Углеводы - Электронная библиотека ПГУ им.С.Торайгырова

Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С.Торайгырова
И.А.Карузина
БИООРГАНИЧЕСКАЯ
И БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Учебное пособие
для студентов биологических специальностей
Павлодар
УДК 543.9
ББК 28.072
К 21
Рекомендовано Ученым советом ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензенты:
Мальков И.В., кандидат химических наук, доцент, заведующий
кафедрой химических технологий ПГУ
Баденов Е.Б., кандидат химических наук, профессор ПаУ, декан факультета дистанционного обучения ПаУ
Г.З.Химич кандидат биологических наук, профессор ПаУ, заведующий кафедрой «Биология» ПаУ
К 21 И.А. Карузина
Биоорганическая и биологическая химия: учебное пособие. Издание
второе переработанное и дополненное. ― Павлодар, 2006 г. – 68 с.
ISBN 9965-410-14-3
Учебное пособие по биоорганической и биологической химии
содержит краткую теоретическую часть по всем разделам курса, описание лабораторных работ, вопросы и задачи к каждому практическому занятию и вопросы для итогового контроля. Для каждой лабораторной работы дан перечень необходимых материалов, реактивов и
оборудования.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности
«Фермерское дело». Оно может быть использовано студентами специальностей «Биотехнология», «Биология», а также учителями химии и биологии школ и лицеев.
УДК 543.9
ББК 28.072
K
ISBN 9965-410-14-3
1903010000
00(05)  05
© Карузина И.А., 2006
© Павлодарский государственный
университет им. С.Торайгырова, 2006
2
1 Введение в химико-биоорганический практикум
1.1 Значение биоорганических и биохимических анализов
практической деятельности работников фермерских хозяйств
Значение органических соединений в жизни человека огромно.
Обмен веществ – основа жизненных процессов - связан с изменениями органических веществ. Основные продукты питания: жиры, белки, углеводы – относятся к органическим веществам. В животных и
растительных организмах непрерывно образуются различные органические соединения. В особенно больших масштабах протекает
синтез органических веществ – фотосинтез углеводов в хлоропластах
под действием солнечного света. В животных организмах в результате обмена веществ постоянно идет синтез органических веществ. Для
грамотного ведения современного сельского хозяйства необходимо
знание основных биохимических процессов, протекающих в организмах растений и животных, умение определять их потребность в
питании, ориентироваться в современных средствах борьбы с вредителями и болезнями. Для этих целей служит обучение студентов основам биоорганической и биологической химии. Умение выполнить
простейшие анализы позволят фермерам в условиях современного
хозяйства определить биологическую ценность некоторых видов
кормов, необходимость тех или иных пищевых добавок в рацион
сельскохозяйственных животных, а для растений определить оптимальные условия их выращивания.
1. 2 Лабораторно-практическое занятие
Тема: Методы очистки органических веществ.
Цель: познакомиться с основными правилами поведения в химической лаборатории, научиться выделять индивидуальные органические вещества из смесей.
Знать:
1) правила техники безопасности при работе в биоорганической и
биохимической лаборатории;
2) методы выделения индивидуальных органических веществ из
смеси.
Уметь:
1) правильно пользоваться химической посудой;
2) собрать простейшие приборы для очистки органических соединений.
3
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Правила техники безопасности в биохимической лаборатории.
2. Оборудование биоорганической и биохимической лаборатории.
3. Мерная посуда и работа с ней.
1.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 1 «Методы очистки органических соединений»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов. Оформить результаты опытов в лабораторном журнале;
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
Лабораторная работа 1 Методы очистки органических соединений
В процессе синтеза и выделения органических соединений
обычно приходится выполнять такие операции, как растворение, кристаллизация, перегонка, экстракция, сушка и т.д. От правильности
выполнения этих работ в большой степени зависит качество получаемых препаратов.
Продукты химической реакции обычно бывают загрязнены
остатками исходных веществ и продуктами побочных реакций. Поэтому их следует очистить. Выбор метода очистки веществ зависит
от физических и химических свойств этих веществ. Перегонка и кристаллизация – наиболее часто применяемые операции при выделении
и очистке органических веществ.
Жидкости очищают путем перегонки. Твердые вещества – кристаллизацией.
.
Опыт 1 Очистка органических веществ перекристаллизацией из раствора
Очистка путем кристаллизации основана на различной растворимости индивидуального вещества и загрязняющих его примесей.
Во время кристаллизации соблюдается следующий порядок операций:
1) приготовление нагретого до кипения насыщенного раствора
вещества в соответственно подобранном растворителе;
2) фильтрование горячего раствора для отделения механических
загрязнений и нерастворимых соединений;
4
3) охлаждение раствора, что вызывает кристаллизацию вещества;
4) отделение кристаллов от маточного раствора;
5) промывание кристаллов и их сушка.
Кристаллизацию повторяют несколько раз до получения вещества с постоянной температурой плавления.
Материалы: бензойная кислота.
Посуда: химический стакан или коническая колба V- 75-100 мл
– 3 шт., колба Бунзена, воронка Бюхнера, водоструйный насос, воронка стеклянная, фильтровальная бумага, песчаная баня.
Ход работы. В стаканчик или колбочку емкостью 75-100 мл
помещают 1 г бензойной кислоты, 50 мл воды и нагревают смесь до
начала кипения. Бензойная кислота полностью растворяется. Горячий
раствор быстро фильтруют через маленький складчатый фильтр и делят на 2 части. Одну часть быстро охлаждают погружением сосуда в
холодную воду. Бензойная кислота выпадает в осадок в виде мелких
кристалликов. Другую часть горячего раствора оставляют медленно
охлаждаться на воздухе. Выделяющаяся бензойная кислота образует
красивые крупные пластинчатые кристаллы.
Полученные кристаллы бензойной кислоты отфильтровывают с
отсасыванием через маленький кружок фильтровальной бумаги на
воронке Бюхнера и, не прекращая отсасывания, отжимают кристаллы
плоской стеклянной пробкой. Затем, прекратив отсасывание, промывают осадок несколькими каплями холодной дистиллированной воды, снова отсасывают, переносят осадок на листок фильтровальной
бумаги и отжимают в ней досуха.
Опыт 2 Очистка органического индивидуального вещества
перегонкой
Перегонка при атмосферном давлении осуществляется в обычных приборах, состоящих из перегонной колбы с отводной трубкой и
термометром, нисходящего холодильника, алонжа, приемника и
нагревателя. Смесь веществ тем труднее разделить перегонкой, чем
ближе друг к другу температуры кипения отдельных компонентов.
Материалы: какое-либо индивидуальное жидкое органическое
вещество с температурой кипения между 80 и 150 С (бензол, толуол,
бутанол), слегка загрязненное окрашенными примесями.
Приборы и посуда: колбочка (пробирка) с отводной трубкой,
термометр, штативы – 2 шт., холодильник, пробирки-приемники – 23 шт, кипятильный камешек, водяная или песчаная баня.
5
Ход работы. Собирают простейший прибор для перегонки.
Колбочку (пробирку) с отводной трубкой закрывают пробкой с термометром. Закрепляют сосуд в держателе штатива выше отводной
трубки и присоединяют к ней более широкую холодильную трубку,
укрепленную в держателе другого штатива. Под нижний конец трубки при перегонке подставляют пробирки – приемники.
Помещают в колбочку (пробирку) с отводной трубкой несколько миллилитров подлежащей перегонке жидкости и кипятильный камешек. Жидкость должна занимать в пробирке не более половины
высоты от дна до отводной трубки, а в колбочке – не более половины
объема ее шарообразной части.
Плотно вставив пробку с термометром и подставив под конец
холодильной трубки первый приемник, начинают осторожно нагревать жидкость в перегонном сосуде. При этом следят за равномерностью кипения, за показаниями термометра и за поступлением отгона
в приемник. Отмечают и записывают температуру, при которой в
приемник падает первая капля отгона. Скорость перегонки должна
составлять примерно одну каплю в 1-2 сек.
Если ртутный столбик термометра после отгонки первой капли
устанавливается на уровне, близком к ожидаемой температуре кипения, то почти весь отгон обычно собирается в первом приемнике ( в
пределах 1-3С). При более значительном количестве летучих примесей в первый приемник собирают все, что отгоняется ниже температуры вещества, а во второй – главную часть отгона, кипящую в узких
пределах.
Контроль усвоенных знаний
1. Для каких целей применяется очистка органических веществ?
2. Как подбирается растворитель для перекристаллизации вещества?
3. В каких случаях используется для выделения индивидуального органического вещества метод перегонки?
4. Какие методы перегонки вы знаете?
5. Перечислите необходимое оборудование для перегонки в вакууме.
6. Чему равна валентность углерода в органических соединениях?
7. Какие вещества называются изомерами?
8. Какие виды изомерии вам известны?
6
2 Углеводороды
2.1 Общие сведения об углеводородах
Углеводороды являются родоначальниками всех остальных
классов органических соединений. В зависимости от строения углеводороды делятся на алифатические и ароматические. На примере
углеводородов изучается явление изомерии, номенклатура, зависимость химических свойств органических соединений от их строения.
В зависимости от строения алифатические углеводороды делятся на предельные и непредельные. В молекулах предельных углеводородов каждый атом углерода затрачивает на соединение с соседним углеродным атомом по одной валентности, образуя простую
(одинарную) σ-связь. Все оставшиеся свободные валентности углерода заполняют (насыщают) атомы водорода. Поэтому предельные
углеводороды содержат максимальное количество атомов водорода.
Отсюда и их название – предельные, или насыщенные, углеводороды.
Непредельные, или ненасыщенные, углеводороды – это углеводороды, в молекуле которых имеются углеводородные атомы, затрачивающие на связь с соседними атомами углерода более одной
валентности – две или три. Непредельные углеводороды называют
ненасыщенными, так как они содержат меньшее число атомов водорода, чем предельные.
Ароматические углеводороды благодаря наличию бензольного
ядра обладают рядом особых свойств, называемых ароматичностью.
Равномерное распределение электронной плотности в молекуле бензола указывает на наличие равноценных между собой связей.
В зависимости от характера разрыва связей в предельных углеводородах различают два основных типа реакций:
1) реакции замещения водорода (с разрывом С-Н-связи);
2) реакции расщепления (с разрывом С-Н или С-С связей).
К реакциям присоединения они не способны.
В отличие от алканов, для алкенов характерны реакции присоединения, окисления, полимеризации. Для алкинов, как и для алкенов, характерны реакции присоединения, окисления, полимеризации.
Кроме того, они дают реакции замещения водорода при тройной связи на металл.
Для ароматических углеводородов преимущественно характерны реакции замещения. Свойства бензола и его гомологов отличаются, что связано с взаимным влиянием электронных оболочек бензольного ядра и боковой цепи в молекулах гомологов. Реакции присоединения в молекулах ароматических углеводородов протекают с
7
большим трудом. Окисление гомологов бензола происходит сравнительно легко, причем окисляется боковая цепь.
2.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: строение и свойства углеводородов.
Цель: Изучить свойства углеводородов различных классов,
сравнить их отношение к галоидам, к окислителям.
Знать:
1) углеводороды, строение углеводородов;
2) отличие различных классов углеводородов друг от друга;
3) понятие изомерии углеводородов;
4) химические свойства углеводородов.
Уметь:
1) собрать простейший прибор для получения углеводородов;
2) провести лабораторную работу, сделать выводы.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие органические соединения называются насыщенными
или предельными?
2. Какой ряд соединений называется гомологическим рядом?
Что такое гомологическая разность?
3. Каково электронное строение молекулы метана?
4. Какие химические соединения называются непредельными?
На какие типы они разделяются?
5. Какое строение имеет молекула этилена?
6. Напишите структурные формуле всех возможных изомеров
пентана и назовите их по международной номенклатуре.
7. Какие органические соединения относятся к ароматическим?
8. Опишите строение молекулы бензола.
9. Какие изомеры существуют у гомологов бензола?
2.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 2 «Предельные и непредельные углеводороды» и лабораторную работу 3 «Ароматические
углеводороды»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов, оформить результаты в лабораторном журнале;
3) подготовится к защите лабораторных работ и решению задач.
8
Лабораторная работа 2 Предельные и непредельные углеводороды
Опыт 1 Образование и свойства метана
Материалы: безводный ацетат натрия, натронная известь,
бромная вода, раствор марганцовокислого калия.
Посуда: пробирка, газоотводная трубка, спиртовка, штатив,
фарфоровая ступка.
Ход работы. Помещают в сухую пробирку несколько граммов
тщательно растертой в ступке смеси из 1 вес.ч. безводного ацетата
натрия и 2 вес.ч. натронной извести. Затем укрепляют пробирку горизонтально и, присоединив газоотводную трубку, нагревают смесь в
пробирке голым пламенем сначала осторожно, затем сильно. Опуская
газоотводную трубку в отдельные пробирки с бромной водой и с раствором марганцовокислого калия, устанавливают, изменяется ли
окраска этих реактивов выделяющимися пузырьками газообразного
углеводорода, т.е. происходит ли бромирование метана и его окисление.
Опыт 2 Образование и свойства этилена
Непредельный характер этилена проявляется в быстроте его
бромирования и окисления.
Материалы: этиловый спирт, концентрированная серная кислота, разбавленная бромная вода, разбавленный раствор марганцовокислого калия.
Ход работы. Этилен получают в таком же приборе, какой использовали для получения метана (см. опыт №1). Помещают в пробирку 1 мл спирта и осторожно, при взбалтывании, приливают к
нему 4 мл концентрированной серной кислоты. В разогревшуюся
смесь бросают кипятильный камешек, присоединяют газоотводную
трубку и начинают медленно и осторожно нагревать пробирку до
начала равномерного выделения газа из реакционной смеси. Реакционная смесь при этом чернеет. С выделяющимся газом проводят те
же операции, что и с метаном.
Лабораторная работа 3 Химические свойства ароматических углеводородов
Опыт 1 Бромирование ароматических углеводородов
Материалы: бензол, толуол, нафталин, раствор брома.
Ход работы. В три сухие пробирки помещают 1 мл бензола,
1мл толуола и 0,5 – 1 г нафталина. В каждую пробирку добавляют по
1 мл раствора брома. После встряхивания делят каждую смесь на две
части, отливая половину ее объема в чистую сухую пробирку. Одну
9
часть каждой смеси с раствором брома оставляют стоять в штативе,
другую часть нагревают до кипения, после чего также ставят пробирку в штатив.
Признаками идущей реакции бромирования является исчезновение окраски брома и выделение дымящего на воздухе бромистого
водорода.
Опыт 2 Окисляемость ароматических углеводородов
Бензол весьма устойчив по отношению к окислителям и практически не реагирует с марганцовокислым калием. Гомологи бензола
окисляются сравнительно легко.
Материалы: бензол, толуол, растворы серной кислоты и марганцовокислого калия.
Ход работы. Опыт одновременно проводят с бензолом и толуолом.
Помещают в две пробирки по 1 мл раствора KМnO4 и по 1 мл
разбавленной серной кислоты. Затем добавляют в одну пробирку несколько капель ( 0,5 мл) бензола, а в другую – такое же количество
толуола. Сильно встряхивают обе пробирки в течение нескольких
минут. Одна из смесей быстро изменяет окраску, что прежде всего
заметно на поверхностях раздела между каплями углеводорода и
водным слоем. Окраска другой смеси в этих условиях не изменяется.
Контроль усвоенных знаний
1. Какие химические реакции характерны для предельных углеводородов?
2. Объясните механизм хлорирования метана.
3. Какое явление называется изомерией и что такое изомеры?
4. Какой объем этилена должен вступить в реакцию с водородом, чтобы получилось 6 г этана?
5. Какие химические реакции характерны для алкенов?
6. Сколько чистого карбида кальция необходимо для получения
4 л ацетилена при нормальных условиях?
7. Какой тип гибридизации электронных облаков атома углерода соответствует σ-связям ?
8. Как можно отличить предельные углеводороды от непредельных?
9. Назовите важнейшие источники предельных углеводородов?
10. В трех стеклянных емкостях находятся газы: этан, этилен и
ацетилен. Как можно экспериментально определить, в какой емкости
10
какой газ находится? Какие для этого необходимы реактивы? Напишите соответствующие уравнения реакций.
11. Какой объем воздуха расходуется при сгорании 1 л этана?
(Содержание кислорода в воздухе считать равным 20%).
12. Какой объем занимают 2 г этилена? 13
13. Какой объем пропана получится при гидрировании 10 м3
пропилена?
14. Назовите важнейшие источники получения ароматических
углеводородов.
15. Какими химическими свойствами обладают ароматические
углеводороды?
16. Что такое «заместители первого рода»?
17. Что следует понимать под «ароматичностью»?
18. Какими химическими свойствами обладают ароматические
углеводороды?
19. В чем существенное отличие действия брома на бензол от
действия его на этилен?
20. Что такое «заместители второго рода»?
21. В двух емкостях находятся жидкие углеводороды: гексен-1
и бензол. Как можно экспериментально отличить эти два углеводорода? Какие для этого потребуются реактивы? Напишите уравнения
реакций.
22. В двух емкостях находятся бензол и толуол. При помощи
какой химической реакции можно отличить эти два углеводорода?
Напишите уравнение реакции.
3 Спирты и фенолы
3.1 Сведения о спиртах и фенолах
В природных продуктах встречаются различные спирты и их
производные в виде эфиров жирных кислот. Некоторые спирты
найдены в свободном состоянии; так, например , гекесен-3-ол-1 так
называемый листовой алкоголь, содержится в зеленых листьях; цетиловый, мирициловый и некоторые другие спирты выделены из воска;
бензиловый спирт содержится в жасминном масле, β-фенилэтиловый
спирт является составной частью розового масла и т.д. Спирты являются продуктами биохимических превращений углеводов в организме. Спирты и фенолы образуют с карбоновыми кислотами важный
класс органических соединений – сложные эфиры, жиры, воски, стероиды. Важным еще не потерявшим промышленного значения ис-
11
точником получения некоторых спиртов (этилового, н-бутилового и
др.) является ферментативное брожение сахаров.
Спиртами называются гидроксилсодержащие соединения с одной или несколькими ОН-группами. Число гидроксильных групп
определяет атомность спирта. Различный характер радикала (первичного, вторичного или третичного) определяет свойства спиртов. Химические превращения спиртов связаны с замещением водорода в
ОН-группе, с замещением гидроксильной группы, с дегидратацией до
алканов, с образованием простых и сложных эфиров.
Фенолами называются производные ароматических углеводородов, у которых один или несколько атомов водорода бензольного
кольца замещены гидроксильными группами. Различают одно-, двухи трех-атомные фенолы. Фенолы обладают слабовыраженными кислотными свойствами, легко вступают в реакцию со щелочами, образуя феноляты. Реагируя с хлорным железом, они образуют комплексные соединения с характерной окраской.
3.2 Лабораторно-практическое занятие
Тема: Химические свойства спиртов и фенолов.
Цель: изучить химические свойства спиртов и фенолов. Овладеть методиками проведения качественных реакций на определение
спиртов и фенолов.
Знать:
1) особенности строения спиртов и фенолов;
2) изомерию и номенклатуру спиртов и фенолов;
3) способы получения спиртов и фенолов;
4) химические свойства спиртов и фенолов.
Уметь:
1) пользоваться химической посудой;
2) провести лабораторную работу, сделать выводы.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие вещества называются спиртами?
2. Укажите способы получения этилового спирта.
3. Напишите химические формулы первичного, вторичного и
третичного спирта. Поясните, чем отличаются эти спирты друг от
друга.
4. Какие вещества называются фенолами?
5. Напишите химические формулы фенола и ароматического
спирта. Поясните, чем отличаются эти вещества друг от друга.
12
3.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 4 « Химические свойства
спиртов и фенолов»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов, оформить результаты в лабораторном журнале;
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
Лабораторная работа 4 Химические свойства спиртов и фенолов
Опыт 1 Окисление спиртов хромовой смесью
Материалы: спирты этиловый и изопропиловый, двухромовокислый калий (5%-ный раствор), серная кислота.
Посуда: пробирки, водяная баня.
Ход работы. Смешивают в двух пробирах по 2 мл раствора
двухромовокислого калия, 1 мл разбавленной серной кислоты и 0,5
мл этилового и изопропилового спиртов. Осторожно нагревают смеси (на водяной бане). Наблюдают изменение окраски раствора и появления характерных запахов уксусного ангидрида и ацетона.
Опыт 2 Образование глицерата меди
Материалы: глицерин, 2%-ный раствор сульфата меди, 10 %ный раствор едкого натра.
Ход работы. В пробирку наливают около 0,5 мл 10%-ного раствора едкого натра, 3-4 капли 2 %-ного раствора сульфата меди. Образуется творожистый осадок голубого цвета. После этого к содержимому прибавляют 3-4 капли глицерина и взбалтывают. Происходит растворение осадка с образованием глицерата меди темно-синего
цвета.
Опыт 3 Растворимость и кислотный характер фенолов
Материалы: различные фенолы – фенол, пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол, - и - нафтолы, лакмусовая бумага,
пробирки, водяная баня.
Ход работы. Опыт одновременно проводят с несколькими различными фенолами. В пробирки помещают 0,3-0,5 г исследуемого
фенола, добавляют 4-5 мл воды и встряхивают. Если растворение не
достигнуто, нагревают смесь до кипения, затем охлаждают, отмечая
наблюдаемые изменения. Испытывают реакцию полученных раство-
13
ров на лакмус, помещая каплю каждого из них на синюю лакмусовую
бумажку.
Водные растворы фенолов используются для последующих
опытов.
Опыт 4 Образование и разложение фенолятов
Материалы: фенол (кристаллический), - и нафтолы, разбавленные растворы щелочи и серной кислоты.
Ход работы. Опыт одновременно проводят с фенолом и
нафтолом. К 0,3-0,5 г исследуемого вещества добавляют 1 мл воды, а
затем разбавленный раствор щелочи до полного растворения. Полученные прозрачные растворы при подкислении разбавленной серной
кислотой мутнеют и выделяют в осадок исходное вещество.
Опыт 5 Цветные реакции многоатомных фенолов.
Материалы: растворы фенолов из опыта № 3, 1%-ный раствор хлорного железа.
Ход работы. В четыре пробирки раздельно вносят по 5-6 капель 1%-ных растворов пирокатехина, резорцина, гидрохинона и пирогаллола, Затем в каждую пробирку добавляют по 1 капле 1%-ного
раствора хлорного железа. Жидкости в пробирках приобретают различную окраску. Пирокатехин с хлорным железом дает зеленое
окрашивание, резорцин – фиолетовое, гидрохинон- грязнозеленоватое, быстро переходящее в желтое, пирогаллол – бурокрасное.
Контроль усвоенных знаний
1. Какие соединения называются ароматическими спиртами,
фенолами?
2. Чем отличаются ароматические спирты от фенолов?
3. Определите выход фенолята калия в процентах от теоретического, если при взаимодействии 376 г фенола с едким кали было получено 396 г фенолята калия.
4. Какие качественные реакции многоатомных спиртов вы знаете?
5. В двух склянках находятся растворы ароматического спирта
и фенола. Предложите качественную реакцию для отличия этих двух
соединений.
6. В трех склянках находятся первичный, вторичный и третичный спирты. Предложите качественные реакции для отличия этих соединений.
14
7. В двух склянках находятся одноатомный и двухатомный
спирты. Предложите качественную реакцию для отличия этих спиртов.
8. Сколько граммов брома требуется для получения 231,7 г
трибромфенола?
9. Осуществите следующие превращения:
СН4 → С2Н6 → С3Н8 → С3Н6 → С3Н6Вr2 → С3Н6(ОН)2
10. Какой объем этилена требуется для получения 100 кг этилового спирта?
11. Какой объем водорода выделится при взаимодействии 0,42
моля метилового спирта с металлическим натрием?
12. Сколько граммов металлического натрия и этилового спирта потребуется для получения 600 мл водорода?
4 Альдегиды и кетоны
4.1 Сведения об альдегидах и кетонах
Многие органические вещества, образующиеся в ходе жизнедеятельности живых организмов обладают смешанными функциями.
Наиболее известными из них следует считать углеводороды. В их состав входят альдегидная и кетонная группы, которые и определяют
их химические и биологические свойства. Альдегиды и кетоны входят в состав метаболитов обмена веществ в организме.
Альдегиды можно рассматривать как производные углеводородов, в которых водород замещен на функциональную карбонильную группу -С=О. Атом углерода карбонильной группы обязательно
связан хотя бы с одним атомом водорода. В альдегидах имеется
кратная связь С=О, образованная одной σ- и одной π-связью. Таким
образом, между двойной связью алкенов С=С и карбонильной группой >С=О есть общее, однако имеется и существенное различие, связанное с сильной поляризацией группы >С=О. В отличие от этилена
в альдегидах двойной связью связан углерод и более электроотрицательный кислород. Поэтому электронная плотность смещена в сторону кислорода – поляризованная двойная связь. Поляризация связи
>С=О значительно сильнее, чем в спиртах >С-С-, так как в образовании связи >С=О участвуют электроны π-связи, обладающие повышенной подвижностью.
Альдегиды получают при неполном окислении первичных
спиртов. Простейшими представителями альдегидов являются муравьиный (формальдегид) и уксусный альдегиды.
15
Кетоны – производные углеводородов, содержащие карбонильную группу и два радикала (одинаковых или разных) жирного или
циклического ряда. Электронное строение кетонов принципиально не
отличается от строения альдегидов. Группа >С=О сильно поляризована и положительным концом диполя является карбонильный углерод, а отрицательным – кислород. Кетоны получают при неполном
окислении вторичных спиртов. Простейший представитель класса
кетонов – ацетон.
Наличие карбонильной группы определяет высокую реакционную способность альдегидов. Основными типами химических реакций альдегидов являются: 1) окисление, 2) присоединение по карбонильной группе, 3) замещение ( по карбонильной группе и по радикалу в предельных альдегидах), 4) конденсация и полимеризация.
Реакции окисления: окисление альдегидов протекает очень легко (даже под действием кислорода воздуха) с образованием кислот.
Некоторые реакции окисления могут служить качественными реакциями на альдегиды – реакция серебряного зеркала, реакция с гидроксидом меди.
Реакции присоединения к альдегидам протекают легко. Присоединение водорода (реакция восстановления) с образованием первичных спиртов, присоединение синильной кислоты, взаимодействие
со спиртами приводит к образованию полуацеталей и ацеталей.
Реакции замещения кислорода карбонильной группы, реакции
замещения в углеводородных радикалах на галоген.
Реакции полимеризации и конденсации:
а) линейная полимеризация СН2=О + СН2=О + …→
…-СН2-О-СН2-О-СН2-О-…
или nCH2=O → (-CH2-O-)n ;
б) циклическая полимеризация: при конденсации альдегидов образуются более сложные соединения в результате возникновения новых
связей между атомами углерода.
Для кетонов, так же как для альдегидов, характерны реакции
окисления, присоединения, замещения, полимеризации и конденсации.
Окисление: кетоны не окисляются слабыми окислителями, не
образуют серебряного зеркала, не окисляются гидроксидом меди.
При окислении их сильными окислителями, например КМnО4 с
Н2SО4, происходит разрыв углеродной цепи рядом с карбонильной
группой. В зависимости от места разрыва получаются разные кислоты, каждая из которых имеет меньшее, чем у кетонов, число атомов в
молекуле.
16
Реакции присоединения: при восстановлении кетоны в отличие
от альдегидов образуют вторичные спирты. Присоединение синильной кислоты, как и у альдегидов, приводит к образованию оксинитрилов R-CH(CN)-OH.
Реакции замещения: для кетонов характерны те же реакции замещения, что и для альдегидов: замещение карбонильной группы и
водорода радикала на галоген.
Реакции конденсации и полимеризации кетонов идут в более
жестких условиях, чем у альдегидов.
4.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Химические свойства альдегидов и кетонов.
Цель: ознакомиться с качественными реакциями карбонильной группы.
Знать:
1) физические и химические свойства альдегидов и кетонов;
2) качественные реакции на карбонильную группу альдегидов.
Уметь:
1) пользоваться химической посудой;
2) провести лабораторную работу, сделать выводы.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие соединения называются оксосоединениями?
2. Чем отличаются альдегиды от кетонов?
3. Напишите уравнения реакций окисления уксусного альдегида, ацетона.
4. Какие качественные реакции характерны для альдегидов?
Напишите уравнения реакций.
5. Составьте сводную таблицу гомологических рядов простейших пяти представителей альдегидов и дайте им названия – тривиальные и по номенклатуре ИЮПАК.
4.3Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 5 «Химические свойства
альдегидов»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов, оформить результаты опытов в лабораторном журнале;
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
17
Лабораторная работа 5 Химические свойства альдегидов
Опыт 1 Восстановление альдегидами соединений двухвалентной меди (реакция Троммера)
Материалы: водные растворы формальдегида, щелочи, сульфата меди.
Ход работы. К 1 мл раствора формальдегида добавляют половинный объем разбавленного раствора щелочи и затем по каплям
раствор сульфата меди до образования осадка. Полученную смесь
нагревают до начала кипения, причем осадок изменяет свою окраску.
R-COH + O  R-COOH
Cu(OH)2 
CuO  Cu2O  Cu
CuOH  Cu
Опыт 2 Восстановление альдегидами соединений серебра
Материалы: водные растворы формальдегида, аммиака, нитрата серебра.
Ход работы. Предварительно приготавливают аммиачный раствор оксида серебра, добавляя к 2-3 мл раствора нитрата серебра разбавленный водный аммиак по каплям до растворения первоначально
образовавшегося осадка.
В 2 пробирки наливают по 1 мл раствора формалина и добавляют по 1мл свежеприготовленного аммиачного раствора оксида серебра. В одну из пробирок добавляют еще 2-3 капли разбавленного
раствора щелочи. Встряхнув пробирки, ставят их в штатив. Отмечают, в какой пробирке изменения наблюдаются раньше. Если серебро
не выделяется, то нагревают пробирки в течение нескольких минут
на водяной бане до 50-60С.
Контроль усвоенных знаний
1. Приведите примеры двух представителей класса альдегидов
и кетонов. Дайте им названия.
2. Напишите уравнения реакций получения уксусного и масляного альдегидов.
3. Напишите уравнения реакций замещения водорода радикала
на бром в следующих соединениях: пропанале, пропаноне.
4. Напишите уравнения реакций окисления масляного альдегида и диэтилкетона.
18
5. Вычислите молекулярную массу вещества, образующегося
присоединением 11,2 л водорода к 15 г формальдегида. К какому
классу соединений оно относится и какими свойствами обладает?
6. С помощью каких качественных реакций можно обнаружить
в органических соединениях следующие функциональные группы:
гидроксильную, альдегидную, кетонную?
7. Какой объем вторичного пропилового спирта (р=0,80 г/см3)
получится при взаимодействии 5,8 г ацетона с 11,2 л водорода?
8. Для получения 1 т 99%-ного уксусного альдегида затрачивают до 1,5 т 87%-ного технического этилового спирта. Рассчитайте
процент выхода альдегида.
9. При восстановлении оксида серебра уксусным альдегидом
образовалось 10,8 г серебра. Сколько граммов альдегида окислилось
при этом?
5 Карбоновые кислоты и оксикислоты жирного ряда
5.1 Общие сведения о карбоновых кислотах
Карбоновые кислоты, особенно алифатические, распространены в природе в свободном виде или в виде производных. Они входят
в состав жиров, эфирных масел, находятся в мускульной жидкости,
выделениях животных, крови, плодах растений и т.д.
Для многих кислот главным способом получения служит выделение из природных продуктов (высшие жирные кислоты, лимонная
кислота и пр.), Многие из них получают сбраживанием сахаристых
веществ с помощью бактерий (маслянокислое, молочнокислое, уксуснокислое брожение и др.).
