Занятия проводятся в специально оборудованной лаборатории. Все лабораторные работы по статической биохимии выполняются с малыми количествами веществ. Это позволяет снизить опасность работы и возможность несчастных случаев. Прежде чем преступить к выполнению практической части, необходимо изучить инструкцию по технике безопасности, сдать зачет преподавателю, расписаться в журнале.

Правила по технике безопасности при работе в химической лаборатории

Общие требования к поведению обучающихся:

1. Все лабораторные работы по статической биохимии проводятся с малыми количествами химических веществ. Это намного снижает опасность работы и возможность несчастных случаев.
2. В химической лаборатории обучающиеся обязаны проявлять осторожность в движениях, быть внимательными к указаниям преподавателя. Использовать защитную одежду, соблюдать чистоту и порядок на рабочем месте.
3. Запрещается проводить опыты, не предусмотренные данной работой.
4. Запрещается прием пищи в химической лаборатории.

Работа с веществами и растворами

1. Наливать или насыпать вещества можно только над столом или специальным подносом.
2. Все работы с выделением вредных паров или газов проводить в вытяжном шкафу.
3. Твердые, сыпучие реактивы брать совочном или шпателем. Нельзя их брать руками.
4. Для ускорения растворения вещества в пробирке нельзя закрывать ее отверстие пальцем при встряхивании.
5. При определении запаха вещества нельзя склоняться над ним, вдыхать пары или газ. Нужно легким двиджение руки над горлом сосуда направить газ или пар к носу и вдыхать осторожно.
6. При попадении кислоты на кожу надо ее немедленно смыть водой, затем раствором питьевой соды и вновь ополоснуть водой.
7. При попадании щелочи на кожу, ее обрабатывают водой, раствором уксусной кислоты и вновь водой.

Обращение с нагревательными приборами

1. Зажигать спиртовку разрешается только спичками, предворительно подняв фитиль и выпустив пары спирта.
2. Для нагревания используют только тонкостенные сосуды.
3. Пробирка заполняется перед нагреванием на одну треть ее объема.
4. При нагревании отверстние пробирки направлять в сторону от себя и работающих рядом.
5. Необходимо сначала прогреть несколько раз всю пробирку по уровню жидкости и только потом вести нагрев вещества.
6. Недопустимо нагревание пробирки на границе и выше уровня жидкости.
7. Тушить спиртовку только колпачком.

На данном занятии обучающие знакомятся с оборудованием и посудой, используемой для проведения лабораторной работы. Большинство лабораторных работ проводятся в стеклянной посуде: пробирках, химических стаканах, колбах. В пробирках, как правило, смешивают небольшие количества вещества.

Для переливания жидкостей из широкогорлой посуды в сосуд с узким горлом используют воронки. Их используют и для фильтрования. Для отмеривания определенных количеств жидкостей используют мерную посуду: мерные цилиндры, стаканы, мензурки, колбы и пипетки на разные объемы.

Углеводы

Углеводы – это оксопроизводные многоатомных спиртов и продукты их конденсации.

В основе классификации углеводов лежит способность к гидролизу. Они делятся на простые (не гидролизуемые) – моносахариды – и олиго- и полисахариды.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называют альдозами, содержащие кетонную группу – кетозами.

Моносахариды по числу атомов углерода делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Простейшие сахара, глицериновый альдегид и диоксиацетон, являются триозами (см. изображения для аннотаций).

Моносахариды содержат асимметрические атомы углерода. Это такие атомы, у которых все 4 заместителя разные. Поэтому моносахариды существуют в виде различных стереоизомеров. По пространственной конфигурации различают соединения Д-ряда и L-ряду. Принадлежность к Д- или L-ряду определяется расположением гидроксила у последнего асимметрического атома углерода по сравнению с их расположением у Д- и L- глицеринового альдегида (см. изображения для аннотаций).

В живой природе встречаются Д-формы углеводов. Организм человека усваивает Д-глюкозу и не может усвоить L-глюкозу.

Важнейшие пентозы человеческого организма это Д-рибоза и дезоксирибоза. Эти пентозы входят в состав нуклеиновых кислот.

Глюкоза – виноградный сахар – самый распространённый моносахарид. Она содержится во фруктах и крови человека.

В молекуле глюкозы четыре асимметрических атома углерода, что обуславливает существование 16 оптических изомеров. Весьма распространены 3 изомера: галактоза, манноза и фруктоза (см. изображения для аннотаций).

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов.

Пентозы и гексозы в водных растворах находятся преимущественно в форме циклических полуацеталей. Циклическая форма предпочтительна в термодинамическом отношении. Образование циклической формы глюкозы (см. изображения для аннотаций).

При циклизации альдогексоз атом углерода карбонильной группы атакуется ОН-группой у пятого углеродного атома, возникает шестичленный цикл, который называют пиранозным.

Группа ОН при первом углеродном атоме в циклических формах называется гликозидным гидроксилом. Буква a в названии циклических форм моносахаридов означает, что гликозидный гидроксил и группа СН₂ОН при 6-ом углеродном атоме находятся по разные стороны от плоскости кольца.

В β – формах эти группы находятся по одну сторону кольца, a и β изомеры называются аномерами. Взаимопревращение a и β - формы аномеров через промежуточную линейную форму называется аномеризацией.

Кетозы тоже существуют в линейной и циклической формах. Так, в случае фруктозы кетогруппу второго углеродного атома атакует ОН – группа у пятого углеродного атома, возникает фуранозный цикл.

Химические свойства моносахаридов

Химические свойства обусловлены наличием в молекулах альдегидной, кетонной и гидроксильных групп.

Окисление альдоз. С помощью сильного окислителя – разбавленной азотной кислоты – концевые группы альдоз (альдегидная и первичноспиртовая) одновременно окисляются в карбоксильные группы, образуя гликаровые кислоты. Мягкими окислителями (бромная вода) можно окислить альдегидную группу в карбоксильную, не затрагивая других групп. При этом получаются - оновые кислоты. При окислении концевой первичноспиртовой группы образуются - уроновые кислоты.

При восстановлении моносахаридов образуются многоатомные спирты. Восстановление проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (палладий, никель). Шестиатомные спирты сорбит, дульцит, маннит получаются при восстановлении соответственно глюкозы, галактозы и маннозы. Это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде.

Образование сложных эфиров (реакция этерификации). Спиртовые группы углеводов реагируют с кислородосодержащими минеральными кислотами (HNO₃, H₂SO₄, H₃PO₄). Особенно важную биологическую роль играет этерификация ОН - группы моносахарида с фосфорной кислотой. В живых организмах под действием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с участием ферментов происходит избирательное фосфорилирование по гидроксильной группе при 6 атоме углерода глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата.

Образование гликозидов. При взаимодействии гликозидного гидроксила моносахаридов с гидроксилсодержащими соединениями (спиртами, фенолами, моносахаридами) образуются циклические ацетали, называемые гликозидами. Реакция протекает в кислой среде (см. изображения для аннотаций).

Связь, образованная гликозидным гидроксилом и ОН группой спирта, называется О-гликозидной. Связь, образованная гликозидным гидроксилом и NH-содержащими соединениями (например, азотистыми основаниями урацил, тимин и т.д.), называется N-гликозидной, а гликозиды - N-гликозидами. О-гликозидами являются олиго- и полисахариды. В молекуле гликозида принято выделять углеводную часть и агликон. Гликозиды легко гидролизуются разбавленными кислотами и устойчивы к щелочному гидролизу.

