Аминокислоты

      Коли  відбувається денатурація білків, поліпептидні ланцюги розгортуються, що призводить до втрати біологічної активності білку.

      Організми не можуть існувати при екстремально високих температурах, тому що за цих  умов їх ферменти та інші білки стають нестабільними і втрачають свою активність. Винятком є специфічна екологічна група організмів – термофілів (дослівно – ті, що віддають перевагу високим температурам, «полюбляють» високі температури). Зазвичай це мікроорганізми з максимальною температурою росту 50-95°С; це ряд видів родів Bacillus, Thermus, Flavobacterium, Micromonospora, Thiobacillus, Clostridium та інші. Структурні та клітинні елементи (мембрани, рибосоми, оболонка), а також склад біомолекул термофілів якісно і кількісно суттєво відрізняється від відповідних клітинних компонентів звичайних організмів.

      При денатурації, як правило, первинна структура  не порушується і після розкручування поліпептидного ланцюгу вона може скручуватися та переходити у хаотичний стан. Цей процес супроводжується агрегацією і випадінням білка в осад: 

Дослід 10.3.2 Осадження білків концентрованими мінеральними кислотами 

      водний  розчин яєчного білка

      концентрована азотна кислота  HNO₃ 

     В пробірку з 1 мл розчину яєчного білка  додають 1 мл концентрованої нітратної  кислоти HNO₃ і перемішують. Випадає білий пластівцевий осад.

     Цей процес обумовлено зниженням рН розчину  нижче за те значення, при якому число карбоксилатних груп відповідає кількості аммонійних груп. Дисбаланс у співвідношенні числа основних і кислотних груп, що виникає, і є причиною порушення природної просторової структури білка, що приводить до його осадження.

     Вміст пробірки ми також будемо використовувати в досліді 10.3.4. 

      Здатність білків до осадження використовують в фармації.

      Більшість солей, що містять іони Ag⁺, Zn²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺ та Pb²⁺ є токсичними для людини. В якості протиотрути застосовують яєчний білок, який осаджує ці солі. При цьому осаджені солі білків слід негайно видалити зі шлунка промиванням для того, щоб запобігти їх гідролізу та утворенню вільних токсичних іонів. Пікринова кислота та танін входять до складу розчинів та мазей, які застосовуються для лікування опіків. Вони осаджують білки плазми і утворюють захисний шар над опіком, чим прискорюють загоювання. Реакції осадження застосовують також в гістологічних та бактеріологічних дослідженнях. Наприклад барвник генціан фіолетовий осаджує білки бактерій, але не шкодить тваринним тканинам. Формальдегід застосовують для запобігання від розкладання анатомічних препаратів.

     Хімічне дослідження білків почалося в  1728 році Я.Беккарі, який виділив з пшеничного борошна клейку масу (клейковину) та дослідив її властивості, яки виявилися близькими до властивостей речовин тваринного походження. Пізніше було встановлено, що подібні до клейковини речовини знайдені в різних частинах рослин, що вони поширені в природі та схожі за властивостями. Перші відомості про елементний склад білків присутні в книзі Ф.Грена «Основи хімії» 1809 року, де вказано, що вони містять карбон, гідроген, нітроген, фосфор, сульфур те деякі інші елементи. У 1833 році Гей-Люсак довів присутність нітрогену в білках, а результати своїх досліджень виклав у статті «Про присутність нітрогену в усьому насінні»: «…я піддав перегонці все насіння, яке траплялося мені, і не знайшов жодного, яке не виділяло б амоніак, часто негайно і у великих кількостях…». Перші формули білків – альбуміну та желатину – були наведені Д.Дальтоном, але вони значно відрізнялися від сучасних. З 1836 року дослідженням білків – фібрину та сироваткового альбуміну – займався голландський хімік та лікар Г.Мульдер. За результатами дослідів він дійшов висновку, що всі білкові речовини складаються зі структурних фрагментів – протеїнів. У 1889 році німецький хімік Ф.Гофмейстер запропонував розглядати білкову молекулу як лінійну та складену з залишків амінокислот. Незалежно від Гофмейстера це ж було запропоновано німецьким хіміком Емілем Фішером (1852-1919), лауреатом Нобелівської премії. Саме від дійшов висновку, що амінокислоти поєднуються одна з одною так званим пептидним зв’язком:

      Присутність пептидного зв’язку –СО–NH– в  молекулі білку можна довести  біуретовою реакцією: при взаємодії розчину білку з лужним розчином купруму сульфату виникає фіолетове забарвлення. 

Дослід 10.3.3 Біуретова реакція 

      10% водний розчин  яєчного альбуміну

      30% водний розчин  гідроксиду натрію NaOH

      насичений розчин сульфату купруму CuSO₄ 

     В пробірку вміщують 1 мл 10% розчину яєчного альбуміну, 1 мл 30% розчину натрію гідроксиду NaOH та 1 краплю насиченого розчину купруму сульфату CuSO₄. Спостерігаємо появу фіолетового забарвлення.

     Взаємодія білків з солями купруму (II) в лужному  розчині пов'язана із здатністю будь-яких речовин, що містять угрупування –CO–NH–, що повторюються, до утворення хелатного комплексу сполук типу біурету H₂N–CO–NH–CO–NH₂ з катіонами купруму (II).

     Зважайте  на те, що при проведенні біуретовой реакції слід уникати надлишку купруму (II) сульфату, оскільки купруму (II) гідроксид що утворюється, є синього кольору і він може маскувати появу фіолетового забарвлення хелатного комплексу. 

     На  підтвердження пептидної теорії Фішером у 1907 році було здійснено синтез поліпептиду, який складався з 18 амінокислотних залишків. У 1932 році американським хіміком-органіком та біохіміком Вінсентом Дю Віньо було синтезовано перший поліпептидний гормон оскитоцин та пізніше встановлено структуру гормону вазопресину. У 1955 році дослідження Дю Віньо були відзначені Нобелівською премією. З 1944 по 1955 рік тривали дослідження Фредеріка Сенгера. За розшифровку структури білків, зокрема гормону інсуліну (С₂₅₄Н₃₇₇N₆₅O₇₅S) Сенгер був нагороджений Нобелівської премією. Два основний типи конфігурації білкової структури: a-спіраль та b-структура описані в роботах Полінга та Корі. У 1984 році Нобелівську премію за дослідження синтезу пептидів отримав американський хімік Брюс Мерріфілд.

     Крім  зазначеної в Досліді 10.3.3 біуретової реакції, в біохімії застосовують кольорову ксантопротеїнову реакцію, яка є характерною для бензенового циклу циклічних амінокислот – фенілаланіну, тирозину, триптофану (дивись таблицю 10.3.1), яке піддається нітруванню при дії концентрованої нітратної кислоти з утворенням нітросполук жовтого кольору: 

Дослід 10.3.4 Ксантопротеїнова реакція 

      яєчний  білок

      концентрована азотна кислота  HNO₃

      концентрований  розчин гідроксиду натрію NaOH 
 

     Суміш білка і концентрованої азотної  кислоти HNO₃ (див. Дослід 10.3.2) кип'ятять протягом 2 хвилин. Спостерігається утворення жовтого осаду нітропохідного альбуминату. Це пов'язано з нітруванням ароматичних ядер залишків амінокислот фенілаланіну, тирозину та триптофану.

     Суміш слід охолодити, і по краплях додати 2 мл концентрованого розчину натрію гідроксиду NaOH. Осад нітроформи нітропохідного альбумината, що випадає, утворює з надміром лугу яскраво-оранжеве забарвлення. 

Дослід 10.3.5 Проба на вміст в білку сульфуру 

      5 % водний розчин  яєчного білку

      насичений розчин амонію сульфатнокислого NH₄⁺[HSO₄¯]

      5 % розчин натрію  нітропрусиду Na₂[Fe(CN)₅NO]

      амоніак  

      В циліндр наливають 40 мл 5 % водного  розчину яєчного білка, 40 мл амонію сульфатнокислого NH₄⁺[HSO₄¯], 5 мл 5 % розчину натрію нітропрусиду Na₂[Fe(CN)₅NO] та 5 мл амоніаку NH₃.

