Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Жири. Білки. Вуглеводи

Жири, як ви вже знаєте з курсу хімії 9 класу, є естерами. Вони — продукти реакції естерифікації, що відбувається за участі гліцеролу й вищих карбонових кислот — пальмітинової С15Н31СООН, стеаринової С17Н35СООН, олеїнової С17Н33СООН тощо (мал. 2.4)

Man. 2.4: 1 — фрагмент молекули гліцерилу; 2 — фрагменти трьох молекул вищих карбонових кислот; 3 — жир; 4 — три молекули води

Складниками молекули жиру можуть водночас бути фрагменти різних карбонових кислот. Це впливає на зовнішній вигляд і властивості жирів. Ті з них, що містять залишки насичених кислот, — тверді. До них належать свинячий і баранячий жир, масло какао, пальмоядрове масло тощо (мал. 2.5).

Мал. 2.5. Тверді жири: а — бачить кіт сало, та сили замало (українське прислів’я); б — масло какао — складник шоколаду та косметичних засобів

27 серпня в Україні відзначають День сала. Музей-ресторан «Сало» — перший у світі музей славнозвісного українського продукту — відкрито 2011 року в м. Львові. У ньому експонують різноманітні фігури, виготовлені із сала. Зокрема, Львівська творча студія виготовила найбільше у світі серце із сала, яке «б’ється завжди». Воно 55 см завтовшки та 85 см заввишки. Серце потрапило в «Книгу рекордів України».

Залежно від складу, жири розм’якшуються за різних температур. Жири з коротшими карбоновими ланцюгами, а також ненасичені жири — м’якші.

Довгі гнучкі насичені карбонові ланцюги — причина того, що під час утворення кристалів молекули жирів щільно упаковуються одна відносно одної. У разі ненасичених ланцюгів щільне впакування молекул і кристалізація утруднені. Це легко зрозуміти з малюнка 2.6.

Мал. 2.6. Моделі молекул жирів: насиченого (а) і ненасиченого (б)

Жири рослинного походження здебільшого ненасичені, тому поміж них переважають рідини. Такі жири називають оліями (мал. 2.7).

Мал. 2.7. Олії: а — Оливки — від Бога, а оливкова олія — від Майстра (іспанське прислів’я); б — 3 мішка — на забаву, з пляшки — на приправу (українське прислів’я); в — Хто льон посіє, той пожне здоров’я (українське прислів’я)

Назвіть природні джерела олій, зображених на малюнку 2.7.

Перший в Україні інтерактивний музей історії олії відкрили 2014 року в с. Мачухи Полтавського району Полтавської області. У ньому відвідувачі можуть не лише дізнатися про історію виготовлення олії, а й взяти участь у самому процесі. Олійництво — традиційне господарське заняття українців й українок. Одна з перших згадок про давнє виробництво олії на території сучасної України є в «Патерику» Києво-Печерського монастиря. У Львові в Музеї народної архітектури й побуту імені Климентія Шептицького щовихідних працює олійня, де вам розкажуть про виготовлення олії та продемонструють інструменти, потрібні для цього. Музеї та виставки, присвячені виробництву оливкової олії, є в Італії, у Греції, Ізраїлі.

Фізичні властивості жирів ви добре знаєте не лише з курсу хімії 9 класу, а й з повсякденного життя. Тож схарактеризувати їх зможете самостійно, пояснивши з погляду хімії прислів’я, загадки та уривки повідомлень ЗМІ, наведені далі (зробіть це): «Олію з водою ніколи не погодиш»; «У воді купалася, сухою зосталася. (Це — ...)»; «Правда, як олія: наверх все одно спливає»; «Дуже товстий шар підшкірного жиру в гренландського тюленя надійно захищає його від холоду»; «Запропоновано використовувати рідкий пропан (складіть його молекулярну та повну структурну формули) як розчинник для видалення жирів із сировини рослинного, тваринного або мікробіологічного походження. У такий спосіб у харчовій промисловості можна виробляти жири й знежирені продукти».

Хімічні властивості жирів розгляньмо на прикладі двох реакцій, які тісно пов’язані з повсякденним життям. Ідеться про гідрування та лужний гідроліз жирів. Адже саме на цих перетвореннях ґрунтуються важливі для суспільного господарства виробничі процеси. Які саме?

Реакція гідрування пов’язана з перетворенням рідких жирів (олій) на тверді, які використовують у виробництві харчового маргарину — замінника вершкового масла. Під час гідрування олій відбувається приєднання атомів Гідрогену за місцями подвійних зв’язків у залишках карбонових кислот. Наприклад, для триолеїну гідрування відбувається за підвищеної температури, тиску й участі каталізатора, зазвичай нікелю. Рівняння цієї реакції таке:

Назвіть продукт гідрування триолеїну. Як у рівнянні цієї реакції зазначити умови її перебігу?

Лужний гідроліз жирів, на якому ґрунтується добування мила, відомий із сивої давнини й має велике практичне значення. Реакція відбувається дуже швидко й необоротно, унаслідок чого утворюються гліцерол і відповідні солі вищих карбонових кислот — мила (мал. 2.8).

Мал. 2.8. Мило сіре та миє біло (українське прислів’я)

Складімо рівняння цієї реакції в загальному вигляді:

Складіть рівняння реакції гідролізу трипальмітину, що відбувається за участі калій гідроксиду.

Через зростання чисельності міського населення й розвиток мережі підприємств харчування збільшується обсяг жировмісних відходів, що потрапляють у навколишнє середовище. Під час харчового оброблення жири зазнають термічного розкладання, гідрування, гідролізу, до них потрапляють сторонні частинки тощо. Тож у довкіллі відпрацьовані жири можуть стати причиною забруднення поверхневих водойм, ґрунтів, повітря. Велика кількість їх надходить у систему каналізації під час миття продуктів і посуду. За приблизними оцінками дослідників, заклади громадського харчування України щотижня виробляють понад 250 000 літрів використаної олії та інших жирів. Це, переважно, відпрацьовані фритюри. Сучасні підходи до розв’язування проблеми полягають, зокрема, у використанні механічних жировловлювачів. Відпрацьований жир з ресторанів використовують у кормах для тварин. Чи не найперспективніший напрямок утилізування жирових відходів — вторинна переробка відпрацьованих олій і жирів на автомобільне паливо.

