Amin ve Amid

Açılış sahnesi

Sekizinci haftanın cuması, öğle yemeğinden yarım saat sonra. Isparta'daki laboratuvarda çeker ocağın altına bir saat camı konmuş. Nilüfer Hanım küçük bir şişeden cama tek damla seyreltik trimetilamin çözeltisi bırakıyor. Mete eğiliyor ve hemen geri çekiliyor: bayat balık kokusu. Yemekhaneden getirdiği yarım limonu damlanın üstüne sıkıyor. Mete bir dakika sonra yeniden eğildiğinde yalnız limon kokusu kalmış.

"Molekül bir yere gitmedi," diyor Nilüfer Hanım, "hâlâ bu camın üstünde. Kokusu nereye kayboldu?" Mete'nin aklı ise öğlen yediği balığın etinde. "Balığın proteini de azot dolu," diyor. "Limonun asidi o azotlara da proton verseydi et suda dağılırdı. Asit neden yalnız kokuyu yakalıyor da etin azotlarına dokunmuyor?"

Bu derste ne olacak

Azot atomunun ortaklanmamış elektron çiftini üç farklı komşulukta izleyeceğiz. Yalnız karbonlara bağlı bir azotta bu çift proton yakalar; bir benzen halkasına komşu olduğunda halkaya kayar; bir karbonile komşu olduğunda ise neredeyse tamamen oraya çekilir. Aminleri sınıflandırıp kan pH'ındaki protonlu paylarını hesaplayacak, ardından peptit bağının neden kısa, düzlemsel ve suya dayanıklı olduğunu göreceğiz.

Metin

Azota bağlanan karbonlar

Amonyağın sudan bir proton alıp amonyum iyonuna döndüğünü asit–baz tanımlarını kurarken görmüştük. Fonksiyonel Gruplar dersinin haritasına ise amonyaktan türeyen ailenin yalnız en sade üyesini, R–NH₂ biçimli amino grubunu yerleştirmiştik.

Adlar alkollerdeki sınıflandırmayı hatırlatır ama ölçüt farklıdır. Alkollerde ölçüt, hidroksil taşıyan karbonun komşu karbon sayısıydı; aminlerde sayılan, doğrudan azotun kendisine bağlı karbonlardır. Bu yüzden azotu üç metil taşıyan bir karbona takılmış tert-bütilamin, karbonu üçüncül olduğu hâlde birincil bir amindir. Metilamin birincil, dimetilamin ikincil, saat camındaki trimetilamin üçüncül amindir.

Aynı ölçütle vücuttaki bazı moleküller okunabilir. PubChem'in sistematik adlarında dopamin 4-(2-aminoetil)benzen-1,2-diol, serotonin 3-(2-aminoetil)-1H-indol-5-ol, histamin 2-(1H-imidazol-5-il)etanamin olarak geçer. Üçünde de zincirin ucunda tek karbona bağlı bir NH₂ vardır, yani üçü de birincil amindir; histaminin yan halkası Proteinlerin Tampon Rolü dersinde tanıdığımız imidazol halkasıdır. Adrenalinin adında ise "metilamino" geçer: azot iki karbona bağlıdır ve molekül ikincil bir amindir. Burada yalnız iskeletlerine bakıyoruz.

Azot dördüncü bir karbon grubu da bağlayabilir. O zaman ortaklanmamış çift dördüncü bağa harcanır ve azot artı yüklü kalır.

Kolin bu türün vücuttaki örneğidir. PubChem ile Wikipedia onu 2-hidroksietil(trimetil)azanyum diye adlandırır; "azanyum" eki artı yüklü azotu gösterir. Önceki derste kolinin asetik asitle kurduğu ester olarak tanıdığımız asetilkolinin artı yükü de bu dört bağlı azottan gelir ve hiçbir pH'ta kaybolmaz.

