Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Wydział Nauk o śywności i Rybactwa
Zakład Opakowalnictwa i Biopolimerów
I N S T R U K C J A
Ć W I C Z E N I E 7
Aminokwasy, peptydy, białka
(podstawowe właściwości i wybrane reakcje charakterystyczne)
Aminokwasy
Aminokwasy są to związki dwufunkcyjne, których cząsteczki zawierają grupy
karboksylowe i aminowe:
grupa aminowa:
H
N
H
grupa karboksylowa:
O
C
O
H
Nomenklatura aminokwasów:
Naturalne aminokwasy posiadają nazwy zwyczajowe tworzone poprzez dodanie do nazwy
macierzystej przedrostka amino−:
np. NH −
−
2 CH2 COOH kwas aminooctowy (glicyna)
Nazewnictwo zwyczajowe tworzy się podobnie jak fluorowco− lub hydroksokwasów; np.
NH −
−
2 CH2 COOH kwas aminoetanowy, kwas α−aminooctowy
Podział
Ze względu na skład chemiczny
•
obojętne (zawierają jedną grupę karboksylową i jedną aminową)
np.:
C H
C O O H
2
NH 2
glicyna (Gly)
C H
C
C O O H
2
3
NH 2
Alanina (Ala)
H C
3
CH
CH
COOH
2
H C
3
NH
2
Walina (Val)
HC
3
CH
CH
CH
COOH
2
2
HC
3
NH2
Leucyna (Leu)
H C
3
H C
CH
H
C
CH
COOH
2
3
2
NH2
Izoleucyna (Ile)
•
obojętne, ale zawierające jeszcze inne grupy funkcyjne;
HO
H
C
CH
COOH
2
NH2
Tyrozyna (Tyr)
H
C
CH
COOH
2
NH2
Seryna (Ser)
CH
HC
C
C
CH2
CH
COOH
NH2
HC
C
CH
CH
N
H
Tryptofan (Trp)
HSCH
2
CHCOOH Cysteina (Cys)
NH2
H2N
C
CH2
CH
COOH
O
NH2
Asparagina (Asn)
H2N
C
CH
CH
2
2
CH
COOH
O
NH2
Glutamina (Gln)
•
kwasowe charakteryzują się dodatkową grupą karboksylową
HO
C
CH2
CH
COOH
O
NH2
Kwas asparaginowy (Asp)
C
CH
CH
2
2
CH
COOH
O
NH2
Kwas glutaminowy (Glu)
•
zasadowe charakteryzują się dodatkową grupą aminową
H N
(CH )
2
2 4
CH
COOH
NH2
Lizyna (Lys)
H
C
NH
(CH )
2N
2 3
CH
COOH
NH
NH2
Arginina (Arg)
N
C
CH2
CH
COOH
HC
CH
NH2
N
H
Histydyna (His)
Podział w zaleŜności od ustawienia grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej;
•
aminokwas α CH
3
CH2
CHCOOH kwas α−aminomasłowy
NH2
•
aminokwas β CH
3
CHCH2
COOH kwas β−aminomasłowy
NH2
•
aminokwas γ CH
2
CH2
CH2
COOH kwas γ−aminomasłowy
NH2
Podział aminokwasów w zaleŜności od moŜliwości syntezy aminokwasu w organizmie na:
•
endogenne (organizm potrafi je syntetyzować)
•
egzogenne (muszą być dostarczane z zewnątrz wraz z poŜywieniem),
naleŜą do nich: fenyloalanina, izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina,
tryptofan, treonina, walina.
Metody otrzymywania aminokwasów
1) Hydrolityczny rozkład białka:
• enzymatyczny −przy uŜyciu enzymów proteolitycznych
• hydroliza kwasowa − działanie wyŜszej temperatury na preparaty białkowe
znajdujące się w 6M HCl lub 25% H2SO4. Rozkładowi ulegają tryptofan i
treonina.