Получение аминосахаров. Аминосахара образуются замещением в моносахариде одной или нескольких гидроксильных групп на аминогруппу. Аминосахара и их производные входят в состав различных гетерополисахаридов (гепарин, гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, гликопротеиды крови) и антибиотиков (стрептомицин, эритромицин и др.). Важнейшие представители аминосахаров - это глюкозамин и галактозамин. Аминосахара – кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Аминогруппа у них легко ацетилируется и алкилируется. В результате образуется, например, N-ацетилглюкозамин.

Самостоятельная работа студентов по теме:

- выполнение лабораторной работы: «Качественные реакции на углеводы».

Цель работы: выявить углеводы, находящиеся в растворе, с помощью следующих реакций:

1. Реакция с реактивом Фелинга.

Принцип метода: все моносахариды и некоторые дисахариды (лактоза, мальтоза) обладают редуцирующим действием, т.е. легко окисляются ионами Сu2+ в щелочной среде, а ионы меди восстанавливаются, образуя при этом гидрат закиси меди СuОН – желтого цвета, который при длительном нагревании переходит в закись меди Сu2О – красного цвета.

2. Реакция на пентозы по Биалю.

Принцип метода: при нагревании с концентрированными кислотами от пентоз отщепляется вода и образуется фурфурол, который с орцином дает голубовато-зеленое окрашивание.

Ход работы представлен в таблице:

• – Выделение аммиака определяют по посинению мокрой индикаторной бумаги.

Вопросы к защите лабораторной работы:

1. Будет ли фруктоза давать положительную реакцию Фелинга?
2. Какой реакцией можно отличить глюкозу от фруктозы?
3. Какой реакцией можно отличить рибозу от глюкозы и мальтозу от сахарозы, а также лактозу от галактозы?

Олигосахариды – это углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридов, соединённых о-гликозидными связями. По числу моносахаридных звеньев различают: ди, три, тетрасахариды и т.д. В организме большое значение имеют дисахариды.

ДИСАХАРИДЫ

Восстанавливающие дисахариды образуются за счёт гликозидного гидроксила одного моносахарида и любой гидроксильной группы другого моносахарида. В таком дисахариде имеется свободный гликозидный гидроксил, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла. Представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, целлобиоза, лактоза.

Мальтоза – солодовый сахар – основной продукт расщепления крахмала под действием ферментов. Состоит из 2-х остатков глюкоз, связанных между собой α – 1,4 гликозидной связью. В образовании мальтозы участвует гликозидный гидроксил у 1 углеродного атома одной глюкозы и ОН группа у 4 углеродного атома второй молекулы глюкозы.

Целлобиоза получается при неполном гидролизе полисахарида целлюлозы (клетчатка). Состоит из 2-х глюкоз, связанных β – 1,4 гликозидной связью.

Лактоза – молочный сахар, содержится в молоке.

Состоит из остатков β – Д – галактозы и β – Д – глюкозы, соединённых β – 1,4 гликозидной связью. В образовании лактозы участвует гликозидный гидроксил, находящийся в β положении у 1 углеродного атома галактозы и ОН - группа у 4 углеродного атома глюкозы.

Невосстанавливающие дисахариды. К этой группе относится сахароза. Она содержится в сахарном тростнике и сахарной свекле (до 28% от сухого вещества), соках растений и плодах. Сахароза состоит из α - Д – глюкозы и β - Д – фруктозы. Гликозидная связь между ними образуется за счёт гликозидного гидроксила у 1 углеродного атома глюкозы и гликозидного гидроксила у 2 углеродного атома фруктозы. В сахарозе отсутствует свободный гликозидный гидроксил.

Химические свойства дисахаридов

Одна из самых важных реакций дисахаридов - это способность гидролизоваться под действием соответствующих ферментов – гликозидаз. В результате гидролиза разрывается гликозидная связь и образуется моносахариды:

мальтоза + Н₂О -> 2 глюкозы

лактоза + Н₂О -> глюкоза + галактоза

сахароза + Н₂О -> глюкоза + фруктоза

Восстанавливающие дисахариды

• вступают в реакцию с реактивом Фелинга, так как легко окисляются по альдегидной группе после раскрытия кольца и тем самым способствуют восстановлению окислов металлов до закисей.
• их растворы мутаротируют. Химическая сущность мутаротации состоит в способности олигосахаридов к существованию в виде равновесной системы линейной и циклических форм.
• вступают в реакции образования простых и сложных эфиров (см. моносахариды).
• гидроксильные группы дисахаридов могут принимать участие в образовании гликозидных связей. Продуктами реакции являются три - , тетра - и полисахариды.

Невосстанавливающие дисахариды не вступают в реакцию с реактивом Фелинга, не обладают восстанавливающими свойствами, не мутаротируют.

Медико-биологическое значение олигосахаридов

Лактоза используется при изготовлении порошков и таблеток, а так же как питательное средство для грудных детей. Содержание лактозы в грудном молоке достигает 8%. Из женского молока выделено более 10 олигосахаридов, в состав которых входит лактоза. Эти олигосахариды имеют большое значение для формирования кишечной микрофлоры новорожденных. Некоторые из них подавляют рост кишечных болезнетворных бактерий. С их действием связывают целебные свойства грудного молока. Олигосахариды, содержащие сиаловую кислоту, активны против столбняка и холеры.

Полисахариды

Полисахариды можно разделить на гомополисахариды (все мономеры идентичны) и гетерополисахариды (мономеры различны).

Гомополисахариды.

Крахмал – резервный полисахарид растений, содержащийся в наибольшем количестве (до 45% от массы сухого вещества) в зёрнах злаков, а также луковицах, стеблях и клубнях растений (в картофеле 65%). Крахмал представляет собой белый порошок, не растворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде. Крахмал – это природный полимер, образованный остатками α – глюкозы. Он существует в 2-х формах: амилоза и амилопектин. Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, включающий 200 – 300 остатков глюкозы, связанных α – 1,4 гликозидной связью и имеющий молекулярную массу от 50000 до 500000. Линейная полимерная цепь в молекуле амилозы свёрнута в спираль. Внутри спирали находится канал размером 0,5 нм, который может захватывать некоторые молекулы, например молекулу йода. Образующийся комплекс амилозы и йода имеет характерное синее окрашивание. Элементарным звеном крахмала является мальтоза. В отличие от амилозы амилопектин не растворим в воде и имеет разветвлённое строение. В его молекуле остатки α – глюкозы связаны не только α – 1,4-связями, но и α – 1,6-связями, α – 1,6-связи образуются через 20 – 25 остатков глюкозы.

Молекулярная масса амилопектина от 500000 до нескольких миллионов.

В крахмале содержится 10 – 20% амилозы и 80 – 90% амилопектина.

Гликоген – животный крахмал, резервный полисахарид животных и человека. Гликоген - разветвлённый полисахарид, мономером которого является глюкоза. Остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4 гликозидными связями, а в местах разветвлений – α 1,6. Точки ветвления в молекуле гликогена встречаются через каждые 8 – 10 остатков глюкозы. Молекулярная масса 4000000. Гликоген – белый порошок, растворимый в воде, в реакции с йодом даёт продукт бурого цвета. Гликоген схема строения.

Целлюлоза (клетчатка) – основной структурный полисахарид растений – главная составная часть клеточных стенок растений. Линейный полисахарид, построенный из остатков глюкозы, связанных между собой β-1,4-гликозидными связями.

Декстраны – полисахариды бактериального происхождения. Декстраны построены из α – Д глюкопиранозных остатков. Макромолекулы их сильно разветвлены. Основным типом связи является α – 1,6, а в местах разветвления – α – 1,4, α – 1,3 и реже α – 1,2 гликозидные связи.

Гетерополисахариды.