Вуглеводи. Про походження назви цієї величезної групи органічних сполук ви дізналися в 9 класі з курсів хімії та біології. Пригадайте, якісний і кількісний склад більшості вуглеводів описує загальна формула Сm2О)n, де m та n ≥ 3 (проаналізуйте її та поясніть походження назви «вуглеводи»).

Наведіть приклад речовини, яку ви вивчали раніше, що не є вуглеводом, хоча її молекулярна формула відповідає загальній формулі вуглеводів.

Значення вуглеводів можна описати одним містким твердженням: «Це речовини, без яких життя на планеті Земля не було б таким солодким». І не лише тому, що інша назва вуглеводів — цукри. Пригадайте, вуглеводи допомагають нам розв’язати безліч проблем. Вони живлять, одягають, лікують, зігрівають, забезпечують рух, зберігають сталість внутрішнього середовища організму, беруть участь у збереженні й відтворенні спадкової інформації тощо.

Солодкість сахарози прийнято за одиницю. Глюкоза менш солодка (0,7), а фруктоза солодша (1,70). Солодкість мальтози — 0,45, а лактози — 0,22.

Розгляньмо докладніше класифікацію вуглеводів. Як їх класифікують за здатністю до гідролізу, де вуглеводи трапляються в природі та звідки походять їхні назви, ви зможете пояснити самостійно, проаналізувавши схему, наведену на малюнку 2.9 (зробіть це).

Мал. 2.9. Класифікація вуглеводів

1. Визначте, проаналізувавши схему на малюнку 2.9, формула якої з речовин не відповідає загальній формулі вуглеводів. 2. Поясніть походження назв вуглеводів, зазначених на схемі, узявши до уваги, що лат. fructus — плід; saccharum — цукор; lactis — молоко; cellula — клітина; грец. γλυκυς — солодкий, γεννοω — породжую, створюю, χιτων — одяг, шкіра, оболонка; англ. malt — солод; нім. Kraftmehl (Kraft — сила й Mehl — борошно).

Глюкоза в природі трапляється не лише у виноградному соку, а й у соках багатьох інших фруктів і ягід і чи не в усіх рослинних органах зеленого кольору (мал. 2.10).

Це не дивно, адже саме в рослинах відбувається фотосинтез за участі зеленого пігменту хлорофілу:

Перетворіть схему реакції фотосинтезу на хімічне рівняння.

Особливо багаті на глюкозу виноград, черешні, вишні, малина, суниці, сливи, кавуни. З овочів найбільше глюкози містить гарбуз, білокачанна капуста та морква. Бджолиний мед також містить глюкозу.

Мал. 2.10. Природні джерела глюкози на художніх полотнах: а — Адріан ван Утрехт1. Натюрморт з виноградом (1640); б — Джорджо де Кіріко2. Натюрморт з бананами (1932)

Глюкоза — білий солодкий кристалічний порошок без запаху, добре розчинний у воді. Це зумовлено складом і будовою молекули цього моносахариду (мал. 2.11).

Мал. 2.11: а — кристалічна глюкоза та її водний розчин; б — кулестержнева модель молекули глюкози; в — структурна формула глюкози

Проаналізуйте склад і будову молекули глюкози й поясніть, які характеристичні групи зумовлюють солодкий смак і добру розчинність у воді цієї речовини.

Глюкоза реагує з купрум(II) гідроксидом. Добудьмо реакцією обміну купрум(ІІ) гідроксид. Долиймо до купрум(ІІ) гідроксиду (надлишок лугу!) розчин глюкози й ретельно перемішаймо вміст пробірки. Спостерігатимемо утворення прозорого яскраво-синього розчину.

Порівняйте ознаки перебігу цієї реакції з ознаками якісної реакції на гліцерол та інші багатоатомні спирти.

Обережно нагріймо добуту суміш. Спостерігатимемо утворення жовтого осаду купрум(І) гідроксиду, який за подальшого нагрівання перетвориться на цегляно-червоний купрум(І) оксид (мал. 2.12).

1 1599-1652, Голландія.

2 1888-1978, Греція, Італія

Мал. 2.12. Окиснення глюкози купрум(ІІ) гідроксидом

Глюкозу окиснюють до глюконової кислоти:

Перетворіть схему реакції окиснення глюкози купрум(ІІ) гідроксидом на хімічне рівняння.

Глюкозу можна окиснити аргентум(I) оксидом. У скляну, чисто вимиту круглодонну колбу з водним розчином глюкози доллємо амоніачний розчин аргентум(І) оксиду й зануримо колбу в посудину з окропом. У результаті перебігу реакції на стінках колби утвориться тонкий осад срібла (мал. 2.13):

Мал. 2.13. 1. Реакція «срібного дзеркала»: блискучий результат! 2. Магія виготовлення ялинкових прикрас ґрунтується на хімічному перетворенні

У 1946 році на Київщині відкрито Клавдіївську фабрику ялинкових прикрас.

І дотепер на ній зі скляних трубок уручну видувають легкі й тонкі кулі, які вручну сріблять зсередини й упродовж доби висушують. За день майстер або майстриня сріблять близько 2 000 куль. Шар срібла на стінках куль надає їм міцності та глянсового блиску. Потім кулі фарбують ззовні в різні кольори й, нарешті, розписують.

Для глюкози характерна також реакція відновлення, зокрема воднем. Реакція відбувається за участі альдегідної групи, її продуктом є шестиатомний спирт сорбіт:

Спиртове бродіння глюкози пов’язане з ростом і розмноженням мікроскопічних дріжджових грибів. Схема реакції така:

Перетворіть схему реакції спиртового бродіння глюкози на хімічне рівняння, назвіть продукти реакції.

