Опыт № 2. Ксантопротеиновая реакция

Реакция получила название ксантопротеиновой от греческого хаnthos − желтый. Реакция обеспечивает появление желтого окрашивания при попадании концентрированной озотной кислоты на кожу, ногти и т.п. Такую реакцию дают и более простые ароматические соединения, например фенолы. Желатин и др. протеины дают отрицательную реакцию, т. к. в них отсутствуют ароматические аминокислоты.

Таким образом, ксантопротеиновая реакция доказывает присутствие в белковых биополимерах ароматических аминокислот: триптофана, фенилаланина, тирозина:

 

NН₂

СН₂СНСООН

СН₂ − СН − СООН

N

NН₂

Н

Триптофан Фенилаланин

(α -амино-β -индилил- (α -амино-β -фенил-

пропионовая кислота) пропионовая кислота)

 

ОН

 

 

СН₂ − СН − СООН

 

NН₂

Тирозин

(α -амино-β -параокси-

фенилпропионовая кислота)

При обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой появляется желтое окрашивание (нитрование), которое при добавлении щелочи переходит в оранжевое.

Химизм реакции нитрования с образованием нитросоединений следующий:

ОН ОН

2 НNО₃ О₂N NО₂

+

СН₂ – СН – СООН СН₂ – СН – СООН

 

NН₂ NН₂

Тирозин Динитротирозин (желтого цвета)

 

В щелочной среде нитропроизводные аминокислот образуют соли хиноидной структуры, окрашенные в оранжевый цвет.

Задания: 1. Написать уравнение реакции взаимодействия тирозина с концентрированной азотной кислотой.

2. Указать, какие α -аминокислоты будут давать подобную реакцию.

 

Опыт № 3. Реакция на аминокислоты, содержащие слабосвязанную серу (Фоля)

Сульфогидридные группы SH в белке или пептиде подвергаются щелочному гидролизу, в результате которого происходит отщепление серы в виде нерастворимого сульфида свинца, который имеет черный цвет.

 

Реакция протекает по следующим уравнениям:

 

 

2. Рb (СН₃СОО)₂ + 2NаОН Рb (ОН)₂ + 2 СН₃СООNа

3. Рb (ОН)₂ + 2 NаОН Nа₂РbО₂ + 2 Н₂О

4.Nа₂S + Nа₂РbО₂ + 2 Н₂О РbS + 4 Nа(ОН)

плюмбит натрия черный осадок

Метионин (СН₃SСН₂СН₂СН(NH)₂CООН, α -аминометилмеркапто- масляная кислота) хотя и является аминокислотой, содержащей серу, в отличие от цистина, этой реакции не дает, т. к. сера в нем связана прочно.

Порядок выполнения работы

 

В две пробирки наливают по 10 капель раствора ацетата свинца и по каплям в каждую из них прибавляют раствор гидроксида натрия до растворения первоначально образовавшегося осадка. В одну пробирку добавляют небольшой кусочек шкурки без волос (0, 5 см), в другую − немного волос меха. Смеси кипятят 1− 2 мин и наблюдают за изменением их цвета и выпадением черного осадка РdS в пробирке с волосом меха. Сделайте вывод.

То же самое проделайте с кусочком шерстяной ткани светлого тона.

 

Оформление лабораторной работы

 

При проведении цветных реакций на белковые биополимеры и составляющие их аминокислоты необходимо составить следующую таблицу (табл. 3).

Таблица 3

Цветные реакции на белковый биополимер и аминокислоты

Название реакции	Применяемые реактивы	Характеристика окрашивания	Что открывает данная реакция, ее механизм
Биуретовая и т. д.

 

После каждой реакции сделать вывод о ее специфичности для исследуемого вещества в присутствии соответствующих функциональных групп.

Задание. Указать, какие α -аминокислоты в составе белка можно открыть данной качественной реакцией.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение белков и пептидной связи в них.

2. Чем по белковому составу отличается белок шерсти кератин от белка кожи коллагена?

3. Что такое биополимер? Какие известные биополимеры Вы знаете?

4. Что такое денатурация белков? Назовите денатурирующие факторы.

5. Напишите схемы реакций взаимодействия фенилаланина, серина, глицина с сульфатом меди (II) в щелочной среде, этиловым спиртом в кислой среде, формальдегидом.

6. Приведите синтез дипептидов Ала-Гли, Вал-Лей, Иле-Три.

 

ТЕМА 26 БЕЛКИ КОЖИ, ШЕРСТИ И ШЕЛКА

 

Белки (протеины) – высокомолекулярные природные органические соединения, построенные из остатков α -аминокислот, связанных амидными (пептидными) связями соединения.