Гетерополисахариды часто связываются с белками с образованием протеогликанов и гликопротеидов.

Протеогликаны – высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5 – 10%) и углеводной части (гликозаминогликана - до 95%). Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью. Углеводная часть представляет собой длинные неразветвлённые цепи гетерополисахаридов. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц, одним мономером этого дисахарида является Д – глюкуроновая или L – идуроновая кислоты, вторым мономером – аминосахара глюкоз- или галактозамин. В настоящее время известна структура шести основных классов гликозаминогликанов: гиалуроновая кислота, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарансульфат.

Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных фрагментов, соединенных β-1,4 гликозидными связями. Фрагмент гиалуроновой кислоты состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, связаных β-1,3 гликозидной связью.

Таких дисахаридных единиц в молекуле содержится несколько тысяч, молекулярная масса её достигает 10⁵ – 10⁷Д. В свободном виде встречается в стекловидном теле глаза, пупочном канатике, суставной жидкости, где выполняет роль смазочного вещества, уменьшая трение между суставными поверхностями. Растворы гиалуроновой кислоты обладают высокой вязкостью, с чем связывают её барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов. В хряще гиалуроновая кислота связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов.

Хондроитинсульфаты – самые распространённые гликозамингликаны в организме человека, они содержатся в хряще, коже, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза, костной ткани, трахеи. Хондроитинсульфат является важным основным компонентом агрекана – основного протеогликана хрящевого матрикса. В организме человека 2 вида хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Они построены одинаковым образом, отличие касается только положения сульфатной группы в молекуле N – ацетилгалактозамина. Одна полисахаридная цепь хондроитинсульфата содержит около 40 повторяющихся дисахаридных единиц и имеет молекулярную массу 10⁴-10⁶Д.

Гиалуроновая кислота и хондроитинсульфаты участвуют в образовании протеогликановых комплексов (агреканов) хрящевой ткани. По внешнему виду они напоминают «ёрш» для мытья бутылок. Центральную вытянутую часть агрекана (как бы проволочную основу «ерша») составляет молекула гиалуроновой кислоты, через каждые 10 моносахаридных звеньев перпендикулярно основной оси располагаются хондроитинсульфатные полисахаридные цепи (щетина ерша).

В целом комплексы протеогликановой природы представляют собой поливалентные анионы, способные связывать катионы калия, натрия, кальция и за счёт этого участвовать в солевом обмене.

Гепарин – синтезируется тучными клетками и находится в гранулах внутри этих клеток. Наибольшее количество гепарина обнаруживается в лёгких, печени, коже.

Молекулярная масса гепарина колеблется от 6х10³ до 25х10³Д.

Гликопротеины – это белки, которые содержат олигосахаридные цепи разной длины, нерегулярного строения, ковалентно присоединённые к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины содержатся в мембранах, в цитозоле клеток и в жидкостях организма. Они выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков:

• ферменты – пепсин фермент желудка
• гормоны – тиреотропный гормон
• транспортные белки – церулоплазмин, трансферрин
• структурные белки – эластин, коллаген
• иммуноглобулины
• групповые вещества крови.

Медико-биологическое значение полисахаридов

Крахмал. Наиболее важный компонент пищевого рациона, выполняющий энергетическую функцию, служит источником глюкозы. При частичном гидролизе крахмала образуются полисахариды – декстрины, они растворимы в воде и применяются для приготовления сладких сиропов и клея для почтовых марок.

Гликоген. Глюкоза запасается в клетках животных и человека в виде гликогена, его разветвлённая структура создаёт большое количество концевых мономеров, это позволяет достаточно быстро получать свободную глюкозу - основной энергетический материал.

Целлюлоза выполняет важную функцию балластного вещества, придавая пище дополнительный объём и положительно влияя на процесс пищеварения. Продукты бактериального брожения целлюлозы в толстом кишечнике человека - спирты, органические кислоты и углекислый газ важны как стимуляторы перистальтики кишечника.

Декстраны используются в качестве заменителей плазмы крови. Декстраны, синтезируемые бактериями, обитающими на поверхности зубов, являются компонентами налёта на зубах.

Хондроитинсульфат применяется в медицинской практике в виде препарата хонсурид, который получают из трахей крупного рогатого скота. Применяют наружно для ускорения репаративных процессов при длительно не заживающих, вяло гранулирующих и медленно эпителизирующихся ранах после травм и оперативных вмешательств, при трофических язвах.

Гепарин получают из лёгких крупного рогатого скота, препарат выпускается в виде натриевой соли. Гепарин является естественным противосвёртывающим фактором, он входит в состав физиологической антисвёртывающей системы. Гепарин является антикоагулянтом прямого действия, т.е. непосредственно влияет на факторы свёртывания, находящиеся в крови. Применяют при лечении тромбозов.

Обучающиеся готовятся к рубежному контролю, используя лекционный материал, основную и дополнительную литературу, а также методические разработки для внеаудиторной (самостоятельной) работы по теме: химия и функции углеводов.

Самостоятельная работа студентов по теме:

- выполнение лабораторной работы:

1. «Качественная реакция на крахмал».

Принцип метода: Наиболее специфичной реакцией на крахмал является появление синего окрашивания при добавлении йода. Окрашивание обусловлено наличием в составе крахмала амилазы. Окраска исчезает при нагревании и восстанавливается при охлаждении раствора крахмала.

2. «Реакция Барфеда».

Принцип метода: тот же, что в реакции Фелинга, но окисление сахара происходит не в щелочной, а в среде, близкой к нейтральной. В этих условиях редуцирующие дисахариды, в противоположность моносахаридам, практически не окисляются, а следовательно, не восстанавливают реактив Барфеда, что позволяет отличить их от моносахаридов.

Ход лабораторной работы представлен в таблице:

Липиды - это гидрофобные органические соединения, не растворимые в воде, но растворимые в неполярных органических растворителях (бензоле, эфире и т.д.). Это разнородный класс органических соединений, которые трудно поддаются классификации. Существуют две классификации: биологическая (функциональная) и химическая.

Биологическая классификация

Жиры (основная функция энергетическая)

Липоиды (основная функция мембранная)

Биологически активные вещества (витамины и гормоны)

Химическая классификация

Липиды разных классов существенно отличаются по структуре и функциям. Большинство липидов имеют в своем составе жирные кислоты, связанные сложноэфирной связью с глицеролом, холестеролом или амидной связью с аминоспиртом сфингозином.

Жирные кислоты липидов человека представляют собой углеводородную неразветвлённую цепь, на одном конце которой находится карбоксильная группа, а на другом - метильная группа. Большинство жирных кислот в организме содержат четное число атомов углерода - от 16 до 20. Жирные кислоты, не содержащие двойных связей, называют насыщенными. Основной насыщенной жирной кислотой в липидах человека является пальмитиновая (до 30-35%). Жирные кислоты, содержащие двойные связи, называют ненасыщенными. Ненасыщенные жирные кислоты представлены моноеновыми (с одной двойной связью) и полиеновыми (с двумя и большим числом двойных связей).

Большинство жирных кислот синтезируется в организме человека, однако полиеновые кислоты (линолевая и α-линоленовая) не синтезируются и должны поступать с пищей. Эти жирные кислоты называют незаменимыми, или эссенциальными. Основные источники полиеновых жирных кислот для человек а- жидкие растительные масла и рыбий жир, в котором содержится много кислот семейства ώ-3.

Физические свойства жиров

Жиры имеют удельный вес <1, легче воды, хорошо эмульгируются. Эмульгаторы – поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе 2-х фаз (вода-жир). В организме при переваривании жиров в роли эмульгаторов выступают желчные кислоты и другие полярные вещества.

Жиры, у которых преобладают насыщенные жирные кислоты, являются твёрдыми (животный жир), а у которых преобладают ненасыщенные жирные кислоты, являются жидкими (масла, растительный, рыбий жир).

Жиры (триглицерины) – представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот.

Существуют предельные и непредельные жирные кислоты.

Важнейшие жирные кислоты:

C₁₅H₃₁COOH – пальмитиновая - С₁₆.

С₁₇Н₃₅СООН – стеариновая – С₁₈.

С₁₇Н₃₃СООН – олеиновая – С_{18 : 1}.

Пальмитиновая и стеариновая жирные кислоты – насыщенные, олеиновая – мононенасыщенная (имеет 1 двойную связь).

К ненасыщенным жирным кислотам относятся также и линолевая С_18:2 ; линоленовая С_{18 : 3} ; арахидоновая С_{20 : 4.}

Названию жира даёт основа – глицерин, приставки образуются с окончанием – ил -. Например: 1-олеил-2-стеарил-3-пальмитоилглицерин.

Химические свойства жиров

1. Гидролиз жира. Гидролиз бывает кислотный, щелочной и ферментативный. При этом происходит разрыв сложноэфирной связи

Гидролиз жира в кислой среде приводит к образованию глицерина и 3-х жирных кислот.

Гидролиз в щелочной среде приводит к образованию глицерина и 3-х молекул солей жирных кислот (мыло).

2. Свойства жира по двойным связям жирных кислот:
   • присоединение Н₂ (жиры из жидкого состояния переходят в твёрдое).
   • галогенирование (с J₂, Br₂, Cl₂), гидрогалогенирование ( с HCl, HJ, HBr).
   • окисление кислородом воздуха на свету, сопровождаемое гидролизом. Это часть процесса, называемого прогорканием жира.

Сложные омыляемые липиды

Сложные омыляемые липиды обычно делятся на 3 большие группы: глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды и гликолипиды.

1. Глицерофосфолипиды. В их основе лежит фосфатидная кислота, состоящая из глицерина, двух остатков жирных кислот и фосфорной кислоты.

Фосфатидная кислота.

В качестве спиртового компонента могут выступать: этаноламин, холин, серин.

Полярная часть (головка) представлена фосфорной кислотой и спиртовым компонентом, неполярная (хвост) – глицерином и двумя остатками жирных кислот.

2. Сфингофосфолипиды.

В основе сфингофосфолипидов лежит спирт сфингозин.

Сфингозин, соединенный с жирной кислотой, называется церамидом, который является неполярной частью молекулы. Полярная часть представлена фосфорной кислотой и спиртовым компонентом.

3. Гликолипиды – это сложные омыляемые липиды, которые подразделяются на цереброзиды и ганглиозиды. В состав цереброзидов входит сфингозин, жирная кислота и моносахариды (галактоза или глюкоза). В состав ганглиозидов вместо моносахаридов входит олигосахарид.

В цереброзидах, в заметных количествах, входящих в состав миелиновых оболочек нервных клеток, остаток церамида связан с галактозой или глюкозой β – гликозидной связью. Например, галактоцероброзид.

Сложные омыляемые липиды имеют гидрофильную головку и гидрофобный хвост. Они являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Они снижают поверхностное натяжение, способствуют эмульгированию, способны к самосборке, образуют мицеллы, липосомы, липопротеиды, мембраны.

Неомыляемые липиды

Неомыляемые липиды не содержат сложноэфирной связи, не подвергаются гидролизу. К ним относятся стероиды, изопреноиды, эйкозаноиды.

В основу стероидов входит кольцо стерана С₁₇ .

Стеран является химической основой холестерина, желчных кислот, стероидных и половых гормонов.

Холестерин представляет собой наиболее распространенный стерин.

Холестерин присутствует в клетках не только в свободном виде, но и в виде сложных эфиров с карбоновыми кислотами, как с насыщенными, так и ненасыщенными. Этерификация холестерина происходит преимущественно в печени.

Холестерин играет важную роль, так как из него в организме синтезируются многие биологически активные соединения. В печени из холестерина образуются необходимые для пищеварения желчные кислоты: холевая и 7- дезоксихолевая.

Холевая кислота в организме, образуя амиды по карбонильной группе с глицерином и таурином, превращается в гликохолевую и таурохолевую кислоты.

Холестерин - предшественник всех стероидных гормонов, включая мужские и женские половые гормоны, а так же кортикостероиды - гормоны коры надпочечников.

Главными мужскими половыми гормонами являются андростерон и более активный тестостерон.

Женская половая система контролируется двумя типами гормонов: это эстрадиол, контролирующий менструальный цикл у женщин, и прогестерн, способствующий наступлению и сохранению беременности.

Изопреноиды – соединения, построенные из фрагментов изопрена.

К ним относятся каротиноиды – растительные пигменты, входящие в состав жирорастворимых витаминов.

Эйкозаноиды – производные арахидоновой жирной кислоты (простагландины, простациклины, тромбоксаны и лейкотриены).

Биологические мембраны.

Биологические мембраны играют важную роль как в структурной организации, так и в функционировании клеток и клеточных органелл.

Мембраны:

-отделяют клетку от окружающей среды;

-делят клетку на компартменты;

-регулируют транспорт веществ в клетку и органеллы или в обратном направлении;

-обеспечивают специфику межклеточных контактов;

-воспринимают, усиливают и передают внутрь клетки сигналы из внешней среды.

Основу биологической мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфо- и гликолипиды.

Молекулы липидов в мембране способны к латеральной диффузии (жидкостность мембран). Скорость латеральной диффузии зависит от микровязкости мембран, которая в свою очередь зависит от относительного содержания насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Плотность упаковки, а следовательно, и микровязкость меньше при преобладании ненасыщенных и больше при преобладании насыщенных жирных кислот.

Холестерин является важным составляющим мембран. Молекулы холестерина располагаются в гидрофобной зоне мембраны параллельно гидрофобным хвостам молекул фосфо- и гликолипидов. Гидроксильная группа холестерина контактирует с гидрофильными головками фосфо- и гликолипидов.

Наличие холестерина в мембранах уменьшает подвижность цепей жирных кислот, снижает возможность латеральной диффузии липидов и белков и поэтому может влиять на функции мембранных белков.

Белки мембран различаются по своему положению в мембране.

Мембранные белки, контактирующие с гидрофобной областью липидного бислоя, должны быть амфифильными, т.е. иметь неполярный домен.

Амфифильность достигается благодаря тому, что:

-аминокислотные остатки, контактирующие с липидным бислоем в основном неполярны;

-многие мембранные белки ковалентно связаны с липидами (ацилированы).

Между молекулами липидов в биослое, между белками и липидами бислоя не образуется ковалентных связей.

Внеклеточные участки белков клеток, в том числе болшинство рецепторов и транспортных белков, почти всегда гликозилированы. Углеводные остатки защищают белок от протеолиза, учатвуют в узнавании и адгезии.

Мембраны легко разрушаются под действием детергентов, после удаления которых они способны к самосборке- формированию двойного липидного слоя.

Возможен перенос вещества из среды в клетку вместе с частью плазматической мембраны (эндоцитоз), например поглощение липопротеинов крови тканям или перенос вещества из клетки в среду (экзоцитоз), например секреция инсулина, тироксина, других гормонов, белка коллагена.

Обучающиеся готовятся к рубежному контролю, используя лекционный материал, основную и дополнительную литературу, а так же методические разработки для внеаудиторной (самостоятельной) работы по теме: химия и функции липидов.