Є й інші різновиди бродіння глюкози. Наприклад, молочнокисле. Воно відбувається за схемою:

Квашення капусти, виробництво молочнокислих продуктів, виготовлення силосу ґрунтуються на молочнокислому бродінні (мал. 2.14).

Перетворіть схему реакції молочнокислого бродіння глюкози на хімічне рівняння. Якого кольору набуде універсальний індикаторний папірець у розсолі квашеної капусти? Обґрунтуйте свою відповідь теоретично й наведіть факти з власного досвіду на її підтвердження.

Мал. 2.14. Квашення є найдавнішим способом консервування овочевих продуктів для приготування сезонних запасів (здебільшого на зиму), який найчастіше використували в XIX столітті

Глюкоза — один із продуктів гідролізу сахарози. Тому розгляньмо цей дисахарид докладніше.

Дисахариди — вуглеводи складу С12Н22О11, які внаслідок кислотного гідролізу розкладаються на дві молекули моносахаридів. Дисахариди легко розчиняються у воді, добре кристалізуються, солодкі на смак. Найпоширеніші дисахариди: сахароза, лактоза, мальтоза. Дисахариди — цінні харчові й смакові речовини; деякі з них застосовують у мікробіології та фармації.

Сахароза — С12Н22О11 — речовина, добре відома вам у побуті як цукор.

З огляду на це та вивчене в 9 класі, ви зможете самостійно схарактеризувати фізичні властивості сахарози (зробіть це, скориставшись малюнком 2.15).

Мал. 2.15. 1. Розмаїтий цукор... білий... коричневий (Ідеться про чисту речовину чи суміш? Чому?). 2. Кристали сахарози під мікроскопом (Вони атомні, йонні чи молекулярні?). 3. Цукровий сироп — дуже концентрований водний розчин сахарози

Танхуа — китайське «карамелеве» народне мистецтво, що полягає в створенні плоских фігурок з гарячого рідкого цукру (мал. 2.16)

Мал. 2.16. Їстівна краса

Чим зумовлені солодкий смак сахарози та її добра розчинність у воді? Відповісти на це запитання ви зможете, визначивши, які характеристичні групи є в молекулі цієї сполуки. Для цього проаналізуйте склад і будову молекули сахарози (мал. 2.17.1) та порівняйте зі складом і будовою молекули гліцеролу (мал. 2.17.2).

Мал. 2.17. Моделі молекул сахарози (1) та гліцеролу (2)

Спрогнозуйте, чи реагуватиме сахароза зі свіжодобутим купрум(ІІ) гідроксидом. Які зовнішні ефекти мають супроводжувати перебіг імовірної реакції? Обґрунтуйте свою думку.

Гідроліз сахарози відбувається внаслідок кип’ятіння її розчину з кількома краплями хлоридної або сульфатної кислоти (які йони каталізують цю реакцію?), продукти реакції — глюкоза та її ізомер — фруктоза (складіть рівняння цієї реакції, використавши молекулярні формули вуглеводнів).

Поміркуйте й поясніть, за допомогою яких хімічних реакцій можна довести, що одним із продуктів гідролізу сахарози є глюкоза. Опишіть зовнішні ефекти цих реакцій.

Лактоза — молочний цукор, що міститься в молоці й молочних продуктах (мал. 2.18).

Мал. 2.18. 1. Мадонна Літта.1 «Як рідної навчивсь ти мови, Її красу і силу звідки взяв? Від неньки рідної ще з молоком всмоктав...»2. 2. Набіл (молочні продукти) — природне джерело лактози. 3. Модель молекули лактози

Лактоза не гігроскопічна. Вона не бере участі в спиртовому бродінні, однак під дією молочнокислих бактерій зазнає гідролізу з наступним зброджуванням його продуктів у молочну кислоту. Лактозу широко використовують у харчовій промисловості, зокрема, для виготовлення дитячого харчування, молочних консервів, десертів, згущеного молока; у кондитерському виробництві — для виготовлення цукерок, желе, бісквітів, джемів, гіркого шоколаду, мармеладу, печива, різної глазурі тощо. Також її застосовують у хлібопекарському виробництві та виробництві м’ясо-ковбасних виробів (збільшує стійкість забарвлення продукту); вона є складником багатьох харчових ароматизаторів і підсилювачів смаку. Лактозу застосовують у виготовленні дієтичних продуктів для спортсменів та хворих на цукровий діабет. У фармацевтичній промисловості молочний цукор є сполучною речовиною й наповнювачем таблеток, його використовують для виготовлення сиропоподібних і жувальних форм лікарських засобів, він сприяє стабілізуванню вітамінних композицій. У тваринництві лактозу застосовують у виробництві кормів для сільськогосподарських тварин.

1 Леонардо да Вінчі, видатний художник, архітектор, науковець, дослідник, винахідник, анатоміст й інженер, одна з найвизначніших постатей італійського Відродження (1452-1519).

2 Адам Міцкевич, поет (1798-1855, Польща).

У певної частини дорослого населення й зрідка в дітей — у травній системі трапляється нестача ферменту, необхідного для розщеплення лактози, що стає причиною непереносимості молока. Унаслідок того, що без ферменту лактоза не розщеплюється й не всмоктується в кишечнику, виникають неприємні симптоми — здуття й біль у животі, розлад шлунка тощо.

Мальтоза — солодовий цукор. Він міститься в слині, соку підшлункової залози, кишковому соку, м’язах, печінці й крові. Мальтоза є в пророслих зернах ячменю, жита та інших зернових, томатах, пилку й нектарі рослин, меді, мікроорганізмах (мал. 2.19).

Мал. 2.19. 1. Пророслі зерна ячменю містять мальтозу. 2. Мальтоза — білий порошок або безбарвні кристали молекулярної будови. 3. Модель молекули мальтози

Мальтоза добре розчинна у воді, має солодкий смак (поміркуйте чому). Мальтозу використовують для пришвидшеного приготування квасу, домашнього пива, винокуріння, як смакову добавку в тісто під час випікання хліба. Також — для виготовлення продуктів дитячого, дієтичного та спортивного харчування, поживних середовищ у мікробіології (мал. 2.20).

