Белки как природные полимеры
Задачи на белки в 10 классе чаще всего строятся на гидролизе пептида. Надо понять, сколько молекул воды уходит на разрыв связей и сколько граммов аминокислоты получится.
Задача 1. Вычисли массу глицина, которая образуется при полном гидролизе 26,4 г глицилглицина.
Уравнение: NH2–CH2–CO–NH–CH2–COOH + H2O → 2NH2–CH2–COOH.
M(глицилглицина) = 2 · 75 − 18 = 132 г/моль: при образовании дипептида ушла одна молекула воды.
n(дипептида) = 26,4 / 132 = 0,2 моль, глицина вдвое больше — 0,4 моль.
m(глицина) = 0,4 · 75 = 30 г.
Ответ: 30 г.
Белок — полимер из остатков α-аминокислот
Белки — природные высокомолекулярные соединения, построенные из остатков α-аминокислот. Мономеров у них 20, и порядок, в котором они стоят в цепи, у каждого белка свой. Остатки соединены пептидной связью –CO–NH–, и саму идею такой связи в 1888 году высказал Александр Данилевский.
Первым белком с полностью известной последовательностью стал инсулин, гормон, который снижает уровень сахара в крови. Фредерик Сенгер разбирал его цепи на фрагменты и к 1955 году установил порядок всех 51 аминокислотного остатка. Нобелевскую премию по химии ему присудили в 1958 году.
Работа у белков в организме разная. Пепсин желудка — фермент, он ускоряет гидролиз других белков пищи. Гемоглобин эритроцитов переносит кислород от лёгких к тканям. Кератин составляет основу волос и ногтей, коллаген держит форму кожи и сухожилий, а антитела связывают чужие белки вирусов и бактерий.
У белка четыре уровня структуры
первичная — последовательность остатков в цепи, её держат пептидные связи;
вторичная — спираль или складчатый слой, их удерживают водородные связи между группами –CO– и –NH–;
третичная — укладка цепи в клубок, или глобулу, с дисульфидными мостиками –S–S– и ионными взаимодействиями;
четвертичная — объединение нескольких цепей, например гемоглобин из четырёх субъединиц.
Первичную структуру держат прочные ковалентные пептидные связи. Остальные уровни в основном стоят на слабых взаимодействиях, прежде всего на водородных связях между витками и участками цепи, и от этой разницы зависит, что случится с белком при нагревании.
Денатурация ломает форму белка, гидролиз рвёт саму цепь
Яичный белок на сковородке из прозрачного становится белым и твёрдым. Это денатурация. При нагревании рвутся водородные и другие слабые связи, разрушаются третичная и вторичная структуры, но пептидные связи остаются целыми, и первичная структура сохраняется.
Денатурацию вызывают ещё кислоты и щёлочи. Соли тяжёлых металлов, например свинца и ртути, осаждают белок необратимо, поэтому они ядовиты. На этом же свойстве основан пример из учебников химии: белки молока и сырого яйца связывают ионы металла ещё в желудке. При отравлении первым делом вызывают скорую, а что давать пострадавшему, решают врачи.
Гидролиз идёт глубже: вода присоединяется по пептидным связям, и белок распадается на аминокислоты. В организме это делают ферменты желудка и кишечника, в лаборатории — кипячение с кислотой или щёлочью. Для пептида из n остатков нужно n − 1 молекул воды.
Задача 2. Определи число пептидных связей в пентапептиде и вычисли массу воды, которая нужна для полного гидролиза 0,1 моль этого пептида.
В цепи из пяти остатков пептидных связей 5 − 1 = 4.
На каждую связь уходит одна молекула воды: n(H2O) = 4 · 0,1 = 0,4 моль.
m(H2O) = 0,4 · 18 = 7,2 г.
Ответ: 4 пептидные связи и 7,2 г воды.
Разобрать тему с учителем
Белки лежат на стыке химии и биологии, и эту тему удобно разбирать с учителем. В «Моей школе LS» химию 10 класса ведут онлайн, в малых группах и на живых уроках.
Белок узнают по двум цветным реакциям
Биуретовая реакция: к раствору белка приливают щёлочь и немного раствора сульфата меди(II), образуется Cu(OH)2, и смесь окрашивается в фиолетовый цвет. Цвет даёт группировка из нескольких пептидных связей подряд. Дипептид этой реакции не даёт, трипептид уже даёт.
Название реакции пришло от биурета. Его получают нагреванием мочевины, и с солями меди в щелочной среде он даёт тот же фиолетовый цвет. Саму мочевину в 1828 году синтезировал Фридрих Вёлер из неорганического цианата аммония.
Ксантопротеиновая реакция: при нагревании с концентрированной азотной кислотой белок становится жёлтым, а после добавления раствора аммиака окраска переходит в оранжевую. Её дают остатки ароматических аминокислот, у которых азотная кислота нитрует бензольное кольцо. Обе реакции на уроке показывает учитель.
Есть и третий признак, совсем простой. Горящий белок пахнет палёными перьями, потому что в нём есть азот и сера.
В задачах на белки путают денатурацию с гидролизом
❌ «При денатурации белок распадается на аминокислоты» → ✅ разрушается пространственная структура, а до аминокислот белок доводит только гидролиз.
❌ «Пептидных связей столько же, сколько остатков» → ✅ в одной цепи их на одну меньше, в пентапептиде четыре.
❌ «Биуретовую реакцию даёт и глицин» → ✅ у отдельной аминокислоты нет пептидных связей, фиолетового цвета не будет.
Задача 3. Вычисли массовую долю азота в трипептиде, построенном из трёх остатков глицина.
M = 3 · 75 − 2 · 18 = 189 г/моль: при соединении трёх молекул ушли две молекулы воды.
Формула трипептида C6H11N3O4, на азот приходится 3 · 14 = 42 г/моль.
w(N) = 42 / 189 = 0,222.
Ответ: 22,2 %.
Оба построены из остатков α-аминокислот, связанных пептидной связью –CO–NH–. Белком называют полипептид, который свёрнут в определённую пространственную структуру и работает в организме, как гемоглобин или инсулин.
В инсулине 51 аминокислотный остаток, собранный в две цепи. В каждой цепи связей на одну меньше, чем остатков, поэтому всего их 51 − 2 = 49.
Это ксантопротеиновая реакция: концентрированная азотная кислота нитрует бензольные кольца в остатках аминокислот белков кожи, и появляется жёлтая окраска. Поэтому с этой кислотой в лаборатории работают только в перчатках и очках.
Оцените урок:
