Практическая работа №1, страница 108, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Денатурация и цветные реакции белков

Реактивы: яичный белок, дистиллированная вода, растворы гидроксида натрия, сульфата меди (II), концентрированные растворы азотной, серной кислот, спирт, раствор формалина, молоко, концентрированный раствор уксусной кислоты.

Химическая посуда и лабораторное оборудование: пробирки, штатив для пробирок, пипетки, спиртовка, воронка, фильтровальная бумага.

Техника безопасности. Требуется соблюдение правил работы с растворами кислот, щелочей и нагревательными приборами.

Денатурация белков

Ход работы

Опыт 1. Денатурация белков формалином и спиртом

В две пробирки налейте по 2 мл яичного белка, в одну прилейте 2 мл спирта, в другую — 2 мл раствора формалина. Какие внешние признаки химических реакций вы наблюдаете?

Вопросы и задания:

1. Что происходит с белком при добавлении формалина?

2. Какое действие формальдегида иллюстрирует опыт? Где данная реакция находит применение в быту?

3. Что наблюдаете при добавлении к белку спирта?

Опыт 2. Осаждение белка казеина уксусной кислотой

В стакан налейте 5 мл молока, 10 мл дистиллированной воды и 2 мл концентрированной уксусной кислоты. Что наблюдаете? Осадок отфильтруйте и прибавьте к нему воды. Растворяется ли осадок?

Опыт 3. Осаждение белка солями тяжелых металлов

Берут две пробирки и помещают в них по 1 мл раствора яичного белка. В первую пробирку добавляют одну каплю раствора сульфата меди (II), во вторую — одну каплю раствора ацетата свинца.

Вопросы и задания:

1. Наличие каких функциональных групп обуславливает взаимодействие белка с солями тяжелых металлов?

2. Составьте схемы реакций, лежащих в основе процесса осаждения белка солями тяжелых металлов.

Опыт 4. Свертывание белков при нагревании.

В пробирку налейте 2 мл яичного белка и нагрейте в пламени спиртовки. После остывания пробирки прилейте при взбалтывании 5–7 мл воды. Что наблюдаете? Растворяется ли белок в воде? Обратим ли этот процесс?

Вопросы и задания:

1. Какие изменения происходят в структуре белка при нагревании?

Меняется ли его первичная структура?

2. Как называется процесс свертывания белков? Почему свернувшийся белок не растворяется в воде?

Цветные реакции белков.

Ход работы

А) Биуретовая реакция.

Налейте в пробирку 2–3 мл раствора белка и добавьте 2 мл раствора гидроксида натрия, а затем несколько капель сульфата меди (II). Что наблюдаете при взбалтывании раствора?

Вопросы и задания:

1. Напишите схему реакции биурета с гидроксидом меди (II). Какие структурные фрагменты белков можно обнаружить с помощью данной реакции?

2. Можно ли считать данную реакцию качественной на белок?

Б) Ксантопротеиновая реакция

В пробирку налейте 2–3 мл раствора белка и добавьте 0,5–1 мл концентрированной азотной кислоты. (Осторожно!) Смесь осторожно нагрейте 2–3 минуты. Что наблюдаете?

Вопросы и задания:

1. Какие аминокислоты можно обнаружить с помощью данной реакции? На примере соответствующей аминокислоты напишите реакцию ее взаимодействия с азотной кислотой.

2. Можно ли считать данную реакцию качественной на белки?

Опыт 1. Денатурация белков формалином и спиртом

1. Что происходит с белком при добавлении формалина?

При добавлении формалина (раствора формальдегида) к яичному белку происходит его денатурация – необратимое свертывание и уплотнение. Формальдегид вступает в химическую реакцию с аминогруппами ($-NH_2$) аминокислотных остатков (например, лизина) в составе белковых цепей. В результате образуются прочные "сшивки" (метиленовые мостики) между разными участками полипептидных цепей. Это приводит к нарушению всех уровней пространственной структуры белка, кроме первичной, и образованию плотного, нерастворимого в воде осадка. Этот процесс также называют "дублением".

Ответ: При добавлении формалина происходит необратимая химическая денатурация белка, в результате которой он уплотняется и выпадает в осадок из-за образования поперечных сшивок между полипептидными цепями.

2. Какое действие формальдегида иллюстрирует опыт? Где данная реакция находит применение в быту?

Опыт иллюстрирует сильное денатурирующее и дубящее (консервирующее) действие формальдегида на белки. Благодаря способности необратимо связывать белковые молекулы, формальдегид предотвращает их распад под действием микроорганизмов. Эта реакция находит применение в медицине для консервации анатомических препаратов (бальзамирования), в гистологии для фиксации биологических тканей, а также в промышленности для дубления кож.