Карбоновым кислотам присуща полярная функциональная
группа –СООН. -Связь карбонильной группы сопряжена со свободной парой электронов гидроксила. Способность служить донором
протонов проявляется кислотами в образовании солей. Натриевые и
калиевые соли высших карбоновых кислот являются мылами. Карбоновые кислоты, по сравнению с другими кислородсодержащими соединениями, более активные вещества. Наличие водородных связей
оказывает сильное влияние на растворимость карбоновых кислот. В
карбоксиле главную роль играет гидроксильная группа: она может в
реакциях либо диссоциировать по типу неорганических кислот, либо
целиком замещаться на другую группу. Все химические реакции карбоновых кислот могут протекать с участием карбоксильной группы
или радикала. Карбоновые кислоты образуют производные: сложные
19
эфиры, ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот, амиды,
нитрилы.
По строению радикала карбоновые кислоты могут быть предельными, непредельными, ароматическими. По числу карбоксильных групп в молекуле – одноосновными и многоосновными. При
наличии нескольких типов функциональных групп – оксикислота
(спиртокислота), кетокислота, альдокислота и т.д.
Степень диссоциации карбоновых кислот различна. По сравнению с неорганическими карбоновые кислоты являются слабыми кислотами. Самой сильной кислотой является муравьиная, в которой
карбоксил не связан с радикалом. Органические кислоты подобно неорганическим дают характерные реакции на индикаторы.
При взаимодействии с активными металлами, оксидами металлов, основаниями водород карбоксильной группы кислоты замещается на металл и образуются соли. Реакции образования солей органических кислот имеют ионный характер.
При замещении гидроксила карбоксильной группы кислот галогеном образуются производные кислот – галогенангидриды.
При отнятии воды от двух молекул кислоты в присутствии в
присутствии катализатора образуются ангидриды кислот.
При непосредственном взаимодействии карбоновой кислоты и
спирта в присутствии небольшого количества серной кислоты образуются сложные эфиры.
Образование амидов кислот. Они образуются при замене гидроксильной группы карбоксила аминогруппой.
При наличии других функциональных групп в молекуле карбоновой кислоты, проявляются химические свойства, характерные для
соединений, имеющих эти группы.
5.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Карбоновые кислоты и оксикислоты жирного ряда.
Цель: изучить химические свойства карбоновых кислот.
Знать:
1) способы получения карбоновых кислот;
2) химические свойства карбоновых кислот;
3) изомерию и номенклатуру карбоновых кислот.
Уметь:
1) пользоваться химической посудой;
2) провести лабораторную работу;
3) сделать выводы на основании проведенных опытов;
4) оформить полученные результаты в лабораторном журнале.
20
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие соединения называются карбоновыми кислотами?
2. Какие соединения называются оксикислотами?
3. Каково строение карбоксильной группы?
4. Каковы особенности строения и свойств муравьиной кислоты?
5. Что называется реакцией этерификации?
5.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1)проделать лабораторную работу 6 «Химические свойства
карбоновых кислот и оксикислот»;
2) сделать выводы по результатам опытов;
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
Лабораторная работа 6 Химические свойства карбоновых
кислот и оксикислот
Опыт 1 Растворимость в воде различных кислот и их солей
Одноосновные карбоновые кислоты, содержащие в молекуле
менее шести атомов углерода, обычно хорошо растворимы в воде. С
увеличением числа атомов углерода в молекуле кислоты ее растворимость снижается.
С увеличением числа гидрофильных групп - карбоксильных,
гидроксильных – в молекуле кислоты растворимость кислот в воде
обычно возрастает.
Органические кислоты обычно хорошо растворяются в едких
щелочах, образуя соли.
Материалы:
различные органические кислоты (уксусная,
стеариновая, щавелевая, янтарная молочная, винная, лимонная),
разбавленный раствор щелочи.
Ход работы. Несколько капель или кристалликов (0,05-0,1 г)
каждой из исследуемых кислот взбалтывают с 1-2 мл воды в пробирке, сначала на холоду, затем, если кислота не растворяется, при
нагревании. Для всех параллельных проб следует брать примерно
одинаковые количества кислоты и воды.
Охладив нагревавшиеся смеси, отмечают, выделяются ли снова
кристаллы кислоты, растворившейся лишь при нагревании. Пробы,
содержащие осадок малорастворимой кислоты, взбалтывают, затем
отливают в другие пробирки часть суспензии и добавляют по 2-3
капли разбавленного раствора щелочи. При встряхивании кристаллы
кислот растворяются.
21
Опыт 2 Вытеснение кислот из их солей другими кислотами
Слабые кислоты вытесняются из своих солей более сильными
кислотами.
Материалы: разбавленные растворы уксусной и серной кислот, насыщенный раствор щавелевой кислоты, ацетат и бикарбонат
натрия в порошке, сукцинат натрия – концентрированный раствор.
Ход работы. К небольшому количеству каждой из солей уксусной, угольной и янтарной кислот добавляют по нескольку капель
раствора исследуемой органической кислоты, а также для сравнения
– разбавленной серной кислоты. Вытеснение угольной кислоты обнаруживается по выделению диоксида углерода, уксусной – по запаху
при кипячении смеси, а вытеснение янтарной кислоты - по образованию мути или осадка (сразу или при стоянии в течение 5-10 мин).
Опыт 3 Различие в окисляемости органических кислот
Одноосновные предельные кислоты нормального строения, за
исключением муравьиной кислоты, устойчивы по отношению к
окислителям. Щавелевая кислота, легко переходящая в муравьиную с
отщеплением углекислого газа, также легко окисляется перманганатом калия в кислой среде.
С увеличением числа гидроксильных групп в молекуле кислоты способность кислоты к окислению резко повышается.
Материалы: различные органические кислоты (муравьиная,
уксусная, щавелевая, винная, фумаровая), разбавленный раствор серной кислоты, КMnO4
Ход работы. Приготовляют водные растворы исследуемых органических кислот, смешивая 0,05-0,1 г кислоты и 1-2 мл воды (см.
опыт 1). К каждому из полученных растворов добавляют по 1 мл разбавленной серной кислоты и раствор перманганата калия по каплям.
Различие в ходе окисления отчетливо обнаруживается по изменению
окраски раствора сразу же или при стоянии в течение нескольких
минут.
Опыт 4 Реакция оксикислот с хлорным железом
При добавлении хлорного железа к растворам некоторых карбоновых кислот (в частности, уксусной) образуются окрашенные
коллоидные растворы или осадки основных солей. Эти осадки, образующиеся в результате гидролиза соответствующих солей железа,
быстрее и полнее выделяются при кипячении смеси после предварительной нейтрализации кислоты щелочью. Более характерна эта ре-
22
акция для  - оксикислот, дающих с хлорным железом интенсивное
ярко-желтое окрашивание без предварительной нейтрализации в результате образования более стойких комплексных солей железа.
Перед опытом добавляют к раствору хлорного железа несколько капель насыщенного водного раствора фенола до появления фиолетовой окраски. Исходный раствор хлорного железа имеет коричневато-желтый цвет, поэтому для большей четкости перехода окраски
применяют фиолетовый раствор фенолята железа.
Материалы: растворы различных органических кислот (уксусной, щавелевой, лимонной, винной, молочной), кислая сыворотка
от простокваши или творога, растворы фенола и хлорного железа.
Ход работы. Опыт проводят с разбавленными водными растворами кислот (см. опыт 1). К 1-2 мл раствора каждой из исследуемых кислот, а также к сыворотке из молочных продуктов добавляют
по 2-3 капли раствора хлорного железа, содержащего фенол. В растворах оксикислот и в сыворотке появляется ярко-желтая окраска,
иногда с зеленоватым оттенком.
Кислая молочная сыворотка дает реакцию с хлорным железом,
так как она содержит свободную молочную кислоту.
Контроль усвоенных знаний
1. С помощью какой качественной реакции можно обнаружить
в органическом соединении карбоксильную группу?
2. Как исходя из бутана получить масляную кислоту? Напишите уравнения реакций.
3. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения :
С2Н6 → С2Н5Сl → С2Н5ОН → СН3СНО → СН3СООН
4. Как зависит растворимость карбоновых кислот от количества
атомов углерода в их молекуле?
5. Как отличить оксикислоту от монокарбоновой кислоты?
6. Сколько граммов магния и 8 %-ного раствора уксусной кислоты потребуется для получения 5 л водорода?
7. Столовый уксус представляет собой 3%-ный раствор уксусной кислоты. Сколько необходимо 80%-ной уксусной кислоты для
приготовления 2 кг уксуса?
8. Сброженные фруктовые соки и солодовое сусло содержат до
10% этилового спирта, который при 25-35°С в процессе брожения
переходит в уксусную кислоту. Рассчитайте количество спирта, содержащегося в 500 кг данного раствора, и уксусной кислоты, полученной в процессе биохимического окисления.
23
6 Аминокислоты. Белки
6.1 Общие сведения об аминокислотах и белках
Аминокислоты занимают центральное место в азотистом обмене живых организмов. Они служат источником образования необходимых для жизнедеятельности веществ – белков, пептидов, ферментов, гормонов и др., а также конечных продуктов азотистого обмена – аммиака, мочевины и др. Многие аминокислоты находят
применение в медицине. Метионин используется при лечении ожогов, малокровия, болезней печени, а также для подкормки сельскохозяйственных животных, так как влияет на их рост.
В живых организмах белки выполняют пластические, энергетические функции, а также обусловливают определенную, свойственную данному виду организмов , направленность обмена веществ. С белками связаны важнейшие функции и специфические
черты живых образований – рост, проявление наследственности,
движение (мышечное сокращение), деятельность органов чувств,
природа заболеваний, явления иммунитета и многое другое.
Белки являются необходимыми составными частями продуктов
питания, отсутствие или недостаточное количество их в пище вызывает серьезные заболевания. Пищевая ценность белков зависит от их
аминокислотного состава, от содержания в них так называемых незаменимых аминокислот.
Все вышеперечисленное позволяет считать данную тему основой для изучения всех последующих тем.
Аминокислоты - соединения со смешанными функциями, содержат более одной функциональной группы. Двадцать аминокислот
играют важную жизненную роль. Различия в аминокислотах определяются структурой радикала, положением и числом групп NH2 и
COOH.
Аминокислоты – амфотерные вещества, существующие в виде
катионов и анионов, что объясняется наличием кислотной (СООН) и
основной (NH2) группой в одной и той же молекуле. Аминокислоты
проявляют характерные реакции функциональных групп, составляющих их структуру. Карбоксильная группа и аминогруппа аминокислот легко образуют соли, по кислотной группе образуют сложные
эфиры. Аминокислоты способны к поликонденсации, в результате
которой получаются полиамиды. Полиамиды, полученные из аминокислот , называют пептидами (полипептидами). Амидная связь
СОNН в таких полимерах называется пептидной.
24
Белки представляют группу высокомолекулярных органических соединений, содержащих азот. При гидролизе они распадаются
через ряд промежуточных продуктов до аминокислот. Белки построены из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной
связью.
6.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Выделение белков из природных материалов и определение их химических свойств.
Цель: научиться выделять белки из различных легко доступных природных продуктов.
Знать:
1) аминокислоты, пептиды, белки; строение, номенклатура;
2) химические свойства аминокислот, белков;
3) влияние строения белка на его физические и химические
свойства.
Уметь:
1) пользоваться химической посудой;
2) выделять белки из природных продуктов;
3) провести лабораторную работу, сделать выводы;
4) использовать знания материала данной темы для решения
практических задач.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Что такое белки?
2. Что такое денатурация белков, какие факторы ее вызывают?
3. Чем денатурация отличается от гидролиза белков?
4. Какие структуры белков вы знаете? Чем отличается полипептид от белка?
5. Укажите значение аминокислот и их основные свойства.
6. В чем принцип строения белков? Их биологическое значение.
7. Приведите классификацию белков по составу и строению.
8. В чем состоит отличие понятий «аминокислотный состав
белка» и «первичная структура белка»?
6.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторные работы 7 «Выделение белков из
природных материалов» и 8 «Химические свойства белков»;
2) сделать выводы по результатам опытов;
25
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
Лабораторная работа 7 Выделение белков из природных
материалов
Материалы: природные продукты – куриное яйцо, мясо, соевое мясо, натуральное и сухое молоко, 15%-ный раствор хлорида аммония, концентрированная уксусная кислота, 30%-ный раствор щелочи.
Посуда: воронки, конические колбочки V=150 мл, фарфоровая
ступка, стаканы V=100 мл.
Ход работы. А. Выделение яичного белка. Белок одного куриного яйца смешивают в колбочке при сильном встряхивании с 100120 мл дистиллированной воды. Смесь фильтруют через смоченный
водой кусок полотна, свободно уложенный в воронку в виде мешочка. Края куска материи должны лежать складками на краях воронки,
а не свешиваться наружу.
Довольно быстро отфильтровывается слегка опалесцирующий
раствор яичного альбумина с небольшой примесью глобулина. На
полотне остается главная часть яичного глобулина, а также сгустки и
пленки.
Раствор альбумина используют для опытов.
Б. Белки мяса. 1. К 25 г свежего мяса, пропущенного через мясорубку и помещенного в стакан, добавляют 50 мл воды. Смесь
оставляют стоять 20-30 мин, часто перемешивая ее палочкой, после
чего переносят ее в воронку на складчатый бумажный фильтр. Быстро отфильтровывается раствор альбумина с примесью глобулина,
окрашенный пигментами крови в красный цвет, что не мешает использованию его для опытов.
2. Оставшееся на фильтре мясо промывают 2-3 раза водой и
хорошо отжимают, промывные воды отбрасывают. Побелевшие мышечные волокна переносят в стакан и заливают 15%-ным раствором
хлорида аммония (60-70 мл). Смесь оставляют на 30-40 мин, часто
перемешивая ее палочкой, а затем переносят в воронку на сухой
складчатый фильтр, фильтрование происходит медленно.
В. Белки молока. 1. К 50 мл натурального молока добавляют
равный объем воды и затем по каплям при помешивании 0,2-0,5 мл
концентрированной уксусной кислоты до образования хлопьев. Через
5-10 мин смесь фильтруют через полотно. Фильтрование идет быстро.
26
2. Остаток на фильтре, имеющий консистенцию жидкой сметаны, состоит главным образом из казеина. Для получения раствора казеина к этому остатку (или к 5-6 г продажного творога, растертого в
ступке с 10-15 мл воды) добавляют 1мл 30%-ного раствора щелочи.
Щелочную смесь слегка растирают в ступке, приливая воду до общего объема 25-30 мл, и фильтруют через складчатый бумажный
фильтр, предварительно хорошо смоченный водой.
Г. Растительный альбумин. 15 г сухого соевого мяса растирают
в ступке, переносят в стакан, смешивают с 50 мл воды и оставляют
смесь на 30-40 мин при частом встряхивании, после чего переносят
ее в воронку на большой складчатый фильтр. Довольно быстро получают 25-30 мл прозрачного раствора, содержащего растительный
альбумин.
Д. Белок из сухого молока выделяют аналогично белку из соевого мяса.
Лабораторная работа 8 Химические свойства белков
Опыт 1 Отношение белков к кислотам и щелочам
Материалы: белки (растворы), концентрированная уксусная
кислота, 15%-ный раствор сернокислого аммония, разбавленный
раствор щелочи.
Ход работы. К 2-3 мл раствора белка добавляют по каплям,
при встряхивании, концентрированную уксусную кислоту. Во всех
растворах наблюдается выпадение белка в осадок в виде мути или
хлопьев. При дальнейшем добавлении кислоты осадок белка снова
растворяется.
Полученный кислый раствор делят на две части. Одну из них
нагревают до кипения. В отличие от исходного раствора свертывания
белка не наблюдается. При добавлении к горячей кислой жидкости 12 капель раствора сернокислого аммония наблюдается свертывание.
К другой части кислого раствора белка осторожно добавляют
по каплям, при встряхивании, разбавленный раствор щелочи. При
постепенной нейтрализации избытка кислоты образуется осадок белка, снова растворяющийся в избытке щелочи. Добавив 1-2 мл раствора щелочи, нагревают полученную щелочную жидкость до кипения.
При этом белок не свертывается.
Если раствор белка не слишком разбавлен, то при кипячении с
избытком щелочи обнаруживается отщепление аммиака и сероводорода.
27
Опыт 2 Осаждение белков солями тяжелых металлов
Соли тяжелых металлов уже в очень малых концентрациях
осаждают белки, образуя с ними нерастворимые в воде солеобразные
соединения. Поэтому белки являются противоядием при отравлениях
солями многих тяжелых металлов.
Материалы: белки (растворы), насыщенный водный раствор
сернокислой меди, 20%-ный водный раствор уксуснокислого свинца.
Ход работы. Поместив в две пробирки по 1-1,5 мл исследуемого раствора белка, добавляют в одну из них раствор сернокислой меди, а в другую – раствор уксуснокислого свинца. Добавление реактива в обоих случаях производят медленно, по каплям, при встряхивании. Первоначально образуется хлопьевидный осадок или раствор
мутнеет вследствие выделения малорастворимого соединения белка с
солью меди (голубого цвета) или с солью свинца (белого цвета). При
дальнейшем добавлении реактива осадок снова растворяется.
Опыт 3 Биуретовая реакция белков
Биуретовая реакция обнаруживает наличие в молекуле белка
пептидных группировок –СО-NH-. Продукты распада белка – полипептиды также дают биуретовую реакцию, причем цвет образующихся медных комплексов определяется числом аминокислот, связанных пептидной связью. Дипептиды дают синюю окраску, трипептиды – фиолетовую, а тетрапептиды и более сложные пептиды –
красную.
Материалы: белки (растворы), концентрированный раствор
щелочи, раствор сернокислой меди.
Ход работы. А. К 1-2 мл раствора белка добавляют равный
объем концентрированного раствора щелочи и затем каплю (не
больше!) раствора сернокислой меди. Жидкость окрашивается в ярко-фиолетовый цвет, который заметен даже в окрашенной водной
вытяжке из мяса.
Б. При малом содержании белка и недостаточной яркости и отчетливости получаемой окраски снова смешивают в чистой пробирке
растворы белка и щелочи, наклоняют пробирку и осторожно приливают по ее стенке из пипетки 0,5-1 мл раствора сернокислой меди
так, чтобы он образовал в пробирке верхний слой, не смешиваясь с
остальной жидкостью. В этом случае на границе слоев появляется
очень отчетливое фиолетовое прозрачное кольцо.
28
Опыт 4 Ксантопротеиновая реакция белков
Ксантопротеиновая реакция обнаруживает наличие в белке
одиночных или конденсированных ароматических ядер, т.е. остатки
таких аминокислот, как фенилаланин, тирозин, триптофан. Желтое
окрашивание появляется в результате нитрования этих ядер азотной
кислотой и образования полинитросоединений. Переход в щелочной
среде желтой окраски подобных веществ в оранжевую обусловлен
образованием более интенсивно окрашенных анионов.
Материалы: белки (растворы), концентрированная азотная
кислота, концентрированный раствор щелочи.
Ход работы. К 1 мл раствора белка добавляют 0,2-0,3 мл концентрированной азотной кислоты, появляется белый осадок или раствор мутнеет. Затем нагревают смесь на горелке до кипения и поддерживают его в течение 1-2 мин. При этом раствор и осадок окрашиваются в ярко-желтый цвет. При кипячении выделившийся осадок
может полностью или частично раствориться в результате гидролиза,
но характерная желтая окраска раствора сохраняется. Охладив смесь,
осторожно по каплям добавляют к кислой жидкости избыток (1-2 мл)
концентрированного раствора щелочи. Выпадает осадок кислотного
альбумината, образующий с избытком щелочи ярко-оранжевый раствор.
Контроль усвоенных знаний
1. Назовите цветные реакции белков.
2. Что понимают под вторичной структурой белка?
3. Что понимают под третичной структурой белка?
4. Какие типы взаимодействия поддерживают третичную
структуру белка?
5. Как связаны между собой остатки аминокислот в молекуле
белка?
6. Какие органические соединения называются аминокислотами?
7. Какие химические свойства характерны для аминокислот?
8. На примере аспарагиновой кислоты покажите амфотерность
аминокислот.
9. Какие аминокислоты называют незаменимыми?
10. Что называется четвертичной структурой белка?
11. Что называется изоэлектрической точкой аминокислоты
(белка)?
12. С чем связано резкое изменение свойств некоторых белков
при их нагревании?
29
7 Ферменты
7.1 Общие сведения о ферментах
Ферменты – катализаторы биологического происхождения, вещества, ускоряющие химические реакции, необходимые для жизнедеятельности организмов. Практически все биохимические реакции,
происходящие в живых организмах (от простейших одноклеточных
до высших растений и животных) являются каталитическими, то есть
ускоряются ферментами. Ферменты обеспечивают реализацию
наследственной информации, синтез и распад биологических молекул, биоэнергетику клетки и т.д. Действие многих лекарственных
препаратов основано на их взаимодействии с ферментами. Проблемы
роста и развития организмов, физиологических функций определяются работой ферментов. Все сказанное позволяет считать данную
тему важной для изучения последующих материалов дисциплины.
Простые ферменты состоят только из аминокислот, а сложные
– из двух частей: белковой (апофермент) и небелковой (кофактор).
Если кофактор прочно связан с апоферментом, то он называется простетической группой, а если непрочно – коферментом.
В отличие от неорганических катализаторов, ферменты:
― действуют в мягких условиях (t°=37°С, рН 7,4, давление 1
атм.);
― специфичны, то есть катализируют строго определенные реакции;
― обладают высокой эффективностью;
― регулируются.
Активность ферментов зависит от
― температуры;
― рН среды.
Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации
― субстрата;
― фермента.
На активность фермента влияют регуляторы ферментативной реакции: активаторы и ингибиторы.
7.2 Лабораторно- практические занятия
Тема: Общие свойства ферментов.
Цель: Изучить общие свойства ферментов; изучить механизмы изменения активности ферментов;
овладеть биохимическими
методами в изучении каталитических свойств ферментов.
30
Знать:
1) ферменты их строение и свойства;
2) отличия ферментов от катализаторов небелковой природы;
3) механизмы изменения активности ферментов в клетке;
4) значение ферментов в биологии.
Уметь:
1) приготовить ферментный препарат амилазы слюны;
2) провести лабораторную работу, сделать выводы.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Понятие о катализаторах.
2. Что такое ферменты?
3. Ферменты простые и сложные.
4. Специфичность ферментов, чем она обусловлена?
5. Чем сложный фермент отличается от простого?
6. Что такое кофермент?
7. Активаторы и ингибиторы ферментов.
8. Активный центр ферментов.
9. Что называется субстратом?
10. Механизм действия ферментов.
7.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторные работы 9 « Активность ферментов»
и 10 «Регуляция активности фермента амилазы»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов;
3) подготовиться к защите лабораторных работ.
Лабораторная работа 9 Активность ферментов
Опыт 1 Гидролиз крахмала под действием слюны
Цель работы: изучить действие фермента амилазы на скорость
гидролиза крахмала
Ферментами или энзимами, называются биокатализаторы разнообразных реакций обмена веществ, которые лежат в основе жизнедеятельности организма.
По своей химической природе ферменты – белковые вещества,
обладающие высокой молекулярной массой. Ферменты находятся в
очень малых количествах во всех живых клетках и жидкостях организма.
Слюна содержит фермент амилазу, чрезвычайно энергично катализирующий гидролиз крахмала. В отличие от кислотного гидро-
31
лиза гидролиз крахмала амилазой идет лишь до образования дисахарида – мальтозы.
Для всех ферментативных процессов характерно существование известного оптимума температуры, в данном случае лежащего
около 40С. Нагревание до 100 С разрушает (денатурирует) фермент, который представляет собой белок, и способность слюны гидролизовывать крахмал исчезает.
Материалы: крахмал, свежеприготовленный раствор слюны,
раствор йода.
Ход работы. Для получения раствора слюны ополаскивают рот
в течение приблизительно 1 мин дистиллированной водой (20-30 мл),
полученную жидкость фильтруют через складчатый фильтр.
Опыт проводят одновременно в трех нумерованных пробирках.
В две из них помещают по 5 мл раствора слюны, а в третью 5 мл дистиллированной воды (для контроля). Раствор слюны во второй пробирке нагревают до кипения и кипятят 1-2 мин, прогревая пламенем
горелки не только жидкость, но и образующуюся пену, затем пробирку охлаждают.
Приготовляют обычным путем 20-25 мл крахмального клейстера из 0,5 г крахмала, охлаждают его и вносят по 5 мл к каждую из
трех подготовленных пробирок, после чего встряхивают все три пробирки и помещают их одновременно в стакан с нагретой до 40С водой, отметив время начала гидролиза.
Через каждые 1-2 мин отливают из каждой пробирки по 0,5-1
мл жидкости и добавляют к взятой пробе каплю раствора йода.
Гидролиз проводят в течение 10-12 мин, до исчезновения цветной реакции с йодом в одной из пробирок.
Опыт 2 Определение активности дегидрогеназы янтарной
кислоты
Дегидрогеназа янтарной кислоты (сукцинатдегидрогеназа) –
фермент, катализирующий окисление янтарной кислоты.
Принцип метода. Водород, отщепляемый от янтарной кислоты
под влиянием фермента дегидрогеназы, восстанавливает метиленовую синь, превращая ее в бесцветное соединение.
Материалы: мышца свежая (измельченная в мясорубке), 10%ный раствор NаОН, янтарная кислота 3%-ный раствор (3 г янтарной
кислоты растворяют при нагревании в 97 мл воды и нейтрализуют по
индикаторной бумаге до рН 7,4 10%-ным раствором NаОН), метиленовая синь, 0,1%-ный водный раствор, вазелиновое или растительное
масло, трихлоруксусная кислота, 20%-ный раствор.
32
Приборы: Ступка с пестиком, стеклянный песок, штатив с
пробирками, пипетки, водяная баня (50° С), термометр.
Ход работы. В ступке со стеклянным песком тщательно растирают около 1 г измельченной мышечной ткани, добавляя 3-4 мл раствора янтарной кислоты, и полученный гомогенат переносят поровну
в 2 пробирки. В пробирку №1 (контроль) добавляют 1 мл раствора
трихлоруксусной кислоты для разрушения фермента. В пробирке №2
(опыт) фермент активен. В обе пробирки добавляют по 1-2 капли
раствора метиленовой сини, перемешивают и заливают поверхность
жидкости 0,5-1 мл масла для изоляции от кислорода воздуха. Обе
пробирки помещают в водяную баню (50°С) на 10 минут. По истечению указанного времени наблюдают обесцвечивание метиленовой
сини в пробирке №2.
Опыт 3 Действие фермента сахаразы (инвертазы)
Инвертаза ускоряет гидролитическое расщепление тростникового сахара (сахарозы), идущее по уравнению:
С12 Н22О11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О6
сахароза
глюкоза
фруктоза
Материалы. Пекарские дрожжи, кварцевый песок, 20%-ный
раствор сахарозы, реактив Фелинга.
Приборы. Фарфоровая ступка с пестиком, штатив с пробирками, водяная баня (40°С).
Ход работы. Немного прессованных дрожжей (около 5 г) растирают с таким же количеством кварцевого песка. К растертой массе
прибавляют 15 мл воды, нагретой до 40°С, и оставляют стоять в
ступке 0,5 часа или час. После повторного растирания массу отфильтровывают через складчатый фильтр. Первые капли жидкости обычно являются мутными, поэтому фильтрат вновь сливают на фильтр и
ждут, когда пойдет вполне прозрачная жидкость.
В две пробирки наливают по 1 мл фильтрата, содержимое пробирки № 1 (контроль) доводит до кипения, содержимое пробирки
№2 (опыт) – нет. В обе пробирки добавляют по 10 мл 20%-ного раствора сахарозы и помещают в термостат или водяную баню на 0,5 часа при t=40°С. Через полчаса в обеих пробирках проводят реакцию
Фелинга.
В пробирке с разрушенным ферментом осадка закиси меди почти нет, то есть не образовалось редуцирующих сахаров. В опытной
33
пробирке, глее фермент был активен, при реакции с жидкостью Фелинга выпадает очень большой осадок закиси меди.
Лабораторная работа № 10 Регуляция активности фермента амилазы
Опыт 1 Влияние ионов на активность амилазы слюны
Материалы: 1 %-ные растворы NaCl, CuSO4, ацетата свинца,
йода в йодистом калии, дистиллированная вода, амилаза слюны.
Ход работы. В 4 пробирки наливают по 1мл 1%-ного раствора
крахмала, затем в пробирку №1 – 1 мл дистиллированной воды, в №2
– 1 мл 1%-ного раствора хлористого натрия, в №3 – 1 мл 1-ного раствора ацетата свинца, в №4 – 1 мл раствора сернокислой меди. Во все
пробирки добавляют по 1 мл раствора амилазы слюны и оставляют
их на 10 мин при комнатной температуре. Затем в каждую пробирку
добавляют по 2 капли раствора йода в йодистом калии и делают выводы о влиянии добавленных ионов на активность амилазы.
Опыт 2 Зависимость активности ферментов и неорганических катализаторов от температуры
Материалы: 1-ный раствор крахмала, раствор йода в йодистом калии, дистиллированная вода, 10-ный раствор HCl, амилаза
слюны.
Посуда и оборудование: штатив с пробирками, мерная коническая пробирка, пипетки на 1 и 2 мл, термостат, водяная баня.
Ход работы. В 3 пробирки наливают по 2 мл 1%-ного раствора
крахмала. В первую добавляют 1 мл амилазы, во вторую и третью –
по 1 мл 10-ного раствора HCl. Первую и вторую пробирки помещают
в термостат при 37С на 10 мин, третью. – в хорошо кипящую баню.
Через 10 мин все пробирки вынимают и охлаждают холодной водой.
Добавляют в них по 6 капель раствора йода в йодистом калии, сравнивают окраску и делают выводы.
Контроль усвоенных знаний
1. Какую реакцию катализирует амилаза слюны?
2. Назовите продукты амилазной реакции.
3. Обладают ли специфичностью неорганические катализаторы?
4. К какому классу ферментов относится амилаза слюны?
5. К каким регуляторам относятся ацетат свинца и сульфат меди?
34
6. Может ли продукт реакции регулировать активность фермента? Какое биологическое значение это может иметь?
7. В ряде случаев субстрат способен активировать фермент. В
чем биологический смысл этого явления?
8. В чем сходство и различие неорганических катализаторов и
ферментов?
8 Витамины
8.1 Общие сведения о витаминах
Витамины – группа органических веществ разнообразной
структуры, необходимых человеку, животным и другим организмам.
Являются незаменимыми пищевыми факторами. При недостаточном
поступлении витаминов в организм наступают характерные и опасные изменения, так как витамины являются составными частями
сложных ферментов или действуют самостоятельно через белки. Витамины участвуют в обмене веществ преимущественно в составе
ферментных систем, причем в организм человека и животных они
поступают, главным образом, из внешней среды.
Первоисточником витаминов являются главным образом растения. Человек получает витамины или непосредственно с растительной пищей, или косвенно – через животные продукты, в которых витамины были накоплены из растительных материалов во время жизни
животных. Важная роль в образовании витаминов принадлежит также
микроорганизмам, в частности микрофлоре пищеварительного тракта.
Витамины – это низкомолекулярные жизненно необходимые
биологически активные органические вещества. До недавнего времени считалось, что витамины лишь защищают организм от авитаминозов. При повышении содержания витаминов до физиологически
оптимальных норм в организме создаются такие концентрации их,
которые повышают устойчивость организма против всякого рода неблагоприятных воздействий, в том числе против инфекций.
Поступая в организм, витамины усваиваются, образуя более
сложные производные (эфирные, амидные, нуклеотидные и др.), которые, как правило, соединяются с белком, образуя многочисленные
сложные ферменты, ускоряющие разнообразные реакции синтеза,
распада и перестройки веществ в организме. Известно свыше 100 отдельных ферментов, в состав которых входят витамины, и еще большее число катализируемых ими реакций.
Витамины до последнего времени имели буквенные обозначения, химические названия и названия, характеризующие их физиоло-
35
гические свойства. В некоторых случаях одной буквой обозначалось
несколько витаминов, иногда весьма отличных по химическому строению. Принято различать жиро- и водорастворимые витамины. При
этом оказалось, что многие из них представлены в природе не единичным веществом, а группами из 3-5 и более родственных соединений, отличающихся деталями строения и степенью физиологической
активности. Их принято называть витамерами.
8.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Витамин С (аскорбиновая кислота).
Цель: Изучить участие водорастворимых витаминов в обмене
веществ; научиться определять содержание витамина С в растительном материале.
Знать:
1) источники витаминов;
2) участие витаминов в обмене веществ;
3) признаки гипо- и авитаминозов.
Уметь:
1) выполнять качественные реакции на водо- и жирорастворимые витамины;
2) определять аскорбиновую кислоту в продуктах питания качественно и количественно;
3) объяснять полученные результаты.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие соединения называются витаминами?
2. Классификация витаминов. Какие витамины называются жирорастворимыми?
3. Какова биологическая роль витаминов А и D?
4. Какова биологическая роль витаминов Е и К?
5. Что такое авитаминоз? Чем он отличается от гиповитаминоза?
6. Каковы признаки авитаминоза витамина D?
7. Какова биологическая роль витаминов группы В?
8. Какие признаки авитаминоза витамина В12?
9. Для чего необходима организму человека аскорбиновая кислота?
8.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) выполнить лабораторные работы 11«Качественные реакции
на водо- и жирорастворимые витамины» и 12 «Определение витамина С в растительном материале»;
36
2) сделать выводы по результатам работ и оформить их в виде
таблицы;
3) подготовиться к защите лабораторных работ.
Лабораторная работа 11 Качественные реакции на водо- и
жирорастворимые витамины
Опыт 1 Реакция восстановления витамина В2 (рибофлавина)
При недостатке витамина В2 наблюдается остановка роста животных, дерматиты, поражения слизистой оболочки ротовой полости,
воспаление глазного яблока. Витамин В2 синтезируется зелеными
растениями и микроорганизмами, он принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях обмена веществ.
Приборы. Штатив с пробирками, пробки к пробиркам, пипетки.
Реактивы. Витамин В2, 0,005%-ный водный раствор, соляная
кислота, разбавленная в соотношении 1:1, цинк металлический в гранулах.
Ход работы. В пробирку наливают 2 мл раствора витамина В2,
добавляют 1 мл соляной кислоты, перемешивают и отливают равный
объем в другую пробирку. В одну из пробирок бросают кусочек металлического цинка и обе пробирки закрывают пробками. В пробирке
с цинком обесцвечивание раствора наступает в течение 5-10 минут.
Опыт 2 Качественная реакция на витамин В5 (витамин РР,
никотинамид)
Признаками недостатка витамина В5 в организме могут являться дерматиты, поражения слизистых оболочек ротовой полости, расстройства пищеварения и нервной системы. Витамин В5 синтезируется растениями и микроорганизмами, а также в тканях некоторых животных из аминокислоты триптофан. Амид никотиновой кислоты
служит составной частью (НАД) окислительно-восстановительных
ферментов.
Приборы. Штатив с пробирками.
Реактивы. Никотиновая кислота или амид никотиновой кислоты в порошке, гидрокарбонат натрия, 10-ный раствор, гидросульфит натрия (Na2S2О4 ◦2Н2О), 5%-ный раствор свежеприготовленный.
Ход работы. Под действием гидросульфита натрия происходит
частичное восстановление никотинамида (никотиновой кислоты) с
образованием 1,4-дигидропиридинпроизводного, окрашенного в желтый цвет.
37
В пробирку помещают немного порошка витамина В5, добавляют 1-2 мл раствора гидрокарбоната натрия и после перемешивания
добавляют 1-2 мл гидросульфита натрия. Жидкость в пробирке
окрашивается в желтый цвет.
Опыт 3 Качественная реакция на кобальт, содержащийся в
витамине В12
Признаками гиповитаминоза В12 могут быть остановка роста,
дерматиты, нарушение функции размножения, высокая смертность
животных, у человека – злокачественная анемия. Этот витамин не
синтезируется зелеными растениями и дрожжами. Потребности человека и животных в витамине В12 удовлетворяются за счет деятельности кишечной микрофлоры. Витамин В12 является составной частью
ряда ферментов, которые участвуют в биосинтезе нуклеиновых кислот и белков.
Витамин В12 – единственный из известных витаминов, который
содержит в своем составе кобальт, который очень прочно связан в
цианкобаламиновом комплексе. Определение кобальта возможно
только после разрушения всей молекулы витамина.
Приборы. Штатив с пробирками, песочная баня, спиртовка,
асбестовая сетка, беззольный бумажный фильтр.
Реактивы. Витамин В12 в ампулах (200 мкг/мл), серная кислота
концентрированная, пергидроль, тиомочевина, 10%-ный раствор.
Ход работы. В пробирку переносят содержимое одной ампулы
витамина В12, добавляют 10 капель концентрированной серной кислоты и нагревают на песочной бане в течение 15-20 мин, затем добавляют 1 каплю пергидроля. После обесцвечивания жидкости в пробирке и ее охлаждения добавляют 1 мл воды. На бумажный беззольный фильтр наносят 3-4 капли раствора тиомочевины и подсушивают фильтр над спиртовкой с асбестовой сеткой. Затем на фильтр на
то же место наносят 3-4 капли полученного минерализата. После повторного подсушивания над спиртовкой на фильтре появляется синезеленое окрашивание, свидетельствующее о наличии кобальта.
Опыт 4 Качественное определение витамина А
Витамин А– важнейший витамин роста, необходимый для всех
млекопитающих и птиц. Витамин А является структурным компонентом биологических мембран, стимулирует биосинтез белка в печени, участвует в синтезе мукополисахаридов, в формировании костной ткани и в процессах светоощущений. Витамин А встречается
только в продуктах животного происхождения. Для витамина А ха-
38
рактерна цветная реакция с серной кислотой. Полученное соединение
окрашено в сине-фиолетовый цвет. Химизм реакции окончательно не
выяснен.
Приборы. Штатив с пробирками (посуда должна быть сухой).
Реактивы. Серная кислота, концентрированная. Раствор витамина А в масле.
Ход работы. В пробирку наливают 3 капли масляного раствора
витамина А и добавляют 1 каплю серной кислоты. В пробирке появляется сине-фиолетовое окрашивание.
Опыт 5 Качественная реакция на витамин Е
Витамин Е участвует в окислительно-восстановительных реакциях в мышечной ткани, является антиоксидантом непредельных
жирных кислот, предотвращая тем самым появление токсичных продуктов их окисления, вызывающих гибель эмбрионов, участвует в
стабилизации мембран. В природе витамин Е синтезируется только
растениями.
Приборы. Штатив с пробирками, водяная баня.
Реактивы. Витамин Е (масляный раствор), азотная кислота
концентрированная.
Ход работы. Витамин Е, взаимодействуя с концентрированной
азотной кислотой, окисляется с образованием о-хинона, окрашенного
в оранжево-красный цвет соединения.
В 2 пробирки наливают по 2-3 капли масляного раствора витамина Е. В первую пробирку добавляют 1-2 мл воды, во вторую – такое же количество концентрированной азотной кислоты. Обе пробирки нагревают на водяной бане 10 мин. В пробирке с азотной кислотой масляный слой витамина окрашивается в оранжево-красный
цвет.
Лабораторная работа 12 Опрделение витамина С в растительных материалах
Опыт 1 Качественное открытие витамина С
Для качественного и количественного определения аскорбиновой кислоты пользуются ее свойствами восстановителя.
Материалы: картофельный и капустный соки, свежеприготовленный насыщенный раствор железосинеродистого калия, разбавленный раствор хлорного железа.
Ход работы. К нескольким миллилитрам картофельного сока
или сока кислой капусты добавить одну каплю свежеприготовленного насыщенного раствора железосинеродистого калия, а затем одну
39
каплю разбавленного раствора хлорного железа. В присутствии аскорбиновой кислоты происходит восстановление К3[Fe(CN)6] в
К4[Fe(CN)6], который с трехвалентным железом образует окрашенный в голубой цвет Fe4Fe(CN)63. Появляется синее или зеленоватое
окрашивание. В контрольном опыте вместо сока берут дистиллированную воду. Появляется буроватое окрашивание.
Опыт 2 Количественное определение витамина С (аскорбиновой кислоты) в растительном материале
Метод основан на способности аскорбиновой кислоты восстанавливать краситель 2,6-дихлорфенолиндофенол. Окисленная форма
красителя обладает окраской (в кислой среде – розовой), восстановленная форма – бесцветна. Количество витамина С определяют, титруя
исследуемый
подкисленный
раствор
2,6дихлорфенолиндофенолом до появления розовой окраски. Пока в
растворе есть аскорбиновая кислота, краситель обесцвечивается, когда вся аскорбиновая кислота будет окислена, титруемый раствор
приобретет розовую окраску из-за появления окисленной формы красителя.
Материалы: 1%-ные растворы соляной и щавелевой кислот,
0,001Н раствор 2,6-дихлорфенолиндофенола, растительный материал, дистиллированная вода.
Посуда и оборудование: колбы V=50 или 100 мл, пипетки на 1
или 2 мл, ступка, воронка, марлевый фильтр.
Ход работы. Навеску растительного материала измельчают и
тщательно растирают в ступке с 5 мл 1-ного раствора НСl. По мере
растирания прибавляют еще 5 мл НСl и смесь переносят в колбу на
50 мл. Остаток в ступке смывают в ту же колбу 1%-ным раствором
щавелевой кислоты, доводя объем смеси до метки. Содержимое колбы перемешивают и фильтруют. Отбирают нужное количество фильтрата в чистую колбу и титруют 0,001н раствором 2,6дихлорфенолиндофенола до появления розовой окраски, не исчезающей 30 сек.
Таблица 1
Растительный
материал
Картофель
Капуста
Шиповник
Навеска (г)
Фильтрат
(мл)
10
5
2
5
5
1
40
Коэффициент пересчета
50
100
1250
Расчет содержания аскорбиновой кислоты проводят по формуле
А  0,088  К = мг витамина С в 100 г материала,
где А – количество мл раствора 2,6-дихлорфенолиндофенола, пошедшего на титрование исследуемого раствора,
0,088 – количество мг аскорбиновой кислоты, соответствующее
1 мл 0,001 н раствора 2,6-дихлорфенолиндофенола,
К – коэффициент пересчета на 100 г растительного материала,
учитывающий навеску материала и количество мл фильтрата, взятого
для титрования.
Контроль усвоенных знаний
1. Какие соединения называются витаминами?
2. Что такое витамеры? Приведите примеры витаминов, существующих в виде нескольких витамеров.
3. В каких процессах участвует аскорбиновая кислота?
4. Какие продукты являются основными источниками витамина
С?
5. Какие продукты являются основными источниками жирорастворимых витаминов?
6. Какова суточная потребность человека в витаминах группы
D?
7. Какие продукты являются источником витамина В12?
9 Углеводы
9.1 Общие сведения об углеводах
Углеводы – одна из важнейших групп природных соединений.
Являясь широко распространенными природными веществами, углеводы выполняют в живых организмах весьма распространенные
функции. Многие углеводы являются в организме источником энергии (глюкоза, крахмал). Некоторые олигосахариды (сахароза и рафиноза) и полисахариды (крахмал, гликоген) служат запасными веществами. Углеводы содержатся во всех живых организмах в свободном
виде и в виде компонентов сложных белков, нуклеиновых кислот,
липидов и др. биологически активных веществ. Большое значение
для жизнедеятельности человека и животных имеет углеводный обмен. Углеводы являются конечными продуктами фотосинтеза зеленых растений. Животные, не обладающие способностью к подобной
аккумуляции солнечной энергии, используют вещества, накопленные
растениями.
41
По химическому строению все углеводы делятся на две большие группы: мономерные углеводы или моносаханиды, и полимерные углеводы – продукты конденсации моносахаридов, которые в зависимости от числа моносахаридных остатков делят на олигосахариды и полисахариды. В зависимости от числа атомов углерода в цепи
моносахариды делят на тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6) и т.д.
В каждую из этих групп включают и альдозы и кетозы. Моносахариды содержат асимметрические атомы углерода и образуют оптически
активные стереоизомеры.
Низкомолекулярные углеводы – моносахариды и олигосахариды - бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в
воде. Эту группу углеводов называют сахарами. Высокополимерные
углеводы – аморфные вещества, не способные кристаллизоваться,
некоторые из них образуют микрокристаллические структуры. Эту
группу называют несахароподобными углеводами, включает все полисахариды.
Химические свойства углеводов обусловлены наличием большого числа спиртовых групп, карбонильной группы и полуацетального (гликозидного) гидроксила в циклических формах углеводов.
Углеводы со свободной карбонильной группой дают реакции альдегидов. За счет полуацетального гидроксила идет образование гликозидов. За счет спиртовых гидроксилов происходит алкилирование,
ацилирование, образование неорганических кислот. Наличие соседних гидроксилов обусловливает окисление углеводов иодной кислотой.
9.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Химические свойства моно- и дисахаридов.
Цель: 1) ознакомиться с качественными реакциями наиболее
распространенных представителей класса углеводов;
2) научиться определять присутствие крахмала в природных
продуктах, выделять крахмал и исследовать его свойства.
Знать:
1) определение и классификацию углеводов;
2) строение моносахаридов и дисахаридов;
3) химические свойства углеводов;
4) функции углеводов.
Уметь:
1) выполнять качественные реакции на спиртовые, альдегидные и кетонные группы углеводов;
2) проводить качественные реакции на крахмал;
42
3) объяснять полученные результаты.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие продукты получают при гидролизе сахарозы?
2. Какие функциональные группы в молекуле глюкозы могут
быть определены реакцией Троммера?
3. Перечислите виды изомерии моносахаридов.
4. Какие углеводы подвергаются изменениям при тепловой обработке продуктов?
5. Какие полисахариды содержит обыкновенный растительный
крахмал?
6. В чем разница между крахмалом и декстрином?
7. Какова биологическая роль крахмала?
8. Какие еще полисахариды вы знаете?
9. В чем различие в строении крахмала, клетчатки, инулина?
9.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии
1) проделать лабораторные работы 13 «Химические свойства
моно- и дисахаридов» и 14 «Крахмал и его свойства»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов;
3) подготовиться к защите лабораторных работ и решению задач.
Лабораторная работа 13 Химические свойства моно и дисахаридов
Все углеводы являются твердыми, чаще кристаллическими
веществами. Большинство моносахаридов и дисахаридов хорошо
растворимы в воде и часто выделяются из растворов в виде кристаллогидратов.
Из числа моносахаридов для проведения опытов требуются
глюкоза и фруктоза. При отсутствии чистой фруктозы ее можно заменить медом, содержащим глюкозу и фруктозу в примерно равных
количествах. Из числа дисахаридов наиболее доступна сахароза.
.
Опыт 1 Общая реакция на углеводы с -нафтолом (реакция
Молиша)
Реакцию с -нафтолом дают углеводы, причем кетозы – свободные или связанные в дисахаридах или полисахаридах – реагируют
более интенсивно.
Материалы: любые углеводы (сахара, крахмал, клетчатка), нафтол (10%-ный спиртовый раствор, лучше свежеприготовленный).
43
Опыт одновременно проводят с несколькими различными углеводами.
Ход работы. Помещают в пробирку 0,5-1 мл воды и вносят в
нее очень немного исследуемого углевода (например, несколько крупинок сахара или крахмала или же маленький кусочек фильтровальной бумаги размером 2-3 мм ). Затем добавляют 2 капли раствора нафтола, смесь слегка мутится вследствие низкой растворимости
нафтола в воде. После этого, наклонив пробирку, осторожно приливают по стенке из пипетки 1-1,5 мл концентрированной серной кислоты. Тяжелый слой кислоты должен опуститься на дно пробирки,
почти не смешиваясь с водным слоем. На границе слоев быстро образуется красивое красно- фиолетовое кольцо; при взбалтывании
смесь разогревается и окрашивается по всему объему, а при ее разбавлении водой выделяются окрашенные хлопья.
В отсутствие углеводов фиолетового кольца не образуется, хотя жидкость может позеленеть или пожелтеть.