Мал. 2.20. Застосування мальтози

Мальтоза є складником патоки. Вона — джерело енергії для організму. Мальтозу легко засвоює організм людини. Якщо в слизовій оболонці кишечника людини бракує ферменту мальтази, виникає важке захворювання — уроджена непереносимість мальтози, що потребує виключення з раціону мальтози, крохмалю та глікогену або добавляння до їжі ферменту мальтази.

Крохмаль, целюлоза, глікоген — полісахариди. Це — природні високомолекулярні сполуки, утворені залишками глюкози. Загальна формула полісахаридів (С6Н10О5)n. Багато чого про них ви вже знаєте (поясніть звідки). Щоб актуалізувати ці знання, проаналізуйте інформацію, наведену в таблиці 2.3, і доповніть її з огляду на знання, здобуті з хімії та з біології раніше.

Табл. 2.3. Порівняльна характеристика крохмалю й целюлози

Пригадайте, що таке ефект Тіндаля1, та поясніть, як за допомогою лазерної указки можна довести, що з гарячою водою крохмаль утворює колоїдний, а не істинний розчин.

Природні джерела крохмалю й целюлози, харчові продукти, у яких вони є, ви легко зможете назвати самостійно, розглянувши зображення картин (мал. 2.21).

Мал. 2.21. 1. Катерина Білокур2. Снідання (1950). 2. Гаврило Глюк3. Лісоруби (1954)

1 Джон Тіндаль, 1820-1893, Велика Британія.

2 Білокур Катерина Василівна (07.12.1900-10.06.1961) — українська майстриня народного декоративного малярства, представниця «наївного мистецтва». Увійшла до переліку найвідоміших жінок давньої та сучасної України.

3 Гаврило Мартинович Глюк (19.05.1912-02.10.1983) — український маляр. Заслужений діяч мистецтв УРСР від 1963 року.

Кінцевим продуктом кислотного гідролізу як крохмалю, так і целюлози є глюкоза (складіть, використавши молекулярні формули цих вуглеводів, рівняння відповідних реакцій; поясніть, як хімічним шляхом довести, що продуктом гідролізу є глюкоза). Гідроліз крохмалю використовують у виробництві багатьох харчових продуктів. Можливий і частковий гідроліз крохмалю з утворенням менш складних полісахаридів — декстринів — складників клеїв для паперу, шпалер тощо. Модифіковані крохмалі добувають хімічним обробленням природного крохмалю, зокрема естерифікацією, а також біосинтезом. Унаслідок зміни складу й структури полімерні молекули набувають нових властивостей, які й зумовлюють широке застосування модифікованих крохмалів.

Кислотний гідроліз целюлози використовують у виробництві етанолу.

Як саме? Продукт гідролізу целюлози (яка його формула?) піддають спиртовому бродінню. Естерифікацією целюлози добувають ацетатне волокно, целофан, целулоїд, піроксилін (бездимний порох) тощо.

Поміркуйте й поясніть, які характеристичні групи в молекулах крохмалю й целюлози беруть участь у реакціях естерифікації.

Крохмаль — кінцевий продукт фотосинтезу, саме на нього перетворюється глюкоза:

nC6H12O6 —> (C6H10O5)n + nH2O

Добування целюлози біосинтезом є однією з новітніх технологій. Біосинтез інших речовин відомий досить давно. Зокрема, біосинтез поза організмами широко застосовують як спосіб (іноді єдино можливий) промислового виробництва біологічно важливих речовин — вітамінів, деяких гормонів, антибіотиків, амінокислот, білків тощо.

В Університеті штату Техас у США виведено штам ціанобактерій, які продукують целюлозу. Як джерело енергії вони використовують сонячне світло. Добуту целюлозу переробляють на етанол та інші види біопалива. Бактерії можуть бути вирощені без використання сільськогосподарських земель, за допомогою солоної води, непридатної для споживання людьми та поливання рослин.

Глікоген — тваринний крохмаль, основний запасний вуглевод тварин і людини — трапляється також у деяких бактерій, дріжджів і грибів. Особливо високий його вміст у печінці (3-5 %) і м’язах (0,4-2 %). Молекула глікогену має розгалужену будову, середня довжина нерозгалуженого ланцюга — 10-14 залишків глюкози. Глікоген — білий аморфний порошок. На відміну від крохмалю не дає синього забарвлення з розчином йоду. Глікоген утворює в організмі енергетичний резерв, який може бути швидко мобілізований за необхідності компенсувати раптову нестачу глюкози.

У процесі травлення під дією амілаз відбувається гідроліз глікогену, що міститься в їжі. Процес починається в ротовій порожнині й закінчується в тонкому кишечнику (за pH 7-8) з утворенням декстринів, потім мальтози й глюкози. У кров надходить глюкоза, надлишок якої включається в синтез глікогену, який відкладається в тканинах. Важливу роль у підтриманні постійного рівня цукру в крові відіграє печінка, де надлишок глюкози перетворюється на глікоген або навпаки, якщо рівень глюкози в крові знизився. Інші органи запасають глікоген лише для власного споживання.

Амінокислотами називають органічні сполуки, які містять як карбоксильні групи (—СООН), так й аміногрупи (—NH2). Саме ці характеристичні групи зумовлюють фізичні властивості та різноманітні хімічні реакції за участі амінокислот.

У молекулах амінокислот відбувається обмін катіоном Гідрогену (протоном): він відщеплюється від карбоксильної групи й утворює ковалентний зв’язок з атомом Нітрогену аміногрупи. При цьому атом Нітрогену надає в спільне користування неподілену електронну пару, а атом Гідрогену — вільну електронну орбіталь (мал. 2.22).

