лабораторная работа. проведение цветных реакций на белки, осаждение белков из биологической среды.

Лабораторная работа № 1.Проведение цветных реакций
на белки,осаждение белков из биологической среды.
Значение цветных реакций состоит в том, что они дают возможность обнаружить
присутствие белка в биологических жидкостях, растворах и установить
аминокислотный состав различных природных белков. Эти реакции
применяются как для качественного, так и для количественного определения
белка и содержащихся в нем аминокислот. Некоторые реакции присущи не
только белкам, но и другим веществам, например, фенол, подобно тирозину,
дает розово-красное окрашивание с реактивом Миллона, поэтому проведения
одной какой-либо реакции для установления наличия белка не достаточно.
Существует два типа цветных реакций: 1) универсальные – биуретовая (на все
белки) и нингидриновая (на все а-аминокислоты и белки); 2) специфические –
только на определенные аминокислоты как в молекуле белка, так и в растворах
отдельных аминокислот, например реакция Фоля (на аминокислоты,
содержащие слабосвязанную серу), реакция Миллона (на тирозин), реакция
Сакагучи (на аргинин) и др.
При проведении цветных реакций на белки и аминокислоты необходимо
предварительно составить следующую таблицу:
Цветные реакции на белки (качественные реакции)
№
Название реакции
1
Биуретовая и т.д.
Применяемые
реактивы
Появление
окрашивания
Что открывает
данная реакция
Выводы …
Цветные реакции на белки Опыт 1. Биуретовая реакция.
Биуретовая реакция – качественная на все без исключения белки, а также
продукты их неполного гидролиза, которые содержат не менее двух пептидных
связей.
Принцип метода. Биуретовая реакция обусловлена присутствием в белках
пептидных связей (- СО – NH -), которые в щелочной среде образуют с
сульфатом меди (ІІ) окрашенные в красно-фиолетовый цвет медные
солеобразные комплексы. Биуретовую реакцию дают также некоторые
небелковые вещества, например биурет (NH2-CO-NH-CO-NH2), оксамид
(NH2CO-CO-NH2), ряд аминокислот (гистидин, серин, треонин, аспарагин).
Биуретовая реакция с глицином
Порядок выполнения работы.
К 1 мл исследуемого 1% раствора белка добавляют равный объем 10 %
раствора гидроксида натрия (NaOH) щелочи и затем 2-3 капли 1 % раствора
сульфата меди (CuSO4). разбавленного, почти бесцветного раствора медного
купороса.
При положительной реакции появляется фиолетовая окраска с красным либо
синим оттенком.
Вывод:
Опыт 2. Реакция на «слабосвязанную серу».
Принцип метода. Это реакция на цистеин и цистин. При щелочном гидролизе
«слабосвязанная сера» в цистеине и цистине достаточно легко отщепляется, в
результате чего образуется сероводород, который, реагируя со щелочью, дает
сульфиды натрия или калия. При добавлении ацетата свинца(II) образуется
осадок сульфида свинца(II) серо-черного цвета.
Порядок выполнения работы.
В пробирку наливают 1 мл неразбавленного куриного белка, прибавляют 2 мл
20%-го раствора гидроксида натрия. Смесь осторожно кипятят (чтобы смесь не
выбросило).
При этом выделяется аммиак, который обнаруживается по посинению влажной
лакмусовой бумажки, поднесенной к отверстию пробирки (не касаться стенки).
Образующийся незначительный осадок растворяется при кипении, а затем
добавляют 0,5 мл раствора ацетата свинца(II). Наблюдается выпадение серочерного осадка сульфида свинца(II):
Химизм реакции:
цистеин
серин
ацетат свинца
плюмбит натрия
черный осадок
В пробирку наливают 1 мл. неразбавленного куриного белка добавляют 2 мл.
концентрированного раствора щелочи, кладут несколько кипятильников. К
горячему раствору добавляют раствор плюмбита натрия – образуется желтобурое или черное окрашивание. (Плюмбит натрия готовят следующим образом:
к 1 мл уксуснокислого свинца добавляют раствор щелочи по каплям до
растворения образующего вначале осадка гидроксида свинца).