      При взбовтуванні реакційної суміші з’являється пурпурове забарвлення (за наявності в білку амінокислот, що містять сульфур). 

      Насамперед  більшість з нас стикається з  білками як з компонентами їжі. Можна  запропонувати провести кілька дослідів, основною речовиною в яких є саме такі білки. Це досліди-забавки «Желатинова рибка» та «Льодяні візерунки на склі» та досліди з добування білкового (казеїнового) клею та пластмаси. 

Дослід 10.3.6 «Желатинова рибка» 

      розчин желатину (10 г у 60 мл води) 

      Спочатку  слід приготувати водний розчин желатину: 10 г порошкового желатину розмішуємо у 60 мл води і даємо йому як слід розмокнути. Після цього потрібно розігріти суміш на водяній бані до 50°С та перемішувати доти, поки желатин не розчиниться повністю.

     Розчин  виливаємо тонким шаром на поліетиленову плівку (але не на скло) і добре висушуємо на повітрі – виходить тонкий листок. З нього можна вирізати силует, наприклад, рибки (або будь-який інший).

     Для досягнення ефекту потрібно покласти «рибку» на фільтрувальний папір  та обережно подихати на неї. Рибка починає звиватися та згортатися: дихання зволожує шар желатину з одного боку, внаслідок чого він збільшується в об'ємі і прагне зігнутися. 

Дослід 10.3.7 Льодяні візерунки на желатині 

      розчин желатину (5 г у 50 мл води) 

      Розчин готується так само як в досліді 10.3.6. Теплий розчин виливається на скляну пластинку, яку потрібно зразу ж поставити на холод. Вода викристалізовуватиметься у вигляді льодяного візерунка, як взимку на вікнах. Желатин залишають на холоді на 2-3 дні, а після цього дають поволі відтанути: ви побачите на ній відбиток крижаних кристалів - красивий льодяний візерунок, який збережеться надовго. 

Дослід 10.3.8 Виготовлення білкового (казеїнового) клею 

      кисле молоко

     бензин

     нашатирний  спирт 

     Кисле молоко слід відфільтрувати від сироватки за допомогою марлі, складеної в декілька шарів. Маса, яка залишилася на фільтрі, кілька разів промивається водою, щоб видалити розчинні домішки і висушується. Потім одержану масу слід промити бензином і висушіть знов. Коли вона стане зовсім сухою, її дрібнять у ступці – таким чином отримується порошок казеїну.

     Щоб зробити з нього клей, треба  змішати порошок з нашатирним спиртом і водою в співвідношенні 1:1:3. Для випробування клею краще  узяти дерев'яні або керамічні  предмети.  

Дослід 10.3.9 Виготовлення з білку пластмаси 

      кисле молоко

      вапно 

     З кислого молока повністю зніміть  вершки, далі молоко треба відфільтрувати через фільтрувальний папір (при  цьому білок – казеїн – залишається  на папері), а потім промити в  дистильованій воді, для того, щоб видалити жир. Після цього казеїн фільтрується ще раз і сушіться між листами фільтрувального паперу.

     Потім в добре розтертий зволожений казеїн слід всипати маленькими порціями порошок вапна та ретельно перемішати суміш. Густим сиропом, що утворюється, заповняють заздалегідь приготовані форми. З цієї пластмаси можна одержувати різні предмети. 

     При розгляді функцій білків на початку  розділу ми зазначили, що однією з  них є ферментативна (каталітична), і це дуже важливо.

      Ферменти є великими глобулярними білками (молеклярна маса від 12 000 до 1 000 000 і більше), що діють як каталізатори. Для них характерні ті ж самі властивості, що і для інших білків: вони коагулюють, зсідають тощо.