Органическая химия для поступающих в вузы. Учебное пособие
.pdfОтносительные молекулярные массы белков могут достигать нескольких миллионов.
Один из первых белков (1954 г.) – гормон инсулин, регулирует содержание сахара в крови. К распространенным белкам относятся альбумин (в курином яйце), гемоглобин (в крови человека), казеин (в коровьем молоке), миоглобин и миозин (в мышцах).
Вторичная структура белка – для большинства белков это α-спираль, которая образуется в результате скручивания полипептид-
ной цепи за счет водородных связей между группами:
─С─ и ─N─ ║ │
ОН
Третичная структура белка – пространственная конфигурация спирали. Полипептидные цепи свернуты особым образом в «клубок» – компактную «глобулу». Эта структура поддерживается за счет гидрофобных взаимодействий, а также водородных, дисульфидных, ионных и других связей.
Четвертичная структура белка – способ совместной укладки нескольких полипептидных цепей. Образующиеся структуры назы-
ваются ассоциатами.
Физические свойства белков многообразны, как и их функции; одни белки растворяются в воде, другие – в разбавленных растворах солей, третьи нерастворимы.
Химические свойства
Из-за содержания различных функциональных групп белки вступают в реакции окисления-восстановления, этерификации, алкилирования, нитрования, образуют соли с кислотами и основаниями (белки амфотерны).
1. Гидролиз:
Н+ |
,t |
Н+ |
,t |
Белки + Н2О ¾¾¾® Полипептиды + Н2О ¾¾¾® |
|||
|
Н+ ,t |
|
Н+ ,t |
¾¾® Олигопептиды + Н2О ¾¾¾® Дипептиды + Н2О ¾¾¾® ¾¾® α-аминокислоты.
121
2. Осаждение белков:
а) обратимое (высаливание):
спирт, соли Na + ,K+ ,NH+
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾4 ®
белок в растворе ¬¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ осадок белка.
H2O
б) необратимое (необратимая денатурация):
|
соли тяжелых Ме,щелочи |
|
белок в растворе |
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾® |
белок с измененной |
кислоты,УФ-лучи, γ-лучи, t |
вторичной и третичной
структурой Например, альбумин – яичный белок – при температуре 60-70 оС
осаждается из раствора (свертывается), теряя способность растворяться в воде.
3. Качественные (цветные) реакции на белки:
а) ксантопротеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих бензольные кольца):
Белок + HNO3конц. → желтое окрашивание б) биуретовая реакция (на пептидные связи):
Белок + CuSO4 + NaOH → ярко-фиолетовое окрашивание
в) цистеиновая реакция (на остатки аминокислот, содержащих серу):
Белок + NaOH + Pb(CH3COO)2→ черное окрашивание ацетат свинца (II)
|
Превращение белков в организме |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Белки |
Ферменты |
Полипептиды |
Ферменты |
|
α- |
||
пищи |
(желудок) |
|
|
(кишечник) |
аминокислоты |
||
|
|
|
|
Ферменты, энергия |
|
||
|
|
|
|
|
(клетки) |
|
|
|
|
Белки организма |
CO2, NH3, H2O |
||||
энергия
122
Белки – основа всего живого на Земле, необходимая составная часть пищи человека. Выполняют в организмах многообразные функции.
Функции белков в организме
Пластическая |
|
|
Защитная |
|
|
|
Каталитическая |
|
|
Регуляторная |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Являются |
|
|
Обезврежи- |
|
|
Ускоряют про- |
|
|
Регулируют |
||||||||
строитель- |
|
|
вают чуже- |
|
|
|
текание химиче- |
|
|
обменные |
|||||||
ным материа- |
|
|
родные ве- |
|
|
|
ских реакций |
|
|
процессы |
|||||||
лом клетки |
|
|
щества |
|
|
|
в организме |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Коллаген |
|
|
γ-глобулин |
|
|
|
Рибонуклеаза |
|
|
Инсулин |
|||||||
(мембранные |
|
|
сыворотки |
|
|
|
|
и др. |
|
|
|
(обмен |
|||||
белки) |
|
|
|
крови |
|
|
|
|
|
|
|
|
глюкозы) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Транспортная |
|
|
Энергетическая |
|
Транспортная |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Переносят |
|
|
Снабжают |
|
Выполняют все ви- |
|
||||||||||
|
различные |
|
|
|
|
организм |
|
ды движений, к ко- |
|
||||||||
|
вещества |
|
|
|
|
энергией |
|
торым способны |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
клетки и организм |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
гемоглобин |
|
|
|
1 г белка |
|
миозин – |
белок |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
→17,6 кДж |
|
|
мышц |
|
||||||
|
(О2, О3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
123
5.4.ПОНЯТИЕ ОБ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ НА ПРИМЕРЕ ПИРИДИНА И ПИРРОЛА
Гетероциклическими называются органические соединения, содержащие в цикле не только атомы углерода, но и атомы других эле-
ментов (N, О, S, …) – гетероатомы.
..
