А.Г. ТЫРКОВ БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Рекомендовано УМО Российской академии естествознания по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Химия» и специальности «Фундаментальная и прикладная химия» КНОРУС • МОСКВА • 2016 УДК577.1 ББК28.072 Т93 Рецензент Е.В. Шинкарь, проф. кафедры органической, биологической и физколлоидной химии Астраханского государственного технического университета, д-р хим. наук Тырков А.Г. Т93 Биоорганическая химия : учебное пособие / А.Г. Тыр­ков. — М. : КНОРУС ; Астрахань : АГУ, ИД «Астраханский университет», 2016. — 126 c. ISBN 978-5-4365-0310-3 DOI 10.15216/978-5-4365-0310-3 Включает 20 лабораторных работ, в которых отражены вопросы, связанные с выделением, изучением свойств и состава белков, ферментов, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и низкомолекулярных биорегуляторов. По сравнению с предыдущим изданием в него вошли две новые лабораторные работы «Медицинские аспекты биоорганической химии» и «Экстрактивные вещества мышц», углубляющие изучение раздела «Низкомолекулярные биорегуляторы». Для студентов, обучающихся по направлению «Химия» и специальности «Фундаментальная и прикладная химия». УДК 577.1 ББК 28.072 Тырков Алексей Георгиевич БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Сертификат соответствия № РОСС RU. AE51. H 16604 от 07.07.2014. Изд. № 9648. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 8,0. ООО «Издательство «КноРус». 117218, г. Москва, ул. Кедрова, д. 14, корп. 2. Тел.: 8-495-741-46-28. E-mail: [email protected] http://www.knorus.ru Издательский дом «Астраханский университет». 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20. Тел./факс 8-8512-54-01-89, тел. 8-8512-54-01-87. E-mail: [email protected] Отпечатано в ООО «Контакт». 107150, г. Москва, проезд Подбельского 4-й, дом 3. ISBN 978-5-4365-0310-3 Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2016 Тырков А.Г., 2016 ООО «Издательство «КноРус», 2016 СОДЕРЖАНИЕ Введение........................................................................................................... 4 Лабораторная работа № 1. Приготовление растворов белка. Качественные реакции белков и аминокислот ............................................... 5 Лабораторная работа № 2. Определение коэффициента распределения аминокислот.......................................................................... 17 Лабораторная работа № 3. Определение изоэлектрической точки казеина.................................................................................................. 20 Лабораторная работа № 4. Количественное определение белка по биурету колометрическим методом............................................... 22 Лабораторная работа № 5. Разделение альбуминов и глобулинов методом диализа и высаливания. Реакции осаждения белков .................... 26 Лабораторная работа № 6. Качественные реакции ферментов ................ 32 Лабораторная работа № 7. Свойства ферментов....................................... 41 Лабораторная работа № 8. Выделение нуклеопротеид из дрожжей и качественное определение продуктов их гидролиза................................. 48 Лабораторная работа № 9. Качественные реакции углеводов ................. 55 Лабораторная работа № 10. Количественное определение восстанавливающих сахаров по Фелингу..................................................... 63 Лабораторная работа № 11. Количественное определение фруктозы реакцией Селиванова .................................................................... 