Самостоятельная работа студентов по теме

- выполнение лабораторной работы:

«Определение йодного числа жира».

Принцип метода. Йодное число – измеряется количеством граммов йода, которое присоединяется к 100 г. жира. Позволяет судить о степени ненасыщенности жира, о его склонности к «высыханию», прогорканию и другим изменениям, происходящим при хранении и переработке пищевых и технических масел.

Ход работы:

В колбу на 100 мл. помещают 0,2 г. масла (или другого жидкого жира) и 10 мл. спирта (подогреть на водяной бане, если плохо растворяется) – это опытная проба. Во второй колбе – только 10 мл. спирта – это контрольная проба. В каждую пробу (опыт и контроль) прибавляют по 5 мл. 0,2 н спиртового раствора йода, перемешивают, приливают 40 мл. дистиллированной воды и хорошо встряхивают, закрыв пробкой.

Через 5 минут содержимое колб оттитровывают 0,1н раствором тиосульфата натрия сначала до появления слабо-желтого окрашивания, а затем, прибавив 10 кап. крахмала, титруют до исчезновения синего окрашивания.

Разность между количеством 0,1н раствора тиосульфата, затраченного на титрование опыта и контроля, является показателем количества йода, связанного навеской масла.

Расчет ЙЧ по формуле:

(V1 – V2)∙0,0127∙100

ЙЧ =

а

Где: V1 – количество тиосульфата, пошедшее на титрование контроля (в мл); V2 – количество тиосульфата, пошедшее на титрование опыта (в мл); 0,0127 – титр Na₂S₂O₃ по йоду; а – навеска жира в г.

ЙЧ у твердых жиров 30÷86 (жир млекопитающих),

У жидких жиров 150-200 (жир морских млекопитающих, рыб, растительный),

ЙЧ у оливкового масла – 81, хлопкового – 106 (меньше, чем у подсолнечного), льняного – 179 – больше, чем у подсолнечного и рыжикового.

Жиры с ЙЧ > 70 относят к маслам.

Вопросы к защите лабораторной работы:

1. Как измеряется йодное число жира, о чем оно позволяет судить?
2. Перечислите основные этапы лабораторной работы. В чем они заключаются?
3. Что такое титрование? Его принцип, как оно производится?
4. Какой качественный реактив на крахмал вы знаете?
5. Как рассчитывается йодное число?
6. Есть ли отличия в йодных числах твердых и жидких жиров?
7. Какой из известных вам жиров имеет наибольшее количество двойных связей?

Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, состоящие из мононуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями. Мононуклеотиды состоят из трех компонентов. Первый компонент – азотистое гетероциклическое основание. Оно может быть производным пурина (аденин, гуанин) или пиримидина (урацил, тимин, цитозин).

Второй компонент – пентоза: рибоза или дезоксирибоза. Атомы углерода в кольце нумеруются со штрихами.

Пентоза с азотистым основанием образует нуклеозид. Нуклеозиды – это N-гликозиды азотистого основания, рибозы или дезоксирибозы. В образовании N-гликозидной связи у пуриновых оснований участвует азот в положении 9, а у пиримидиновых - в положении 1. Название нуклеозидов складываются из названия азотистого основания с изменением окончания на «озин» у пуриновых и «идин» - пиримидиновых. Например, пуриновые и пиримидиновые нуклеозиды.

Третий компонент – остаток фосфорной кислоты. Остатков может быть один, два или три. Присоединение идет по любому атому углерода в пентозе, но чаще всего это 5’ положение. Все три компонента образуют нуклеотид. Нуклеотид – это фосфорный эфир нуклеозида. В названии отображается количество остатков фосфорной кислоты и их положение. Например: аденозин-5’-трифосфат (АТФ), аденозин-5’-дифосфат (АДФ), аденозин-5’-монофосфат (АМФ).

Функции свободных нуклеотидов

Строительная (пластическая). Нуклеотиды являются мономерами нуклеиновых кислот.

Макроэргическая. Все ди- и трифосфаты содержат одну или две макроэргические связи соответственно. Макроэргической связью называют такую связь, при разрыве которой выделяется свыше 32 кДж энергии, которая идет на нужды клетки и организма в целом. Универсальным макроэргом в организме является АТФ.

Регуляторная. Нуклеотиды могут менять скорость многих биохимических реакций в организме. Одним из таких регуляторов является циклический нуклеотид аденозин-3’,5’- цикломонофосфат (3’,5’-цАМФ). Он обладает способностью активировать ферменты, участвует в передаче действия многих гормонов в клетке (второй посредник). цГМФ также обладает вышеуказанными функциями.

Коферментная. Это очень важная роль нуклеотидов в организме. Являясь составной частью ферментов (биокатализаторов белковой природы), они позволяют ферментам выполнять свои функции. Важную группу коферментов составляют нуклеозидполифосфаты (АДФ, АТФ), а также коферменты окислительно-восстановительных ферментов.

Например: НАД⁺ – никотинамидадениндинуклеотид.

Никотинамид - витамин РР. Р - остаток фосфорной кислоты. НАДФ⁺ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат содержит во втором положении рибозы еще один остаток фосфорной кислоты.

ФМН – флавинмононуклеотид.

Витамин В₂ – это изоаллоксазин и спирт рибитол.

ФАД – флавинадениндинуклеотид

ФАД = ФМН + АМФ.

НАД⁺, НАДФ⁺, ФМН, ФАД – из окисленной формы могут переходить в восстановленную и участвовать в реакциях, обеспечивающих организм энергией. Кофермент НАДФН – восстановленная форма, участвует в реакциях биосинтеза жирных кислот, холестерина, кетоновых тел и т.д.

Важная роль в обмене веществ принадлежит коферменту - А (НS-KoA) в состав которого входят: аминоэтантиол, пантотеновая к-та, аденин, рибоза, РР.

КоА участвует в активации карбоновых кислот, превращая их в реакционноспособные тиоэфиры.

Структурная организация нуклеиновых кислот

Первичная структура нуклеиновых кислот – это состав и последовательность нуклеотидов в цепи, соединенных 3’,5’–фосфодиэфирными связями. Она определяется порядком чередования азотистых оснований. Каркас представлен пентозой и остатком фосфорной кислоты.

Благодаря тому, что один гидроксил у фосфорной кислоты остается свободным и может диссоциировать, нуклеиновые кислоты имеют отрицательный заряд, являясь полианионами, могут комплексироваться с положительно заряженными белками. Образуются сложные комплексы - нуклеопротеиды. Так формируются хромосомы, рибосомы и вирусы. Первичная структура ДНК строго специфична для каждого вида организма.

Вторичные структуры ДНК и РНК отличаются. Для ДНК – это пространственная организация полинуклеотидных цепей ее молекулы. Согласно модели Дж. Уотсона и Ф.Крика, молекула ДНК представлена двумя цепями, правозакрученными вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Цепи антипараллельные. Одна имеет направление 5’,3’, а другая – 3’,5’. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь двойной спирали и ее форма поддерживается за счет водородных связей между комплементарными основаниями. Между аденином и тимином образуется две водородные связи, гуанином и цитозином – три (рис. 2).

Для РНК вторичная структура представлена одной полинуклеотидной цепью, местами спирализованной. У каждой РНК своя специфическая вторичная структура. Наиболее хорошо изучена вторичная структура транспортной РНК (тРНК). Для всех транспортных видов РНК эта структура сходна и получила название «клеверного листа». Полинуклеотидная цепь складывается таким образом, что отдельные участки ее становятся комплементарными друг другу и образуют короткие двуспиральные участки. Схематично это можно представить так.