Мал. 2.22. Схема утворення внутрішньої солі амінокислоти: аміногрупа (1), до якої приєднався протон (2), що відщепився від карбоксильної групи (4); замісник (3). Атом Карбону головного ланцюга в α-положенні (сполучений з атомом Карбону карбоксильної групи). З фрагментів двадцяти α-амінокислот утворені білки.

Номенклатура амінокислот проста та зрозуміла. Тож ви самостійно зможете опанувати цю премудрість, проаналізувавши наведені на малюнку 2.23 приклади (зробіть це).

Мал. 2.23. Амінокислоти: 1 — 3-аміно пропанова кислота; 2 — 4-амінобутанова кислота; 3 — 3-аміно-2-метилбутанова кислота

Складіть структурну формулу 3-аміно-2,3-диметилбутанової кислоти.

Тривіальні назви амінокислот переважно походять від назв об’єктів, з яких їх уперше виділено. Наприклад, аспарагін (від лат. asparagus — спаржа) добуто із соку спаржі, цистеїн і цистин (від грец. κυστις — сечовий міхур) — з каменів сечового міхура, глутамін (від нім. das Gluten — клейковина) — з клейковини пшениці, серин (від лат. sericum — шовк) — з шовку, тирозин (від грец. торг — сир) — із сиру. Інші назви пов’язані з методами виділення. Наприклад, аргінін (від лат. argentum — срібло) уперше добуто у вигляді солі Аргентуму, триптофан виділено внаслідок розщеплення білка ферментом трипсином. Валін назвали як похідну валеріанової кислоти, треонін структурно пов’язаний з моносахаридом треозою.

Фізичні властивості амінокислот багато в чому зумовлені утворенням внутрішньої солі. Усі амінокислоти є йонними кристалічними речовинами та мають досить високі температури плавлення. Нейтральна реакція розчинів амінокислот, їхня висока розчинність у воді й низька — в органічних розчинниках — також підтверджують солеподібну природу цих сполук.

Хімічні властивості амінокислот розгляньмо на прикладі гліцину — α-аміноетанової (2-аміноетанової) кислоти — найпростішої з-поміж амінокислот (мал. 2.24).

Мал. 2.24: 1 — кулестержневі моделі молекули гліцину і його внутрішньої солі; 2 — 2-аміноетанова кислота — безбарвні, солодкі на смак, розчинні у воді й малорозчинні в етанолі кристали

Поміркуйте й поясніть, чому 2-аміноетанова кислота має значно вищу температуру плавлення (233 °С) порівняно з етановою (16,75 °С).

У 1820 році хімік Анрі Браконно (1780-1855, Франція) проводив кислотний гідроліз хрящів і сухожиль. Він тривалий час кип’ятив їх у водному розчині кислоти. Після завершення процесу науковець нейтралізував надлишок катіонів Гідрогену в розчині й відфільтрував його. Через брак часу Браконно лише за місяць повернувся до дослідження вмісту колби. У ній він виявив безбарвні зернисті кристали із солодким смаком. Нову речовину хімік назвав глікоколом, що означає «клейовий цукор» (грец. γλυκυς — солодкий, а κολλά — клей). Пізніше Йєнс Якоб Берцеліус (1779-1848, Швеція) назвав цю сполуку гліцином. 1838 року якісний склад гліцину дослідив хімік Герріт Ян Мульдер (1802-1880, Голландія). Він виявив у цій речовині Нітроген, тож її не можна було назвати вуглеводом. Шість років потому співробітник Юстуса Лібіха (1803-1873, Німеччина) Ебен Нортон Хорсфорд (1818-1893, США) визначив кількісний склад гліцину, тобто його молекулярну формулу.

Аміно- та карбоксильна групи за хімічною природою протилежні. Карбоксильна група — кислотна, аміногрупа — основна. Тому 2-аміноетанова кислота — амфотерна органічна сполука, бо виявляє властивості як карбонових кислот, так і основ. Її водний розчин не діє на індикатори (за малюнком 2.24.1 поясніть чому). Наприклад, її реакції з лугами відбуваються за участі карбоксильної групи, а з кислотами — за участі аміногрупи.

Складіть рівняння реакцій гліцину з: а) натрій гідроксидом; б)хлоридною кислотою.

Взаємодія аміно- й карбоксильної груп можлива не лише в одній молекулі, а й між функціональними групами, які належать різним молекулам. Ця реакція дуже важлива, її продукти — білки — основа життя на нашій планеті, тож розгляньмо цей процес докладніше.

Утворення пептидів схематично зображено на малюнку 2.25.

Мал. 2.25. Унаслідок реакції між 2-аміноетановою (1) та 2-амінопропановою кислотою (2) утворюється дипептид (3) і молекула води (4). Ця реакція оборотна: унаслідок повного гідролізу пептидів утворюються амінокислоти. Пептидний зв’язок (5) між атомами Карбону й Нітрогену пептидної групи —CO—ΝΗ—

В утвореному дипептиді, так само як у молекулах амінокислот, є аміно- й карбоксильна групи. Це означає, що можлива подальша взаємодія з молекулами амінокислот, унаслідок чого поліпептидний ланцюг ростиме. Фрагменти молекул амінокислот, що утворюють поліпептидний ланцюг, називають амінокислотними залишками, групу атомів —СО—ΝΗ— називають пептидною (амідною), а зв’язок між атомами Карбону й Нітрогену в ній — пептидним (амідним). За допомогою пептидного зв’язку з амінокислотних залишків побудовані молекули білків. Про ці речовини докладніше буде далі.

Застосування амінокислот зумовлене комплексом їхніх властивостей.

Наприклад, 2-аміноетанова кислота потрібна для нормального функціонування центральної нервової системи. Гліцин є складником лікарських засобів, які призначають недужим, щоб зменшити психоемоційне напруження, поліпшити настрій, зняти стрес, нормалізувати сон, захистити від токсичної дії психотропних препаратів тощо (мал. 2.26). Однак потрібно пам’ятати, що передозування гліцину спричиняє протилежний ефект. Тому доцільність його вживання, як і для будь-яких інших лікарських засобів, визначає фахівець.