Proton yakalayan çift

Azotun beş değerlik elektronundan ikisi ortaklanmamış çift olarak kalır. Brønsted bazlığının kaynağı bu çifttir: bir proton gelince çift yeni N–H bağını kurar ve amin amonyum iyonuna döner. Bir aminin baz gücü, bu yüzden, eşlenik asidinin, yani amonyum iyonunun pKa'sıyla ölçülür.

Metilamonyumun iki kaynakta da 10,66 olan eşiğinden Fonksiyonel Gruplar dersinde yüksüz formun payını çıkarmıştık; hesabı bu kez öteki yönden okuyalım. Henderson–Hasselbalch denklemine göre kan pH'ı olan 7,40'ta protonlu formun yüksüz forma oranı 10^(10,66 − 7,40) = 10^3,26 ≈ 1.820'dir. Protonlu pay 1.820 ÷ 1.821 ≈ 0,99945 eder: kan pH'ında metilaminin neredeyse tamamı artı yüklü metilamonyum hâlindedir.

Trimetilamin için PubChem 9,80, Wikipedia'nın amin tablosu 9,76 verir. Aynı pH'ta oran 10^(9,80 − 7,40) = 10^2,4 ≈ 251 olur; pH her bir birim düştüğünde oran on kat daha büyür. Limon suyundaki sitrik asit damlanın pH'ını nötrün altına çeker ve dengeyi iyice amonyum yanına iter. Saat camındaki kokunun sırrı buradadır. Yüksüz trimetilamin uçucudur ve burna ulaşır; protonlanmış trimetilamonyum ise suda çözünmüş bir tuzdur ve buharlaşmaz.

Halkaya kaçan çift

Azot bir benzen halkasına bağlandığında tablo değişir. Anilinde (C₆H₅–NH₂) amonyum formunun pKa'sını PubChem 4,6, Wikipedia 4,63 verir. Metilamonyumla fark 10,66 − 4,6 = 6,06 birimdir; logaritmik ölçekte bu, anilinin baz olarak kabaca bir milyon kat zayıf olduğu anlamına gelir. Kan pH'ında anilin için oran 10^(4,6 − 7,40) = 10^−2,8 ≈ 0,00158'dir ve protonlu pay 0,00158 ÷ 1,00158 ≈ 0,0016 eder. Metilaminin binde birinden azı yüksüz dururken, anilinin binde ikiden azı protonludur.

Nedeni rezonanstır. Serbest Radikaller dersinde adını koyduğumuz, ardından benzen halkasında bir daha karşımıza çıkan yayılma, burada azotun çiftini de içine alır. Çift halkanın π sistemiyle örtüşür ve kısmen halkaya dağılır. Proton almak için çiftin azotta toplanması, yani bu yayılmanın kazandırdığı kararlılıktan vazgeçilmesi gerekir. Wikipedia'nın anilin maddesi bir ayrıntıyı da ekler: gaz fazında anilin amonyaktan daha baziktir ve sudaki farkın bir bölümü çözücünün iyonları farklı sarmalamasından gelir. Rezonans yönü açıklar, sayının tamamını değil.

Karbonile komşu azot

Önceki derste karboksil grubunun hidroksili yerine bir alkoksi grubu koyup ester kurmuştuk. Aynı yere bir azot oturduğunda amid oluşur.

Amidin iki çizimi yazılabilir. Birinde azot çiftini taşır, karbon ile oksijen arasında çift bağ vardır. Ötekinde çift azot ile karbon arasına kaymış, C=O bağının π elektronları oksijene açılmıştır; azot artı, oksijen eksi yüklüdür. Gerçek molekül ikisinin arasındadır. Azotun çifti karbonile verilmiş olduğu için bir protonu yakalamaya hazır değildir. Wikipedia'nın amid maddesi, amidlerin aminlere göre çok zayıf bazlar olduğunu ve bunu karbonilin azottan elektron çekmesine bağladığını yazar. Mete'nin sorusunun cevabı buradadır: balık etinin azotlarının çoğu peptit bağlarındadır ve limonun asidi onları protonlayacak güçte değildir.