Опыт 2 Взаимодействие углеводов с концентрированными
кислотами
При действии концентрированных минеральных кислот молекулы углеводов постепенно расщепляются, образуя смесь различных
продуктов: фурфурол и его производные и так называемые гуминовые вещества. Они окрашены в темно-бурый или черный цвет, плохо
растворимы в воде и в условиях опыта выделяются на границе слоев
жидкости.
Материалы: любые сахара (глюкоза и фруктоза), концентрированные серная и соляная кислоты.
Ход работы. А. Несколько крупинок какого-либо сахара растворяют в 1-2 мл воды. К холодному раствору осторожно, по стенкам
пробирки, добавляют равный объем концентрированной серной кислоты, стараясь не взболтать смесь. Серная кислота образует нижний,
тяжелый, слой под раствором сахара. На границе этих слоев постепенно появляется темно-бурое кольцо. Если на холоду кольца не образуется, слегка подогревают содержимое пробирки, не взбалтывая.
Б. Небольшое количество глюкозы кипятят 20-30 сек с 2 мл
концентрированной соляной кислоты, раствор охлаждают и добавляют воду до 2/3 высоты пробирки. Повторяют этот же опыт, заменив глюкозу фруктозой. Отмечают резкое различие внешнего вида
двух полученных растворов.
Кетозы расщепляются кислотами быстрее, чем альдозы. Проба
Б может применяться для быстрого отличия фруктозы от глюкозы.
44
Опыт 3 Взаимодействие сахаров со щелочами
Все сахара, имеющие свободную карбонильную группу, т.е. все
моносахариды и некоторые дисахариды при нагревании в щелочном
растворе легко осмоляются,, образуя коричневый или черный раствор.
Материалы; моносахариды (глюкоза, галактоза, фруктоза),
дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза), концентрированный раствор щелочи, разбавленный раствор кислоты.
Опыт одновременно проводят с несколькими различными сахарами, применяя готовые 5-10%-ные их растворы или растворяя 0,10,2 г сахара в 1-2 мл воды.
Ход работы. К 1-2 мл раствора исследуемого сахара добавляют вдвое меньший объем концентрированного раствора щелочи,
нагревают смесь до кипения и поддерживают в таком состоянии в течение 2-3 мин. Отметив изменение окраски раствора, если оно
наблюдается, охлаждают жидкость и подкисляют ее разбавленной
серной кислотой. Окраска бледнеет и появляется отчетливый запах
карамели (жженого сахара).
Опыт 4 Взаимодействие сахаров с солями двухвалентной
меди в щелочном растворе
Образование легкорастворимых, интенсивно окрашенных и не
разлагаемых щелочью комплексных алкоголятов меди доказывает
наличие в молекулах сахаров нескольких гидроксильных групп, расположенных рядом.
При нагревании в щелочном растворе сахара восстанавливают
находящуюся в растворе двухвалентную медь, сами же окисляются.
В результате образуются ярко окрашенные нерастворимые продукты.
Восстанавливать соединения меди в щелочном растворе при
нагревании способны лишь те сахара, которые имеют в молекуле
свободную карбонильную группу.
Материалы; моносахариды, дисахариды, разбавленные растворы щелочи и сульфата меди.
Опыт одновременно проводят с несколькими различными сахарами, растворяя 0,05-0,1г каждого из них в 2-3 мл воды.
Ход работы. К 2-3 мл раствора сахара добавляют 1 мл разбавленного раствора щелочи и 2-3 капли раствора сернокислой меди.
Выделяющийся осадок гидроксида меди при встряхивании растворяется, и жидкость окрашивается в интенсивно синий цвет. Затем осторожно нагревают в пламени горелки верхнюю часть жидкости до
начала кипения. Если сахар окисляется, то синий цвет раствора при
45
нагревании переходит в зеленый и затем исчезает. Одновременно появляется желтый, красный или коричневый осадок.
Опыт 5 Взаимодействие сахаров с аммиачным раствором
оксида серебра
Материалы: глюкоза – 1-2%-ный водный раствор, оксид серебра (свежеприготовленный аммиачный раствор).
Аммиачный раствор оксида серебра изготовляют, добавляя к 12%-ному раствору азотнокислого серебра по каплям водный аммиак
до растворения первоначально образующегося осадка; к полученной
жидкости добавляют 0,1 ее объема разбавленного раствора едкого
натра.
Ход работы. В совершенно чистой, вымытой горячей щелочью
и ополоснутой пробирке смешивают 1 мл аммиачного раствора оксида серебра и 1 мл раствора глюкозы и помещают на несколько минут
в горячую (60-80С) воду. Если стенки пробирки были чисты, то выделяющееся при окислении глюкозы металлическое серебро осаждается на них в виде зеркального слоя, в ином случае выпадает черный
осадок.
Опыт 6 Окисление альдозы и кетозы йодом
Материалы: глюкоза и фруктоза (2%-ные растворы), раствор
йода, разбавленные растворы щелочи и серной кислоты.
Ход работы. Опыт проводят параллельно с растворами глюкозы и фруктозы. К 3 мл каждого из растворов добавляют по 0,5 мл
раствора йода и затем разбавленную щелочь (одинаковое число капель) до обесцвечивания смеси. Отмечают время добавления щелочи
и ставят обе пробирки в штатив.
Через 7-8 минут приливают в обе пробирки по 0,5 мл разбавленной серной кислоты и сравнивают появляющуюся окраску.
Опыт 7 Реакция Селиванова на кетозы
При нагревании с соляной или серной кислотой гексозы образуют оксиметилфурфурол, который дает с резорцином яркоокрашенный продукт конденсации.
Материалы: глюкоза, фруктоза, мальтоза, сахароза (2%-ные
водные растворы), реактив Селиванова (раствор 0,01 г резорцина в
смеси 10 мл воды и 10 мл концентрированной соляной кислоты). Реактив Селиванова следует применять свежеприготовленным.
46
Реакция Селиванова позволяет быстро обнаружить в смеси сахаров кетогексозы– как свободных, так связанных в молекулах дисахаридов.
Опыт одновременно проводят с растворами нескольких сахаров.
Ход работы. К 0,5-1мл каждого из исследуемых растворов добавляют 2 мл реактива Селиванова, после чего погружают все пробирки на 2 мин в кипящую водяную баню.
Растворы некоторых сахаров быстро окрашиваются в яркокрасный цвет; при последующем нагревании их на пламени горелки
до начала кипения красные растворы мутнеют и выделяют окрашенный осадок. Растворы других сахаров в этих условиях лишь слегка
желтеют.
Лабораторная работа 14 Крахмал и его свойства
Крахмал – резервный полисахарид растений, молекула которого построена из остатков D-глюкозы, соединенных друг с другом глюкозидными связями, нерастворимый в воде, дающий синее окрашивание с йодом.
Обычный растительный крахмал содержит
два полисахарида – амилозу и амилопектин, молекулы которых построены из остатков дисахарида мальтозы.
В амилозе остатки мальтозы соединены в виде цепочки, а в
амилопектине они расположены по более сложной схеме. В крахмале большинства растений амилопектина значительно больше, чем
амилозы. Амилопектин имеет молекулярную массу свыше 1000000, а
амилоза не выше 200000.
При действии йода амилоза окрашивается в чисто синий цвет, а
амилопектин в сине-фиолетовый.
Опыт 1 Получение крахмала
Материалы и оборудование: клубни картофеля, раствор йода
в йодистом калии, гомогенизатор, стакан, воронка, полотняный
фильтр.
Ход работы. Очищенные клубни картофеля растереть на терке или в гомогенизаторе, полученную массу хорошо размешать в воде, затем положить в чистый полотняный мешочек (узелок) и отжать.
Остаток массы в полотне вновь перемешать с водой и отжать. Повторить этот процесс несколько раз. Дать жидкости отстояться. Зерна
крахмала осядут на дно стакана. Слить жидкость, а осевший крахмал
вновь размешать в дистиллированной воде. Повторить операцию не-
47
сколько раз до тех пор, пока крахмал не станет чистым и совершенно
белым. Отфильтровать крахмал на воронке Бюхнера, высушить и использовать в последующих опытах.
Опыт 2 Реакции крахмала
Материалы и оборудование: крахмал, этиловый спирт, раствор йода в йодистом калии, разбавленный раствор щелочи, раствор
сернокислой меди, стакан или колба V=100 мл, пробирки, водяная
баня.
Ход работы. Около 1г сухого крахмала взбалтывают с 5-6 мл
воды, выливают суспензию крахмала в 50 мл воды, нагретой до кипения в стакане или колбе. Образуется почти прозрачный, слегка
опалесцирующий крахмальный клейстер.
Охладив раствор, проводят с ним следующие реакции.
А. К 1-2 мл раствора крахмала добавляют каплю раствора йода.
Полученную темно-синюю жидкость нагревают. Окраска исчезает,
но при охлаждении снова появляется.
Б. Другую пробу раствора крахмала (1-2 мл) смешивают с 1 мл
спирта. Последующее добавление йода дает лишь слабое буроватое
окрашивание.
В. К 1-2 мл крахмального клейстера добавляют несколько капель щелочи и нагревают смесь до кипения. Жидкость не обнаруживает изменений или лишь слегка желтеет.
Г. К 1-2 мл клейстера добавляют несколько капель щелочи и 12 капли раствора сернокислой меди и нагревают смесь в кипящей воде 2-3 мин. Раствор остается почти не окрашенным, голубые хлопья
нерастворившегося гидроксида меди при нагревании чернеют, красного или желтого осадка не образуется.
Опыт 3 Образование декстрина и его реакции
Материалы и оборудование: см. предыдущий опыт.
Ход работы. Около 0,5 г сухого крахмала очень осторожно,
при постоянном встряхивании, нагревают в сухой пробирке на пламени горелки до начала пожелтения порошка. Дают пробирке
остыть. К образовавшемуся декстрину добавляют 5-6 мл холодной
воды. Смесь сильно встряхивают 1-2 мин. И фильтруют. Прозрачный
фильтрат делят на 4 части и проводят с ним реакции, как в предыдущем опыте: с йодом, со спиртом, со щелочью при при нагревании и с
солью меди (П) в щелочном растворе при нагревании. Во всех случаях наблюдается различие между отношением крахмала и декстрина
к этим реактивам.
48
А. Йод окрашивает раствор декстрина в бурый или красноватый цвет.
Б. Спирт осаждает из водного раствора хлопья декстрина.
В. При кипячении со щелочью раствор декстрина окрашивается в ярко-желтый или коричневый цвет.
Г. Окисная медь восстанавливается декстрином до закисной, и
смесь при нагревании краснеет.
Контроль усвоенных знаний
1. Укажите качественные реакции на открытие альдоз и кетоз.
Напишите в структурном виде известные вам реакции на примере
глюкозы.
2. Напишите уравнение реакции инверсии сахарозы. Укажите
значение этой реакции.
3. Напишите уравнение реакции окисления глюкозы оксидом
серебра.
4. Приведите примеры восстанавливающих и невосстанавливающих дисахаридов.
5. Приведите реакции основных видов брожения.
6. Составьте уравнения реакций следующих превращений: муравьиный альдегид → альдогексоза → шестиатомный спирт.
7. Сколько литров оксида углерода (1V) выделится при брожении 360 г глюкозы?
8. Какая масса глюкозы подверглась спиртовому брожению,
если выделился газ объемом 112 л (н.у.)?
9. Вычислите массу глюкозы, полученную при гидролизе 68.4 г
сахарозы, если массовая доля выхода продукта составила 70%.
10. Какова масса карбоната кальция, образовавшаяся при пропускании оксида углерода (1V) через известковую воду, если он был
получен при брожении 36 г глюкозы?
11. Вычислите массу серебра, получившуюся при взаимодействии 54 г глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра. Выход
от теоретически возможного составляет 75%.
12. Сколько выделилось газа (н.у.) при спиртовом брожении
глюкозы, если спирта образовалось 69г?
13. При добавлении раствора глюкозы к голубому осадку гидроксида меди (II) цвет окраски изменился на красный. Составьте
уравнение реакции и вычислите массу полученного осадка, если
глюкоза взята массой 18г.
49
14. В растворе глюкозы присутствуют три ее формы. Альдегидную группу содержит только одна из них, но в реакцию «серебряного зеркала» вступает все количество глюкозы. Почему?
15. Какие качественные реакции на полисахариды вы знаете?
16. Почему крахмал и клетчатку можно в равной степени использовать в производстве этилового спирта?
17. Какие соединения называются глюкозидами?
18. Напишите уравнения гидролиза крахмала и целлюлозы.
19. В какой среде быстрее всего протекает гидролиз углеводов:
щелочной, кислой или нейтральной? Почему?
20. Составьте уравнения реакций, идущих по схеме: крахмал →
глюкоза → этанол.
21. Как называется связь между мономерами в полисахаридах?
22. Назовите два главных отличия крахмала от целлюлозы.
10 Липиды
10.1 Общие сведения о жирах и липидах
Липиды-жиры и жироподобные вещества, органические соединения растительного и животного происхождения, различные по химическому составу, строению и выполняемой физиологической или
биохимической функции и объединяемые на основе общих физикохимических свойств. Разнообразие веществ этого класса определяет
разнообразие их функций. Липиды нерастворимы или плохо растворимы в воде. Различные липиды имеют широкое практическое применение в качестве продуктов питания, в медицине и в различных
отраслях промышленности.
Липиды относятся к числу важных в биологическом отношении веществ, входящих в состав всех живых клеток. В живых организмах они находятся в свободном или в связанном состоянии – в
виде комплексов с белками: липопротеидов и протеолипидов. Знания, полученные при изучении этой темы, будут использованы студентами при изучении курса «физиология животных».
Важнейшее физико-химическое свойство липидов – нерастворимость в воде – определяет их роль основного структурного элемента протоплазмы: из липидов и липопротеиновых комплексов построены поверхностные мембраны клеток и клеточных органелл. Липиды, входящие в состав мембран, принимают непосредственное участие в процессах активного переноса через эти мембраны ионов и
молекул различных веществ. Нейтральным жирам принадлежит важ-
50
ная роль источника энергии и экономичной формы, в которой организм запасает эту энергию.
В структурном отношении все липиды являются сложными
эфирами жирных кислот и разнообразных спиртов. Высшие карбоновые кислоты содержат от 10 до 24 атомов углерода в молекуле. В животных и растительных жирах и маслах они находятся преимущественно в форме сложных эфиров глицерина, а в животных восках – в
форме сложных эфиров высших жирных спиртов.
Известно более 1300 различных жиров. В основе классификации жиров лежат признаки, связанные с их происхождением, составом и свойствами. По происхождению природные жиры подразделяются на животные и растительные. Растительные жиры чаще называют маслами. Те и другие различаются составом и физикохимическими свойствами.
В химическом отношении жиры довольно инертные вещества,
они способны лишь к ограниченному числу превращений, характерных для всех сложных эфиров.
В биологическом отношении жиры – одна из основных групп
органических веществ, входящих наряду с белками и углеводами в
состав всех животных и растительных клеток. Энергетическая ценность жиров исключительно велика: при окислении 1 г жира выделяется в два раза больше энергии, чем при окислении белков или углеводов. Важную роль играют жиры и в теплорегуляции организмов,
одновременно жиры являются своеобразной и выгодной формой, в
которой организм запасает воду. Жир необходим для растворения и
всасывания жирорастворимых витаминов.
10.2 Лабораторно-практическое занятие
Тема: Химические свойства жиров.
Цель: Научиться выполнять анализы жиров.
Знать:
1) биологическую роль жиров и липидов;
2) свойства жиров и липидов.
Уметь:
1) провести лабораторную работу;
2) сделать выводы по результатам анализов.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие соединения называются липидами?
2. Какие соединения называются жирами?
3. Какова биологическая роль липидов?
51
4. Какова биологическая роль жиров?
5. Какие соединения называются высшими жирными кислотами?
10.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 15 «Качественное исследование жиров»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов;
3) подготовиться к защите лабораторной работы и решению задач.
