪氨酸和半胱氨酸除外)的情况与丝氨酸相似。

此外，酪氨酸和半胱氨酸与其他中性氨基酸有所不同，在溶液中可以有4种存在形式，分别记作H3A+(正离子)、H2A(偶极离子)、HA－(负离子)及A2－。但由于这两种酸的偶极离子H2A的p Ka1、p Ka2及p Kb均＞8，它们同样无法用碱或酸滴定。

综上所述，按传统滴定分析法的观点，中性氨基酸的水溶液既无法用碱滴定剂直接滴定，也无法用酸滴定剂直接滴定。

4 氨基酸测定可行性的验证

4.1 验证实验

在100mL烧杯中，吸入10mL谷氨酸、精氨酸、组氨酸或丝氨酸溶液，加入5mL 1mol/L KNO3及35mL H2O，分别用0.01897mol/L NaOH或0.02163mol/L HCl自动电位滴定，记录滴定曲线(平行实验3次)。其中，氨基酸均为生化试剂，并经105℃干燥至恒重。

4.2 验证结果

第一，用NaOH溶液滴定谷氨酸溶液的滴定曲线有突跃，谷氨酸的测定误差为0.5%(表1);用HCl溶液滴定谷氨酸溶液的滴定曲线没有突跃，无法测出谷氨酸的浓度。第二，用HCl溶液滴定精氨酸或组氨酸溶液的滴定曲线有突跃，精氨酸和组氨酸的测定误差分别为0.7%和－0.5%(表1);用NaOH溶液滴定精氨酸或组氨酸溶液的滴定曲线没有突跃，无法测出精氨酸或组氨酸的浓度。第三，用NaOH或HCl溶液滴定丝氨酸溶液的滴定曲线均没有突跃，无法测出丝氨酸的浓度。第四，验证结果说明，用传统滴定分析法对各类氨基酸的测定结果与上述理论讨论所得出的结论一致。