§ 29. Амінокислоти та білки (Григорович)

Зміст

ОБГОВОРІТЬ У КЛАСІ

Кажуть: «Їж білок — виростуть м’язи». Але як шматок сиру чи квасоля перетворюються на мої ферменти, волосся або кров?

Білки їжі під дією травних ферментів шлунка й кишківника гідролізуються до окремих амінокислот. Одержані амінокислоти всмоктуються у кров і переносяться до клітин організму, де в рибосомах із них синтезуються власні білки, властиві організму людини: актин і міозин для м’язів, кератин для волосся, гемоглобін для крові та ферменти для травлення.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

Дослідіть умови денатурації білків.

• Дослід 1. Обережно розбийте сире яйце так, щоб не ушкодити жовток. Відокремте невелику частину білка й помістіть її у дві пробірки. Якщо пробірку з білком нагріти на вогні, то слизувата маса стане білою й твердою, як це відбувається під час приготування яєчні. Відбувається денатурація білка. На металевому дроті спаліть невеликий шматочок цього білка й понюхайте його. З’являється характерний запах, що нагадує запах паленого волосся, за яким завжди можна розпізнати білок.

Під час нагрівання прозорий розчин яєчного білка згортається, втрачає текучість і стає щільною білою масою внаслідок теплової денатурації. Під час горіння згортаного білка відчувається виразний запах паленого пір’я або волосся, що є ознакою наявності білкових речовин із Сульфуром у складі.

• Дослід 2. Уміст другої пробірки обережно змішайте з водою, білок частково розчиняється. Енергійно струсіть уміст пробірки та спостерігайте утворення в’язкої маси — у разі механічного впливу білок теж піддається денатурації. До тієї ж пробірки додайте розчин солі важкого металічного елемента, наприклад, купрум(2+) сульфату, і спостерігайте денатурацію під дією йонів металічних елементів.

У водному розчині білок альбумін утворює колоїдний розчин. При струшуванні механічні коливання призводять до часткового розгортання білкових молекул і збивання їх у піну або в’язку масу. Додавання розчину купрум(II) сульфату спричиняє утворення нерозчинного осаду денатурованого білка під дією йонів $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$.

• Дослід 3. Дослідіть на вміст білка такі об’єкти: пташине перо, кисломолочний сир, горіх або нут. Для цього внесіть у полум’я невеличкі зразки та визначте запах.

Під час спалювання зразка пташиного пера та висушеного шматочка сиру з’являється різкий специфічний запах паленого пір’я або волосся, що доводить білкову природу цих продуктів. Під час внесення у полум’я горіха та нуту також відчувається характерний запах паленого білка поряд із горінням олій та вуглеводів, що свідчить про значний вміст білкових речовин у складі бобових і горіхів.

Дослідіть реакцію білків із купрум(2+) сульфатом.

До розчину білка додають невелику кількість лугу $\mathrm{NaOH}$, а потім краплями розчин купрум(II) сульфату $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$. У лужному середовищі розчин забарвлюється у фіолетово-синій колір. Це біуретова реакція, яка є якісною на наявність пептидних зв’язків $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-$ у поліпептидному ланцюзі.

Ксантопротеїнова реакція білків.

До розчину білка додають кілька крапель концентрованої нітратної кислоти $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$ і злегка нагрівають, унаслідок чого утворюється осад жовтого кольору через нітрування бензенових кілець ароматичних амінокислот (фенілаланіну, тирозину, триптофану). Додавання розчину амоніаку змінює колір утвореного осаду на жовтогарячий.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

347. Які зв’язки забезпечують можливість утворення первинної та вторинної структури білків?

Первинна структура білка утворюється міцними ковалентними зв’язками, які називають пептидними зв’язками ($-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-$), між залишками молекул амінокислот. Вторинна структура ($\alpha$-спіраль або $\beta$-складчастість) утворюється і підтримується численними водневими зв’язками між атомами Гідрогену груп $-\mathrm{NH}-$ та атомами Оксигену карбонільних груп $-\mathrm{CO}-$ сусідніх витків або ділянок поліпептидного ланцюга.

348. Поясніть різницю в будові молекул кислот і амінокислот.

Молекули карбонових кислот містять тільки карбоксильну характеристичну групу $-\mathrm{COOH}$ і виявляють суто кислотні властивості. Молекули амінокислот містять одночасно дві різні функціональні групи з протилежними властивостями: кислотну карбоксильну групу $-\mathrm{COOH}$ та основну аміногрупу $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$, тому амінокислоти є амфотерними органічними сполуками.

349. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про будь-який засіб для спортивного харчування та проаналізуйте його склад. Сформулюйте гіпотезу щодо значення кожного компонента в ньому та повноцінності такого харчування. Чи відрізняється таке харчування від вашого раціону?