Лабораторная работа 15 Качественное исследование жиров
Опыт 1 Растворимость жира
Материалы и реактивы. Говяжье сало, растительное масло,
спирт, бензол, хлороформ. Штатив с пробирками и пробками для
пробирок, водяная баня.
Ход работы. В четыре пробирки помещают кусочек сала размером со спичечную головку. В первую пробирку добавляют 2 мл
воды, во вторую - 2 мл спирта, в третью – 2 мл бензола и в четвертую – 2 мл хлороформа. Смесь в пробирках хорошо встряхивают,
отмечая наблюдаемые изменения. Результаты записывают в журнал.
Опыт повторяют с растительным маслом (взять 5-7 капель масла). В
первой пробирке образуется нестойкая, быстро расслаивающаяся
эмульсия, во второй – мутный раствор, что указывает на плохую растворимость масла в спирте, в третьей и четвертой пробирках образуются прозрачные растворы в результате хорошей растворимости масла в бензоле и хлороформе.
Опыт 2 Проба на глицерин
Материалы и реактивы. Говяжье сало, кристаллический
КНSO4 или борная кислота, аммиачный раствор азотнокислого серебра АgNO3, сухая пробирка, спиртовка.
Ход работы. Небольшой кусочек говяжьего сала смешать с
кристаллическим КНSO4 или борной кислотой, внести смесь в сухую
пробирку и нагреть на пламени горелки. При этом наблюдается резкий своеобразный запах акролеина. В выделяющиеся из пробирки
пары внести бумажку, смоченную аммиачным раствором азотнокислого серебра. Бумажка чернеет в результате восстановления акролеином серебра.
52
Опыт 3 Проба на ненасыщенные жирные кислоты
Материалы и реактивы. Растительное масло, спиртовой раствор йода, крахмальный клейстер, бромная вода, штатив с пробирками, пипетки.
Ход работы. К смеси 1 мл растительного масла и 1 мл воды
добавить 2 капли спиртового раствора йода. После непродолжительного встряхивания содержимое пробирки проверить на реакцию с
крахмалом. Раствор крахмала не дает синего окрашивания, то есть не
обнаруживает присутствия свободного йода.
К 1 мл растительного масла добавить несколько капель бромной воды. Вода обесцвечивается.
Опыт 4 Экстрагирование жира из масличных семян
Материалы и приборы. Семена льна или подсолнуха, бензин,
пробирка, пробка для пробирки с трубкой-холодильником, водяная
баня, фильтровальная бумага.
Ход работы. Смешать 2-3 г семян с чистым речным песком и
тщательно растереть в ступке. Измельченные семена поместить в
пробирку и прилить 5-6 мл бензина (можно взять другой растворитель, см. опыт 1). Закрыть пробирку пробкой с трубкойхолодильником и нагревать на водяной бане 10-15 минут. Полученный раствор жира отфильтровать, смочить им кусочек бумаги и
наблюдать образование жирового пятна на бумаге после испарения
растворителя.
Опыт 5 Омыление жиров в водно-спиртовом растворе щелочи
Материалы и реактивы. Жир, 15%-ный спиртовой раствор
щелочи, насыщенный раствор поваренной соли. Пробирка, стеклянная палочка, пробка с трубкой-холодильником, водяная баня.
Ход работы. В пробирку поместить 2 г жира и прилить 6 мл
15%-ного спиртового раствора щелочи. Перемешать смесь стеклянной палочкой, пробирку со смесью закрыть пробкой с трубкойхолодильником, поставить в водяную баню и нагревать 12-15 минут
до кипения. Омыление вести до тех пор, пока жидкость не станет однородной.
Для определения конца омыления налить в пробирку несколько
капель полученной смеси, добавить 6 мл воды и нагревать раствор.
Если взятая смесь растворяется в воде, без выделения капель жира, то
омыление можно считать законченным. Если в растворе есть капли
53
жира, то смесь продолжить нагревать на водяной бане еще несколько
минут.
К полученной густой жидкости добавить насыщенный раствор
NaCl. Жидкость мутнеет и выделяется слой мыла, всплывающий на
поверхность.
Контроль усвоенных знаний
1. Что общего между липидами и жирами?
2. Сколько жира потребовалось для получения 9,2 т глицерина,
если принять, что жир представляет собой чистый тристеарин и при
нагревании с водой удалось расщепить только 85% жира?
3. Сколько килограммов 60%-ного хозяйственного мыла можно
получить из 1 т жира, содержащего по 40% тристеарина и трипальметина?
4. Рассчитайте количество 25%-ного раствора едкого натра, необходимое для переработки на мыло 3 г олеинового жира. Какой
объем водорода потребуется для гидрирования 1 т этого жира?
5. Какие химические компоненты входят в состав фосфатидов?
6. Приведите схему гидролиза триолеина.
7. Какие триглицериды входят в группу простых, а какие –
смешанных триглицеридов?
8. Из глицерина, пальмитиновой, стеариновой и олеиновой
кислот проведите синтез триглицерида.
9. Выданы пробирки с растительным и машинным маслом. Докажите опытным путем, что в одной из пробирок находится жир
(машинные масла представляют собой смесь углеводородов).
10. Укажите различия в составе твердых и жидких жиров. Какие из них легче окисляются и почему?
11 Биологические пигменты
11.1 Общие сведения о биологических пигментах
Красящие природные вещества (биологические пигменты) –
сложные органические соединения, вырабатываемые живыми организмами и окрашивающие различные животные и растительные
клетки и ткани. Они широко распространены и в химическом отношении крайне многообразны. Большинство из них играет существенную роль в жизни организмов, которыми они продуцируются. Многие биологические пигменты обладают значительной физиологической и антибиотической активностью и часто применяются как лечебные средства.
54
Биологические пигменты – окрашенные вещества, содержащиеся в тканях животных и растений. Химическая природа и биологическая роль пигментов различны.
Обширную группу пигментов составляют хромопротеиды –
сложные белки, содержащие окрашенные простетическае группы.
Важнейшими из них являются окрашенные в красный цвет пигменты
крови – гемоглобины, осуществляющие доставку кислорода от органов дыхания к тканям. Весьма близок к гемоглобину хромопротеид
мышц – миоглобин, обеспечивающий накопление в них резервных
запасов кислорода. В крови и лимфе беспозвоночных , в частности
головоногих моллюсков и ракообразных, присутствуют окрашенные
в темно-голубой или зеленовато-синий цвет гемоцианины, осуществляющих у этих животных функцию, аналогичную функции гемоглобина. В состав простетической группы этих хромопротеидов входит
медь. Кровь некоторых кольчатых червей содержит зеленый пигмент
– хлорокруарин.
Особую группу пигментов животного происхождения составляют желчные пигменты – гетероциклические соединения, образующиеся в печени и селезенке в результате распада гема гемоглобина.
Окраска наружных покровов (кожи, волос и перьев) у животных
обусловлена присутствием меланинов – пигментов темнокоричневого или черного цвета. В состав чешуек крыльев бабочек
входят белые, желтые и красные пигменты, являющиеся производными птерина. Его производным является также окрашенная в желтый цвет фолиевая кислота.
Обширную группу составляют пигменты растительного происхождения. К ним относится зеленый пигмент хлорофилл, принимающий непосредственное участие в осуществлении процессов фотосинтеза. В живом растении он соединен с белками хлоропластов и
окрашивает их в зеленый цвет. Зеленых пигментов в хлоропластах
два: хлорофилл «а» (С55Н72О5N4Mg) и хлорофилл «б»
(С55Н70О6N4Mg). По своей химической природе хлорофилл – сложный эфир. Кроме того, он представляет собой метало-органическое
соединение. В центре молекулы хлорофилла находится Мg, который
может связываться с азотом четырех пиррольных колец. Зеленый
цвет хлорофилла зависит от наличия магния в его молекуле. Связь
Мg с ядром частицы хлорофилла очень непрочна: Мg легко замещается атомом водорода даже при воздействии слабой кислотой. Побурение листьев (при отмирании от мороза или при кипячении в воде
листьев, имеющих кислый клеточный сок) зависит от воздействия на
хлорофилл кислот клеточного сока.
55
Помимо хлорофилла, в растительных тканях присутствуют
многочисленные желтые пигменты, относящиеся к группе каротиноидов: α-, β-, γ- каротины (С40Н56), ксантофилл (С40Н55О2), криптоксантилл и др. Согласно современным представлениям, желтые
пигменты хлоропласта соединены с тем же белком, что и хлорофилл,
Связь пигментов с белком легко нарушается после убивания листа
(растиранием, кипячением, высушиванием). Общее количество пигментов в листе невелико: зеленых 0,3%, желтых 0,015% от сырого веса листьев. Некоторые из них обладают способностью поглощать
энергию солнечного света и передавать ее на хлорофилл.
Каротины имеют важное значение также в связи с тем, что они
являются источником образования в организме витамина А (ретинола) и зрительного пурпура (родопсина). Красные водоросли обязаны
своей окраской пигменту фикоэритрину, который подобно хлорофиллу, активно участвует в фотосинтезе.
К растительным пигментам относятся также антоцианины,
обеспечивающие образование розовой, красной, синей и фиолетовой
окраски цветов и плодов, а также флавоны, окрашивающие растительные ткани в желтые цвета.
11.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Пигменты листа.
Цель: Научиться выделять из природных материалов растительные пигменты.
Знать:
1) классификацию биологических пигментов и их значение для
жизнедеятельности организмов;
2) принципы разделения растительных пигментов в лабораторных условиях.
Уметь:
1) выделять растительные пигменты из сырого и сухого растительного материала;
2) провести лабораторную работу;
3) сделать выводы на основании проведенных опытов.
Вопросы для самостоятельной подготовки к занятию
1. Какие растительные пигменты вы знаете?
2. Какие биологические пигменты находятся в крови человека
и животных?
3. Как влияет на самочувствие человека или животного понижение содержания красных кровяных телец в крови?
56
11.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) проделать лабораторную работу 16 «Качественный анализ
пигментов листа»;
2) сделать выводы по результатам проведенных опытов;
3) подготовиться к защите лабораторной работы.
Лабораторная работа 16 Качественный анализ пигментов
листа
Опыт 1 Получение спиртовой вытяжки пигментов листа
Материалы и оборудование. Сухие или сырые листья различных растений, спирт, фарфоровая ступка с пестиком, ножницы, конические колбы V=50мл, водяная баня, штатив с пробирками, воронки,
фильтровальная бумага.
Ход работы. Для получения вытяжки пигментов листа можно
использовать сухой и сырой материал. Истертые в порошок сухие
листья настаивают на спирте (для ускорения извлечения следует поставить колбочку с извлекаемым материалом в кипящую воду). Темно-зеленый экстракт фильтруют через бумажный сухой фильтр. При
извлечении пигментов из свежего материала листья мелко нарезают
ножницами, помещают в фарфоровую ступку и растирают пестиком с
небольшим количеством спирта. После растирания прибавляют несколько миллилитров спирта и экстракт фильтруют. Темно-зеленый
спиртовой экстракт – сырой хлорофилл, он содержит все пигменты
листа: хлорофиллы «а» и «б», каротин и ксантофилл.
Опыт 2 Разделение пигментов листа (по Краусу)
Материалы и оборудование. Спиртовой экстракт сырого
хлорофилла, полученный в предыдущем опыте, бензин, штатив с
пробирками, пробки для пробирок.
Ход работы. Для разделения пигментов используют разную
растворимость пигментов листа в спирте и бензине. В пробирку
наливают 3-5 мл спиртовой вытяжки, прибавляют несколько большее
по объему количество высококачественного бензина и несколько раз
энергично встряхивают, закрыв пробирку пробкой.
В результате встряхивания происходит разделение пигментов:
в верхний, бензиновый слой перейдут два зеленых пигмента и каротин, а в нижнем, спиртовом слое останется ксантофилл.
Если после встряхивания слои полностью не разделяются,
необходимо прибавить несколько капель воды (осторожно по каплям), чтобы разбавить спирт и обусловить его несмешиваемость с
бензином.
57
Опыт 3 Исследование химических свойств хлорофилла
Материалы и оборудование. Пробирки с разделенными слоями сырого хлорофилла, полученные в предыдущем опыте, сухая щелочь (КОН или NаОН), 20%-ный спиртовой раствор щелочи, бензин,
концентрированный раствор соляной кислоты, кристаллический ацетат меди или цинка, водяная баня.
Ход работы. А. Омыление хлорофилла. По своей химической
природе хлорофилл – сложный эфир, поэтому его можно омылить
щелочью. В пробирку с разделенными слоями экстракта хлорофилла
прибавляют небольшой кристаллик щелочи (КОН или NаОН), закрывают пробкой и энергично взбалтывают до растворения щелочи.
Происходит омыление хлорофилла и разделение слоев. В нижнем, вводно-спиртовом, слое будут ксантофилл и соли хлорофиллиновой кислоты, а в бензиновом, верхнем, останется каротин. Следует
обратить внимание на то, что раствор солей хлорофиллиновой кислоты имеет тоже зеленый цвет. Объясняется это тем, что при омылении
отщепляются спирты (метиловый и фитол) и не затрагивается ядро
молекулы хлорофилла, где находится магний.
Б. Можно произвести омыление и следующим образом. К 3 или
4 мл спиртовой вытяжки хлорофилла приливают 1 мл 20%-ного
спиртового раствора щелочи. Осторожно нагревают до вскипания (23 раза). К охлажденному раствору приливают равный обем бензина и
2-3 мл воды. После встряхивания поучается разделение, обратное
полученному в опыте №2 (по Краусу), т.е. в верхнем, бензиновом,
слое будут неизмененные желтые пигменты (ксантофилл также переходит в бензин вследствие разбавления спирта водой), а в нижнем,
вводно-спиртовом, растворе – продукты омыления хлорофилла (той
же зеленой окраски, что и хлорофилл).
В. Получение феофитина. Для опыта берут в пробирку 3-5 мл
спиртовой вытяжки хлорофилла и прибавляют каплю крепкой соляной кислоты. При взбалтывании цвет раствора меняется из зеленого
на бурый. Под влиянием кислоты от хлорофилла отщепляется Мg, на
место которого становится водород кислоты. В результате реакции
образовался феофитин (бурого цвета) и соль Mg.
Г. Восстановление металло-органической связи в молекуле
хлорофилла. Полученный новый пигмент феофитин может быть
вновь превращен в металло-органическое соединение с восстановлением зеленой окраски. Для этого в побуревший раствор бросают небольшой кристаллик ацетата меди или цинка и нагревают раствор на
кипящей водяной бане. Бурый цвет раствора меняется на ярко-
58
зеленый вследствие образования металло-органического соединения
меди или цинка.
Контроль усвоенных знаний
1. Какова химическая природа хлорофилла?
2. Какова биологическая роль хлорофилла?
3. Какие пигменты присутствуют в хлоропластах листа?
4. Какова биологическая роль гемоглобина?
5. Обсудите возможность лечения анемии введением в рацион
зеленых растений.
6. Может ли влиять на улучшение зрения введение в рацион
моркови?
7. Какие биологические красители использовались для крашения одежды?
8. Какую роль играет ион магния в молекуле хлорофилла?
9. Какую роль играет ион железа в молекуле гема?
10. Сравните эти два биологические пигмента по строению и
свойствам.
12 Физико-химические методы исследования в биохимии
12.1 Общие сведения о современных методах анализа в биохимии
На современном этапе развития биологических наук резко повысилось значение биохимических анализов, в том числе и с применением новейших физико-химических приборов и методик. Знание
этих методов позволяет значительно сократить срок проведения анализов, повысить их точность и воспроизводимость результатов.
Физико-химические методы анализа это условное название
большого числа количественных методов анализа, основанных на
измерении различных физических свойств соединений или простых
веществ с использованием соответствующих приборов.
Фотометрия. Метод количественного анализа, основанный на
измерении интенсивности поглощения или рассеяния веществом светового потока. Поглощение света – это ослабление светового потока
при прохождении через среду вследствие перехода энергии электромагнитного излучения во внутреннюю энергию вещества. Для оптических спектров (электронных, колебательных, вращательных) имеется общий закон поглощения электромагнитного излучения, дающий соотношение между величиной поглощения и количеством поглощающего вещества.