• hydroliza zasadowa − w obecności stęŜonego NaOH lub Ba(OH)2. Rozkładowi
ulegają cysteina i arginina
2) Reakcja fluorowcokwasów z amoniakiem
+Br2, T
+2NH
CH
3
3
COOH
Br
CH
COOH
2
NH
-HBr
-NH Br
2
CH2
COOH
4
3)
Reakcja aldehydów z cyjankiem amonowym ( reakcja cyjanohydrynowa)
+NH , +HCN
+2H O
2
CH
3
CH
CH
CN
CH
CH
COOH
3CHO
3
3
-H O
-NH
2
3
NH
NH
2
2
Właściwości fizyczne
Aminokwasy występują przede wszystkim jako substancje stałe, krystaliczne. Posiadają słodki smak. Rozpuszczalność w wodzie jest dobra, posiadają wysokie temperatury topnienia,
natomiast nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych.
Właściwości chemiczne
1) Aminokwasy jako substancje amfoteryczne
W roztworach wodnych aminokwasy wykazują odczyn prawie obojętny a w wyniku
dysocjacji powstaja jony:
H O
2
+
-
+
R
R
CH
COOH
NH
R
COO-
CH
COO
3
+ H
+
NH
NH
3
2
Jon obojnaczy to wewnątrzcząsteczkowe zobojętnienie grupy aminowej (−NH2)
resztą karboksylową co powoduje utworzenie wewnętrznej soli amoniowej. Taka sól posiada
jednocześnie ładunek dodatni jak i ujemny, ilości tych jonów równowaŜą się. W zaleŜności od
środowiska w jakim znajduje się aminokwas ( środowisko kwaśne H+ lub środowisko
−
zasadowe OH ) moŜe występować w formie kationu bądź anionu.
Gdy będzie to środowisko kwaśne wówczas grupa ujemna aminokwasu przyjmuje H+ co
powoduje cofnięcie dysocjacji grupy karboksylowej i wówczas dany aminokwas posiada ładunek dodatni.
W przypadku odwrotnym (środowisko zasadowe) następuje przesunięcie reakcji w
kierunku powstawania anionu (odłączenie koordynacyjnie związanego protonu i przyłączenie
−
z jonem OH − powstanie wody).
+
-
+ [
H ]
+ [
O
H ]
R
CH
COOH
-
R
CH
COO
-
R
CH
COO
+
+
+
-
NH
- [
H ]
- [
O
H ]
3
NH 3
NH2
Punkt izoelektryczny − pI:
Dla kaŜdego aminokwasu istnieje takie pH, w którym nie obserwuje się wędrówki jonów w polu elektrycznym. W punkcie izoelektrycznym aminokwas występuje jako jon obojnaczy.
Aminokwasy ze względu na swoją amfoteryczność ( występowanie jonu obojnaczego) dają jonowo zbudowane sole pod wpływem kwasów jak i zasad.
+ -
NH2
R
COOH +HCl
[NH
R
COOH] Cl
3
-
+
NH2
R
COOH + NaOH
NH
R
COO + Na + H O
2
2
2) Tworzenie wiązań peptydowych
COOH
O
COOH
CH2
COOH + H
CH
CH
HN
CH
2N
2
C
-H2O
NH2
CH
NH
3
2
CH3
3) Reakcje grupy karboksylowej:
• reakcja estryfikacji− polega ona na reakcji aminokwasu wraz z alkoholem powstają wówczas estry ( nie posiadaja one właściwości amfoterycznych), a wykazują właściwości
aminy.
+ H+
R
CH
COOH + HOC
[R
2H5 -H O
CH
COOC
2
2H5]+
NH2
NH2
-
+ OH
R
CH
COC
-H O
2H5
2
NH2
• dekarboksylacja − aminokwasy mogą przekształcić się w aminy gdy na nie zadziałamy podczas ogrzewania roztworem Ba(OH)2
R
T
CH
COOH
R
CH
NH + CO
2
2
2
Ba(OH)2
NH2
• tworzenie kompleksów − α−aminokwasy tworzą kompleksy z kationami metali (głównie
miedzi). Powstają wówczas barwne sole kompleksowe.
