Химия биологически активных соединений (Теория и практика). Учебное пособие

В больших количествах глюкоза используется для производства L-аскорбиновой кислоты (витамина С) и кальцийсодержащего препарата – глюконата кальция (кальциевой соли глюконовой кислоты). При гидрировании глюкозы получают многоатомный спирт – сорбит или глюцит, используемый в пищевой промышленности как заменитель сахара для больных диабетом, а в медицине – как диуретическое средство.

Ход работы

Сухой крахмал в количестве 1 г взбалтывают с 5 см3 дистиллированной воды и выливают суспензию крахмала в коническую колбу с 50 см3 нагретой до кипения воды при перемешивании. Далее в колбу добавляют2 см3 водного раствора серной кислоты с массовой долей кислоты 40 % и нагревают смесь на кипящей водяной бане с периодическим перемешиванием раствора.

В процессе гидролиза периодически через каждые10 мин отбирают пипеткой в отдельную пробирку1 см3 реакционной массы, охлаждают пробу в воде и добавляют раствор йода. По мере протекания гидролиза окраска гидролизата крахмала смещается от синего (для исходного крахмала) до оранжево-красной и далее до желтой.

После того как окраска пробы при действии йода перестала изменяться колбу с реакционной смесью охлаждают в воде и понемногу при перемешивании в колбу добавляют порошок карбоната кальция до нейтральной реакции и фильтруют. После отделения от осадка сульфата кальция полученный фильтрат испытывают качественными реакциями на наличие в реакционной массе глюкозы. Для этого берут по 1 см3продукта гидролиза крахмала и помещают в три пробирки. В первую пробирку прибавляют водный раствор сульфата меди с добавлением щелочи, во вторую – реактив Фелинга и нагревают, в третью – реактив Толленса и нагревают. Одновременно проводят эти же опыты со стандартным раствором глюкозы.

51

Контрольные вопросы

1.Что такое крахмал?

2.Каковы природные источники крахмала?

3.Каково строение и химические свойства амилозы?

4.Каково строение и химические свойства амилопектина?

5.Напишите процесс гидролиза крахмала и укажите способ идентификации промежуточных продуктов гидролиза.

6.Строение глюкозы в растворе и кристаллической форме.

7.Химические свойства глюкозы.

8.Где применяется глюкоза?

Лабораторная работа № 9.

Гидролиз белка и идентификация функциональных групп аминокислот

Цель работы: изучить процесс гидролиза белка до аминокислот в щелочной среде и идентифицировать функциональные группы аминокислот.

Реактивы:

природный белок – альбумин куриного яйца, дистиллированная вода, раствор едкого натрия с массовой долей щелочи 40 %, водный раствор сульфата меди, концентрированная азотная кислота, раствор нитрата свинца с массовой долей соли 10 %.

Посуда:

плоскодонная коническая колба объемом 250–300 см3, пробирки, водяная баня.

Теоретические сведения

Согласно общепринятой теории макромолекула белка состоит из остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидными связями и является полиамидом:

52

Впервые мысль о пептидных связях была высказана выдающимся русским биохимиком А.Я. Данилевским (1838–1923). Состав и последовательность расположения аминокислотных остатков в молекуле белка могут быть различными, вследствие чего разнообразие белков поистине безгранично. Пептидные связи являются не единственными видами связей в белках. Отдельные пептидные цепи или их участки могут быть связаны между собой дисульфидными (–S–S–), солевыми и водородными связями.

Строение белков, их физические и биологические свойства во многом определяются свойствами углеводородных радикалов α-аминокислот.

α-Аминокислотами с углеводородными радикалами, обладают гидрофобными свойствами и не растворяются в воде. Неионогенные полярные функциональные группы в углеводородных радикалах α-аминокислот увеличивают гидрофильные свойства белков и повышают их растворимость в воде. Ионогенные полярные группы в углеводородных радикалах аминокислот еще в большей степени повышают гидрофильные свойства белков, а межмолекулярные связи способствуют образованию глобул. Ионогенные полярные функциональные группы обеспечивают кислотные и основные свойства белка, проявляющиеся в ферментативном катализе соответствующих химических реакций.

Белки экстрагируют из белоксодержащего материала водой, растворами солей, щелочей, кислот, водноспиртовыми растворами. Полученный таким образом продукт обычно содержит значительное количество примесей. Для дальнейшего выделения и очистки белка раствор обрабатывают солями(высаливание), насыщают спиртом или ацетоном, нейтрализуют. При этом выделяется соответствующая фракция белка.

53

Многие белки растворимы в воде, щелочах, кислотах, но нерастворимы в органических растворителях. В растворах белки представляют собой высокомолекулярные коллоиды и обладают многими свойствами коллоидных растворов.

Под воздействием кислот, щелочей или протеолитических ферментов белковые вещества распадаются с образованием в конечном итоге смеси α-аминокислот. Гидролиз протекает ступенчато, образуя все более и более простые продукты:

Белок → альбумозы (пептоны) → полипептиды → дипептиды → α–аминокислоты.

Ход работы

Белок куриного яйца смешивают в плоскодонной конической колбе объемом250–300 см3 при перемешивании со100 см3 дистиллированной воды. Смесь фильтруют через смоченный водой кусок полотна, уложенный в воронку. Отфильтрованный опалесцирующий раствор яичного альбумина используют для гидролиза.

К водному раствору альбумина в конической колбе добавляют при перемешивании 10 см3водного раствора щелочи с массовой долей 40% и нагревают реакционную массу на кипящей водяной бане.

Периодически из реакционной массы отбирают1 см3 раствора и добавляют 1 каплю раствора сульфата меди.

При добавлении к пробе реакционной массы раствора сульфата меди в щелочной среде происходит биуретовая реакция.

Цвет образующихся медных комплексов определяется числом аминокислот, связанных пептидной связью. Дипептиды дают синюю окраску, трипептиды – фиолетовую, а тетрапептиды и более сложные пептиды – красную.

Гидролиз ведут до тех пор, пока гидролизат с раствором сульфата меди будет давать синюю окраску. После этого гидролиз продолжают еще 20 мин для получения аминокислот в реакционном растворе.

54

Квыделяющимся из колбы в процессе гидролиза парам реакционной массы подносят смоченную дистиллированной водой универсальную индикаторную бумагу, которая окрашивается в синий цвет из-за присутствия в парах аммиака.

Для идентификации в составе аминокислот белка бензольных или фенольных фрагментов молекулы проводят ксантопротеиновую реакцию.

К1 см3 раствора гидролизата добавляют концентрированную азотную кислоту до кислой реакции. Смесь нагревают на горелке и кипятят в течение 2 мин. Окрашивание раствора в желтый цвет указывает на наличие в структуре аминокислот бензольных и фенольных фрагментов.

Для идентификации в составе аминокислот белка сульфгид-

рильных групп проводят сульфгидрильную реакцию с раствором плюмбита: к 1 см3горячего щелочного раствора гидролизата добавляют 1 см3 раствора соли свинца и кипятят смесь. В условиях

реакции образующийся сначала белый осадок гидрата окиси свинца растворяется в избытке щелочи с образованием плюмбита, а далее в присутствии сульфгидрильной группы превращается в сульфид свинца, окрашивающий раствор в коричнево-черный цвет.

Контрольные вопросы

1.Укажите первичную, вторичную и третичную структуры белков. Поясните образование пептидной, водородной и ионной связи в структурах белков.

2.Какова роль белка в биохимических процессах?

3.Каковы химические способы получения α–аминокислот?

4.Каково строение аминокислот в растворе при различной кислотности среды?

5.Каковы химические свойства аминокислот?

6.Каково строение и свойства пептидов?

7.Качественные реакции на функциональные группы аминокислот.

55

Лабораторная работа № 10.

Гидролиз жиров и идентификация продуктов реакции

Цель работы: изучить процесс гидролиза жиров в присутствии щелочи и идентифицировать продукты реакции.

Реактивы:

природный ацилглицерид – жир, дистиллированная вода, водный раствор концентрированной щелочи (NaOH) с массовой долей щелочи 40 %, водный раствор сульфата меди, концентрированный раствор хлорида кальция.

Посуда:

фарфоровая чашка, водяная баня.

Теоретические сведения

Глицеридами (ацилглицеринами или жирами) называют сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.

В зависимости от количества ацилированных гидроксильных групп глицерина различают моно-, ди- и триглицериды:

(триацилглицерин)

где R, R1, R2, R3– углеводородные радикалы высших карбоновых кислот

В состав жиров в основном входят триглицериды, но присутствуют ди- и моноглицериды. Наиболее распространенные в жирах кислоты (основные кислоты жиров) содержат от 12 до 18 атомов углерода, и эти кислоты часто называют жирными

56

кислотами.

Углеводородные радикалы карбоновых кислот глицеридов могут содержать не только насыщенные, но и ненасыщенные углерод-углеродные связи. Глицериды насыщенных высших жирных кислот в нормальных условиях находятся в твердом состоянии и называются жирами. Глицериды цис-изомеров ненасыщенных высших жирных кислот в нормальных условиях находятся в жидком состоянии и называются маслами.

