Sešit pro laboratorní práci z chemie téma: Reakce aminokyselin a bílkovin autor: MVDr. Alexandra Gajová vytvořeno při realizaci projektu: Inovace školního vzdělávacího programu biologie a chemie registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.38/01.0002 projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Reakce aminokyselin a bílkovin Teorie Aminokyseliny jsou krystalické látky, které ve své molekule obsahují bazickou skupinu NH 2 a zároveň kyselou skupinu -COOH. Díky svému složení mohou reagovat s kyselinami i se zásadami. Jsou součástí peptidů, bílkovin, enzymů, hormonů. Účastní se poskytování uhlíkových řetězců při vzniku důležitých látek v rámci metabolických pochodů. Účastní se syntézy močoviny, jejich deriváty jsou biogenní aminy, které jako neurotransmitery slouží k přenosu nervového vzruchu. Podle schopnosti těla syntetizovat aminokyseliny je rozdělujeme na postradatelné a nepostradatelné esenciální, které musíme přijímat v potravě viz schémata v příloze. V rámci bílkovin jsou aminokyseliny zdrojem dusíku, který je v těle dále využíván, nebo v rámci udržení vyvážené dusíkové bilance je z těla vyloučen. Metabolické pochody probíhají na biochemických principech transaminace, oxidativní deaminace končí vznikem amoniaku, který jakožto látka toxická musí být z těla vyloučen. Přímo amoniak vylučují z těla ryby, ptáci vylučují kyselinu močovou a většina suchozemských živočichů a člověk vylučují močovinu. Tato vzniká v rámci ureosyntetického cyklu v játrech, kde vznikají některé aminokyseliny (např. Arginin). Poruchy metabolismu aminokyselin vedou ke vzniku různých onemocnění, např. fenylketonurie, hyperamononémie a dalším. Aminokyseliny se snadno rozpouštějí v polárních rozpouštědlech (voda a ethanol), v nepolárních jsou nerozpustné. Aminokyseliny se mezi sebou vážou do řetězců pomocí peptidické vazby, za odštěpení vody a dodání energie. Tak vznikají peptidy a bílkoviny. Bílkoviny se skládají z 20 základních aminokyselin, s výjimkou prolinu jsou to alfaaminokyseliny (primární aminoskupina a karboxylová vázána na stejném atomu uhlíku). Svými vlastnostmi se liší podle toho, jakou úlohu v organismu sehrávají, ovšem žádná forma života se bez nich neobejde. Mají funkci stavební, katalytickou (enzymy a hormony), mají různé specifické funkce, genetický kód specifikuje 20 základních aminokyselin. Struktura makromolekul bílkovin je pro každou charakteristická. Primární strukturu určuje pořadí aminokyselin v řetězci, sekundární strukturu vytváří prostorové uspořádání pomocí vodíkových můstků (alfa- šroubovice a alfa- helix). Terciární struktura vytváří globulární, nebo vláknitý tvar bílkovin na tomto se podílí iontové vazby, disulfidické můstky a Van der Waalsovy síly. Kvarterní struktura tvoří polypeptidové řetězce, které nejsou spojeny peptidovými vazbami. Kvalitativní důkazy bílkovin spočívají v určitých charakteristických barevných reakcích, které bílkoviny dávají prostřednictvím funkčních skupin aminokyselin s jinými látkami, nebo ve změně některých vlastností bílkovin, nejčastěji rozpustnosti a to na základě vysrážení, koagulace nebo denaturace bílkovin.