4) Reakcje grupy aminowej:
• Deaminacja − aminokwasy posiadające I−rzędową grupę aminową pod wpływem kwasu
azotowego (III) utleniają się do hydrokwasu i uwalniają grupę aminową w postaci azotu.
R
CH
COOH + HONO
R
CH
COOH + N2 + H2O
NH2
OH
Są róŜne rodzaje deaminacji:
hydrolityczna
hydrolityczna z dekarboksylacją
przez redukcję
desaturatywna
• Utlenianie
Utlenianie aminokwasów prowadzi do powstawania ketokwasów.
+ [
O ]
+ H O
2
R
CH
COOH
R
C
COOH
R
C
COOH + NH3
- [
2
H ]
NH2
NH
O
• Zasady Schiffa
Aminokwasy, które są powiązane w postaci zasady Schiffa mogą ulegać róŜnym
przemianom biochemicznym tj. transaminacja, dekarboksylacja.
O
R
CH
COOH +
C
R
R
CH
N
CH
R + H O
2
NH2
H
COOH
1.
Reakcja ninhydrynowa
Aminokwasy w tej reakcji wraz z ninhydryną dają fiołkowoniebieskie zabarwienie.
O
OH
Zasada
OH + R
CH
COOH
2
O
NH2
O
O
O
N
+ Zasada. H + 3 H2O + R
C
O O
H
2.
Reakcja ksantoproteinowa
Reakcja te słuŜy do wykrywania aminokwasów aromatycznych (fenyloalanina,
tyrozyna, tryptofan). Dodanie stęŜonego kwasu azotowego (V) powoduje
występowanie Ŝółtego zabarwienia, spowodowanego powstaniem pochodnych
nitrowych aminokwasów.
Peptydy
Są to związki powstające w wyniku kondensacji aminokwasów. Wiązanie peptydowe
wygląda następująco:
O
C
NH
Podział peptydów:
1.
Dipeptydy
COOH
O
COOH
CH2
COOH + H
CH
CH
HN
CH
2N
2
C
-H2O
NH2
CH
NH
3
2
CH3
2.
Tripeptydy np.: glutation
3.
Tetrapeptydy
4.
Polipeptydy: polimery aminokwasów o masie cząsteczkowej do 10000.
Zbudowany jest z trzech aminokwasów: kwasu glutaminowego, cysteiny
i glicyny. Glutation pełni rolę układu odpowiadającego za utrzymanie na odpowiednim poziomie potencjału oksydoredukcyjnego komórek. W postaci zredukowanej zawiera grupę tiolową −SH, a w postaci utlenionej ditiogrupę −S−S−.
Niektóre hormony są peptydami np.: wazopresyna (zbudowana z 9 aminokwasów
i jednego mostka disiarczkowego), oksytocyna (zbudowana równieŜ z 9 aminokwasów).
Białka
Białka są to polimery aminokwasów białkowych połączone wiązaniami peptydowymi.
Są to polipeptydy zbudowane z więcej niŜ 100 reszt aminokwasowych, posiadające masę cząsteczkową wyŜszą niŜ 10000.
Budowa białek
Budowa białek jest złoŜona. W celu jej określenia podaje się tzw. struktury:
1. Struktura I−rzędowa określa ona sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka czyli kolejne ułoŜenie aminokwasów w białku.
2. Struktura II−rzędowa mówi nam o układzie przestrzennym wynikającym z obecności wiązań wodorowych. Są dwie konformację łańcucha polipeptydowego. Pierwsza z nich
mówi o kształcie łańcucha w formie prawoskretnej linii śrubowej tzw. α−heliks. Druga nazywana jest strukturą β−harmonijką, mówimy o niej wówczas, gdy łańcuchy
peptydowe układają się równolegle do siebie i łączą się wiązaniami wodorowymi.