Мал. 2.26. Лікарські засоби із гліцином

Чому білки? Назва «білки» походить від відомого з давніх-давен яєчного білка (лат. albumen), який унаслідок нагрівання перетворюється на білу нерозчинну масу. Згідно з описами Плінія Старшого, уже в Стародавньому Римі яєчний білок застосовували як лікувальний засіб. Однак справжня історія білкових речовин розпочалася тоді, коли з’явилися перші відомості про хімічні властивості білків. Найважливіша з-поміж них — здатність до гідролізу.

Гідроліз білків — реакція, за допомогою якої з них добуто амінокислоти. Ви звичайно, пам’ятаєте, що саме в такий спосіб відкрито й найпростішу з них — аміноетанову. Унаслідок гідролізу руйнуються пептидні зв’язки між амінокислотними залишками. Тобто реакція гідролізу білків обернена до реакції їхнього утворення з амінокислот. Виявлення амінокислот у продуктах гідролізу білків мало вирішальне значення для розуміння хімічної природи білкових біополімерів.

Склад і будову білків науковці намагалися визначити чи не із XVII століття Крок за кроком просувалися вони до мети — створення теорії будови білка. Зокрема, думку про амінокислотний склад білків висловлював Іван Якович Горбачевський (1854-1942, Україна, Австрійська імперія). Він одним з перших виділив у чистому вигляді амінокислоти й показав, що вони є «будівельними цеглинками» білків. Зрештою в 1902 році Еміль Фішер (1852-1919, Німеччина) сформулював пептидну гіпотезу, згідно з якою білки побудовані з амінокислотних залишків, з’єднаних пептидними зв’язками. Він висловив припущення, що амінокислоти, які утворюються внаслідок гідролізу білків, є для них найпростішим «будівельним матеріалом». Науковець експериментально довів, що амінокислоти сполучаються між собою в результаті взаємодії карбоксильних й аміногруп з виділенням води та утворенням поліпептидів. Він започаткував синтез поліпептидів і добув білкову речовину з відносною молекулярною масою 1213 — першу синтетичну сполуку, подібну до найпростіших білків. Отже, пептидну гіпотезу повністю підтверджено аналізом білків і синтезом їх з амінокислот. Тож подальше вивчення будови білків дістало міцне теоретичне підґрунтя.

Рівні організації білкової молекули — її первинна, вторинна, третинна й четвертинна структури (мал. 2.27).

Мал. 2.27. Рівні організації білкової молекули: первинна (1), вторинна (2), третинна (3) й четвертинна (4) структури. Задля зручності амінокислотні залишки в поліпептидному ланцюзі позначають однією або трьома латинськими літерами, наприклад, залишок аміноетанової кислоти позначають G або Gly (поясніть чому)

Цю класифікацію запропонував у 1952 році біохімік Кай Ульрик Ліндерштрем-Ланг (1896-1959, Данія). Вона актуальна й дотепер, оскільки відбиває реальні стадії формування просторової будови білків. Тому розгляньмо її докладніше. В організмах амінокислотний склад білків визначено генетичним кодом. З двадцяти α-амінокислот (у їхніх молекулах карбоксильна й аміногрупа сполучені з тим самим атомом Карбону, як, наприклад, у гліцині) утворюються поліпептидні ланцюги найрізноманітнішого складу й будови. Кількість амінокислотних залишків у молекулах певних білків різна. Наприклад, в інсуліні їх 51, у міоглобіні — близько 140. Тому й відносна молекулярна маса білків коливається в дуже широких межах. Наприклад, в інсуліну вона становить близько 6500, а в білка вірусу грипу — 320 000 000.

Первинна структура — послідовність амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі. Виявлено, що певна комбінація залишків амінокислот зумовлює специфічні функції білка в організмі. Тож за первинною структурою можна передбачити функції невідомого білка. Або, навпаки, синтезувати білкову речовину з потрібними функціями. Первинна структура білка виникає внаслідок утворення пептидних зв’язків між амінокислотними залишками.

Вторинна структура — місцеве впорядкування фрагмента поліпептидного ланцюга внаслідок утворення водневих зв’язків (мал. 2.28).

Мал. 2.28. Вторинна структура білка зумовлена утворенням водневих зв’язків: 1 — α-спіраль — типовий елемент вторинної структури білків, що має форму правозакрученої спіралі, у якій кожна аміногрупа (—NH2) у каркасі утворює водневий зв’язок з карбонільною групою (—С=О) амінокислоти, що розташована на чотири амінокислотні залишки попереду; 2 — β-лист — типовий елемент вторинної структури білків. Він складається зі сполучених трьома або більшою кількістю поперечними водневими зв’язками β-ланцюгів, що утворюють зазвичай завитий складчастий шар

Якщо полярні групи фрагментів первинної структури віддалені одна від одної, то утворюються складчасті шари з кількох зигзагуватих поліпептидних ланцюгів. Якщо ж полярні групи фрагментів первинної структури розташовані близько, утворюється так звана α-спіраль, один виток якої містить чотири амінокислотні залишки.

Уперше таку структуру виявив Лайнус Полінг (1901-1994, США) під час вивчення методом рентгеноструктурного аналізу головного білка волосся й вовни — α-кератину. Також можливе утворення клубка біополімеру іншої форми.

Третинна структура — просторова будова поліпептидного ланцюга, зумовлена взаємним розташуванням елементів вторинної структури. Третинна структура стабілізована насамперед ковалентними зв’язками, які виникають унаслідок взаємодії між характеристичними групами різної хімічної природи. Неабияку роль у виникненні й підтриманні третинної структури відіграють електростатичні сили притягання й відштовхування та водневі зв’язки.

Четвертинна структура зумовлена взаємним розташуванням кількох поліпептидних ланцюгів у складі єдиного білкового комплексу. Гемоглобін — перший білок, у якого виявлено четвертинну структуру. Четвертинна структура гемоглобіну складається із чотирьох макромолекул. Вони утворюють надмолекулярну структуру сферичної форми. Її функція — транспортування кисню в організмах.

Чи розчинні білки? Це залежить від їхньої будови: саме просторова структура білка визначає його властивості й біологічні функції. У молекулах глобулярних білків поліпептидні ланцюги згорнуті в щільні кулясті структури — глобули. До глобулярних білків належать ферменти, антитіла, деякі гормони тощо. Чимало глобулярних білків — водорозчинні, зокрема альбуміни — прості глобулярні білки, які містяться в яєчному білку, сироватці крові, молоці й насінинах рослин.

Білки, що входять до складу покривних тканин й утворень, — фібрилярні (мал. 2.29). Вони погано розчинні або нерозчинні у воді. Це білки м’язових тканин, шкірних покривів, волосся, рогових покривів, вовни й пір’я тощо.

Мал. 2.29: 1 — комп’ютерна модель молекули колагену — фібрилярного білка, який зумовлює пружність шкіри; 2 — скульптура Юліана Фосс-Андре «Синергія» у вигляді фрагмента молекули колагену на території Центру інтегративних досліджень протеоміки Ратгерського університету в штаті Нью-Джерсі, США

Осадження білків відбувається під впливом різноманітних органічних і неорганічних речовин: етанолу, солей, концентрованих кислот. Аби пересвідчитися в цьому, виконаймо досліди.

У пробірки з водним розчином альбуміну добавимо насичені водні розчини натрій хлориду й магній сульфату. Унаслідок цього зруйнується гідратна оболонка частинок білка й утворюється осад, який знову можна розчинити у воді. Важливо, що за такого осадження й розчинення властивості білків відновлюються, вони не втрачають, наприклад, ферментативної активності. У такий спосіб очищають білки, щоб добути їх у кристалічному вигляді.

Органічні розчинники, наприклад етанол, також спричиняють дегідратацію білкових макромолекул, руйнують їхні водні оболонки. Осадження білків спиртом оборотне, якщо процес відбувався без нагрівання й уплив реагенту був короткочасним. Тривалий контакт білка зі спиртом призводить до необоротного осадження — денатурації.

Денатурація білка пов’язана з глибокими внутрішньомолекулярними змінами його будови, руйнуванням четвертинної, третинної та вторинної структур. Це призводить до втрати білком розчинності, біологічної активності тощо (мал. 2.30).

Мал. 2.30. Необоротну денатурацію яєчного білка зображено на картині раннього періоду (1618) творчості маляра Дієго Веласкеса (1599-1660, Іспанія). Літня жінка готує яєчню

Деякі чинники, які зумовлюють денатурацію білків, наведено в таблиці 2.4.

Таблиця 2.4. Чинники, що зумовлюють денатурацію білків

Чинники, які зумовлюють денатурацію білків

Хімічні

Фізичні

Концентровані кислоти й луги.

Високі температури.

Сполуки важких металічних елементів.

Ультрафіолетове, рентгенівське

Органічні розчинники.

й радіоактивне опромінення

Отрути рослинного й тваринного походження.

Механічний вплив (наприклад,

Сечовина у високих концентраціях

вібрація)

Наприклад, денатурація білків відбувається в сильнокислому середовищі шлунка. Це сприяє ферментативному розщепленню білків під час перетравлювання їжі. Хімічні опіки шкіри й слизових оболонок також зумовлені денатурацією білків під впливом їдких речовин. Термічні опіки — приклад денатурації білків за високої температури. Денатурацію білків застосовують для лікування отруєння сполуками важких металічних елементів: Купруму, Плюмбуму тощо. Хворому дають молоко або сирі яйця. Токсичні сполуки денатурують білки молока або яєць й поглинаються їхньою поверхнею.

Чи оборотна денатурація? У пробірці (in vitro) денатурація, найчастіше, — необоротний процес. Якщо ж денатурований білок помістити в умови, близькі до природних, то він може відновити свої властивості, але дуже повільно (таке явище властиве не всім білкам).

Кольорові реакції білків застосовують для виявлення цих сполук поміж інших органічних речовин. Виконаймо досліди, аби пересвідчитися в цьому. У пробірку внесімо по п’ять крапель розчинів білка та нітратної кислоти. Нагріймо добутий білий осад до появи жовтого забарвлення. Це — ознака перебігу ксантопротеїнової реакції (мал. 2.31.1). Для проведення біуретової реакції в пробірку внесімо п’ять крапель розчину білка, добавмо дві краплі розчину купрум(ІІ) сульфату. Далі добавлятимемо розчин натрій гідроксиду до утворення фіолетового розчину (мал. 2.31.2).

Мал. 2.31: 1 — ксантопротеїнова реакція; 2 — біуретова реакція

Біологічна роль білків дуже важлива. Білки — невідокремні складники всіх організмів. Вони беруть участь чи не в кожному внутрішньому процесі клітини. Білки — важлива частина харчування людини й тварин, оскільки їхні організми не можуть синтезувати всі необхідні амінокислоти й частина з них надходить із білковою їжею. Під час травлення ферменти руйнують спожиті білки до амінокислот, які організм використовує для біосинтезу властивих йому білків або для одержання енергії. Чимало біологічно активних сполук є речовинами білкової природи.

Чому нуклеїнові? Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК) — речовини, які зберігають усю інформацію про певний організм та ознаки, що визначають його ріст і розвиток, а також спадкові ознаки, передавані наступному поколінню. Їхні молекули є в ядрах клітин усіх рослинних і тваринних організмів, звідси й походить назва (лат. nucleus — ядро). ДНК у 1869 році відкрив Йоганн Фрідріх Мішер (1844—1895, Німеччина). Спочатку він назвав нову речовину нуклеїном, а коли виявив у неї кислотні властивості — нуклеїновою кислотою. Розгляньмо ці сполуки докладніше.