Laboratorní cvičení postup Biuretova reakce Má jméno po biuretu, sloučenině H 2 N-CO-NH-CO-NH 2, která poskytuje s měďnatými solemi komplex se specifickým zbarvením. Peptidická vazba bílkovin dává stejné zbarvení, které při nepozorné práci je překryto barvou měďnatých kationtů. Do zkumavky nalijte roztok vaječného bílku 1 cm 3, přidejte roztok síranu měďnatého 0,2 ml a roztok hydroxidu sodného 1 ml. Směs ve zkumavce protřepejte a pozorujte změnu zbarvení. Modrofialové zbarvení je důkazem přítomnosti bílkovin. Xantoproteinová reakce Název této reakce je odvozen řeckého výrazu pro žlutý xantos. Při reakci dochází k nitraci aromatického jádra aminokyselina za vzniku žlutých nitrosloučenin. Ve zkumavce zahřívejte 2 ml bílku s koncentrovanou kyselinou dusičnou nabírejte opatrně pipetou v digestoři. Pozorujte vznik žlutého zbarvení. Do reakční směsi přidejte roztok amoniaku asi 2 ml, aby byla výsledná reakce alkalická. Zapište změnu zbarvení reakční směsi. Důkaz tryptofanu Tryptofan je jednou z 22 proteinogenních aminokyselin, má aromatický charakter a patří k esenciálním. K jeho biologicky významným derivátům patří melatonin, serotonin a nikotinamid. Ve zkumavce protřepejte roztok vaječného bílku 1 ml s kyselinou octovou. Směs potom opatrně podvrstvěte kyselinou sírovou. Vytvoří-li se na rozhraní barevný prstenec, je přítomna ve vzorku aminokyselina tryptofan. Úkoly: 1. Vypracujte pracovní protokoly. 2. Prostudujte si teorii k danému tématu. 3. Do protokolu biuretova reakce do teorie připište rovnici vzniku biuretu. 4. Vysvětli vznik peptidové vazby. Zjistěte u vyučujícího koncentraci použitých roztoků. Zapište pracovní protokol pro každou zkoušku zvláště (předloha laboratorního protokolu v příloze). Protokol vypracuje každý student samostatně a odevzdá ho vyučujícímu před následujícím cvičením společně s krátkým kontrolním testem ze zadaných úkolů.
Pracovní protokol musí obsahovat: jméno studenta a číslo pracovní skupiny: datum provedené práce: název laboratorního cvičení: princip: chemikálie: pomůcky: pracovní postup v krocích: 1. 2. 3. 4... Vyhodnocení výsledků experimentu a závěr:
Metodické poznámky pro vyučujícího Pro toto cvičení je nutné pro studenty předem připravit tyto roztoky: - roztok 1 vaječného bílku rozšleháme v 50 cm 3 vody - 0,5% roztok síranu měďnatého - 10% roztok hydroxidu sodného - 45% kyselina dusičná - 10% roztok amoniaku - 40% kyselina octová - 40% kyselina sírová - vysvětlit vznik biuretu, připomenout vznik močoviny v rámci metabolismu bílkovin, vysvětlit, že podobný pokus lze provést i s močovinou, kterou zahříváme ve zkumavce, až do úniku amoniaku. Na tabuli napište rovnici vzniku biuretu z močoviny: H 2 N-CO-NH 2 + H 2 N-CO-NH 2 H 2 N-CO-NH-CO-NH 2 + NH 3 Biuretova reakce je využívána ve zdravotnictví (důkaz bílkovin v moči), v potravinářství i jinde. Pokus lze provést rovněž s výluhem masa, luštěnin, a podobně. - Před provedením xantoproteinové reakce připomeneme nezbytné opatrnosti práce s kyselinou dusičnou, která sráží bílkoviny, při polití následně kůže zežloutne, obdobně jako při průkazu bílkovin, protože dochází k nitraci aromatického jádra aminokyseliny. Aminokyseliny účastnící se teto reakce, mají strukturu s aromatickými jádry (tryptofan, tyrosin). - Před provedením důkazu tryptofanu je možné vysvětlit význam této aminokyseliny v metabolismu, také připomenout, že je často nabízen jako doplněk výživy, ale jeho nepřiměřené množství v denních dávkách je pro zdraví škodlivé. Aminokyseliny je důležité přijímat v potravinách (maso, luštěniny). Ekologie Vysvětlit studentům problematiku odpadních vod, zejména z potravinářského průmyslu, mlékárenského, farmaceutického. Možnosti likvidace bílkovin systém likvidace na ČOV. Na příkladu vzorců vysvětlíme stavbu aminokyselin, je nutné vysvětlit princip peptidové vazby.
Příloha příklady vzorců aminokyselin a vznik peptidové vazby Struktura aminokyseliny alaninu Struktura aminokyseliny tryptofanu
Zdroje: FLEMR, V., DUŠEK, B. Chemie obecná a anorganická. 1. vyd. Praha: SPN, 2001. ISBN 80-7235- 147-8. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2002. ISBN 80-7182-055-5. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 2. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2005. ISBN 80-7182-141-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 3. díl. 1. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2000. ISBN 80-7182-057-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Sbírka příkladů pro studenty středních škol. 1. vyd. Brno: Proton, 2001. ISBN 80-902402-2-4. ČTRNÁCTOVÁ, H., HALNÝCH, J., HUDEČEK, J., ŠÍMOVÁ, J. Chemické pokusy pro školu a zájmovou činnost. 1. vyd. Praha: Prospektrum, 2000. ISBN 80-7175-057-3. VACÍK, J. a kolektiv Přehled středoškolské chemie. 3. vyd. Praha: SPN, 1995. ISBN 80-85937-08-5.