В составе ацильных групп некоторых природных жиров растительного происхождения могут присутствовать гидроксильные, кето- и эпоксигруппы.

Под влиянием фермента липазы, щелочей и кислот (в том числе и сульфокислот) триглицериды гидролизуются с образованием сначала ди-, затем – моноглицеридов и в конечном итоге– жирных кислот и глицерина. Процесс гидролиза значительно ускоряется, если его проводить при 220–260 °С и давлении (25–60) · 105 Па (безреактивное расщепление жиров).

Вкислой и нейтральной среде продуктами гидролиза являются жирные карбоновые кислоты и глицерин.

Вщелочной среде при гидролизе триацилглицеринов образуются соли карбоновых кислот и глицерин:

Этот тип гидролиза называют омылением поскольку соли щелочных металлов высших жирных кислот обладают свойствами поверхностно-активных веществ из-за присутствия в составе молекулы гидрофильного и гидрофобного фрагментов.

57

Натриевые соли умеренно растворяются в воде; их получают в твердом состоянии в виде мыла. Калиевые соли лучше растворяются в воде с образованием гелей и они составляют основу жидких мыл и шампуней.

Жиры (в основном ацилглицерины) являются энергетическим резервом (депо) организма и участвуют в обменных процессах. Подкожные жировые ткани предохраняют животных и человека от охлаждения, а внутренние органы – от механических повреждений.

Липиды являются важным компонентом пищи, во многом определяя ее пищевую ценность и вкусовое достоинство.

Ход работы

В небольшую фарфоровую чашку помещают около3 г жира и 7 см3 концентрированного (40 %) водного раствора едкого натрия. Смесь нагревают на кипящей водяной бане при периодическом перемешивании в течение 40–60 мин в условиях слабого кипения раствора.

После омыления реакционную смесь охлаждают и отделяют верхний слой мыла от водной фазы фильтрованием на складчатом фильтре, предварительно смоченном водой.

Фильтрат упаривают в чашке в 2-3 раза, охлаждают и отбирают пробу объемом 1 см3 в пробирку. С пробой проводят качественную реакцию на присутствие в реакционной массе глицерина добавлением растворов сульфата меди и щелочи. Одновременно проводят качественную реакцию чистого глицерина с раствором сульфата меди в присутствии щелочи.

Расплавленный или водный раствор мыла помещают в пробирку, добавляют водный концентрированный раствор хлорида кальция. Выпавший осадок свидетельствует о присутствии в растворе карбоксилата жирной кислоты.

58

Контрольные вопросы

1.Какие органические соединения относят к липидам, жирам и маслам?

2.Каково строение и химические свойства триглицеридов?

3.Каково строение и свойства насыщенных и ненасыщенных высших карбоновых кислот глицеридов? Что такое ω–9, ω–6, ω–3кислоты?

4.Каково строение, свойства и роль фосфолипидов в биохимических процессах организма человека?

5.Окисление жиров и способы повышения их стабильности при хранении.

6.Строение и свойства глицерина. Качественная реакция на глицерин.

59

Лабораторная работа № 11.

Получение сложных эфиров уксусной кислоты

Цель работы: изучить способы получения производных уксусной кислоты – ее изоамилового и бутилового эфиров

Реактивы:

уксусная кислота ледяная - 15 г; изоамиловый спирт - 22,5 г; серная кислота (d=1,84 г/см3) - 2-4 капли

Посуда:

колба круглодонная на 100 см3, ловушка для воды, холодильник Либиха, воронка делительная, приемники, установка для простой перегонки (рис. 4).

Теоретические сведения

Уксусная (этановая) кислота СН¾СООН – бесцветная

3

жидкость с резким специфическим запахом. Безводная уксусная кислота называется «ледяной», так как при замерзании ( +16,6 °С) внешне она напоминает лед. Уксусная кислота смешивается с водой и многими органическими растворителями в любых соотношениях. Она широко распространена в природе как в свободном состоянии, так и в виде производных (главным образом сложных эфиров).

Уксусная кислота обладает свойствами биологически -ак тивных соединений из-за участия в биохимическом цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и консервирующими свойствами. В пищевой промышленности уксусная кислота используется как консервант и регулятор кислотности (пищевая добавка Е260) вместе со своими солями: ацетат натрия – Е281, ацетат кальция – Е282, ацетат калия – Е283.

Уксусная кислота обладает всеми свойствами карбоновых кислот: образует карбоксилаты, сложные эфиры, амиды, ангидриды и галогенангидриды.

60