Rezonansın ölçülebilir bir izi bağ uzunluğudur. Lehninger'in biyokimya kitabı, Pauling ve Corey'nin kristal ölçümlerine dayanarak peptit bağındaki C–N uzaklığını 1,32 Å verir; tipik bir C–N tekli bağı için 1,49 Å, C=N çift bağı için 1,27 Å yazar. Panjikar ile Weiss'in 2025'te IUCrJ'de yayımladığı protein yapıları taraması, sarmallarda ve tabakalarda ortalama 1,33 Å bulur; başvuru tablosunda tekli bağ 1,47 Å'dır. Tekli bağdan çift bağa giden aralıkta peptit bağının yeri (1,47 − 1,32) ÷ (1,47 − 1,27) = 0,15 ÷ 0,20 = 0,75 eder; 1,49 ile hesap 0,17 ÷ 0,22 ≈ 0,77 verir. Uzunluk bağ derecesiyle doğrusal değişmediği için bu sayı çift bağ payını değil, cetveldeki konumu gösterir.

Kısmi çift bağ dönmeyi kilitler. İzomerlik dersinde etanın tekli bağı etrafında dönme engelini 12 kJ/mol bulmuştuk; peptit bağında cis ile trans arasında geçiş, π örtüşmesini kısmen bozmayı gerektirdiği için bunun birkaç katı bir engelle karşılaşır. Protein Yapısında Zayıf Etkileşimler dersinde (L02-P06-M02-D07) Pauling, Corey ve Branson'ın α-sarmal modelinin peptit grubunun düzlemselliğine dayandığını görmüştük. Omurga, katı düzlem kartların α-karbonlarda eklenmesiyle kurulmuş bir zincir gibidir; esneklik yalnız α-karbonun iki yanındaki tekli bağlardadır.

İki amino asit, bir su

Amid bağının kuruluşu esterleşmenin ikizidir: asit ile alkol bir su ayırarak ester kurmuştu, asit ile amin de bir su ayırarak amid kurar. İki glisinden glisilglisin oluşurken kütle hesabı bunu gösterir: 2 × 75,07 − 18,02 = 132,12 gram/mol. PubChem glisilglisini 132,12 gram/mol verir; C₄H₈N₂O₃ formülünden standart atom ağırlıklarıyla bulunan değer de 132,119'dur.

Alanin ile glisin birleşince hesap 89,09 + 75,07 − 18,02 = 146,14 gram/mol verir ve PubChem'in alanilglisin kaydıyla tutar. Aynı iki amino asit öbür sırayla bağlanırsa glisilalanin oluşur. Formül de kütle de aynıdır ama atomların bağlanma sırası farklıdır; İzomerlik dersindeki adıyla bunlar birbirinin yapı izomerleridir. Bir proteinin kimliği, amino asitlerinin listesi değil, bu sıradır.

Suya direnen bağ

Peptit bağının hidrolizi, suyun bağa katılıp onu asit ve amine ayırmasıdır. Denge hidroliz yönündedir, ama tepkime son derece yavaştır. Anna Radzicka ile Richard Wolfenden 1996'da Journal of the American Chemical Society'de yayımladıkları çalışmada, katalizörsüz nötr suda 25 °C'de yarı ömürleri glisilglisin için yaklaşık 350, başka iki model peptit için 500 ve 600 yıl olarak ölçtüler; Wikipedia'nın peptit bağı maddesi aynı çalışmaya dayanarak 350 ile 600 yıl arasını verir.

Albüminin olgun zincirinin 585 amino asit uzunluğunda olduğunu görmüştük; zincirde 584 peptit bağı vardır. Yarı ömür 350 yıl ise bir bağın bir yılda kopma olasılığı 1 − 2^(−1 ÷ 350) ≈ 0,00198'dir. Bütün bağlar aynı hızla kopsaydı, enzimsiz suda bir albümin zinciri yılda ortalama 584 × 0,00198 ≈ 1,16 bağ kaybederdi; 600 yılla bu sayı 0,67'dir.