При наличии в молекуле белка серосодержащих аминокислот (цистина,
цистеина) из этих аминокислот постепенно отщепляется сера в виде иона в
степени окисления – 2, наличие которого и обнаруживается ионом свинца,
образующим с ионом серы черный нерастворимый сульфид свинца:
P
b(CH3COO)2 + 2NaOH Pb(OH)2 + 2 CH3COONa,
P
N
b(OH)2 + 2NaOH Na2PbO2 + H2O,
a2S + Na2PbO2 + 2H2O PbS + 4NaOH.
Оформление опыта: сделать вывод и написать уравнение реакции.
Опыт 3. Ксантопротеиновая реакция белков.
Принцип метода. Эта реакция используется для обнаружения a-аминокислот,
содержащих ароматические радикалы. Тирозин, триптофан, фенилаланин при
взаимодействии
с
концентрированной
азотной
кислотой
образуют
нитропроизводные, имеющие желтую окраску. В щелочной среде
нитропроизводные этих a-аминокислот дают соли, окрашенные в оранжевый
цвет. Желатин, например, не содержащий ароматических аминокислот, не дает
ксантопротеиновой пробы.
Порядок выполнения работы.
К 1 мл 10 %-го раствора белка куриного яйца добавляют 0,5 мл
концентрированной азотной кислоты. В результате коагуляции белка в
содержимом пробирки образуется белый осадок или помутнение. При
нагревании раствор и осадок окрашиваются в ярко-желтый цвет. При этом
осадок почти полностью растворяется в результате гидролиза. После
охлаждения добавляют 1–2 мл 20%-го раствора гидроксида натрия (до
появления оранжевой окраски раствора).
Рассмотрим механизм ксантопротеиновой реакции по радикалу тирозина:
Рассмотрим механизм ксантопротеиновой реакции по радикалу тирозина:
Химизм реакции:
тирозин
нитропроизводное
тирозина желтого
цвета рН 7,0
хиноидное производное
оранжево-желтого
цвета рН > 7,0
Оформление опыта: сделать вывод и написать уравнение реакции.
Опыт 4. Реакция Адамкевича (на присутствие в белках триптофана).
Принцип метода. Белки, содержащие триптофан, в присутствии глиоксиловой и
серной кислот дают красно-фиолетовое окрашивание. Реакция основана на
способности триптофана взаимодействовать в кислой среде с альдегидами
глиоксиловой кислоты (являющейся примесью к концентрированной уксусной
кислоте) с образованием окрашенных продуктов конденсации. Реакция
протекает по уравнению:
Желатин не дает этой реакции, т.к. он не содержит триптофана. Окраска
возникает за счет реакции триптофана с глиоксиловой кислотой, всегда
присутствующей в уксусной кислоте в виде примеси.
Эту же реакцию на триптофан можно провести, используя вместо уксусной
кислоты формальдегид 2,5%-ный раствор концентрированной H2SO4. Раствор
перемешать и через 2-3 мин. добавить при взбалтывании 10 капель 5%-ного
нитрита натрия. Развивается интенсивно-фиолетовое окрашивание, на этом
основан принцип метода реакции.
Порядок выполнения работы.
В пробирку наливают несколько капель неразбавленного белка и прибавляют 2
мл. ледяной уксусной кислоты и несколько капель глиоксиловой кислоты. Смесь
слегка нагревают до растворения образующегося осадка, охлаждают и, сильно
наклонив пробирку, осторожно по стенке приливают концентрированную H2SO4
так, чтобы обе жидкости не смешивались.
Через 5-10 минут на границе раздела двух слоев наблюдают образование
красно-фиолетового кольца.
Оформление опыта: сделать вывод и написать уравнение реакции.
Опыт 5. Нингидриновая реакция.
Принцип метода. a-Аминокислоты реагируют с нингидрином, образуя синефиолетовый комплекс (пурпур Руэманна), интенсивность окраски которого
пропорциональна количеству аминокислоты. Реакция идет по схеме:
Химизм реакции:
‑аминокислота
нингидрин
альдегид
восстановленная
форма нингидрина
(гидриндантин)
продукт конденсации сине-фиолетового цвета
Реакция с нингидрином используется для визуального обнаружения aаминокислот на хроматограммах (на бумаге, в тонком слое), а также для
колориметрического определения концентрации аминокислот по интенсивности
окраски продукта реакции.
Продукт этой реакции содержит в своем составе радикал (R) исходной
аминокислоты, который обусловливает различную окраску: голубую, красную, и
т.д. соединений, возникающих при реакции аминокислот с нингидрином.
В настоящее время нингидриновая реакция широко используется как для
открытия отдельных аминокислот, так и для определения их количества.
