З.Саитов,
С.В.Телешов, Б.Харитонцев,
секция «Юный химик» РХО им. Д.И.Менделеева (г.
Тобольск)
Белки – основа жизнедеятельности любого организма на Земле. Это сложные высокомолекулярные природные соединения. Мономерами белков являются аминокислоты. Умение определять аминокислоты важно и в теоретическом, и в практическом аспекте. Определение аминокислот сопровождается написанием уравнений качественных реакций, что способствует углублению знаний по органической химии. Это умение имеет большое значение при заболеваниях, связанных с ослаблением иммунной системы людей (аллергические заболевания, нарушение функционирования ферментативных систем и т. д.), при которых основную роль играют белки. В данной ситуации необходимо оперативно и грамотно определять аминокислоты (белки).
Мы постарались в этой работе выяснить химизм качественных реакций на аминокислоты, указать роль отдельных ученых, в том числе российских, в исследовании белков, а также:
1) изучить и систематизировать имеющиеся литературные данные по качественным реакциям на белковые аминокислоты, составить базу данных о качественных, в том числе цветных, реакциях на белки;
2) научиться практически осуществлять качественные реакции;
3) выделить качественные реакции на белковые аминокислоты, изучаемые в школьном курсе химии.
Для аминокислот, постоянно встречающихся в составе белков, разработано множество цветных (в том числе именных) реакций. Многие из них высокоспецифичны, что позволяет определять ничтожные количества той или иной аминокислоты.
Надо помнить, что все качественные реакции – это реакции не собственно на белки, а на определенные аминокислоты, входящие в их состав.
Основной структурной единицей белков служат a-аминокислоты. В состав большинства природных белков входит около 20 a-аминокислот.
Общая формула белковых a-аминокислот:
Основным источником a-аминокислот для живого организма являются пищевые белки. Некоторые белковые аминокислоты синтезируются и самим организмом. Их называют заменимыми аминокислотами. Другие a-аминокислоты, необходимые для синтеза белков, синтезироваться в организме не могут и должны поступать только извне. Такие аминокислоты называют незаменимыми.
Все a-аминокислоты, входящие в состав белков, за исключением глицина (аминоуксусная кислота), содержат один или два асимметрических атома углерода и являются оптически активными соединениями. Они существуют в виде пар зеркальных изомеров (энантиомеры, или оптические антиподы), различающихся положением аминогруппы у асимметрического (хирального) атома углерода (он обозначен звездочкой). Расположение аминогруппы справа в проекционной формуле Фишера соответствует D-конфигурации, ее расположение слева – L-конфигурации:
Большинство D-изомеров обладает сладким вкусом, а L-изомеры – горькие или безвкусные.
В состав природных белков входят только L-аминокислоты. a-Аминокислоты D-ряда называют иногда неприродными, т. к. они не используются для построения белков человеческого организма.
a-Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества, растворимые в воде, имеющие сравнительно высокую температуру плавления (200–300 °С). Способность a-аминокислот растворяться в воде является важным фактором в обеспечении их биологического функционирования. С нею связана всасываемость a-аминокислот, их транспорт в организме.
Такие аминокислоты имеют две
ионизируемые группы: карбоксильную (–СООН) и
аминогруппу (–NН2). В твердом состоянии и в
водных растворах при определенных значениях рН
среды a-аминокислоты
существуют в виде биполярных ионов 
(цвиттер-ионы), представляющих собой внутреннюю
соль. В биполярном ионе карбоксильная группа
диссоциирована (–СОО–), а аминогруппа протонирована 
Ионизация
молекул a-аминокислот
зависит от рН раствора:
a-Аминокислоты содержат две различные функциональные группы: амино- и карбоксильную группы. Следовательно, это гетерофункциональные соединения.
Аминогруппа обусловливает основные свойства вещества, а карбоксильная – кислотные, именно поэтому a-аминокислоты являются амфотерными соединениями, т. е. образуют соли как с кислотами, так и со щелочами:
Кроме того, a-аминокислоты могут вступать в другие химические реакции, характерные для амино- и карбоксильных групп.
Описание опыта. К 2 мл 1%-го раствора триптофана приливают ~1 мл концентрированной уксусной кислоты, встряхивают и по стенке пробирки осторожно добавляют ~2 мл концентрированной серной кислоты. На границе двух жидкостей наблюдают образование красно-фиолетового окрашивания. При встряхивании жидкость окрашивается в фиолетовый цвет.
Это реакция определения
первичной аминогруппы в алифатических аминах.
a-Аминокислоты,
содержащие первичную аминогруппу, реагируют с
азотистой кислотой. При этом образуется
неустойчивое диазосоединение, разлагающееся с
выделением свободного азота и образованием a-гидроксикарбоновых
кислот:
Реакция используется для количественного определения аминокислот по объему выделившегося газообразного азота.
Описание опыта. В пробирку наливают 1 мл 1%-го раствора глицина и равный объем 5%-го раствора нитрита натрия. Добавляют 0,5 мл концентрированной уксусной кислоты и осторожно взбалтывают смесь. Наблюдается выделение пузырьков газа:
Описание опыта. Если к 1 мл 5%-го раствора белка в 30%-м растворе едкого калия прибавить одну каплю 1,25%-го раствора формальдегида, 10 мл концентрированной соляной кислоты и через 10 минут прибавить 5–7 капель 0,05%-го раствора нитрита натрия, то появляется фиолетовое окрашивание, обусловленное присутствием в белке триптофана.
Это реакция на аминокислоту тирозин. Реактив Миллона (раствор HgNO3 и Hg(NO2)2 в разбавленной HNO3, содержащей примесь HNO2) взаимодействует с тирозином с образованием ртутной соли нитропроизводного тирозина, окрашенной в розовато-красный цвет:
Описание опыта. К 2 мл концентрированного раствора тирозина прибавляют ~1 мл реактива Миллона, встряхивают и осторожно нагревают пробирки на пламени спиртовки. Образуется красное окрашивание.
Это реакция на аминокислоту триптофан.
Описание опыта. 1 мл 0,005%-го раствора триптофана смешивают с равным объемом глиоксиловой кислоты НС(О)СООН* и к смеси прибавляют 10 капель 0,04 М раствора сульфата меди(II). Затем небольшими порциями (по несколько капель) добавляют 2–3 мл концентрированной серной кислоты, охлаждая пробирку после приливания очередной порции кислоты током холодной воды (или в ванночке со льдом). Полученную смесь оставляют на 10 мин при комнатной температуре, после чего ставят на 5 мин в кипящую водяную баню. Наблюдается образование сине-фиолетового окрашивания.
В этой реакции из глиоксиловой кислоты под действием концентрированной серной кислоты сначала получается формальдегид:
который затем конденсируется с триптофаном:
Продукт конденсации окисляется до бис-2-триптофанилкарбинола, который в присутствии минеральных кислот образует соли, окрашенные в сине-фиолетовый цвет:
Это реакция на аминокислоту метионин.
Описание опыта. К 5 мл 0,02 н. раствора метионина прибавляют при перемешивании сначала 1 мл 14,3 н. раствора гидроксида натрия, а затем 0,3 мл свежеприготовленного 10%-го раствора нитропруссида натрия. Смесь 10 мин нагревают на водяной бане при 35–40 °С, затем в течение 2 мин охлаждают в ледяной воде. К смеси добавляют при помешивании 5 мл смеси соляной и фосфорной кислот. Полученный раствор взбалтывают 1 мин и охлаждают водой комнатной температуры в течение 10 мин. Образуется яркая красно-фиолетовая окраска.
Эта реакция на аминокислоту гистидин основана на взаимодействии гистидина с диазобензолсульфоновой кислотой с образованием соединения вишнево-красного цвета.
Реакцию диазотирования осуществляют при взаимодействии кислого раствора сульфаниловой кислоты с нитритом натрия. При этом образуется диазобензолсульфоновая кислота:
Эта кислота, взаимодействуя с гистидином, дает соединение вишнево-красного цвета:
Описание опыта. В пробирку наливают 1 мл 1%-го раствора сульфаниловой кислоты в 5%-м растворе соляной кислоты. Затем прибавляют 2 мл 0,5%-го раствора нитрита натрия, сильно встряхивают и немедленно приливают 2 мл 0,01%-го раствора гистидина. После перемешивания содержимого пробирки сразу приливают 6 мл 10%-го раствора соды. Появляется интенсивная вишнево-красная окраска.
Окончание следует
*К 2 г порошка магния (слегка увлажненного) прилить при охлаждении 50 мл (заранее охлажденного до 0 °С) насыщенного раствора щавелевой кислоты. Полученный осадок оксалата магния отфильтровывают и декантируют небольшим количеством воды. Фильтрат подкисляют уксусной кислотой и доводят до объема 200 мл (полученный раствор хранить в холодильнике!).