59
Согласно закону, установленному Бугером и Ламбертом, величина потери световой энергии dI в однородной среде пропорциональна толщине слоя dx. Второй закон – закон Бера – гласит, что величина dI пропорциональна числу поглощающих частиц в слое dx,
иными словами, пропорциональна их концентрации.
dI
  E * C * dx или D  E * C * I
I
(1)
Где D –оптическая плотность;
Е – молярный десятичный коэффициент поглощения или коэффициент экстинции;
С – концентрация поглощающих центров (в моль/л);
I - толщина слоя.
Концентрацию определяемого вещества можно рассчитать двумя
способами:
1) используя экстинкцию стандартного раствора с известной
концентрацией определяемого вещества;
2) концентрация исследуемого вещества определяется с помощью калибровочного графика. Для построения калибровочного графика измеряют экстинкции нескольких растворов с известной концентрацией определяемого вещества.
Фотометрические приборы делятся на две большие группы:
фотоэлектроколориметры и спектрофотометры.
В фотоэлектроколориметрах нужные спектральные диапазоны
выделяют при помощи светофильтров – красного, зеленого, синего и
т.д. В спектрофотометрах участки спектра выделяют при помощи
призм или дифракционных решеток, поэтому можно установить любую длину волны в заданном диапазоне.
Последовательность операций при работе на спектрофотометрах и фотометрах различных конструкций несколько различаются, но
имеется общий принцип. Сначала устанавливают нужную длину волны, выбирая светофильтр на фотометре или вращая соответствующую рукоятку на спектрофотометре. Следующий этап – выведение
нуля. Для этого в кюветодержатель устанавливают кювету с контрольным раствором (растворитель или раствор, полученный в результате холостого опыта, т.е. без проведения химической реакции).
Изменяя интенсивность светового потока, выводят показания прибора на величину шкалы, предусмотренную инструкцией (чаще всего –
нуль). После этого устанавливают опытную или стандартную пробу и
по шкале прибора проводят отсчет оптической плотности.
Рефрактометрия – метод измерения показателя преломления
света n (коэффициента рефракции) и основанные на этом методы
60
анализа, исследования строения и превращений веществ. Показатель
преломления n – постоянная величина для данного вещества, равная
отношению синусов угла падения света на поверхность раздела двух
сред и угла преломления света:
n
sin 
sin 
(2)
и независящая от угла падения. Обычно n находят по отношению к
воздуху.
Рефрактометрия до сих пор с успехом применяется для анализа
и исследования веществ, особенно жидкостей, благодаря своей простоте, быстроте и надежности измерения. Используя рефрактометр,
можно очень быстро определить содержание сухих веществ в соке
ягод, корнеплодов, плодов и др. Так как в соке растворены в основном сахара, то этот метод применяется в селекции для оценки сахаристости.
Устройство рефрактометра. Рефрактометр смонтирован на массивном штативе. Основная, наиболее важная часть рефрактометра
состоит из двух призм с небольшим зазором между ними для испытуемого раствора, нижняя призма укреплена неподвижно, а верхняя
может подниматься.
Призмы заключены в полую металлическую оправу, через которую пропускается вода с температурой 20°. Для освещения призм
можно использовать дневной свет или матовую электрическую лампочку. Свет зеркалом направляется в отверстие призмы. Наблюдения
ведут через окуляр. В поле зрения окуляра видна горизонтальная
пунктирная линия или перекрещивающиеся нити и шкала, показывающая коэффициент преломления (слева) и процентное содержание
сухих веществ (справа).
Для получения отчетливого поля зрения прибор устанавливают
так, чтобы прямоугольное отверстие призмы находилось на стороне,
противоположной падению света. Зеркалом отражают падающие лучи в отверстие призмы.
12.2 Лабораторно-практические занятия
Тема: Определение активности амилазы слюны.
Цель: Научится работать на фотоэлектроколориметре.
Знать:
1) принцип колориметрии и правила работы на КФК;
2) правила работы с кюветами для колориметра.
Уметь:
1) правильно пользоваться кюветами для колориметра;
61
2) получить данные для построения калибровочного графика на
примере содержания крахмала.
Вопросы для самостоятельной подготовки студентов
1. Значение физико-химических методов анализа.
2. Физико-химические методы в биохимии.
3. Правила построения калибровочного графика.
4. Принцип подбора светофильтров для колориметрии.
5. Принцип работы рефрактометра.
12.3 Учебно-исследовательская работа студентов на занятии:
1) построить калибровочный график содержания крахмала в
растворе;
2) выполнить лабораторную работу 17 «Физико-химические
методы анализов в биохимии»;
3) сделать выводы по результатам проведенных опытов;
4) подготовиться к защите лабораторной работы.
Лабораторная работа 17 Физико-химические методы анализов в биохимии
Опыт 1 Построение калибровочного графика содержания
крахмала в растворе
Материалы и приборы. Фотоэлектроколориметр КФК-2,
набор кювет, 0,075%-ный раствор крахмала, 0,3%-ный раствор йода
в 0,3%-ном растворе йодистого калия, штатив с пробирками, пипетки, часы.
Ход работы. Для построения калибровочного графика берут
раствор крахмала концентрации 0,075% и готовят несколько проб методом последовательного разведения. Затем берут по 0,6 мл этих растворов крахмала + 0,6 мл 0,3%-ного раствора йода в 0,3%-ном растворе йодистого калия. Определяется оптическая плотность этих
окрашенных растворов. Строится калибровочный график зависимости оптической плотности раствора крахмала от его концентрации.
Опыт 2 Определение активности амилазы
Материалы и приборы. Фотоэлектроколориметр КФК-2,
набор кювет, 0,075%-ный раствор крахмала, 0,3%-ный раствор йода в
0,3%-ном растворе йодистого калия, препарат амилазы слюны, штатив с пробирками, пипетки, часы.
Ход работы. Получение ферментного препарата слюны: ополаскивают рот водой, затем набирают 10-20 мл дистиллированной
62
воды, выдерживают во рту 2-3 минуты и полученный раствор амилазы сливают в стакан. В пробирку наливают по 1 мл водного раствора
амилазы и раствора крахмала концентрации 0,075%. Затем берут
пробы из этой пробирки по 0,6 мл в следующие сроки: сразу после
перемешивания, через 5 и через 10- минут после перемешивания. К
каждой пробе добавляют по 0,6 мл раствора йода в йодистом калии и
с помощью колориметрирования определяют оптическую плотность
раствора, а по калибровочному графику устанавливают количество
непрореагировавшего крахмала. Активность фермента определяют
колориметрически по убыванию окраски и находят начальную скорость реакции.
Опыт 3 Определение белка биуретовым методом
Материалы и приборы. Штатив с пробирками, пипетки на 0,1
и 5 мл, КФК, кюветы на 1 см, биуретовый реактив, стандартный раствор белка (70 г/л), 0,9%-ный раствор NaCl . сыворотка крови.
Принцип метода. Белки в щелочной среде образуют с сернокислой медью соединения сине-фиолетового цвета (биуретовая реакция). Интенсивность окраски пропорциональна концентрации.
Ход работы. В три пробирки внести реактивы согласно схеме.
Таблица 2
Реактивы (мл)
Опытная проба
Сыворотка
0,1
Стандартный рр белка
0,9%-ный
р-р
NaCl
Биуретовый ре2,5
актив
Стандартная
проба
0,1
Контрольная
проба
-
-
0,1
2,5
2,5
Пробы хорошо перемешать, оставить на 15 мин при комнатной
температуре. Колориметрировать опытную и стандартную пробы при
зеленом светофильтре в кювете толщиной 0,5 см против контроля.
Концентрацию белка рассчитать по формуле:
X 
Где
EОП * CСТ
EСТ
(3)
Х – концентрация белка в опытной пробе,
ЕОП – оптическая плотность опытной пробы,
ЕСТ – оптическая плотность стандартной пробы,
63
ССТ – концентрация стандартного раствора белка.
Концентрацию белка можно определить по калибровочному
графику.
Построение калибровочного графика.
Для построения калибровочного графика берут три раствора с
известной концентрацией белка в каждом из них. Их можно приготовить разведением исходного стандартного раствора белка. Затем с
каждым образцом проводят биуретовую реакцию согласно предыдущей методики. Оптическую плотность этих растворов определяют на
КФК. По результатам строят график зависимости оптической плотности от концентрации белка.
Опыт 4 Количественное определение хлорофилла в растениях методом Т.Н.Годнева
Материалы и приборы. Фотоэлектроколориметр КФК-2,
набор кювет, мерная колба V=100 мл, растворы 1%-ный CuSO4◦5H2O
(берут только синие кристаллы), 2%-ный К2Cr2O7, 7%-ный (двунормальный) NH4OH, спирт, фарфоровая ступка с пестиком, штатив с
пробирками, спирт.
Ход работы. Для изготовления стандарта в мерную колбу
V=100 мл точно отмеривают растворы: CuSO4 – 28.5 мл, К2Сr2O7 – 50
мл, NH4OH – 10 мл, доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают.
Приготовленный таким образом раствор колориметрически
эквивалентен раствору кристаллического хлорофилла, содержащего
85 мг в литре. Исследуемый раствор хлорофилла приготовляют, как
описано в лабораторной работе №16, опыт №1. Полученный раствор
колориметрируют на КФК-2. Расчет содержания хлорофилла производится по формуле:
x
100 * r * v
g
(4)
где: x – искомая концентрация хлорофилла в мг на 100 г экстракта,
r – концентрация хлорофилла в мг в 1 мл стандарта,
v – объем экстракта в мл,
g - навеска материала в г.
При вычислении объема надо учитывать, какая часть экстракта
была взята для колориметрирования.
64
Опыт 5 Хроматографическое разделение растительных
пигментов на бумаге
Материалы и приборы. Фарфоровая ступка с пестиком, химический стакан на 250 мл, стеклянная палочка, полосы фильтровальной бумаги размером 4х25 мм, штатив с кольцом, воронка, стеклянный песок, свежие зеленые листья, ацетон 85%-ный водный раствор, мел.
Принцип метода. Метод распределительной хроматографии
смесей, состоящих из нескольких близких по строению и свойствам
веществ, основан на явлении адсорбции. Разделение таких веществ
основано на неодинаковом коэффициенте распределения каждого из
них (коэффициент распределения – это отношение скорости движения веществ к скорости движения растворителя). Каждое вещество,
обладая характерным коэффициентом распределения, продвигаясь
вместе с растворителем через слой адсорбента, адсорбируется на
разной высоте этого слоя – происходит разделение смеси веществ. В
случае хроматографии окрашенных веществ участки их адсорбции
видимые, а в случае бесцветных веществ бумагу после хроматографии обрабатывают специальными реактивами, дающими с исследуемыми веществами цветные комплексы.
Ход работы. Берут 2 г мелко измельченных свежих листьев,
помещают их в фарфоровую ступку и добавляют небольшое количество стеклянного песка и щепотку мела (для нейтрализации органических кислот, находящихся в растительном соке). К полученной
смеси небольшими порциями добавляют 10 мл ацетона, непрерывно
растирая содержимое ступки. Когда в ступке образуется однородная
масса, ее фильтруют через бумажный фильтр в химический стакан. В
отфильтрованный ацетоновый экстракт из листьев опускают на 2-3
мм полосу фильтровальной бумаги, укрепленную при помощи зажима на стеклянной палочке. Полоска бумаги не должна касаться стенок стакана. Спустя 20-30 мин наблюдают зональное разделение разноокрашенных растительных пигментов на полосе фильтровальной
бумаги.
Опыт 6 Определение растворимых сухих веществ (сахара) в
соке растений рефрактометром
Материалы и приборы. Рефрактометр, корнеплоды или плоды, фарфоровая ступка с пестиком, штатив с пробирками и пробки
для пробирок, пипетки, воронки, бумажные фильтры, пробочное
сверло.
65
Ход работы. Для анализа берут пробочным сверлом пробу материала из различных мест каждого объекта (например, корнеплода).
Взятую пробу измельчают, сок отжимают и фильтруют через бумажный складчатый фильтр. Первые капли сока отбрасывают, используя
только прозрачный сок, который держат до определения в закрытых
пробками пробирках.
Когда прибор установлен и отрегулирован ток воды, поддерживающий постоянную температуру в рефрактометре, открывают
верхнюю призму и пипеткой наносят 1-2 капли исследуемой жидкости на поверхность нижней призмы, не касаясь ее. Сразу же опускают верхнюю призму и зеркалом наводят луч света. Большой рычаг с
окуляром осторожно опускают вниз до отказа, затем постепенно
поднимают окуляр кверху до тех пор, пока поле зрения не будет разделено на две части: темную и светлую. Наблюдая в окуляр, устанавливают его на фокус так, чтобы отчетливо видеть пунктирную линию, которая пересекает деления вертикальной шкалы.
После установки четкой границы света и тени и при совпадении ее с пунктирной линией или центром кружка перекрещивающихся нитей отсчитывают по шкале коэффициент преломления и процент сухих веществ.
После определения призмы рефрактометра вытирают сухой
фильтровальной бумагой, затем несколько раз фильтровальной бумагой, смоченной дистиллированной водой, и мягкой тряпочкой.
Для получения более точных результатов определения проводят не менее трех раз, после каждого определения призмы рефрактометра вытирают, как описано выше. Из трех определений берут среднее.
Контроль усвоенных знаний
1. В чем преимущество физико-химических методов анализа?
2. Что такое калибровочный график и как он составляется?
3. Где используется рефрактометрия?
4. Как определить, какой светофильтр на фотоколориметре
наиболее подходит для работы с данным раствором?
5. Как готовится стандартный раствор? Поясните на примере
приготовления раствора Гетри для количественного определения
хлорофилла.
6. На чем основан метод хроматографического разделения смеси веществ?
66
Литература
1. Вальтер О.А., Пиневич Л.М., Варасова Н.Н. Практикум по
физиологии растений с основами биохимии. ─ М.─Ленинград :
Сельхозгиз. 1957. ─ 341 с.
2. Добрынина В.И. Учебник по биологической химии.─ М. :
Гос. издат. медицинской литературы. 1963. ─ 447 с.
3. Дроздов Н.С., Матеранская Н.П. Практикум по биологической химии. ─ М.: Высшая школа. 1970. ─ 256 с.
4. Каррер П. Курс органической химии. ─ Ленинград : Гос. нтехн. издат. химической литературы. 1962. ─ 1216 с.
5. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. ─ М. :
Высшая школа, 2002. ─ 479 с.
6. Краткая химическая энциклопедия в 5 томах под редакцией
акад. Кнунянца И.Л. ─ М. : Советская энциклопедия. 1961.─ Т.1 –
1262 с., т.2 – 1086 с., т.3 ─ 1112 c., т.4 ─ 1182 с., т.5 ─ 1184 с.
7. Ленинджер А. Биохимия. ─ М. : Мир, 1974. ─ 957 с.
8. Некрасов В.В. Руководство к малому практикуму по органической химии.─ М.─ Ленинград : Химия, 1964.─ 387 с.
9. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии в 2 томах. ─ М. : Химия. 1974. ─ т.1 ─ 623 с.
10. Препаративная органическая химия под ред. Вульфсона
Н.С.─ М.─Ленинград : Химия. 1964.─ 907 с.
11.Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. ─ М. : Колос. 1968. ─ 184 с.
12. Проскурина И.К. Биохимия. ─ М. : Владос, 2003. ─ 240 с.
13. Руководство к практическим занятиям по биохимии. Под
ред. Петровой Л.Л., Труфановой Л.В.─ Красноярск : КрасГМА.
2003.─ 311 с.
14. Фердман Д.Л. Биохимия. ─ М. : Высшая школа, 1966. ─ 643
с.
15. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. ─ М. : Высшая школа, 1969.─ 574 с.
67
Содержание
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Введение в химико-биоорганический практикум
Углеводороды
Спирты и фенолы
Альдегиды и кетоны
Карбоновые кислоты и оксикислоты
Аминокислоты. Белки
Ферменты
Витамины
Углеводы
Липиды
Биологические пигменты
Физико-химические методы исследования в биохимии
Литература
68
3
6
11
15
19
23
29
34
41
49
54
59
67