Порядок выполнения работы.
В пробирку наливают 1 мл 1-10%-го разбавленного раствора белка куриного
яйца и 1-2 мл 1%-го раствора нингидрина в ацетоне. Содержимое пробирки
перемешивают и в течение 2-3 мин осторожно нагревают на водяной бане до
появления сине-фиолетового окрашивания, свидетельствующее о присутствии
в белке α-аминокислот.
Оформление опыта: сделать вывод и написать уравнение реакции.
Опыт 6. Реакция Сакагучи.
Принцип метода. Эта реакция на аминокислоту аргинин основана на
взаимодействии аргинина с a-нафтолом в присутствии окислителя. Ее механизм
еще полностью не выяснен. По-видимому, реакция осуществляется по
следующему уравнению:
Поскольку производные хинониминов (в данном случае нафтохинона), у которых
водород иминогруппы –NH– замещен на алкильный или арильный радикал,
всегда окрашены в желто-красные тона, то, по-видимому, оранжево-красный
цвет раствора при проведении реакции Сакагучи объясняется возникновением
именно производного нафтохинонимина. Не исключена, однако, вероятность
образования еще более сложного соединения за счет дальнейшего окисления
оставшихся NH-групп аргининового остатка и бензольного ядра a-нафтола:
Порядок выполнения работы.
К 2 мл. 1%-го разбавленного раствора белка куриного яйца добавляют 2 мл.
10%-го гидроксида натрия (NaOH) и несколько капель 0,2%-ного спиртового
раствора α-нафтола. Содержимое пробирки хорошо перемешивают. Затем
приливают 0,5 мл. гипобромита натрия (NaBrO) или гипохлорита натрия (натрий
хлорноватистокислый – NaOCl), перемешивают. Тотчас появляется красное,
постепенно усиливающееся окрашивание.
Немедленно добавляют 1 мл 40%-го раствора мочевины для стабилизации,
быстро развивающегося оранжево-красного окрашивания.
Эта реакция характерна для соединений, содержащих остаток гуанидина
NH = C –NH2,
NH2
и указывает на присутствие в белковой молекуле аминокислоты-аргинина:
NH = C –NH – (CH2)3 –CH –COOH
NH2 NH2
Оформление опыта: сделать вывод и написать уравнение реакции.
саждения белков
Известно, что белки в растворе сохраняются в природном состоянии за счёт
факторов устойчивости, к которым относятся заряд белковой молекулы и
гидратная (водная) оболочка вокруг нее. Удаление этих факторов приводит к
склеиванию этих молекул белка и выпадению в осадок. Осаждение белков
может быть обратимым и необратимым в зависимости от природы
используемых реактивов.
Обратимое осаждение – при этом процессе под воздействием факторов
осаждения белки выпадают в осадок, но после прекращения действия этих
факторов белки вновь переходят в растворимое состояние и приобретают свои
нативные свойства. Одним из видов обратимого осаждения белков является
высаливание.
Необратимое осаждение белков связано с глубокими нарушениями структуры
белков (вторичной и третичной) и потерей ими нативных свойств. Такие
изменения белков можно вызвать кипячением, действием концентрированных
растворов минеральных и органических кислот, солями тяжелых металлов.
Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных
металлов (наиболее часто в практике используют сульфат натрия и аммония).
Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают
заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией
солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем
меньше требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые
молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном
насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы,
окруженные большой водной оболочкой, – при полном насыщении.
Денатурация белка (необратимое осаждение) сводится к разрушению
третичной и частично вторичной структуры белковой молекулы врезультате
разрыва водородных связей и потере им биологических или нативных свойств.
При необратимых реакциях осаждения белки претерпевают глубокие изменения
и не могут быть растворимы в первоначальном растворителе. К необратимым
реакциям относятся осаждение белка солями тяжелых металлов,
минеральными и органическими кислотами, алкалоидными реактивами и
осаждение при кипячении.
Опыт 1. Высаливание белков сульфатом аммония.
Принцип метода. Высаливание – это добавление к раствору белка нейтральных
солей (Na2SO4, (NH4)2SO4). Механизм высаливания заключается во
взаимодействии анионов (SO42–) и катионов (Na+, NH4+) с зарядами белка
(группы NH4+ и COO–). В результате заряд исчезает, и соответственно, исчезает
взаимоотталкивание молекул. Одновременно резко уменьшается гидратная
оболочка. Все это приводит к «слипанию» молекул и осаждению.