N
|
Н
пиррол
Устойчивыми являются пяти- и шестичленные гетероциклы. Они имеют плоское строение и единую π-систему из 6 электронов (по одному от четырех атомов углерода и пару электронов от азота (кислорода, серы…)). Пятичленные гетероциклы носят ароматический характер и склонны к реакциям замещения.
Пиррол – бесцветная жидкость (tк = 130 оС), плохо растворим в воде, имеет характерный запах.
Пиррол проявляет слабые амфотерные свойства, причем основные очень ослаблены. Взаимодействует со щелочными металлами.
2 
+ 2K ¾® 2 
+ H2↑
N |
N |
│ |
│ |
H |
K |
Производные пиррола – это природные красящие вещества животного и растительного происхождения – порфирины. Порфирин крови – гем (система из четырех пиррольных ядер, связанных атомом Fе). Порфирин растений – хлорофилл (связаны атомом Mg). Порфирин желчи – билирубин.
124
Шестичленный гетероцикл – пиридин. Это бесцветная жидкость (tкип.=115 оС) с сильным неприятным запахом.
N
..
N
..
Неподеленная электронная пара атома азота не участвует в образовании единой π-электронной системы. Поэтому пиридин проявляет основные свойства.
+ Hδ+Clδ- ¾® |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Cl– |
|
|
|||||
|
|
|
N
│
H
Пиридин и его гомологи представляют собой пиридиновые осно-
вания.
Задача 5.1. Какой объем азота образуется при сгорании этиламина массой 9,00 г? Объем рассчитайте при нормальных условиях.
Решение
1. Запишем уравнение реакции:
4С2Н5NH2 + 15O2 ¾® 2N2 + 8СО2 + 14 Н2О
2. Найдем количество вещества этиламина:
|
|
|
|
|
|
|
|
m(C2H5NH2 ) |
|
9 |
|
|
|
|
|
|||||||||
n(C2H5NH2 ) = |
|
= |
|
|
|
|
= 0,2 моль. |
|
||||||||||||||||
M(C2H5NH2 ) |
45 |
|
|
|||||||||||||||||||||
3. |
По уравнению реакции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
n (N |
|
) = |
1 |
n (C |
|
H |
|
NH |
|
) ; n (N |
|
|
) |
= |
1 |
|
× 0,2 = 0,1 моль. |
|
||||||
2 |
|
2 |
5 |
2 |
2 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||||||
4. |
Найдем объем азота: V(N |
2 |
) |
|
= n(N |
2 |
) × VM = 0,1× 22,4 = 2,24 |
л. |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: 2,24 л.
125
Задача 5.2. Имеется раствор анилина в органическом растворителе массой 50 г. К раствору добавили избыток брома, при этом выпал осадок массой 33 г. Определите массовую долю анилина в исходном растворе.
Решение
1. Запишем уравнение реакции:
NH2 |
NH2 |
|
│ |
│ |
|
|
Br─ |
─Br |
+ 3Br2 |
¾® |
+ 3HBr |
анилин |
│ |
|
|
Br |
|
|
2,4,6-триброманилин |
|
2. Найдем количество вещества 2,4,6-триброманилина (ТВА):
n |
|
= |
m(TBA) |
|
n = |
33 |
= 0,1 |
моль. |
|
(TBA) |
; |
330 |
|||||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
M(TBA) |
|
|
|
|||
3. По уравнению реакции
n (C6H5NH2) = n (C6H2Br3NH2) ; n (C6H5NH2) = 0,1 моль. 4. Найдем массу анилина:
m(C6H5NH2) = n(C6H5NH2) × M(C6H5NH2 ) = 0,1× 93 = 9,3 г. 5. Найдем массовую долю анилина:
ω = m(C6H5NH2) ×100 = 9,3 ×100 =18,6 %. |
|
mр-ра |
50 |
Ответ: 18,6 %.
Задача 5.3. Из уксусной кислоты массой 36 г получили хлоруксусную кислоту, выход которой составил 60 %. Через раствор хло-
126
руксусной кислоты пропустили аммиак объемом 9,0 л (н.у.). Какое количество вещества аминоуксусной кислоты получили при этом?
Решение
1. Запишем уравнение реакции: СН3СООН + Сl2 ¾® Cl─CН2СООН + НСl
2. Найдем количество вещества уксусной кислоты:
n(CH3COOH) |
= |
m(CH3COOH) |
; n = |
36 |
= 0,6 моль |
|
|
||||||
M |
|
|
||||
|
|
(CH3COOH) |
60 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
3. Исходя из уравнения реакции и учитывая выход 60 %, найдем количество вещества хлоруксусной кислоты:
n(ClCH2COOH) = n(CH3COOH) ; n (ClCH2COOH) = n × η = 0,36 моль
4.Запишем уравнение реакции получения аминоуксусной кислоты:
Сl─CH2CООН + NH3 ¾® H2N─CH2─COOH + HCl
5.Найдем количество вещества аммиака:
n (NH3 ) = |
V(NH3 ) |
= |
9 |
= 0,4 |
моль. |
|
VM |
22,4 |
|||||
|
|
|
|
6. По уравнению реакции
n (ClCH2COOH) = n (NH3) .