66 Лабораторная работа № 12. Фосфолипиды. Выделение лецитина. Качественные реакции лецитина ................................................. 70 Лабораторная работа № 13. Определение числа омыления, кислотного и йодного числа жиров............................................................... 75 Лабораторная работа № 14. Качественные реакции витаминов .............. 78 Лабораторная работа № 15. Количественное определение витамина С в растительных тканях методом Тильманса............................. 94 Лабораторная работа № 16. Алкалоиды .................................................... 97 Лабораторная работа № 17. Качественное определение афлатоксина M1 в молочных продуктах ..................................................... 104 Лабораторная работа № 18. Количественное определение рубомицина колометрическим методом ..................................................... 107 Лабораторная работа № 19. Медицинские аспекты биоорганической химии............................................................................... 111 Лабораторная работа № 20. Экстрактивные вещества мышц ................ 118 Приготовление специальных реактивов................................................ 124 Библиографический список...................................................................... 126 3 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие «Биоорганическая химия» отражает опыт преподавания дисциплины «Химические основы жизни» студентам очного и очно-заочного отделений направления подготовки «Химия». Включает 20 лабораторных работ, в которых отражены вопросы, связанные с выделением, изучением свойств и состава белков, ферментов, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и низкомолекулярных биорегуляторов. В настоящее учебное пособие вошли две новые лабораторные работы – «Медицинские аспекты биоорганической химии» и «Экстрактивные вещества мышц», углубляющие изучение раздела «Низкомолекулярные биорегуляторы». Пособие построено по единому принципу: к каждой работе дается теоретическое введение, раскрывающее цели и задачи опытов. Там, где это необходимо, приводятся уравнения реакций, схемы или таблицы. Для облегчения приготовления лабораторных работ введен раздел «Приборы и реактивы», в котором отражено общее количество используемых в работе приборов и реагентов в расчете на одного студента. Экспериментальная часть выделена заглавием «Выполнение опытов». Также изложены способы приготовления специальных реактивов, которые используются в лабораторных работах, и нормы их хранения. Помимо студентов вышеназванного направления, может быть рекомендовано студентам, обучающимся по направлению «Фундаментальная и прикладная химия», а также может служить пособием для молодых учителей по проведению факультативных занятий по химии и биологии с учащимися 10–11 классов. Автор глубоко признателен рецензенту – доктору химических наук, профессору Е.В. Шинкарь (Астраханский государственный технический университет) за внимательный и доброжелательный разбор рукописи и ценные указания. Буду также признателен всем, кто выскажет свои замечания и суждения по настоящему учебному пособию. г. Астрахань, 2014 год 4 Лабораторная работа № 1 ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ БЕЛКА. КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ Белковая молекула представляет собой органический биополимер. Она может состоять от 2–3 десятков до нескольких тысяч