Насыщенным раствором сульфата аммония осаждается альбуминовая фракция
белков, полунасыщенным раствором – глобулиновая фракция.
Сущность реакции заключается в дегидратации молекул белка.
Порядок выполнения работы.
В пробирку наливают 30 капель неразведённого яичного белка и добавляют
равное количество насыщенного раствора сульфата аммония. Содержимое
пробирки перемешивают. При этом осаждается альбуминовая фракция белков.
Получают полунасыщенный раствор сульфата аммония и также смешивают
(1:1) с яичным белком, при этом глобулиновая фракция осаждается, а
альбуминовая остается в растворе. Последнюю отфильтровывают, затем
смешивают с порошком сульфата аммония до тех пор, пока не прекратится
растворение соли, при этом выпадает осадок – альбумины.
К образовавшимся осадкам (глобулинов и альбуминов) добавляют воду и
наблюдают их растворение. Это доказывает, что высаливание – процесс
обратимый.
Оформление опыта: полученные результаты опыта записать в тетрадь и
сделать вывод.
Опыт 2. Высаливание белков хлоридом натрия и сульфатом магния.
Принцип метода. Для высаливания белков из растворов применяются хлорид
натрия, сульфат натрия, ацетат натрия, сульфат магния, ацетат калия, хлорид
кальция, нитрат кальция и сульфат аммония. Некоторые из перечисленных
солей высаливают белки не только при насыщении ими раствора; определенные
белки высаливаются и при достаточно низких концентрациях солей. К таким
солям относится сульфат аммония. Условия, при которых происходит
осаждение сульфатом аммония, настолько характерны для отдельных белков
(за редкими исключениями), что это свойство белков можно сравнить с
растворимостью, характеризующей кристаллические вещества.
Белки состоят из аминокислот и поэтому обладают амфотерными свойствами.
При растворении белков в воде ион водорода,появляющийся в результате
диссоциации карбоксильной группы, присоединяется к аминогруппе. Поэтому
белковые молекулы несут как положительные, так и отрицательные заряды.
Величина заряда определяется количеством ионогенных групп. При
определённом значении рН суммарный электрический заряд молекулы белка
становится равным нулю. Такое значение рН называется изоэлектрической
точкой (рJ). В изоэлектрической точке растворы белков имеют минимальную
устойчивость, поскольку они лишены основного стабилизирующего фактора –
заряда и поэтому легко выпадают в осадок. Определить изоэлектрическую точку
белка можно, определив рН, при котором раствор белка имеет наибольшее
помутнение. У большинства белков изоэлектрическая точка лежит в
слабокислой среде.
Осаждение белков NaCl и MgSO4 - Хлорид натрия и сульфат магния в отличие
от сульфата аммония осаждают глобулины из насыщенного раствора. В
изоэлектрической точке глобулины этими же солями осаждаются при более
низкой концентрации.
Порядок выполнения работы.
В 2 пробирки наливают по 5 мл 1% раствора белка, прибавляют при
перемешивании до полного насыщения (когда часть кристаллов остается
нерастворённой, несмотря на взбалтывание) в одну пробирку тонко
измельченного хлорида натрия, в другую – сульфата магния. Через несколько
минут в двух пробирках появляется осадок глобулинов. Осадки
отфильтровывают и к фильтрату добавляют несколько капель разбавленной
уксусной кислоты (СН3СООН) – в слабокислой среде выпадают альбумины,
поскольку рН раствора альбуминов приблизится к изоэлектрической точке.
В водном растворе белков их частицы являются заряженными и сильно
гидратированными, что обуславливает устойчивость белковых растворов. Но
при высокой концентрации солей, ионы которых тоже сильно гидратированы,
происходит разрушение водных оболочек белковых молекул и снимается заряд
с белковой молекулы адсорбирующимися на ней ионами соли.
В результате этих двух процессов белковые растворы теряют устойчивость,
частицы белка слипаются друг с другом, укрупняются и, наконец, выпадает
осадок.
Оформление опыта: полученные результаты опыта записать в тетрадь и
сделать вывод.
Опыт 3. Свертывание белков при нагревании.
