4. Přírodní látky: zdroje, vlastnosti a důkazy 4.02 Důkaz bílkovin biuretovou reakcí. Projekt úroveň 1 2 3
1. Předmět výuky Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu Chemie. Chemie 2. Cílová skupina Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta) 3. Abstrakt Bílkoviny a peptidy poskytují v alkalickém prostředí s měďnatými ionty červenofialově zbarvené komplexy. Název reakce je odvozen od biuretu (kondenzační produkt močoviny), jednoduché látky obsahující peptidovou vazbu, která dává také pozitivní reakci. Kaseiny tvoří hlavní složku mléka (asi 80 % bílkovin). Jsou to fosfoproteiny fosfobílkoviny (tj. některé jejich OH skupiny jsou esterifikovány kyselinou trihydrogenfosforečnou). V mléku se nachází v micelách, které drží pohromadě díky vápenatým iontům a hydrofobním vodoodpudivým silám. Mléko obsahuje asi 35 g/l kaseinu. 4. Startovní znalosti žáků Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Fyzika, Chemie a rovněž obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk a příroda (bílkovina jako základní stavební složka především živočišných těl, ale i těl rostlinných, bakterií a virů). 5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos Vlastnosti bílkovin na základě vzniku peptidové vazby -NH-COmezi aminokyselinami (obdoba vzniku biuretu ze dvou molekul močoviny). Co mají žáci znát: pojem aminokyselina obecný vzorec R-CHNH 2 COOH; pojem bílkovina a peptid jako stavební látka; vzorec močoviny; vodoodpudivé síly hydrofobní síly. 2
Komplex mědi s bílkovinou 6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 6.1 Použité chemikálie Voda H 2 O Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (5% roztok) Hydroxid sodný NaOH (10% roztok) Močovina NH 2 CONH 2 Vzorky látek obsahujících rozpustné bílkoviny: mléko, sýr, tvaroh, mouka, bílek, fazole, hrách, sójové mléko, bílá čokoláda, vejce 6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení Petriho miska (10 ks) Skleněná tyčinka (10 ks) Filtrační papír Laboratorní stojan Filtrační nálevka Filtrační kruh Laboratorní kahan Zkumavka (asi 10 ks) Stojánek na zkumavky Kádinka 10 ml (2 ks) Třecí miska s tloučkem Odměrný válec 10 ml Odměrná baňka 100 ml (2 ks) Mušelín (gáza) Kapátko Univerzální ph papírky Co se žáci dozví: Pojem biuret. Princip vzniku peptidové vazby NHCO-. Organokomplexní sloučeniny. Pojem ligand (-NH-). Pojem centrální atom (Cu kov). Pojem protein. Sulfidické můstky a struktura bílkovin. Denaturace. Pojem micela. Izoelektrický bod - určité ph, při kterém se bílkovina vyloučí z roztoku. NEZAPOMENOUT NA VZORKY! Cestou ze školy musím navštívit obchod s potravinami a nakoupit zvolené testovací vzorky. 6.3 Přístrojové vybavení Provedení experimentu nevyžaduje použití laboratorních měřicích přístrojů. 3
7. Časový harmonogram 7.1 Příprava experimentu Do doby přípravy experimentu je nutno zahrnout shromáždění všech výše uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Časy: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 10 minut. Nesmíme však zapomenout opatřit si veškeré zamýšlené výrobky, které hodláme do experimentu zařadit. Nějaký čas nám tedy zabere nakupování v prodejnách potravin. 7.2 Realizace experimentu Doba realizace pokusu je odvislá od počtu zvolených testovacích vzorků, doporučujeme 5 10 vzorků, odhadujeme asi 10 minut. Vlastní indikace ph probíhá v krátké době, trvá maximálně 10 minut. ČASY: 10 minut 10 minut 10 minut 8. Laboratorní postup Příprava 10% roztoku hydroxidu sodného NaOH Navážíme 10 gramů pevného NaOH, vneseme do 100 ml odměrné baňky, rozpustíme ve vodě a vodou doplníme po rysku. Příprava 5% roztoku pentahydrátu síranu měďnatého Navážíme 7,8 gramů pentahydrátu síranu měďnatého, vpravíme do 100 ml odměrné baňky, rozpustíme ve vodě a vodou doplníme po rysku. Příprava biuretu z močoviny Ve zkumavce nad kahanem opatrně zahříváme cca 0,1 g močoviny (cca 0,5 cm ode dna zkumavky). Močovina nejprve taje a rozkládá se za vzniku biuretu. Zahřívání ukončíme, když tavenina ztuhne v bílou hmotu. Po vychladnutí (jinak může dojít k prasknutí zkumavky) biuret rozpustíme v cca 1 ml vody za důkladného třepání. Peptidová vazba -NH-CO- 4