аминокислотных остатков. Присутствие белка или белковых аминокислот в исследуемом биологическом материале может быть установлено рядом цветных качественных реакций, так как некоторые реагенты с белками и аминокислотами дают окрашенные продукты. Их образование обусловлено присутствием в молекуле белка или аминокислоты определенной химической группировки (пептидная связь, ароматическое кольцо, аминогруппа). Качественные реакции на аминокислоты условно делят на две группы: универсальные и специфические. Универсальные реакции дают все αаминокислоты, а специфические реакции являются характерными только на индивидуальные аминокислоты. С помощью качественных реакций можно установить аминокислотный состав природных белков, белковую природу вещества, дать количественную оценку содержания той или иной аминокислоты в белке. Цель работы: освоить методики приготовления растворов белка из различных биологических объектов. Провести и изучить качественные реакции белков и аминокислот. Приборы и реактивы: яичный белок (1 сырое яйцо); кусочки сырого мяса (10 г); молоко сырое (20 мл); 10 % раствор NaCl (20 мл); нас. водн. раствор (NH4)2S04 (30 мл); конц. раствор глицина (3 мл); 5 % раствор NaNO2 (1 мл); конц. СН3СOOН (1 мл); раствор пролина 0,02 % (1 мл); 1 %. раствор нингидрина в ацетоне (8 мл); сух. Nа2CO3 (1,5 г); нас. раствор пикриновой кислоты (3 мл); 5 % раствор нитропруссида натрия (3 мл); 25 % раствор NH4OH (2 мл); 0,1 % раствор сульфата меди (3 мл); 3 % раствор сульфата меди (5 мл); 10 % раствор NaOH (20 мл); 0,02 % раствор аргинина (2 мл); конц. раствор тирозина (2 мл); реактив Миллона (5 мл); 0,02 % раствор триптофана (3 мл); конц. серная кислота (2 мл); реактив Эрлиха (1 мл); 0,2 % спиртовый раствор α-нафтола 5 (1 мл); раствор гипобромита натрия (1 мл); 40 % раствор мочевины (1 мл); 1 % раствор сульфаниловой кислоты в 5 % растворе HCl (1 мл); 0,5 % раствор NaNO2 (2 мл); 0,01 % раствор гистидина (2 мл); 10 % раствор Nа2CO3 (6 мл); 0,02 % раствор фенилаланина (1 мл); конц. HNO3 (6 мл); 20 % раствор NaOH (6 мл); 0,02 % раствор цистеина (1 мл); 0,02 % раствор метионина (1 мл); 10 % раствор ацетата свинца (1 мл); штатив с 30 пробирками; спиртовка; стаканы на 50 мл (5 шт.); ножницы; ступка с пестиком; речной песок; фильтры марлевые (4 шт.); бумажные фильтры (2 шт.); фильтровальные воронки (3 шт.). Выполнение опытов Опыт 1. Приготовление растворов белка Яичный белок Белок сырого куриного яйца отделяют от желтка и смешивают в стакане при перемешивании с 5–10-кратным объемом дист. H2O, фильтруют через двойной слой марли. Белок мяса Кусочки сырого мяса измельчают ножницами, помещают в фарфоровую ступку и растирают пестиком с речным песком постепенно приливая 20 мл 10 % раствора NaCl. Смесь выдерживают 10–15 минут и фильтруют через двойной слой марли. Белки молока К 20 мл сырого молока добавляют равный объем нас. раствора (NH4)2SO4. При этом выпадают в осадок казеин и глобулины. Раствор с альбуминами фильтруют через бумажный фильтр. Полученные растворы белков используются в дальнейших опытах. 