Стрелки показывают места спирализации. К акцепторному участку присоединяется аминокислота, антикодон служит для соединения с кодоном матричной РНК (мРНК) – несущей информацию о белке. Вес тРНК небольшой. Количество транспортных РНК около 60, так как некоторые аминокислоты переносятся к месту синтеза белка из цитоплазмы на рибосомы не одной, а несколькими тРНК.

Существует рибосомальная РНК (рРНК), которая соединяется с белком, образуя рибосому, где происходит синтез белка. Имеются и внеклеточные РНК, которые входят в состав многих вирусов животных и растений. В организме нуклеиновые кислоты находятся в основном в виде нуклеопротеидных комплексов – нуклеопротеидов (рибосомы, хроматин). В свободном виде существует практически только тРНК.

Третичная структура нуклеиновых кислот – это укладка в пространстве определенным образом вторичной структуры. Она характеризуется суперспирализацией. Так суперскрученная структура огромной молекулы ДНК позволяет экономно ее упаковывать в хромосоме: вместо 8 см длины, которую она могла бы иметь в вытянутой форме, в хромосоме она укладывается в 5 нм. Третичная структура тРНК отличается от вторичной большей компактностью, образованной за счет складывания различных частей молекулы.

ОТЛИЧИЯ РНК от ДНК

Обучающиеся готовятся к рубежному контролю, используя лекционный материал, основную и дополнительную литературу, а так же методические разработки для внеаудиторной (самостоятельной) работы по теме: химия и функции нуклеиновых кислот.

Самостоятельная работа студентов по теме

- выполнение лабораторной работы: «Гидролиз нуклеопротеидов и идентификация продуктов гидролиза».

Для изучения химического состава нуклеопротеидов проводят их кислотный гидролиз в присутствии серной кислоты. Специфическими реакциями открывают продукты гидролиза: полипептиды, пуриновые основания, углеводный компонент и фосфорную кислоту.

1. Принцип метода: Биуретовая реакция на полипептиды: метод основан на образовании окрашенных в розово-фиолетовый цвет комплексов ионов двухвалентной меди с пептидными группами белков в щелочной среде.

Ход работы: к 1 мл. гидролизата добавить 10 капель 10% раствора NaOH и 2 капли 1% раствора CuSO_4. раствор окрашивается в розово-фиолетовый цвет.

2. Принцип метода: Реакция на пуриновые основания: пуриновые основания восстанавливают фосфорно-вольфрамовый реактив, в результате чего образуются более низкие окислы вольфрама синего цвета.

Ход работы: к 1 мл. гидролизата добавить 2 капли реактива Фолина и 1 мл. насыщенного раствора Na₂CO₃, перемешать. Постепенно развивается голубое окрашивание.

3. Принцип метода: Реакция Фелинга на углеводный компонент (принцип см. в теме «Углеводы»)

Ход работы: к 1-2 мл. гидролизата прибавить равный объем Фелинговой жидкости. Смесь нагреть на спиртовке до кипения. Объяснить результат.

4. Принцип метода: Реакция Биаля на пентозы: (принцип см. в теме «Углеводы»)

Ход работы: к 1 мл гидролизата добавить равный объем реактива Биаля, перемешать и кипятить 2-3 мин. на спиртовке. Объяснить результат.

5. Принцип метода: Молибденовая проба на фосфорную кислоту: в основе метода лежит реакция:

H₃PO₄ + 12(NH₄)₂MoO₄ + 21HNO₃ → (NH₄)₃PO₄ ∙ 12MoO₃↓ + 21NH₄NO₃

Ход работы: к 1 мл. гидролизата прилить 2 мл. молибденового реактива, прокипятить на спиртовке. При этом жидкость окрашивается в лимонно-желтый цвет. После охлаждения выпадает осадок фосфорно-молибденового аммония.

Вопросы к защите лабораторной работы:

1. Какие основные компоненты входят в состав нуклеопротеидов?
2. Назовите связи, разрушающиеся при кислотном гидролизе нуклеотидов.
3. В чем заключается принцип биуретовой реакции?
4. Каким реактивом восстанавливается пуриновое основание?
5. Для чего проводят реакцию Фелинга?
6. Как называется качественный реактив на пентозу?
7. Какой пробой выявляется фосфорная кислота?

Аминокислоты – это гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода. Условно их можно разделить на белковые аминокислоты – входящие в состав белков (20 наиболее важных) и небелковые. В дальнейшем пойдёт речь о белковых аминокислотах.

Все белковые аминокислоты относятся к L – ряду и являются a - аминокислотами. Приводим общую формулу a - аминокислот:

аминогруппа → H₂N – CH – COOH ← карбоксильная группа

l

R ← радикал

a - аминокислоты отличаются радикалом. Ленинджером была предложена химическая классификация аминокислот, основанная на строении радикала (рН = 7).

1 класс – аминокислоты с гидрофобными радикалами - 8.

2 класс – аминокислоты с гидрофильными радикалами:

• с полярными, но незаряженными радикалами - 7 аминокислот.
• заряженными положительно - 3 аминокислоты.
• заряженными отрицательно - 2 аминокислоты.

По химической природе радикала a - аминокислоты можно разделить на алифатические, ароматические и гетероциклические.

С учётом общего числа аминогрупп и карбоксильных, a - аминокислоты подразделяются на нейтральные, кислые и основные.

Белковые аминокислоты делятся на две группы: заменимые и незаменимые.

В зависимости от того, какие вещества можно получить из a - аминокислот, их делят на гликогенные (получают углеводы), кетогенные (получают липиды) и смешанные.

Медико-биологическое значение аминокислот

Многие аминокислоты используются в медицинской практике в качестве лекарственных средств. Так, глицин - является нейромедиаторной аминокислотой, улучшает метаболические процессы в тканях мозга, используется при мышечной дистрофии. Глутаминовая кислота используется при заболеваниях ЦНС. Метионин и гистидин применяются для лечения и предупреждения заболеваний печени, а цистеин – глазных болезней.

Физико-химические свойства a - аминокислот

a- аминокислоты твёрдые, тугоплавкие вещества, хорошо растворимые в воде, многие сладкие на вкус. Обладают стереоизомерией и изомерией строения цепи. В твёрдом состоянии аминокислоты находятся в виде биполярного иона. Из-за кислотно-основного взаимодействия в водных растворах в зависимости от рН среды они присутствуют в трёх формах: катионная форма, биополярный ион, анионная форма.

Значение рН среды, при котором аминокислота находится в виде биполярного иона, а анионных и катионных форм минимальное количество и равно между собой, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ, pI).

В ИЭТ заряд аминокислоты равен нулю, наименьшая растворимость и электрофоретическая подвижность. ИЭТ a - аминокислот зависит от строения радикала.

Реакционная способность a - аминокислот обусловлена наличием амино-, карбоксильной групп и функциональных групп радикала.

По карбоксильной группе аминокислот идут следующие химические реакции: взаимодействие со щелочами с образованием солей, взаимодействие со спиртами с образованием сложных эфиров, взаимодействие с аммиаком с образованием амидов.

В организме эта реакция идёт при участии ферментов. Порядок последовательности и количество аминокислот задаётся генетически.

Декарбоксилирование аминокислот с образованием аминов:

BaSO₄

H₂N – CH – COOH -------> H₂N – CH₂ – R + CO₂

׀

R

В организме эта реакция идёт в присутствии ферментов декарбоксилаз, а продукт реакции называется биогенным амином, так как обладает высокой биологической активностью. Кроме биогенных аминов в результате декарбоксилирования могут образовываться и другие продукты, в зависимости от того, какая a - аминокислота вступает в реакцию. Например, глутаминовая кислота при декарбоксилировании превращается в небелковую гаммааминомасляную кислоту (ГАМК), участвующую в обменных процессах головного мозга.