Склад і будова ДНК й РНК мають низку спільних ознак. Полімерний ланцюг нуклеїнових кислот складається з фрагментів — нуклеотидів. До складу нуклеотиду (мал. 2.32) входять залишки ортофосфатної кислоти H3PO4, моносахаридів — рибози або дезоксирибози та азотистих основ. У молекулі дезоксирибози, на відміну від рибози, замість гідроксильної групи — атом Гідрогену.

Мал. 2.32. Структурні формули дезоксирибози (1) та рибози (2). Складниками нуклеотиду (6) є залишки ортофосфатної кислоти (3), азотистої основи (4), дезоксирибози (5)

Ідея гідролізного розщеплення нуклеїнових кислот належить Івану Яковичу Горбачевському (1854—1942, Україна, Австрійська імперія). Значення його досліджень можна повною мірою оцінити лише тепер, коли ґрунтовне всеохоплююче вивчення подвійної спіралі життя впритул наблизило людство до розкриття таємниць механізму відтворення й утілення генетичної інформації на молекулярному рівні.

Полімерний ланцюг ДНК має досить складну будову. Нуклеотиди в ньому сполучені між собою ковалентними зв’язками в довгі полінуклеотидні структури. Здебільшого ДНК організмів складається з двох полінуклеотидних ланцюгів. Вони закручені один навколо одного у вигляді подвійної спіралі, стабілізованої водневими зв’язками. Ці зв’язки виникають між парами азотистих основ, які належать різним ланцюгам і наче «доповнюють» одна одну, утворюючи так звані комплементарні пари (від лат. complinienium — доповнення). У цих парах залишок аденіну завжди сполучений водневим зв’язком із залишком тиміну, а залишок цитозину — із залишком гуаніну: А—Т і Г—Ц (мал. 2.33).

Мал. 2.33. Масштабні моделі азотистих основ. Залишки аденіну (1), гуаніну (2), тиміну (3), цитозину (4) найчастіше трапляються в структурі ДНК. У РНК на місці залишку тиміну розташований залишок урацилу (5), у якому замість метильної групи —СН3 міститься атом Гідрогену

У природі спіраль ДНК, найчастіше, закручена вправо.

Зображення спіралі ДНК відтворено в архітектурних спорудах (мал. 2.34).

Мал. 2.34. Скульптури у вигляді молекули ДНК: 1 — на головних сходах адміністративної будівлі Коледжу біологічних наук Каліфорнійського університету в Девісі; 2 — пам’ятник лабораторній миші в центрі біологічного кварталу новосибірського Академмістечка (РФ); 3 — міст Подвійної спіралі (англ. Helix Bridge) — пішохідний міст у Сінгапурі через затоку Марина-Бей. У поверхню мосту вмонтовано різнокольорові світильники, підписані літерами А, Т, G, С, які символізують нуклеотиди

Між ДНК і РНК є три основні відмінності:

  • ДНК містить залишок дезоксирибози, РНК — рибози;
  • ДНК містить залишок тиміну, РНК — урацилу;
  • ДНК існує у формі подвійної спіралі, що складається з двох окремих молекул, а молекули РНК в середньому набагато коротші й переважно одноланцюгові.

Біологічна роль нуклеїнових кислот надзвичайно важлива. Адже одна з головних їхніх функцій — участь у синтезі білків. У процесі життєдіяльності білки постійно витрачаються й тому мають регулярно відтворюватися за участі нуклеїнових кислот. Увесь синтез білкової молекули, що містить сотні амінокислотних залишків, триває в організмі близько хвилини. Основне завдання молекул ДНК — зберігати інформацію про білки й надавати її в той момент, коли починається їхній синтез. Цим зумовлена підвищена хімічна стійкість ДНК порівняно з РНК. Природа подбала про те, аби зберегти основну інформацію недоторканою.

Перші дослідження нуклеїнових кислот проведено в другій половині XIX століття, а в середині XX століття стало зрозумілим, що в ДНК зашифрована вся інформація про організм. Виявлення структури подвійної спіралі ДНК визнано найбільшим науковим досягненням минулого століття (мал. 2.35).

Мал. 2.35. Структуру подвійної спіралі ДНК запропонували Френсіс Крік (1) і Джеймс Уотсон (2) у 1953 році на основі рентгеноструктурних даних, здобутих Морісом Уілкінсом (3). Цю наукову працю відзначено Нобелівською премією з фізіології або медицини (1962)

Мал. 2.36. Розалінд Елсі Франклін (1920—1958) — британська біофізикиня й кристалографиня, зробила важливий унесок в розуміння структури ДНК, вірусів, вугілля й графіту. Відома своїми працями з отримання зображень дифракцією рентгенівських променів на ДНК. Зроблені нею рентгенограми стали підґрунтям для висновків про структуру ДНК, зроблених Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком. Пізніше керувала дослідженнями вірусу тютюнової мозаїки та вірусу поліомієліту.

У середині 70-х років XX століття створено методики розшифровування структури нуклеїнових кислот і розроблено способи їхнього спрямованого синтезу. І дотепер ця галузь науки стрімко розвивається задля забезпечення потреб людства в новітніх матеріалах і технологіях. Клонування, генетично модифіковані організми, ідентифікація особи чи встановлення батьківства за допомогою ДНК — ці явища вже перейшли з розряду сенсаційних до буденних подій.

Нові й нові повідомлення ЗМІ свідчать про перспективність досліджень, пов’язаних з ДНК: «Нанотехнології одержали новий потужний інструмент дослідження й прототипування наноструктур — можливість за допомогою ланцюгів ДНК направити самозбирання наночастинок золота в тривимірну структуру. Відкриття буде використано у наноелектроніці, фотоніці тощо», «Науковці перетворили бактерії у нанофабрики — вони змусили їх за допомогою вірусу виробляти наноструктури з ДНК, що може привести до розвитку нового напряму в нанотехнології», «Створення ДНК-інсектицидів — новий напрямок у захисті рослин». Однак варто пам’ятати й про етичні проблеми, які виникають під час проведення таких досліджень і використання їхніх результатів, аби не набути досвіду примноження скорботи через примноження знання.