Спортивна суміш «Сироватковий ізолят протеїну» містить концентрат білка молочної сироватки, суміш незамінних амінокислот із розгалуженими ланцюгами (BCAA: лейцин, ізолейцин, валін), вітамінний комплекс і лецитин. Білок і амінокислоти забезпечують швидке надходження матеріалу для відновлення й росту м’язових волокон після фізичних навантажень, а вітаміни підтримують обмін речовин. Спортивне харчування не є повноцінною заміною звичайного щоденного раціону, оскільки в ньому відсутня рослинна клітковина, складні природні полісахариди та різноманітні мікронутрієнти. Воно відрізняється від мого раціону значно вищою концентрацією білка та відсутністю клітковини.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

350. Желатин — одна з широковживаних речовин-гелеутворювачів. Якщо до розчину желатину додати свіжий ананас, то гель не утвориться (не застигне). Але гель утворюється в разі додавання до розчину желатину консервованого або термічно обробленого ананаса. Поясніть цей факт.

Желатин є денатурованим білком колагеном, здатним утворювати просторову просторову сітку гелю у воді. Свіжий ананас містить протеолітичний фермент бромелаїн, який розщеплює молекули білка на дрібні фрагменти й перешкоджає утворенню гелю. Під час нагрівання або консервування фермент бромелаїн денатурує, повністю втрачає свою ферментативну активність і більше не руйнує білкові молекули желатину.

351. За будовою білків висловіть гіпотезу: чи залежить будова й «поведінка» молекул білків від рН розчину. Чому?

Будова й просторова форма молекул білка безпосередньо залежать від $\mathrm{pH}$ розчину. У білках є вільні групи $-\mathrm{COOH}$ та $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ у бічних залишках амінокислот, тому в кислому середовищі аміногрупи протонуються до $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3^{+}$, а в лужному карбоксильні групи дисоціюють до $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$. Зміна заряду ланцюгів руйнує йонні взаємодії та водневі зв’язки, що призводить до порушення просторової структури (денатурації) та зміни розчинності білка.

352. У першій пробірці міститься розчин білка, а в другій — гліцеролу. Якими реакціями можна розрізнити вміст обох пробірок?

Розрізнити речовини можна реакцією зі свіжоосадженим купрум(II) гідроксидом $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ у лужному середовищі:

1) До обох пробірок додають трохи розчину $\mathrm{NaOH}$ і кілька крапель розчину $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$. У пробірці з гліцеролом блакитний осад купрум(II) гідроксиду розчиняється з утворенням яскраво-синього прозорого розчину купрум(II) гліцерату. У пробірці з білком з’являється стійке фіолетове забарвлення внаслідок біуретової реакції.

2) Вміст обох пробірок можна нагріти: розчин білка згорнеться з утворенням білого пластівчастого осаду денатурованого білка, а розчин гліцеролу залишиться прозорим.

353. Як ви вважаєте, чи можна впродовж тривалого часу заміняти білкову їжу на їжу, що складається лише із жирів і вуглеводів? Які зміни відбуватимуться в організмі людини за умов такого харчування?

Заміняти білкову їжу на жири та вуглеводи впродовж тривалого часу не можна. Білки є єдиним джерелом амінокислот і Нітрогену, які не синтезуються з вуглеводів чи ліпідів. За відсутності білка в раціоні виникає білкове голодування: організм починає руйнувати власні м’язи, сповільнюється оновлення тканин, припиняється синтез життєво необхідних ферментів, антитіл та гормонів, різко падає імунітет і розвивається анемія.

354. Проаналізуйте діаграму та дайте відповіді на запитання.

• Яку характеристику двох білків порівнюють?

Порівнюють мольну частку (відсотковий вміст за кількістю речовини) окремих амінокислотних залишків у складі молекул $\alpha$-кератину та фіброїну.

• На діаграмі порівнюють два білки: α-кератин у вовні та фіброїн павутинного шовку. Яким кольором позначено дані про білок, що міститься у вовні?

Дані про білок вовни ($\alpha$-кератин) позначено синім кольором.

• Залишків якої амінокислоти найбільше міститься в павутинному фіброїні?

У павутинному фіброїні найбільше міститься залишків гліцину (приблизно 46%).

• Яка мольна частка аланіну в α-кератині та фіброїні?

Мольна частка аланіну в $\alpha$-кератині становить приблизно 6%, а у фіброїні — 30%.

• Визначте мольну частку всіх інших амінокислот, не позначених на діаграмі, для обох білків.