По аминогруппе аминокислот идут следующие химические реакции:

Образование пептидов.

Образование ацильных производных.

Образование оснований Шиффа при взаимодействии с альдегидами (образование замещенных иминов).

Переаминирование – взаимодействие с кетокислотами. В результате реакции образуется новая кетокислота и новая аминокислота. Реакция в организме идёт с участием ферментов аминотрансфераз. Это один из способов образования заменимых аминокислот в организме.

Дезаминирование - потеря аминогруппы в виде аммиака. В живом организме идет окислительное дезаминирование при участии ферментов. Вне организма дезаминирование осуществляется действием азотистой кислоты. При этом образуется соответствующая a-гидроксикислота и выделяется газообразный азот.

α-аминокислоты дают цветные реакции, которые используются для качественного и количественного измерения: нингидрированная реакция, ксантопротеиновая реакция, реакция Эрлиха и т.д.

Самостоятельная работа студентов по теме

- выполнение лабораторной работы: «Качественные реакции на аминокислоты»

1. Нингидриновая реакция.

Принцип метода: нингидриновая реакция характерна для аминогрупп, находящихся в α-положении. Растворы аминокислот или пептидов и белков при нагревании с нингидрином дают сине-фиолетовое окрашивание.

Ход работы:

В пробирку поместить 5 капель 1% раствора яичного белка и добавить 5 капель 0,1% водного раствора нингидрина, перемешать. Содержимое пробирки осторожно нагреть на спиртовке до появления сине-фиолетового окрашивания. Оформить протоколы и сделать выводы.

2. Ксантопротеиновая реакция на ароматические аминокислоты.

Принцип метода: При действии концентрированной азотной кислоты на тирозин образуется нитросоединение, окрашенное в желтый цвет. При добавлении к нему щелочи, окраска становится оранжевой в связи с ионизацией фенольной гидроксильной группы и усилением вклада аниона в сопряжение.

Ход работы: К 1 мл раствора белка добавить 0,5 мл концентрированной азотной кислоты, нагреть до кипения. По охлаждении добавить по каплям концентрированный раствор NaOH. Появляется оранжевое окрашивание, обусловленное превращением нитропроизводных циклических аминокислот в соли хиноидной структуры.

3. Реакции на аминокислоты, содержащие -SH группы.

Принцип метода: Из всех ионных групп белка в первую очередь с Pb²⁺ взаимодействуют тиольные группы, т.к. Pb²⁺– это мягкая кислота, а SH – мягкое основание. Образуется черный осадок – нерастворимые меркаптиды свинца.

Ход работы: К 2 мл раствора белка добавляют 0,5мл 10% раствора NaOH, перемешивают и осторожно нагревают до кипения(1-2мин), затем добавляют 0,15 мл 10% раствора уксуснокислого свинца и продолжают нагревать до появления черного осадка PbS, что обусловлено наличием в белковой молекуле атомов S цистеина и цистина.

Вопросы к защите лабораторной работы:

1. Принцип метода качественной реакции аминокислот с нингидрином.
2. Даст ли положительную реакцию с нингидрином β-аланин?
3. Напишите формулы аминокислот содержащих серу. С помощью какой цветной реакции их можно обнаружить?
4. Напишите схему взаимодействия цистеина с ацетатом свинца
5. Какое практическое применение имеет реакция цистеина с ионом свинца (II)?
6. Какой цветной реакцией можно открыть триптофан?
7. Что открывает нингидриновая реакция?
8. Как можно определить наличие тирозина в белке?
9. Какие α-аминокислоты в составе белка можно открыть с помощью
10. п-диметиламинобензальдегида?
11. О чем свидетельствует черный осадок в реакциях иона свинца (II) с аминокислотами?

Пептиды - это биополимеры, состоящие из a - аминокислот, соединённых пептидной связью. Количество аминокислот и их последовательность в пептиде задаётся генетически. В группе пептидов выделяют:

• Олигопептиды – содержат от 2 до 10 аминокислотных остатков.
• Полипептиды – содержат от 10 до 100 аминокислотных остатков.
• Белки – содержат свыше 100 аминокислотных остатков.

В пептидах аминокислотные остатки соединены пептидной (амидной) связью, она является ковалентной где есть рπ – сопряжение в результате положительного мезомерного эффекта NH-группы. Она лишена основных свойств, так как пара электронов азота участвует в сопряжении и недоступна для протона.

Пептиды и белки имеют сложную организацию молекул. Для высоко молекулярных пептидов и белков характерна первичная структура. Она представлена полипептидной цепью, в которой генетически задаётся количество и последовательность аминокислот. Стабилизация (поддержание) этой структуры осуществляется за счёт пептидных связей. По строению полипептидная цепь имеет вид зигзага, так как пептидные связи по отношению друг к другу располагаются под углом 108 градусов, соединённые через a - углеродные атомы.

Название пептидов строится путем последовательного перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца с добавлением суффикса «ил», для C-концевой аминокислоты сохраняется ее полное название.

Для обнаружения пептидной связи в пептидах и белках используют биуретовую реакцию. Положительную реакцию дают вещества, содержащие не менее двух пептидных связей.

Специфичность пептидов и белков определяется аминокислотным составом и их последовательностью. Аминокислотный состав пептидов и белков устанавливается путем анализа гидролизатов хроматографическими методоми. Гидролиз может идти как в кислой, так щелочной среде. Разработаны химические способы отщепления

α-аминокислот с N-конца:

1. Метод Сенгера.
2. Метод Эдмана.
3. Дансильный метод.

Медико-биологическое значение пептидов.

Пептиды содержатся во всех видах организмов. В отличие от белков они имеют более разнородный аминокислотный состав, довольно часто включают аминокислоты D-ряда. В структурном отношении они также более разнообразны. Пептидную природу имеют многие антибиотики, гормоны, нейропептиды, токсины. Например:

1. Тетрапептид тафтсин - регулятор иммунной системы.
2. Окситоцин, вазопрессин - гормоны.
3. Нейропептиды - энкефалины содержатся в головном мозге. Обладают обезболивающим действием как лекарственные средства.
4. Некоторые пептиды обладают антибактериальным действием. Например, грамицидин С, ванкомицин, полимиксины.
5. Ионофорная - осуществляют транспорт ионов.

Во всех клетках содержится трипептид глутатион, учавствующий в процессах окисления и восстановления. Он поддерживает SH-группы белков в восстановленном состоянии, предотвращая их окисление до дисульфидов.

Белки - это биополимеры, содержащие в своем составе свыше ста a - аминокислот, соединённых пептидной связью. Количество аминокислот и их последовательность в белках различны. Белки бывают простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые состоят только из аминокислот, в состав сложных белков входят ещё и другие компоненты.

Примеры сложных белков:

1. Гликопротеиды – включают углеводы.
2. Липопротеиды – включают липиды.
3. Нуклеопротеиды – включают нуклеиновые кислоты.
4. Металлопротеиды – включают металлы.
5. Хромопротеиды – включают окрашенные вещества.

Белки и пептиды имеют сложную организацию молекул.

Первичная структура представлена полипептидной цепью, в которой генетически задаётся количество и последовательность аминокислот. Стабилизация (поддержание) этой структуры осуществляется за счёт пептидных связей. По строению полипептидная цепь имеет вид зигзага.