Bu direncin iki kaynağı var ve ikisi de rezonansa dayanır. Azot oksijenden daha az elektronegatiftir: Pauling ölçeğinde 3,04'e karşı 3,44. Çiftini karbonile esterin oksijeninden daha istekli verir, bu da karbonil karbonunun kısmi artı yükünü daha çok örter ve suyun saldıracağı hedefi köreltir. Tepkimenin sonunda ayrılması gereken grup da farklıdır: esterde ayrılan alkoksit, amidde ise çok daha güçlü bir baz olan azot anyonudur ve güçlü bazlar kötü ayrılan gruplardır. OpenStax karboksilik asit türevlerinin tepkinlik sırasında amidleri en sona koyar; ester onun bir basamak üstündedir. Laboratuvarda bir amidi koparmak için sulu asit ya da bazla ısıtmak gerekir; OpenStax bu koşulların esterinkinden daha sert olduğunu yazar, Wikipedia'nın amid maddesi de sıcak baz ya da güçlü asit ister.

Limonun balık etine etkisi başka bir düzeydedir. Wikipedia'nın ceviche ve denatürasyon maddelerine göre turunçgil asidi çiğ balığın proteinlerini denatüre eder; denatürasyonda ise peptit bağlarının kopmadığını görmüştük.

Vücut ise proteinlerini sürekli yıkıp yeniden kurar. Enzimlerin katalitik rolünü işlediğimiz derste (L02-P06-M05-D08) bir enzimin dengeyi değil, engeli değiştirdiğini görmüştük. Pepsin, tripsin gibi proteazlar peptit bağının hidrolizini hızlandırır; denge zaten hidroliz yanındaydı, eksik olan yoldu.

Saat camında kalan tuz

Mete defterine "(CH₃)₃N + H⁺ → (CH₃)₃NH⁺: yüklü, uçmaz" yazıyor, altına "anilin: çift halkada, amid: çift karbonilde" ekliyor. Bir peptit bağı çizip C–N çizgisinin yanına kesikli ikinci bir çizgi koyuyor ve kenarına "dönmez", limonun altına "denatüre eder, koparmaz" notlarını düşüyor.

Nilüfer Hanım model setinden bir glisin, bir alanin çıkarıp masaya koyuyor ve iki farklı dipeptit kurmasını istiyor. Mete ikisini de kuruyor, kâğıda "146,14 — 146,14" yazıp aralarına bir eşit işareti koyuyor. Sonra eşit işaretinin üstünü çiziyor.

Kendini sına

1. Dimetilamin ikincil, kolin ise dördüncül bir azot taşır. pH 3 ile pH 10 arasında gezdirilen bir çözeltide bu iki molekülün yükü nasıl değişir, neden?
2. Anilinyum iyonunun pKa'sını 4,6 al. pH 4,6'da ve pH 3,6'da anilinin protonlu payını hesapla.
3. Anilinin ortaklanmamış çiftinin halkaya yayılması baz gücünü neden düşürür? Gaz fazındaki sıralamanın farklı olması bu açıklama hakkında ne söyler?
4. Glisin ile alanin arasında kurulabilecek iki dipeptidin molar kütlesini hesapla. Neden iki ayrı molekül sayılırlar?
5. Amid bağı esterden neden daha yavaş hidroliz olur? Bir proteaz bu hidrolizin dengesini mi, hızını mı değiştirir?

Bir sonraki derse köprü

Alanilglisinin alanin ucundaki α-karbon dört farklı gruba bağlıdır: bir hidrojen, bir metil, bir amino grubu ve peptit bağına giden karbonil. Kiralite dersinde L-alaninin S konfigürasyonunu okumuş, bir molekülün ayna görüntüsüyle çakışmayabileceğini görmüştük. İlaç Moleküllerinde Stereoizomeri dersinde bu ayrımın ilaç tasarımına taşınmasını ele alacağız: kiral bir ilaç rasemik karışım olarak mı, tek enantiyomer olarak mı verilir? Proteinleri kendisi kiral olan bir beden, iki enantiyomeri neden farklı karşılayabilir?