Ответ: Опыт иллюстрирует денатурирующее и дубящее действие формальдегида. Он применяется для консервации биологических материалов и в кожевенной промышленности.

3. Что наблюдаете при добавлении к белку спирта?

При добавлении спирта к раствору яичного белка также наблюдается его свертывание (коагуляция) и выпадение в виде белого хлопьевидного осадка. В отличие от формалина, спирт вызывает денатурацию в основном за счет физического воздействия. Молекулы спирта являются сильным водоотнимающим средством. Они разрушают гидратную оболочку, окружающую молекулы белка в растворе. Лишившись водной "шубы", белковые молекулы слипаются (агрегируют) и выпадают в осадок. Эта денатурация, в отличие от действия формалина, является обратимой на начальных стадиях: если осадок быстро отделить и добавить воды, белок может частично восстановить свою структуру и раствориться.

Ответ: При добавлении спирта наблюдается денатурация и осаждение белка из-за разрушения его гидратной оболочки.

Опыт 2. Осаждение белка казеина уксусной кислотой

При добавлении уксусной кислоты к разбавленному молоку наблюдается образование белого творожистого осадка. Это происходит осаждение молочного белка казеина. В молоке казеин находится в виде коллоидного раствора, его частицы несут на поверхности отрицательный заряд, что обеспечивает их взаимное отталкивание и устойчивость раствора. Уксусная кислота, будучи кислотой, поставляет ионы водорода ($H^+$), которые нейтрализуют отрицательный заряд на поверхности белковых частиц. При достижении определенного значения pH, называемого изоэлектрической точкой (для казеина это pH ≈ 4,6), суммарный заряд белковых молекул становится равным нулю. В этих условиях силы отталкивания исчезают, и молекулы казеина слипаются, образуя нерастворимый осадок. Осадок, полученный в результате такой денатурации, в воде не растворяется.

Ответ: Наблюдается образование белого творожистого осадка казеина. Осадок в воде не растворяется, так как произошла необратимая денатурация белка в его изоэлектрической точке.

Опыт 3. Осаждение белка солями тяжелых металлов

1. Наличие каких функциональных групп обуславливает взаимодействие белка с солями тяжелых металлов?

Взаимодействие белка с солями тяжелых металлов (такими как медь, свинец, ртуть) обусловлено наличием в боковых цепях аминокислотных остатков различных функциональных групп, способных связывать ионы металлов. В щелочной или нейтральной среде ключевую роль играют анионные группы: карбоксильные группы ($-COO^-$) аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также тиольные группы ($-S^-$) цистеина. Катионы тяжелых металлов ($Cu^{2+}, Pb^{2+}$) образуют с этими группами прочные нерастворимые соли, что приводит к денатурации и осаждению белка. Также во взаимодействии могут участвовать аминогруппы ($-NH_2$) и атомы азота пептидных связей, образуя координационные связи с ионами металлов.

Ответ: Взаимодействие обусловлено наличием карбоксильных ($-COO^-$), тиольных ($-S^-$) и аминных ($-NH_2$) функциональных групп в аминокислотных остатках белка.

2. Составьте схемы реакций, лежащих в основе процесса осаждения белка солями тяжелых металлов.

Осаждение белков ионами тяжелых металлов происходит за счет образования нерастворимых солей. Схематически этот процесс можно представить так (где Белок-R обозначает остальную часть белковой молекулы):

1. Взаимодействие с карбоксильными группами (на примере иона $Cu^{2+}$):

$2 \text{Белок-COO}^- + Cu^{2+} \rightarrow (\text{Белок-COO})_2Cu \downarrow$

2. Взаимодействие с тиольными (сульфгидрильными) группами (на примере иона $Pb^{2+}$):

$2 \text{Белок-S}^- + Pb^{2+} \rightarrow (\text{Белок-S})_2Pb \downarrow$

В обоих случаях образуются нерастворимые солеподобные соединения, что приводит к выпадению белка в осадок.

Ответ: Схемы реакций: $2 \text{Белок-COO}^- + \text{Me}^{2+} \rightarrow (\text{Белок-COO})_2\text{Me} \downarrow$; $2 \text{Белок-S}^- + \text{Me}^{2+} \rightarrow (\text{Белок-S})_2\text{Me} \downarrow$, где $\text{Me}^{2+}$ - катион тяжелого металла.

Опыт 4. Свертывание белков при нагревании

1. Какие изменения происходят в структуре белка при нагревании? Меняется ли его первичная структура?

При нагревании происходит разрыв слабых связей, поддерживающих сложную пространственную укладку белковой молекулы: водородных, ионных, гидрофобных взаимодействий. В результате нарушаются вторичная (альфа-спирали, бета-слои), третичная (глобулярная форма) и четвертичная (если она есть) структуры белка. Полипептидные цепи разворачиваются. Этот процесс называется тепловой денатурацией. Первичная структура белка, то есть последовательность аминокислот, соединенных прочными ковалентными пептидными связями, при умеренном нагревании (например, до 100o C) не изменяется.