Следовательно, хлоруксусная кислота находится в недостатке. 7. Находим количество вещества аминоуксусной кислоты:
n(NH2CH2COOH) = n(ClCH2COOH) ; n(NH2CH2COOH) = 0,36 моль.
Ответ: 0,36 моль.
Задача 5.4. Как можно получить полимер капрон?
Решение
Полимер капрон получают при поликонденсации ε-аминокапроновой кислоты (аминокислоты нормального строения):
127
O |
O |
O |
// |
// |
// |
…NH–(CH 2)5–C–OH + NH–(CH 2)5–C–OH + NH–(CH 2)5–C–OH.. → |
||
| |
| |
| |
H ε-капроновая |
H |
H |
O H |
O H |
O |
|| | |
|| | |
|| |
→ –NH–(CH 2)5–C–NH–(CH 2)5–C–NH–(CH |
2)5–C– + nH 2O |
|
структурное звено |
|
|
|
капрона |
|
5.5. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные соединения (биополимеры), макромолекулы которых состоят из мононук-
леотидов.
Обнаружены в 1868 г. швейцарским ученым Мишером в клеточном ядре [10].
Компоненты мононуклеотида
Пиримидино- |
|
|
|
Пуриновые |
|
Углеводные |
|
Ортофосфорная |
||||||||||||
вые основания |
|
|
|
основания |
|
компоненты |
|
кислота |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
СН |
|
|
|
N |
|
|
|
N |
|
НОН2С O ОН |
ОН |
||||||||
|
СН |
|
|
|
|
|
|
СН |
|
|
|
|
|
|
│ |
|||||
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
НС |
|
|
|
|
N |
|
Н |
|
Н Н |
|
|
Н |
НО – Р = О |
||||||
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
│ |
|||||||
НС N |
СН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОН Х |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пиримидин |
|
|
|
|
пурин |
|
|
Х=Н в дезоксирибозе (С6Н10О4) |
||||||||||||
урацил (У) |
|
|
|
|
аданин (А) |
|
Х=ОН в рибозе (С6Н10О5) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
цитозин (Ц) |
|
|
|
|
гуанин (Г) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тимин (Т) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
128 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема образования полинуклеотида |
||||
1. |
|
¬¾¾¾® |
|
|
N + Н2О |
|
У |
+ N |
У |
|
|||
|
|
|
конденсация |
|
|
|
|
|
|
гидролиз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
углеводы азотистое |
нуклеозид |
|||||
|
|
основание |
|
|
|
|
Нуклеозиды – это двухкомпонентные системы, состоящие из углеводных остатков и азотистых оснований, связанных β-гликозидной связью.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
2. |
|
|
|
N |
+ |
Р ¬¾¾¾® |
Р |
У |
+ Н2О |
|
|
У |
|
||||||||
|
|
|
|
|
конденсация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидролиз |
|
|
|
|
|
нуклеозид |
ортофосфорная |
нуклеотид |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
|
|
Нуклеотиды – это фосфаты нуклеозидов, т.е. сложные эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты. Разные нуклеотиды отличаются природой углеводов и азотистых оснований.
3. N N
… Р |
У + Р |
У + … |
¬¾¾¾¾¾® |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поликонденсация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидролиз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мононуклеотиды
|
|
N |
|
N |
|
¬¾® |
Р |
У |
Р |
У |
…+ nH 2O |
|
|
полинуклеотид |
|
|
|
129
|
|
|
Нуклеиновые кислоты |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дезоксирибонуклеино- |
|
|
Рибонуклеиновые |
|
|||
|
|
вые кислоты (ДНК) |
|
|
кислоты (РНК) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) |
Cодержат остатки дезок- |
1) |
Cодержат остатки рибозы; |
||||||
сирибозы; |
2) |
содержат остатки азотистых |
|||||||
2) |
содержат остатки азоти- |
|
оснований А, Г, Ц, У; |
||||||
стых оснований А, Г, Ц, Т; |
3) |
представляют собой одноце- |
|||||||
3) |
представляют собой |
|
почечные молекулы. |
||||||
двухцепочечные молекулы. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Хранят и передают |
|
|
Копируют генетическую ин- |
|||||
|
|
генетическую |
|
|
формацию, переносят к месту |
||||
|
|
информацию |
|
|
|
синтеза белка, участвуют |
|||
|
|
|
|
|
|
|
в процессе синтеза белка |
||
Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой и трехмерной структурой (вторичной, третичной, четвертичной).
5.6. ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ ДНК
Макромолекула ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси
(Д. Уотсон и Ф. Крик, 1953 г.).
Азотистые основания располагаются внутри спирали. На один виток спирали приходится, как правило, 10 нуклеотидов. Цепи выстраиваются в противоположных направлениях и удерживаются водородными связями (ВС), образующимися между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи образуются лишь между определенными основаниями: А=Т (две ВС); Г=Ц (три ВС). Такие пары оснований называются комплементарными парами.
Вторичная структура ДНК – это двойная спираль (рис. 5.1), образующаяся за счет ВС между комплементарными парами гетероциклических оснований.
130