Konformację α−heliksu posiadają białka globularne a β białka budulcowe.
3. Struktura
III−rzędowa
charakteryzuje
pofałdowanie
łańcuchów
peptydowych
w przestrzeni ( skręcenie łańcucha polipeptydowego). Bardzo waŜną rolę odgrywają tutaj
wiązania siarczkowe −S−S− tworzące się między resztami cysteiny. Dzieki tym
wiazaniom białka sa bardziej odporne na czynniki denaturujące. Innymi waŜnymi
połączeniami wewnątrz białka są siły Wan der Waalsa.
4. Struktura IV−rzędowa, określa ilość i wzajemne ułoŜenie podjednostek cząsteczkowych (pojedyńczych łańcuchów) białek. Są to struktury bardzo złoŜone.
Właściwości fizyko−chemiczne białek
Białka są na ogół rozpuszczalne w wodzie, niektóre rozpuszczają się w rozcieńczonych roztworach kwasów i zasad a inne w rozpuszczalnikach organicznych. Ulegaja hydratacji poprzez wykazanie zdolności do wiązania cząsteczek wody. Początkowo pęcznieją
a następnie się rozpuszczają. Tworzą cząstki koloidalne. Na ich rozpuszczalność ma teŜ
wpływ stęŜenie soli nierganicznych. Niewielkie stęŜenie wpływają dodatnio, ale
przekroczenie pewnego stęŜenia powoduje oddzielenie wody i wypadanie ich z roztworu (wysalanie)−jest to proces odwracalny i nie narusza ich struktury, niszczy jedynie ich otoczkę solwatacyjną. Białka ulegają procesowi koagulacji i procesowi odwrotnemu - peptyzacji.
Koagulacja jest to przejście zolu w Ŝel, a peptyzacja jest to przejście Ŝelu w zol.
Denaturacja białka − jest to zniszczenie struktury II, III, IV −rzędowej bez naruszenia struktury I−rzędowej. Czynikami deneturującymi są:
mocne kwasy i zasady
wysoka temperatura
sole metali cięŜkich
promieniowanie UV i X
Dzięki obecności w cząsteczce białka ładunków elektrycznych posiadają one właściwość poruszania się w polu elektrycznym. Przy warunkach sprzyjających tworzeniu ładunków (+)
białko przesuwa się w stronę katody, natomiast w odwrotnych warunkach przesuwa się w stronę anody. Wykorzystano tą właściwość do rozdzielenie miesznin białek na drodze elektoforezy.
Podział białek
Podstawowy podział białek:
1.
Białka proste − proteiny, które po hydrolizie dają wyłącznie aminokwasy
2.
Białka złoŜone − proteidy, zawierają one oprócz aminokwasów inne niebiałkowe
składniki np.: grupę prostetyczną
Białka proste:
1.
Protaminy
2.
Histony
3.
Albuminy
4.
Globuliny
5.
Prolaminy
6.
Gluteiny
7.
Skleroproteiny
Białka złoŜone:
1.
Fosfoproteidy
2.
Nukleoproteidy
3.
Chromoproteidy
4.
Metaloproteidy
5.
Glikoproteidy
6.
Lipoproteidy
Aminokwasy − wzory, definicja, nazewnictwo, klasyfikacja, wykrywanie.
Właściwości chemiczne aminokwasów − reakcje charakterystyczne.
Klasyfikacja i budowa peptydów.
Właściwości fizyko − chemiczne białek.
Napisać reakcje alaniny z:
a) HNO2
b) HCl
c) H2O
d) CH3OH
e) KOH
Podaj równania reakcji dla powyŜszych syntez:
a) etan−alanina
b) metan−glicyna
c) etan−glicyloalanina
Podać zawartość procentową azotu w kwasie α−aminopropinowym.