Для $\alpha$-кератину сума часток позначених амінокислот становить:
$9\%(\text{гліцин})+6\%(\text{аланін})+11\%(\text{серин})+13\%(\text{цистеїн})=39\%$
Мольна частка решти амінокислот у вовні:
$100\%-39\%=61\%$
Для фіброїну сума часток позначених амінокислот становить:
$46\%(\text{гліцин})+30\%(\text{аланін})+14\%(\text{серин})+0\%(\text{цистеїн})=90\%$
Мольна частка решти амінокислот у шовку:
$100\%-90\%=10\%$

• Павутинний фіброїн набагато міцніший матеріал за α-кератин у вовні. Якби ви були технологом текстильної компанії і перед вами виникло завдання виготовити якомога міцнішу тканину, то які амінокислоти ви б використали для створення поліпептидного волокна?

Для створення міцного волокна слід використати амінокислоти з найменшими бічними радикалами — гліцин ($-\mathrm{H}$) та аланін ($-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$). Їхні малі розміри дозволяють поліпептидним ланцюгам максимально близько прилягати один до одного й утворювати щільну $\beta$-складчасту структуру з великою кількістю міцних водневих зв’язків між ланцюгами.

355. Обчисліть масу гліцину, який можна одержати з етанової кислоти масою 15 г.

Дано:

• $m(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=15\text{ г}$

Знайти:

• $m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})-?$

Розв’язання:

1) Одержання гліцину (аміноетанової кислоти) з етанової кислоти відбувається за схемою:
$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{ClCOOH}+\mathrm{HCl}$
$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{ClCOOH}+2N{\mathrm{H}}_3\to \mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH}+\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}$
З однієї молекули етанової кислоти утворюється одна молекула гліцину:
$n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})$

2) Обчислимо молярну масу та кількість речовини етанової кислоти:
$M(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=12\cdot 2+1\cdot 4+16\cdot 2=60\text{ г/моль}$
$n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=\frac{m(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})}{M(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})}=\frac{15\text{ г}}{60\text{ г/моль}}=0,25\text{ моль}$

3) Обчислимо кількість речовини та молярну масу гліцину:
$n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=0,25\text{ моль}$
$M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=14+1\cdot 2+12\cdot 2+1\cdot 3+16\cdot 2=75\text{ г/моль}$

4) Знайдемо теоретичну масу одержаного гліцину:
$m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})\cdot M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=0,25\text{ моль}\cdot 75\frac{\text{г}}{\text{моль}}=18,75\text{ г}$

Відповідь: $m(\text{гліцину})=18,75\text{ г}$.

356. До розчину аміноетанової кислоти масою 50 г із масовою часткою кислоти 6 % додали розчин натрій гідроксиду масою 47 г із надлишковою кількістю лугу. Обчисліть масову частку солі в одержаному розчині.

Дано:

• $m_1(\text{р-ну})=50\text{ г}$
• $w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=6\%$ (або $0,06$)
• $m_2(\text{р-ну})=47\text{ г}$

Знайти:

• $w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})-?$

Розв’язання:

1) Знайдемо масу чистої аміноетанової кислоти у вихідному розчині:
$m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=m_1(\text{р-ну})\cdot w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=50\text{ г}\cdot 0,06=3\text{ г}$

2) Обчислимо кількість речовини кислоти ($M=75\text{ г/моль}$):
$n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=\frac{m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})}{M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})}=\frac{3\text{ г}}{75\text{ г/моль}}=0,04\text{ моль}$

3) Складемо рівняння реакції нейтралізації з лугом:
$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH}+\mathrm{NaOH}\to \mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
Оскільки луг узято в надлишку, кислота прореагувала повністю:
$n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})=n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH})=0,04\text{ моль}$

4) Обчислимо молярну масу та масу утвореної солі натрій аміноетаноату:
$M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})=14+1\cdot 2+12\cdot 2+1\cdot 2+16\cdot 2+23=97\text{ г/моль}$
$m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})=n(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})\cdot M(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})=0,04\text{ моль}\cdot 97\frac{\text{г}}{\text{моль}}=3,88\text{ г}$

5) Знайдемо загальну масу розчину після зливання (гази чи осади не виділялися):
$m_{\text{заг}}(\text{р-ну})=m_1(\text{р-ну})+m_2(\text{р-ну})=50\text{ г}+47\text{ г}=97\text{ г}$

6) Обчислимо масову частку солі в утвореному розчині:
$w(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})=\frac{m(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COONa})}{m_{\text{заг}}(\text{р-ну})}\cdot 100\%=\frac{3,88\text{ г}}{97\text{ г}}\cdot 100\%=0,04\cdot 100\%=4\%$

Відповідь: $w(\text{солі})=4\%$.