Вторичная структура – это регулярное (закономерное) расположение в пространстве полипептидной цепи (первичной структуры). Стабилизация осуществляется за счёт водородных связей между азотом и кислородом пептидных связей, расположенных в разных плоскостях. Она представлена спиралью или b - складчатой структурой. В белках их соотношение может быть разным. Например, белки миоглобин, гемоглобин содержат на 75% спиральную структуру, сывороточный альбумин содержит поровну и спираль и b - складчатую структуру, токсины змей содержат только b - складчатую структуру.

Одним из самым распространенных белков человека (до 30% от общего количества белка) является коллаген. Он образует коллагеновые волокна, сотовляющие основную массу соединительной ткани организма. Имеет необычную первичную структуру. Вторичная представлена суперспиралью. Имеет большое значение в медицинской практике.

Третичная структура – это дальнейший беспорядочный, но строго специфический для каждого вида белка способ укладки в пространстве вторичной структуры. Она основана на взаимодействии функциональных групп, далеко отстающих друг от друга в полипептидной цепи. Стабилизация третичной структуры осуществляется за счёт дисульфидных связей, ионными связями между карбоксильными и аминогруппами, гидрофобными взаимодействиями между радикалами, водородными связями. Эта структура может быть представлена глобулой (глобулярные белки), состоящей, в основном, из a-спирали, а может быть цилиндрической, вытянутой (фибриллярные белки), чаще всего представлена b - складчатой структурой. Третичная структура – нативная (рабочая), то есть в третичной структуре белок начинает выполнять свои биологические функции. Образование нативной структуры запрограммировано в первичной структуре белка. Формирование глобулы идет по принципу наибольшей гидрофильной поверхности. Снаружи находятся заряженные гидрофильные участки, а внутрь уходят гидрофобные.

Четвертичная структура - агрегация нескольких мономерных третичных структур в олигомеры. Каждая третичная структура в белке называется субъединицей. Олигомерный белковый комплекс представляет единое целое и выполняет новые биологические функции, не свойственные отдельно взятым субъединицам. Стабилизируется четвертичная структура слабыми ионными, гидрофобными и водородными связями.

Субъединицы могут быть одинаковыми или разными по первичной, вторичной и третичной структуре. Четвертичная структура характерна лишь для некоторых белков например, ферментов. Чаще всего в состав таких белков входит две или четыре субъединицы, но встречаются белки и с большим числом субъединиц.

Примером белка, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин.

Главная функция гемоглобина - транспорт кислорода из легких к тканям организма. Его четвертичная структура представлена четырьмя полипептидными цепями (две a и две b), каждая из которых содержит гем. Гем состоит из четырех пиррольных колец, соединенных метиновой группой. Имеются четыре метильных заместителя, два винильных и два остатка пропионовой кислоты. В центре находится ион двухвалентного железа, он связан с четырьмя азотами пиррольных колец и гистидиновым остатком в белковой цепи. Шестым лигандом является кислород.

Белки выполяют разные функции в организме:

1. Ферментативная. Ферменты по химической природе – белки.
2. Защитная. Сюда относятся антигены, иммуноглобулины и т. д.
3. Гормональная. Многие гормоны, например, инсулин, соматотропный, паратгормон, являются белками.
4. Структурообразовательная. Ногти, волосы состоят из белков.
5. Опорная. Сюда относятся костная ткань, хрящевая.
6. Сократительная, связана с движением белков мышц, сокращением ресничек, движением сперматозоидов.
7. Энергетическая. При сгорании 1 г. белков образуется 16,8 кДж энергии.
8. Транспортная. Эту функцию выполняют белки-переносчики: гемоглобин, альбумины, глобулины и т. д.
9. Специфическая - характерна для белков плазмы крови, которые обеспечивают кислотно-основное равновесие, вязкость крови, групповую принадлежность и т. д.

Основные физико-химические свойства белков и их медико-биологическое применение:

Растворимость. Фибриллярные белки (линейные), нерастворимые в воде, используются как строительный материал для кожи, мышц, волос и т. д. Глобулярные белки (сферические) растворимы в воде и слабых солевых растворах, поскольку могут притягивать диполи воды и образовывать гидратную оболочку вокруг молекулы, которая не дает отдельным молекулам белка слипаться в более крупные агрегаты. Для устойчивости растворов белков важное значение, кроме гидратной оболочки, имеет заряд белка. Молекулы белка с одинаковым зарядом отталкиваются и находятся во взвешенном состоянии, а с разным зарядом – притягиваются, и белки осаждаются. Глобулярные белки подходят на роль ферментов, белков плазмы крови и т. д.

Денатурация – необратимое разрушение четвертичной, третичной и вторичной структур белка до первичной. Белок выпадает в осадок. Денатурацию вызывают: высокие и низкие температуры, органические и неорганические кислоты, например, сульфасалициловая и трихлоруксусная кислоты, которые получили большое практическое применение в клинике. Сульфасалициловую кислоту применяют для обнаружения малых количеств белка в моче, экссудатах и других биологических жидкостях. Она осаждает белки и пептиды. Трихлоруксусная кислота осаждает только белки. Другими денатурирующими факторами являются щелочи, соли тяжелых металлов, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, механическое воздействие и т. д.

Высаливание – это осаждение белков с помощью солей щелочных и щелочноземельных металлов. Белок теряет гидратную оболочку, нейтрализуется заряд на его поверхности, что приводит к агрегации молекул. При таком способе осаждения белок сохраняет свои нативные свойства.

Электрофорез – это способ разделения белков в электрическом поле. В зависимости от заряда и массы одни белки движутся к аноду, другие к катоду, а третьи остаются на старте.

Изоэлектрическая точка белков - это такое значение рН среды, при котором суммарный заряд на поверхности молекулы белка нейтрален. В ИЭТ белок обладает наименьшей электрофоретической подвижностью, растворимостью и выпадает в осадок.

Гидролиз белка – это разрушение пептидных связей в молекуле белка с помощью воды. Белок распадается до аминокислот. В организме идет ферментативный гидролиз белков при участии пептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.).

Лиофилизация – это высушивание белков в вакууме при низких температурах с сохранением нативных свойств. В таком виде белки легко хранить и транспортировать. Например, высушенные белки плазмы крови.

Цветная реакция на белок. Белки с биуретовым реактивом дают сине-фиолетовое окрашивание. Это качественная реакция на пептидную связь. С ее помощью идентифицируется наличие белков и пептидов в растворах.

Обучающиеся готовятся к рубежному контролю, используя лекционный материал, основную и дополнительную литературу, а так же методические разработки для внеаудиторной (самостоятельной) работы по теме: химия и функции аминокислот, пептидов и белков.

Самостоятельная работа студентов по теме:

- выполнение лабораторной работы: «Биуретовая реакция на пептидную связь».

Принцип метода: Метод основан на образовании окрашенного в сине-фиолетовый цвет комплекса пептидных связей с ионами двухвалентной меди в щелочной среде.

Ход работы:

К пяти каплям 1% раствора яичного белка прибавить три капли 10% раствора гидроксида натрия и 1 каплю 1% раствора сернокислой меди. Перемешать. Содержимое пробирки окрашивается в сине-фиолетовый цвет.

Оформить протокол. Сделать выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы

1. В чем сущность биуретовой реакции?
2. Каковы внешние признаки положительной биуретовой реакции?
3. О наличии каких веществ свидетельствует сине-фиолетовое окрашивание комплекса?
4. Все ли пептиды дают биуретовую реакцию?
5. Как связаны аминокислоты в пептидах?
6. Какими свойствами обладает пептидная связь?
7. Какие функции выполняют пептиды в организме?

Студенты готовятся итоговому тестированию, ответам на вопросы рубежного контроля и практическим навыкам, используя учебные материалы, лекционный курс.

Самостоятельная работа студентов по теме: (данный вид работы на занятии не предусмотрен).