6 КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ БЕЛКОВ Опыт 2. Нингидриновая реакция К 2–3 мл раствора белка, полученного в опыте 1 приливают 1 мл 1 % раствора нингидрина в ацетоне. Содержимое нагревают, развивается сине-фиолетовая окраска. Опыт 3. Ксантопротеиновая реакция К 1 мл раствора белка приливают 0,5 мл конц. HNO3, нагревают до появления желтой окраски. После охлаждения добавляют 2 мл 20 % раствора NaOH, растворы окрашиваются в оранжевый цвет (схема 1). в цепь в цепь NH CH CO в цепь NH CH CO CH 2 в цепь CH 2 + HNO3 O + H 2O N OH OH в цепь NH CH CO O в цепь NaOH CH2 O N + O Na O Схема 1. Ксантопротеиновая реакция Опыт 4. Реакция с пикриновой кислотой К 2 мл раствора белка прибавляют 0,5 г Na2CO3, приливают 1 мл нас. водного раствора пикриновой кислоты, нагревают. Желтая окраска раствора постепенно переходит в красную, вследствие восстановления пикриновой кислоты в пикраминовую кислоту. 7 Опыт 5. Нитропруссидная реакция К 3 мл раствора белка приливают равный объем нас. водного раствора (NH4)2SO4 и 2–3 капли 5 % раствора нитропруссида натрия, смесь подщелачивают несколькими каплями 25 % раствора NH4OH. Если в исследуемом белке присутствует цистеин, то развивается пурпурное окрашивание. Опыт 6. Биуретовая реакция К 2 мл раствора белка добавляют 4 мл 10 % раствора NaOH и несколько капель 0,1 % раствора сульфата меди. На границе раздела слоев появляется розово-фиолетовое кольцо. Опыт 7. Миллонова реакция К 1 мл раствора белка приливают 0,5 мл реактива Миллона (не допускать избыток реактива). Перемешивают, нагревают до появления красного окрашивания. Опыт 8. Реакция Молиша Многие белки в качестве компонентов содержат углеводы. Поэтому такие белки в присутствии конц. серной кислоты и α-нафтола дают характерное фиолетовое окрашивание. К 1 мл раствора белка приливают 1 мл спиртового раствора α-нафтола и осторожно, по стенке, подслаивают 1–2 мл конц. серной кислотой. На границе раздела слоев появляется фиолетовое окрашивание. Сделайте общий вывод для опытов 1–8. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ АМИНОКИСЛОТ Опыт 9. Реакция Ван-Слайка Аминокислоты, содержащие первичную аминогруппу, реагируют с азотистой кислотой с образованием неустойчивого диазосоединения, разлагающегося с выделением свободного азота и образованием оксикислоты. 8 К 1 мл раствора глицина приливают равный объем 5 % раствора NaNO2 и 0,5 мл конц. СH3COOH. Смесь осторожно взбалтывают. Выделяются пузырьки газа (схема 2). HO2CCH2NH2 + O=NOH HO2CCH 2 N=NOH H2 O NaNO2 + HO2CCH2 OH N2 CH3CO2H Схема 2. Реакция Ван-Слайка Опыт 10. Нингидриновая реакция Аминокислоты, реагируя с нингидрином, образуют синефиолетовый комплекс (пурпур Руэманна). Пролин и оксипролин, содержащие замещенные α-аминогруппы, образуют с нингидрином производные, окрашенные в желтый цвет (схема 3). В пробирку приливают 1 мл раствора глицина, в другую – такой же объем раствора пролина. В обе пробирки прибавляют по 0,5 мл 1 % раствора нингидрина в ацетоне. Содержимое пробирок нагревают до появления окраски. В первой пробирке появляется сине-фиолетовое окрашивание, во второй – ярко-желтое. O H2NCHCO2H + O NH3 OH R O CO2 RCOH OH NH3 + O H OH OO H OH N OH O OH пурпур Руэманна O O + O + O O + O + OH O O + + HN N CO2H O Схема 3. Нингидриновая реакция 9 + H 2O + CO2 Опыт 11. Образование комплексов с металлами α-Аминокислоты образуют внутрикомплексные соли с катионами двухвалентных металлов (схема 4). Самыми устойчивыми являются соли меди, образующиеся в результате взаимодействия аминокислот с гидроксидом меди (II). В три пробирки наливают по несколько капель 3 % раствора сульфата меди (II) и в каждую пробирку прибавляют по несколько капель 10 % раствора NaOH до образования осадка. Затем в одну пробирку добавляют 0,5 мл конц. раствора глицина, во вторую 0,5 мл раствора аргинина. Сравните окраску образовавшихся комплексных солей. + NH 3 O + ) CH ( R Cu OH C O + 2 O C CH + R H3N O 2H2O NH2 R O O CH O C Cu C CH O R H2N Схема 4. Комплексы аминокислот с катионами двухвалентных металлов Сделайте общий вывод для опытов 9–11. 