Принцип метода. Выпадение белков в осадок при нагревании характерно почти
для всех белков (исключение составляет желатина, не свёртывающаяся при
нагревании). Особенно легко и более полно происходит осаждение белка в
слабокислой среде, вблизи от изоэлектрической точки. В нейтральной и
сильнокислой средах осаждение белков идёт значительно хуже, а в щелочной
среде вовсе не наблюдается.
В щелочной среде понижается диссоциация белка по радикалам
диаминокислот, молекулы его приобретают отрицательный заряд, вследствие
чего остаются в растворе даже при нагревании до кипения.
Добавление к раствору белка нейтральных солей (NaCl) облегчает и ускоряет
свёртывание
белков
при
кипячении
вследствие
наступающего
дегидратирования белковых частиц.
Порядок выполнения работы.
В 5 пробирок наливают по 2 мл. белка: первую пробирку нагревают, осадок
появляется еще до того, как жидкость закипит. Во вторую пробирку добавляют 1
каплю 1%-ного раствора уксусной кислоты (СН 3СООН) и нагревают.
Хлопьевидный осадок белка выпадает скорее и полнее, чем в первой пробирке
вследствие того, что при подкислении рН раствора приблизится к
изоэлектрической точке белка (заряд белка = 0). В третью пробирку добавляют
0,5 мл. 10%-ной уксусной кислоты (СН3СООН) и нагревают. Осадка не
образуется даже при кипении. В четвертую пробирку добавляют 0,5 мл. 10%-ной
уксусной кислоты (СН3СООН) и несколько капель насыщенного раствора
хлорида натрия и нагревают. Осадок есть. В пятую пробирку добавляют 0,5 мл.
10% раствора щелочи и нагревают. Осадок не образуется даже при кипячении.
Оформление работы.
Результаты опыта и выводы записывают в таблицу.
Форма записи:
№
пробирк
и
Наблюдаемы
е изменения
Среда
1.
Нейтральная
2.
Слабокислая
СН3СООН)
3.
Кислая (10% раствор СН3СООН)
4.
Кислая (10% раствор СН3СООН
+NaCl)
5.
Щелочная (10% раствор NaОН)
(1%
Выводы
раствор
Опыт 4. Осаждение белков солями тяжелых металлов.
Принцип метода. Осаждение белков солями тяжелых металлов в отличие от
высаливания происходит при небольших концентрациях солей. Белки при
взаимодействии с солями тяжелых металлов (свинца, меди, серебра, ртути и
др.) адсорбируют их, образуя солеобразные и комплексные соединения,
растворимые в избытке этих солей (за исключением солей AgNO3, HgCl2), но
нерастворимые в воде. Растворение осадка в избытке солей называется
адсорбционной пептизацией. Данное явление происходит вследствие
возникновения одноименного положительного заряда на частицах белка. Если
при разбавлении осадок не растворяется, значит, реакция практически
необратимая. Ионы металлов, способные образовывать нерастворимые
соединения с белками, для нас являются токсичными.
Таким образом, соли тяжелых металлов: Hg, Ag, Cu, Pb и т.д. вызывают
необратимое осаждение белков, образуя с ними нерастворимые в воде
соединения.
Однако при избытке некоторых солей наблюдается растворение первоначально
образовавшегося осадка. Это связано с накоплением ионов металла на
поверхности денатурированного белка и появлением положительного заряда на
белковой молекуле.
Способность белка прочно связывать ионы тяжелого металла в виде
нерастворимых осадков в воде используется как противоядие при отравлении
солями ртути, меди, свинца и др. Сразу после отравления обычно применяют
белки молока или яиц, пока еще эти соли находятся в желудке и не успели
всосаться. Вслед за дачей белка у больного вызывают рвоту, чтобы удалить яд
из организма.
Положительно заряженные ионы тяжелых металлов (катионы) образуют
прочные связи с отрицательно заряженными карбоксил-анионами R-групп белка
и часто вызывают разрывы ионных связей. Они также снижают электрическую
поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого
находящийся в растворе белок выпадает в осадок.
Порядок выполнения работы.
В 2 пробирки наливают по 1 мл. раствора белка и медленно по каплям при
встряхивании прибавляют в одну 2-3 капли раствора сульфата меди, в другую
ацетата свинца. В обеих пробирках выпадает хлопьевидный осадок вследствие
образования малорастворимого солеобразного соединения голубого (с СuSO4)
и белого (с Pb (СН3СООН)2) цвета.
Оформление опыта: полученные результаты опыта записать в тетрадь и
сделать вывод.