Белки не устойчивы к различным воздействиям. Различают белок нативный (т. е. содержащийся в живом организме) и измененный белок (в выделенном состоянии).

Независимо от источника происхождения белки содержат С, О, Н, N, незначительное количество S, иногда в их состав входят P, Fe, Cu, J, Zn, Br, Mn, Ca и др.

Обычно М колеблется в пределах от 5000–7000000 у.е. Белки ограничено растворимы в воде.

В состав шкуры входит вода (50–70 %), минеральные вещества (0, 35–0, 50 %), жиры, углеводы, азотсодержащие соединения и белки.

Важнейшими белками являются биополимерные волокнистые белки – коллаген, кератин, эластин, ретикулин. Кроме того в шкуре содержатся глобулярные белки – альбумины, глобулины и сложные белки. Средний белковый состав шкуры, процент от массы сухой дермы (без волосяного кератинового белка): коллаген – 64–80; эластин – 0, 3–1, 0; альбумин – 1, 0–3, 5; глобулин – 1, 0–3, 2; сложные белки – 0, 5–3, 5.

Волокнистый коллаген дермы шкур составляет соединительную ткань. Основные его свойства: сопротивление изменению длины, химическая инертность, при нагревании с водой расщепляется в желатин.

 

Характеристики очищенного коллагена представлена в табл. 4.

 

Таблица 4

Характеристики очищенного коллагена

Показатель	Значение
рН водного экстракта	6, 0–7, 0
Изоэлектрическая точка (рН)	6, 0–7, 5
Содержание золы, %	менее 0, 1
Содержание амидного азота, % от общего количества азота	около 3, 8

 

Элементарный состав коллагена представлен в табл. 5.

Таблица 5

Состав коллагена, %

Атом	Содержание, %
Углерод	50, 2–51, 5
Азот	17, 0–18, 1
Водород	6, 4–6, 5
Кислород	25, 1–26, 1
Сера	0, 1–0, 3

 

Аминокислотный состав коллагена представлен в табл. 6.

Таблица 6

Аминокислотный состав коллагена

Аминокислоты	Содержание г/100 сухого биополимера	Аминокислоты	Содержание г/100 сухого биополимера
Глицин	26, 57	Лизин	3, 96
Аланин	10, 32	Оксилизин	1, 15
Валин	2, 46	Гистидин	0, 7
Лейцин	3, 73	Серин	4, 27
Изолейцин	1, 88	Треонин	2, 26
Пролин	14, 42	Цистин	---
Оксиглорин	12, 83	Метионин	0, 97
Аспарагиновая кислота	6, 95	Фенинлаланин	2, 35
Глутаминовая кислота	11, 16	Тирозин	0, 99
Аргинин	8, 22	Триптофан	---

 

Первичная структура коллагена – полипептидная цепь из 18 α -аминокислот, из них на долю глицина приходится 32, 9 %, доля остальных аминокислотных остатков составляет от 0, 4–13, 3 %.

Все аминокислотные остатки имеют одинаковую протяжность вдоль полипептидной цепи, масса же их значительно различается в связи с различием боковых цепей.

В коллагене имеются четыре структуры возрастающей степени сложности и разных уровней организации. Структуру коллагена подразделяют на первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Коллаген − гидрофильный, ограниченно набухающий, пористый материал. Обводненный − он мягкий. Плотность равна 1, 3–1, 4 г/см³. Изоэлектрическая точка: pH 6–7, 5. Теплоемкость при 20°С равна 1, 34 кДж. При нагревании в воде переходит в клей. Обводненность коллагена до 200 %, а при изоэлектрической точке – 400–1000 %. Коллаген устойчив к растяжению (3, 5 % в сухом состоянии и 7 % во влажном состоянии). Предел прочности 160 МПа. Удлинение в момент разрыва 36–45 %.

Коллаген содержит 50–80 % воды от его массы. Вода гидратационная, связана межмолекулярными силами. Гидроксильные группы коллагена присоединяют до 2–3 молекул воды, карбоксильные – 3–4, аминогруппы – 1–2. Вода набухания составляет 230–350 % от веса сухого коллагена. Фибриллы набухают, укорачиваются.

Температура сваривания ≈ 65 °С. В результате сваривания химический состав коллагена остается прежним, но в структуре происходят изменения − укорачивание пучков фибрилл, обезвоживание, разрыв ММС. Сухой коллаген способен свариваться, т. е. сверхсокращаться (t = 120 °С).

В растворах сильных кислот и щелочей коллаген сильно набухает. Затем идет разрушение поперечных меж- и внутримолекулярных связей, иногда идет деполимеризация. При облучении γ -лучами происходит структурирование коллагена, а затем его деструктурирование.