10 СПЕЦИФИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ АМИНОКИСЛОТ Опыт 12. Реакция Миллона на тирозин Тирозин образует с реактивом Миллона (раствор ртути в азотной кислоте) ртутную соль динитротирозина (схема 5). К 1 мл конц. раствора тирозина прибавляют 0,5 мл реактива Миллона, перемешивают и нагревают до появления красного окрашивания. OH O + NOO Hg O2N HgNO3 CH 2 CHCO2 H CH 2 CHCO2 H NH 2 NH 2 тирозин ртутная соль динитротирозина Схема 5. Реакция Милона Опыт 13. Реакция Адамкевича на триптофан Реакция триптофана с альдегидами и альдегидокислотами в кислой среде приводит к образованию окрашенных продуктов конденсации. Это качественные реакции на индольное кольцо триптофана (схема 6). К 1 мл раствора триптофана приливают 0,5 мл конц. CH3COOH, перемешивают и осторожно по стенке пробирки, наклонив ее, приливают 1 мл конц. серной кислоты так, чтобы не происходило смешения жидкостей. На границе раздела слоев через некоторое время появляется красно-фиолетовое кольцо. 11 NH2 NH2 CHO CH2CHCO2 + HO2CCHCH2 + CO2H N N H H H 2O NH2 NH2 HO2CCHCH2 CH2CHCO2H CH N N CO2H H H Схема. 6. Реакция Адамкевича Опыт 14. Реакция Эрлиха на триптофан К 1 мл раствора триптофана приливают 0,5 мл раствора пдиметиламинобензальдегида в серной кислоте. Смесь нагревают до фиолетового окрашивания (схема 7). NH 2 CHO CH2CHCO2 + NH 2 + HO2CCHCH2 N N H H CH 3NCH 3 H 2O H2SO4 NH 2 NH2 HO2CCHCH 2 CH2CHCO2H N CH H N H CH 3NCH 3 Схема 7. Реакция Эрлиха 12 Опыт 15. Реакция Сакагучи на аргинин Эта реакция применяется для идентификации гуанидиновой груп-пировки аргинина. Аргинин с нафтолом и гипобромитом натрия образуют продукт конденсации – нафтохинониминовое производное аргинина (схема 8). К 1 мл раствора аргинина прибавляют 3 капли 10 % раствора NaOH, 2 капли спиртового раствора α-нафтола. Хорошо перемешивают и прибавляют 2 капли раствора гипобромита Na, снова перемешивают. Для стабилизации ярко-красного окрашивания прибавляют 0,5 мл 40 % раствора мочевины. OH H 2NCNHCH2CH2CH2 CHCO2H NH NaBrO + H2O , NaBr NH2 OH O NaBrO H2O , NaBr NH2 NHCNHCH2CH2CH 2CHCO2H NH2 NCNHCH 2CH2CH2CHCO2H NH NH Схема 8. Реакция Сакагучи Опыт 16. Реакция Паули на гистидин Гистидин в щелочной среде реагирует с диазобензолсульфокислотой с образованием 2,5-(бис)-азобензолсульфокислоты гистидина (схема 9). К 1 мл 1 % раствора сульфаниловой кислоты в 5 % растворе HCl прибавляют 2 мл 0,5 % раствора NaNO2, сильно встряхивают и сразу же приливают 2 мл раствора гистидина. После перемешивания содержимого пробирки приливают 6 мл 10 % раствора Na2CO3. Развивается интенсивно вишнево-красная окраска. 13 + NH 3 N NaNO2 + N + HCl 2 H 2O , NaCl SO3 SO3 H2 NCHCO2H + N O3 S N + CH 2 N + N + N SO3 N H H 2NCHCO2H N O3 S N N CH 2 N N N SO3 H Схема 9. Реакция Паули Опыт 17. Ксантопротеиновая реакция Эта реакция служит для обнаружения α-аминокислот, содержащих ароматические радикалы. Тирозин, фенилаланин, триптофан при взаимодействии с конц. HNO3 образуют нитропроизводные (схема 10). К 1 мл раствора тирозина приливают 0,5 мл конц. HNO3 и нагревают до появления желтой окраски. После охлаждения добавляют 1–2 мл 20 % раствора NaOH до появления оранжевой окраски. Почему оранжевая окраска не возникает в случае фенилаланина и триптофана? 