357. Установіть молекулярну формулу сполуки, якщо в ній масова частка Карбону становить 32,0 %, Нітрогену — 18,7 %, Оксигену — 42,7 %.

Дано:

• $w(\mathrm{C})=32,0\%$
• $w(\mathrm{N})=18,7\%$
• $w(\mathrm{O})=42,7\%$

Знайти:

• Формулу сполуки ${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y{\mathrm{N}}_z{\mathrm{O}}_k-?$

Розв’язання:

1) Знайдемо масову частку Гідрогену в сполуці:
$w(\mathrm{H})=100\%-(32,0\%+18,7\%+42,7\%)=100\%-93,4\%=6,6\%$

2) Знайдемо співвідношення кількості речовини атомів у молекулі:
$x:y:z:k=\frac{w(\mathrm{C})}{A_r(\mathrm{C})}:\frac{w(\mathrm{H})}{A_r(\mathrm{H})}:\frac{w(\mathrm{N})}{A_r(\mathrm{N})}:\frac{w(\mathrm{O})}{A_r(\mathrm{O})}$
$x:y:z:k=\frac{32,0}{12}:\frac{6,6}{1}:\frac{18,7}{14}:\frac{42,7}{16}$
$x:y:z:k=2,67:6,60:1,34:2,67$

3) Поділимо кожне число на найменше значення ($1,34$):
$x:y:z:k=\frac{2,67}{1,34}:\frac{6,60}{1,34}:\frac{1,34}{1,34}:\frac{2,67}{1,34}\approx 2:5:1:2$

Отже, найпростіша молекулярна формула сполуки — ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ (аміноетанова кислота, або гліцин).

Відповідь: ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$.

358. У певній амінокислоті масова частка Карбону становить 40,4 %, Гідрогену — 7,9 %, Нітрогену — 15,7 %. Установіть молекулярну формулу цієї амінокислоти.

Дано:

• $w(\mathrm{C})=40,4\%$
• $w(\mathrm{H})=7,9\%$
• $w(\mathrm{N})=15,7\%$

Знайти:

• Формулу амінокислоти ${\mathrm{C}}_x{\mathrm{H}}_y{\mathrm{N}}_z{\mathrm{O}}_k-?$

Розв’язання:

1) Обчислимо масову частку Оксигену в амінокислоті:
$w(\mathrm{O})=100\%-(40,4\%+7,9\%+15,7\%)=100\%-64,0\%=36,0\%$

2) Обчислимо співвідношення кількості речовини атомів:
$x:y:z:k=\frac{w(\mathrm{C})}{A_r(\mathrm{C})}:\frac{w(\mathrm{H})}{A_r(\mathrm{H})}:\frac{w(\mathrm{N})}{A_r(\mathrm{N})}:\frac{w(\mathrm{O})}{A_r(\mathrm{O})}$
$x:y:z:k=\frac{40,4}{12}:\frac{7,9}{1}:\frac{15,7}{14}:\frac{36,0}{16}$
$x:y:z:k=3,37:7,90:1,12:2,25$

3) Поділимо всі члени відношення на найменше число ($1,12$):
$x:y:z:k=\frac{3,37}{1,12}:\frac{7,90}{1,12}:\frac{1,12}{1,12}:\frac{2,25}{1,12}\approx 3:7:1:2$

Молекулярна формула амінокислоти — ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ (амінопропанова кислота, або аланін).

Відповідь: ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$.

359. Які чинники спричиняють денатурацію білків? Поясніть механізм їхньої дії. Чому денатурація різних білків відбувається за різних умов?

Денатурацію білків спричиняють такі чинники:

• Фізичні чинники: висока температура, рентгенівське та ультрафіолетове випромінювання, радіоактивне випромінювання, механічний вплив (струшування, ультразвук).
• Хімічні чинники: сильні кислоти та луги, солі важких металічних елементів (купруму, свинцю, ртуті), концентровані розчини спиртів і розчинників.

Механізм дії: ці фактори розривають нековалентні водневі, дисульфідні, гідрофобні та йонні зв’язки, які утримують вторинну, третинну та четвертинну просторові структури. Білкова глобула або спіраль розгортається, проте міцні ковалентні пептидні зв’язки первинної структури не руйнуються.

Денатурація різних білків відбувається за різних умов через неоднаковий амінокислотний склад і різну кількість стабілізувальних зв’язків. Білки з великою кількістю дисульфідних містків $-\mathrm{S}-\mathrm{S}-$ (як-от кератин волосся чи нігтів) вирізняються високою стійкістю, тоді як розчинні білки клітин (як-от альбумін плазми або ферменти) руйнуються вже за температури понад $40\text{–}50{}^{\circ }\mathrm{C}$ або невеликих коливань $\mathrm{pH}$.