Эластин – основной белок эластиновых волокон соединительной ткани, его всего ~ 1 % от массы коллагена. Основное его свойство – высокая эластичность. Он состоит из 15 аминокислот, где до 90 % –остатки от неполярных аминокислот (с неполярными боковыми цепями). Структура эластина аморфна. Его высокая эластичность связана с конформацией его цепей и их беспорядочным расположением.

Длинные молекулярные цепи связаны редкими ММС. Поперечных связей очень мало. Эластичность и его стабильность объясняются свертыванием его спиральных цепей путем их стяжения, при этом получается сетчатая структура с низкой степенью упорядоченности.

По свойствам эластин значительно отличается от коллагена. Он устойчив к действию горячей воды, не образует клея, более устойчив к действию кислот, щелочей, ферментов. При длительном (40 час) кипячении в большом количестве 40 %-го раствора мочевины эластин полностью растворяется.

Ретикулин – основная составная часть ретикулиновых волокон, встречающихся в соединительных тканях в виде сетки из очень тонких фибрилл. В шкуре его очень мало.

Ретикулин– аргирофильный белок (окрашивающий серебром). В ретикулине 50 % углеводов и липидов (от 10–20 %). Углеводы представлены глюкозой, галактозой, маннозой и фукозой.

Ретикулин отличается от коллагена, главным образом, количественным остатком. Он содержит меньше азота и больше серы по сравнению с коллагеном. Ретикулин состоит из 20 тех же аминокислот, что и коллаген, но в другом количественном соотношении.

В отличие от эластина ретикулин содержит больше полярных кислот. Он состоит из фибрилл. По строению сходен с коллагеном. Ретикулин очень устойчив к действию горячей воды, растворов кислот и щелочей и некоторых ферментов. Сульфид натрия вызывает значительные изменения в ретикулине.

В шкуре кроме коллагена, эластина, ретикулина содержатся еще глобулярные белки: альбумины – 1–3, 5 %, глобулины – 1–3, 2 % и сложные белки – 0, 5–3, 5 %.

Альбумины содержатся в межволоконном веществе. Состав их мало изучен. Характерная особенность – содержат серу. Они растворимы в воде, при нагревании коагулируют. При отмоке почти полностью удаляются.

Глобулины содержатся там же, где альбумины, они всегда вместе. Состав мало изучен. М ≈ 150000–170000. Глобулины в воде не растворяются, но растворяются в растворах нейтральных солей, слабых растворах кислот и щелочей. При нагревании они осаждаются лучше, чем альбумины. Они удаляются из шкуры еще при их консервировании.

Гликопротеиды экстрагируют полунасыщенным раствором Ca(OH)₂. Комплексы белков с мукополисахаридами – мукоиды входят в состав межволоконного вещества (50–85 % углеводов).

Фосфоропротеиды находятсяв толще шкуры, в подкожной клетчатке, растворимы в слабых щелочах.

Липопротеиды и хромопротеиды входят в состав подкожной клетчатки.

Кератин входит в состав рогов. Отсюда и его название «keras», что по-гречески – «рог». Кератин отличается от других белков содержанием большого количества цистина, а следовательно, серы. Чем меньше в кератине цистина, тем он мягче, его М = 60000–650000.

Кератин содержит в своем составе 20 аминокислотных остатков.

Волокна шерсти обладают фрикционными свойствами. Максимальное трение наблюдается при движении в направлении от корневого к верхушечному концу.

Волокна волос обладают способностью к свойлачиванию. Волокна шерсти можно растянуть при повышении температуры и влажности на 100 % (переход α -формы в β -), а в сухом состоянии – на 30 %.

На прочность сильно влияет длина главных молекулярных цепей. Прочность волокон кератина в мокром состоянии снижается почти пропорционально уменьшению содержания цистина. Прочность сухих волос значительно больше, чем мокрых. Кератин более устойчив к действию кислот, чем щелочей.

Волокна шерсти очень хорошо поглощают воду. Гидратация и набухание происходят внутри волокна. Многие реагенты вызывают разрушение дисульфидных связей: вода, кислоты, щелочи, окислители, восстановители, формальдегид, соли металлов, красители, ферменты.

Волокна шерсти в сухом состоянии более прочны, т. к. вода вызывает набухание и изменение межмолекулярных сил. При сухом нагревании волос менее подвержен изменениям, чем при нагревании в воде. При t°= 120 °в течение 24 часов он сохраняет все свои химические и физические свойства. При t°> 160 °происходит переход от α - в β -форму. При t°= 180–200 °резко снижается прочность.

[ 4, с. 82− 94].