14 CH 2CHCO2H NH 2 CH 2CHCO2H NH2 HNO3 H2 O NH 2 NaOH NO2 OH CH 2CHCO2H H2 O + NOO Na OH O Схема 10. Ксантопротеиновая реакция Опыт 18. Реакция Фоля на цистеин и цистин При щелочном гидролизе «слабосвязанная сера» в серусодержащих аминокислотах легко отщепляется с образованием сероводорода, который реагирует со щелочью, образуя сульфиды калия или натрия. При добавлении ацетата свинца происходит образование осадка сульфида свинца (схема 11). К 1 мл раствора цистеина приливают 0,5 мл 20 % раствора NaОH. Смесь нагревают до кипения, а затем добавляют 0,5 мл 1,0 % раствора ацетата свинца. Наблюдается выпадение серочерного осадка. HSCH 2CHCO2H + 2 NaOH HOCH 2CHCO2H NH2 Na2S + Pb OH + H 2O ) ( Pb OH + 2 + 2 CH3CO2Na 2 NaOH 2NaOH Na2PbO2 + Na2PbO2 2 H 2O PbS ) 2 + ( ) ( NH 2 серин Pb CH3COO Na2S + + 2 H2 O + 4 NaOH 2 Схема 11. Реакция Фоля Напишите уравнения реакции Фоля с метионином. Сделайте общий вывод для опытов 12–18. После выполнения всех опытов качественные реакции белков и аминокислот обобщить в виде таблицы 1. 15 Таблица 1 № п/п Белок или аминокислота Формула Реагент Наблюдаемое явление Качественные реакции белков 1 2 3 4 5 6 Универсальные реакции аминокислот 1 2 3 Глицин Пролин Аргинин 1 2 3 4 5 Специфические реакции аминокислот Тирозин Аргинин Гистидин Фенилаланин Цистеин 16 Чем вызвана реакция Качественные реакции белков и аминокислот БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Анисимов А. А. Основы биохимии / А. А. Анисимов, А. Н. Леонтьева и др. – М. : Высшая школа, 1986. – 381 с. 2. Румянцев Е. В. Химические основы жизни / Е. В. Румянцев, Е. В. Антина и др. – М. : Химия, КолосС, 2007. – 560 с. 3. Березов Т. Т. Биологическая химия / Т. Т. Березов, В. Ф. Коровкин. – М. : Медицина, 1983. – 750 с. 4. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / под ред. Е. С. Северина, А. Я. Николаева. – М. : Гэотар-Мед, 2001. – 448 с. 5. Комов В. П. Биохимия / В. П. Комов, В. Н. Шведова. – М. : Дрофа, 2004. – 640 с. 6. Мусил Я. Современная биохимия в схемах / Я. Мусил, О. Новакова, К. Кунц. – М. : Мир, 1984. – 216 с. 7. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия / Ю. Я. Овчинников. – М. : Просвещение, 1987. – 815 с. 8. Тырков А. Г. Биоорганическая химия: курс лекций / А. Г. Тырков. – Астрахань : Астраханский ун-т, 2009. – 236 с. 9. Строев Е. А. Биологическая химия / Е. А. Строев. – М. : Высшая школа, 1986. – 479 с. 10. Тырков А. Г. Аминокислоты : метод. рек. / А. Г. Тырков. – Астрахань : Астраханский гос. пед. ин-т, 1991. – 20 с. 11. Тырков А. Г. Биоорганическая химия : программа, методические указания и контрольные задания для специальности «Химия» и «Биология» с дополнительной специальностью «Химия» / А. Г. Тырков, Н. М. Алыков. – Астрахань : Астраханский гос. пед. ин-т, 1992. – 47 с. 12. Тюкавкина Н. А. Биоорганическая химия / Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков. – М. : Медицина, 1991. – 528 с. 13. Тырков А. Г. Химические основы жизни. Химические основы биологических процессов: Методические рекомендации к выполнению курсовой работы / А. Г. Тырков. – Астрахань : Астраханский ун-т, 2011. – 16 с. 14. Тырков А. Г. Витамины: Методические рекомендации / А. Г. Тырков. – Астрахань : Астраханский ун-т, 2011. – 20 с. 15. Тырков А. Г. Биоорганическая химия: сборник задач и упражнений / А. Г. Тырков, Н. А. Щурова. – Астрахань : Астраханский ун-т, 2008. – 199 с. 16. Тырков А. Г. Биоорганическая химия: учебные программы / А. Г. Тырков. – Астрахань : Астраханский ун-т, 2011. – 121 с. 17. Тырков А. Г. Алкалоиды: Методические рекомендации / А. Г. Тырков. – Астрахань : Сорокин Р. В., 2012. – 16 с. 126