Biuretová reakce Do zkumavek ve stojánku si připravíme vzorky látek obsahujících bílkoviny. Pokud není vzorek obsahující bílkoviny tekutý, rozmělníme jej v třecí misce nebo nadrobno nakrájíme a zalijeme 5 ml teplé vody a necháme louhovat asi 10 minut. Ke vzorkům přidáme několik kapek 10% roztoku hydroxidu sodného a zamícháme. Následně přidáme několik kapek 5% roztoku pentahydrátu síranu měďnatého, zamícháme a pozorujeme změnu zbarvení cca po 5 minutách. Pozitivním důkazem bílkoviny je fialové, případně růžové zabarvení. Organokomplex: protein + Cu 2+ 9. Princip experimentu Bílkoviny a peptidy obsahující vazbu -NHCO- (peptidovou) poskytují v alkalickém prostředí s měďnatými ionty růžové až fialové organokomplexy. Název reakce je odvozen od biuretu, kondenzačního produktu močoviny. Tato jednoduchá látka obsahující peptidovou vazbu dává také pozitivní reakci fialově zbarvený komplex s měďnatými ionty. 10. Bezpečnost práce Je nutné dodržovat zásady bezpečnosti a hygieny práce. Seznámíme se s vlastnostmi použitých sloučenin a se způsoby jejich likvidace. Hydroxid sodný Hydroxid sodný, louh sodný, je hydroxid (alkálie) a žíravina. Jak bylo uvedeno výše a jak také vyplývá z následujících R-vět a S-vět (H-vět a P-vět), v případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. Zbytky roztoku lze likvidovat v kanalizaci, v případě většího množství po předchozí neutralizaci (např. octem). R-věty a S-věty: R35 Způsobuje těžké poleptání. S26 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc. S37/39 Používejte vhodné ochranné rukavice a ochranné brýle nebo obličejový štít. S45 V případě nehody, nebo necítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomoc (je-li možno, ukažte toto označení). POZOR! Hydroxid (louh) sodný je žíravina! 5
H-věty a P-věty: H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. P280 - Používejte ochranné rukavice/ochranný oděv/ochranné brýle/obličejový štít. P301+P330+P331 - PŘI POŽITÍ: Vypláchněte ústa. NEVYVOLÁ- VEJTE zvracení. P303+P361+P353 - PŘI STYKU S KŮŽÍ (nebo s vlasy): Veškeré kontaminované části oděvu okamžitě svlékněte. Opláchněte kůži vodou/osprchujte. P304+P340 - PŘI VDECHNUTÍ: Přeneste postiženého na čerstvý vzduch a ponechte jej v klidu v poloze usnadňující dýchání. P305+P351+P338 - PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. P310 Okamžitě volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P405 Skladujte uzamčené. P501 Obsah/nádobu likvidujte v souladu s místními/regionálními/národními/mezinárodními předpisy. K hydroxidu sodnému není třeba přistupovat s přehnanou obavou nebo dokonce strachem. Jedná se o běžně dostupnou chemikálii. Svými vlastnostmi je příbuzný dalším volně prodejným žíravinám jako jsou uhličitan sodný Na 2 CO 3 (soda) nebo hydroxid vápenatý Ca(OH) 2 (hašené vápno). Ty můžeme koupit v individuální formě nebo, v případě sody, jsou obsaženy v mnoha domácích čisticích prostředcích (pro odpady koupelen a WC apod.). Síran měďnatý Síran měďnatý pentahydrát CuSO 4.5H 2 O (tzv. modrá skalice) je modře zbarvená pevná krystalická látka. Navzdory tomu, že látka je na základě svých vlastností klasifikována jako dráždivá, zdraví škodlivá a nebezpečná pro životní prostředí, nemusíme se práce s ní obávat, pracujeme s malým množstvím a s málo koncentrovaným roztokem. Přesto se musíme vyvarovat potřísnění (očí, pokožky) a požití. V případě potřísnění pokožky nebo očí je nutno oplachovat proudem vody. Doporučujeme používat ochranné brýle. R-věty a S-věty: R22 Zdraví škodlivý při požití. R36/38 Dráždí oči a kůži. R50/53 Vysoce toxický pro vodní organismy, může vyvolat dlouhodobé nepříznivé účinky ve vodním prostředí. S22 Nevdechujte prach. S60 Tento materiál a jeho obal musí být zneškodněny jako nebezpečný odpad. 6
S61 Zabraňte uvolnění do životního prostředí. Viz speciální pokyny nebo bezpečnostní listy. H-věty a P-věty: H302 Zdraví škodlivý při požití. H319 Způsobuje vážné podráždění očí. H315 Dráždí kůži. H410 Vysoce toxický pro vodní organismy, s dlouhodobými účinky. P301 + P312 PŘI POŽITÍ: Necítíte-li se dobře, volejte TOXIKOLOGICKÉ INFORMAČNÍ STŘEDISKO nebo lékaře. P302 + P352 PŘI STYKU S KŮŽÍ: Omyjte velkým množstvím vody a mýdla. P305 + P351 + P338 PŘI ZASAŽENÍ OČÍ: Několik minut opatrně vyplachujte vodou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze vyjmout snadno. Pokračujte ve vyplachování. 11. Poznámky ke strategii výuky Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou spotřebou chemikálií. Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky. Je nutno důrazně trvat na bezpečném provedení! 12. Přínos Souvislosti prováděného experimentu s látkami používanými v každodenním životě jsou zřejmé. Seznámit se s jinými vlastnostmi bílkovin je pro žáky přínosné. Problematika prezentované reakce spadá zejména do oblasti chemických vlastností organických látek, klíčovými organickými látkami jsou zde dokonce látky přírodní povahy. Žáci se rovněž seznámí s přípravou roztoku a možnostmi jejich přípravy resp. dělení. Poznají způsoby provádění chemických reakcí i možnosti ovlivňování jejich průběhu vnějšími faktory. V neposlední řadě poznají možnosti vizuální kontroly průběhu chemických reakcí. 7
13. Fotografie Počáteční a finální stav experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Pozitivní biuretová reakce Obr. 1 Biuretová reakce slepičího vejce 8