Związek organiczny zawiera 48,6% węgla, 8,1% wodoru, 43,3% tlenu. W reakcji z bromowodorem daje on bromopochodną o masie molowej większej o 79 g/mol od
związku wyjściowego. Bromopochodna ta reaguje z amoniakiem tworząc aminokwas.
Podaj nazwę aminokwasu i związku.
Podać strukturalny wzór związku zawierającego 77,4% węgla, 7,5% wodoru i 15,1%
azotu. Masa cząsteczkowa związku wynosi 93 g.
Ćwiczenie 1. Badanie właściwości kwasu aminooctowego.
Kwas aminooctowy (glicyna) to biała krystaliczna substancja stała, która dość dobrze rozpuszcza się w wodzie. Odczyn powstałego roztworu jest obojętny.
Przebieg ćwiczenia:
a) Część pierwsza doświadczenia
1. Przygotować roztwór glicyny !
0,5g
glicyny
(odwaŜyć
na
wadze
w
naczyńku
wagowym)
rozpuścić
w 3 cm3 H2O destylowanej (czynność wykonać w probówce ).
2. Do małej kolbki stoŜkowej wlać niewielką ilość 5% NaOH, wkroplić kroplę
fenoloftaleiny.
3. Do probówki z roztworem glicyny dodawać kroplami 5% roztwór NaOH zabarwiony
fenoloftaleiną (znajdujący się w kolbce stoŜkowej).
Barwa w środowisku
Ilość kropli
Nazwa
Zakres pH
dodawana do
wskaźnika
kwaśnym
zasadowym
zmiany barwy
roztworu
czerwono -
fenoloftaleina
-
8,2 – 10,0
1
fioletowa
b) Część druga doświadczenia
1. Przygotować roztwór glicyny !
0,5g
glicyny
(odwaŜyć
na
wadze
w
naczyńku
wagowym)
rozpuścić
w 3 cm3 H2O destylowanej (czynność wykonać w probówce).
2. Do drugiej probówki wlać 3 cm3 H2O destylowanej.
3. Do kaŜdej z nich dodać po 0,5 cm3 5% HCl.
4. Zbadać odczyn w próbówkach papierkiem uniwersalnym.
Zadania i pytania:
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego doświadczenia.
Ćwiczenie 2. Wykrywanie aminokwasów
Alfa−aminokwasy tworzą z ninhydryną barwne połączenia. Wykorzystuje się to
w chromatografii bibułowej, aby rozdzielić składniki mieszaniny aminokwasów.
Po „rozwinięciu” chromatogram suszy się i spryskuje odczynnikiem ninhydrynowym.
Przebieg ćwiczenia:
1. OdwaŜyć w naczyńku wagowym na wadze analitycznej 0,2g α−aminokwasu.
2. Zawartość przesypać do probówki następnie dodać 2 cm3 wody.
3. Zawartość probówki wymieszać.
4. Następnie dodać 3−5 kropli roztworu ninhydryny.
5. Mieszaninę ogrzewać nad palnikiem gazowym do wrzenia.
6. Powstanie niebieskiego zabarwienia świadczy o obecności α−aminokwasu.
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego doświadczenia.
Ćwiczenie 3. Badanie właściwości fizycznych białek
Białko jaja kurzego (albumina) rozpuszcza się wodzie tworząc roztwór koloidalny. DuŜe cząsteczki białek z uwagi na obecność silnie polarnych grup: −COOH, −NH2, −OH ulegają solwatacji. Dodanie mocnego elektrolitu niszczy otoczkę solwatacyjną. Wówczas nastąpi wytrącenie białka z roztworu zwane wysoleniem. Jest to proces odwracalny. Pod wpływem soli metali cięŜkich, mocnych kwasów, formaliny itp. zachodzi wytrącenie białka
z roztworów w sposób nieodwracalny − denaturacja.
Przebieg ćwiczenia:
Przygotowanie roztworu białka !
1. 5g białka jaja (oddzielić białko od Ŝółtka, odwaŜyć 5g białka na wadze analitycznej w naczyńku wagowym)
2. Przelać białko do kolby miarowej na 200 cm3 (przy uŜyciu lejka) dodać
195 cm3 wody destylowanej (odmierzyć cylindrem miarowym) dodać do kolby miarowej
zamknąć korkiem i wymieszać.
Wysalanie białka
1.
Do probówki wlać 2 cm3 roztworu białka
2.
Następnie do probówki dodać 2 cm3 nasyconego roztworu (NH4)2SO4.
3.
Dodać do probówki 10 cm3 wody destylowanej i wstrzasnąć.
Denaturacja białka
1. Przygotować 5 próbówek,
2. Do kaŜdej probówki dodać 2 cm3 roztworu białka,
3. Do pierwszej dodać kilka kropli 5% Pb(NO3)2,
4. Do drugiej dodać kilka kropli 5% HgCl2,
5. Do trzeciej dodać kilka kropli stęŜonego H2SO4,
6. Do czwartej dodać kilka kropli formaliny,
7. Ostatnią probówkę wstawić do wrzacej łaźni wodnej i ogrzewać do wrzenia,
8. Na koniec do kaŜdej z probówek dodać 10 cm3 wody destylowanej i wstrząsnąć.
Zadania i pytania:
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego doświadczenia.
Ćwiczenie 4. Wykrywanie białek
Do wykrywania białek stosuje się poniŜsze reakcje:
− reakcja biuretowa, polega ona na powstawaniu fioletowoniebieskiego kompleksu
białka z wodorotlenkiem miedzi (II). Reakcja ta daje pozytywne efekty w przypadku białek (od tetrapeptydów), dają ją równieŜ niektóre substancje niebiałkowe np.:biuret,
− reakcja ksantoproteinowa − jest to nitrowanie (działanie stęŜonych kwasem azotowym (V) związków posiadajacych pierścień aromatyczny występujących w białkach
np.: fenyloalanina i tworzeniu Ŝółtego zabarwienia,
− reakcja cystynowa − wykrywa ona białka zawierające związki siarki. Po zasadowej
hydrolizie tworzy się siarczek (II) sodu, który reaguje z solami ołowiu (II), tworząc czarny osad siarczku ołowiu,
− reakcja ninhydrynowa − aminokwasy reagują z ninhydryną tworząc barwne
związki.
Reakcja biuretowa
1. Przygotować dwie probówki
2. Do pierwszej probówki dodać 2 cm3 mleka
3. Do drugiej probówki dodać 2 cm3 roztworu białka (wcześniej przygotowanego patrz ćwiczenie 3).
4. Do obu probówek dodać po 2 cm3 stęŜonego NaOH oraz kilka kropli CuSO4.
Reakcja ksantoproteinowa
1. Przygotować dwie probówki
2. Do pierwszej probówki dodać 2 cm3 mleka
3. Do drugiej probówki dodać 2 cm3 roztworu białka (wcześniej przygotowanego patrz ćwiczenie 3).
4. Do obu probówek wlać po 1 cm3 stęŜonego HNO3.
5. Probówki ogrzewać w łaźni wodnej przez 3 minuty aŜ roztwór zabarwi się na Ŝółto.
6. Probówki ochłodzić pod zimną wodą.
7. Do
kaŜdej
probówki
dodać
1
cm3
stęŜonego
roztworu
NaOH
[ OSTROśNIE! Dodaje prowadzący!!! ]
Reakcja ninhydrynowa
1. Do probówki wlać 1 cm3 mleka i 1 cm3 0,1% roztworu ninhydryny .
2. Probówkę ogrzać w łaŜni wodnej.
Zadania i pytania:
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego doświadczenia