Ответ: При нагревании нарушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Первичная структура (последовательность аминокислот) не меняется.

2. Как называется процесс свертывания белков? Почему свернувшийся белок не растворяется в воде?

Процесс свертывания белков под действием внешних факторов (в данном случае, нагревания) называется денатурацией или коагуляцией. Свернувшийся белок не растворяется в воде, потому что при разворачивании полипептидных цепей на их поверхность выходят гидрофобные (неполярные) аминокислотные остатки, которые в нативной (природной) молекуле были спрятаны внутри. В водной среде эти гидрофобные участки разных молекул "слипаются" друг с другом, чтобы минимизировать контакт с водой, образуя крупные нерастворимые агрегаты. Этот процесс в большинстве случаев необратим.

Ответ: Процесс называется денатурацией (или коагуляцией). Свернувшийся белок не растворяется, так как гидрофобные группы, оказавшиеся на поверхности развернутых цепей, агрегируют друг с другом, образуя нерастворимый осадок.

Цветные реакции белков

А) Биуретовая реакция

1. Напишите схему реакции биурета с гидроксидом меди (II). Какие структурные фрагменты белков можно обнаружить с помощью данной реакции?

Биуретовая реакция является качественной реакцией на пептидные связи. В щелочной среде ионы меди ($Cu^{2+}$) образуют с белками комплексное соединение фиолетового цвета. Реакция названа по веществу биурет ($H_2N-CO-NH-CO-NH_2$), которое также дает положительную реакцию. Для образования комплекса необходимо наличие как минимум двух пептидных связей. Ион меди координируется с четырьмя атомами азота пептидных групп, принадлежащих разным полипептидным цепям или разным участкам одной цепи. Точная схема для белка сложна, но для биурета она выглядит следующим образом (схематично): ион $Cu^{2+}$ связывается с депротонированными атомами азота пептидных групп. Данная реакция позволяет обнаружить в молекуле белка наличие пептидных связей ($-CO-NH-$).

Ответ: С помощью данной реакции можно обнаружить наличие в веществе пептидных связей ($-CO-NH-$). Реакция положительна для всех белков и полипептидов (начиная с трипептидов).

2. Можно ли считать данную реакцию качественной на белок?

Да, биуретову реакцию можно считать общей качественной реакцией на белки. Поскольку все белки по своей природе являются полипептидами и содержат большое количество пептидных связей, они все дают положительную биуретову реакцию (фиолетовое окрашивание). Эта реакция используется для количественного и качественного определения общего содержания белка в растворе.

Ответ: Да, можно, так как все белки содержат пептидные связи, которые и вступают в эту реакцию.

Б) Ксантопротеиновая реакция

1. Какие аминокислоты можно обнаружить с помощью данной реакции? На примере соответствующей аминокислоты напишите реакцию ее взаимодействия с азотной кислотой.

Ксантопротеиновая реакция позволяет обнаружить наличие в белке ароматических аминокислот, содержащих бензольное кольцо: тирозина, триптофана и, в меньшей степени, фенилаланина. Реакция заключается в нитровании ароматического кольца концентрированной азотной кислотой при нагревании с образованием соединений, имеющих желтый цвет. В щелочной среде окраска усиливается до оранжевой.

Пример реакции для тирозина:

Ароматическое кольцо тирозина взаимодействует с азотной кислотой ($HNO_3$), в результате чего происходит замещение атомов водорода в кольце на нитрогруппы ($-NO_2$). Образуется 3-нитротирозин (желтого цвета).

Схема реакции (упрощенно, показано только нитрование кольца):

Ответ: С помощью данной реакции можно обнаружить ароматические аминокислоты: тирозин, триптофан, фенилаланин. Реакция заключается в нитровании их ароматических колец.

2. Можно ли считать данную реакцию качественной на белки?

Да, ксантопротеиновую реакцию можно считать качественной реакцией на белки. Хотя она специфична лишь для белков, содержащих ароматические аминокислоты, большинство природных белков (например, белки яйца, молока, мяса) содержат тирозин и/или триптофан в достаточном количестве, чтобы давать отчетливую положительную реакцию (пожелтение). Однако существуют белки (например, желатин), в которых таких аминокислот очень мало или нет совсем, и они не будут давать положительной ксантопротеиновой реакции. Таким образом, положительный результат указывает на наличие белка, но отрицательный не всегда означает его полное отсутствие.

Ответ: Да, можно, так как большинство белков содержат ароматические аминокислоты и дают положительную реакцию.