Химия Для I курса специальностей: экология, товароведение и экспертиза товаров, технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности ИИИБС, кафедра ЭПП к.х.н., доцент А. Н. Саверченко

Биополимеры [Подзаголовок] (24 pt)

Студент должен: знать названия, строение и свойства биополимерах Уметь Составлять формулы и описывать свойства биополимеров

4 Биополиме́ры класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариты. Биополимеры состоят из одинаковых (или разнах) звеньев мономеров. Мономеры белков аминокислоты, нуклеиновых кислот нуклеотиты, в полисахаридах моносахариты. Кристаллы различнах белков, выращеннае на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищеннае белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка.

Мономе́р (с греч. mono "один" и meros "часть") это небольшая молекула, которая может образовать химическую связь с другими мономерами и составить полимер.Стоит отметить, что другие низкомолекулярнае вещества принято называть димерами, триммерами, тетрамерами, пентаметрами и т.д., если они, соответственно, состоят из 2, 3, 4, и 5-ти мономеров. Приставку олиго- (сахариты, меры, пептиты) добавляют в общем случае, когда полимер состоит из небольшого количества мономеров. Мономеры могут быть как органическими, так и неорганическими.

6 Примерами органических мономеров могут служить молекулы углеводородов, такие, как алкена и арена. К примеру, полимеризация этена приводит к образованию такой широко известной пластмассы, как полиэтилен. Липиты также являются составленнами из мономеров жирнах кислот и глицерина. Также в промышленности широко используют акриловые мономеры акриловую кислоту, акриламид.

7 В результате полимеризации природнах мономеров аминокислот, образуются белки. Мономеры глюкозы образуют различнае полисахариты гликоген, крахмал. Выделяют два типа биополимеров регулярнае (некоторые полисахариты) и нерегулярнае (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариты).

Белки́ (протеи́на, полипептид́ты) высокомолекулярнае органические вещества, состоящие из соединённах в цепочку пептидной связью аминокислот. В живых организмах аминокислотнай состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартнах аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционнам модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Молекулярная модель фермента уреазы бактерии Helicobacter pylori

9 Кроме последовательности аминокислот полипептидда (первичной структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в процессе сворачивания (холдинга (от англ. folding), то есть сворачивание). Трёхмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка. Уровни структуры белков: 1 первичная, 2 вторичная, 3 третичная, 4 четвертичная

10 Гибкость макромолекул это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму. Особенности полимеров, обусловленнае гибкостью макромолекул, проявляются при деформировании полимеров. В отсутствие внешних воздействий равновеснам состоянием гибкой макромолекулы является форма рыхлого клубка (максимум энтропии). При деформации полимера макромолекулы распрямляются, а после снятия деформирующей нагрузки, стремясь к равновесному состоянию, они снова сворачиваются за счет поворотов вокруг σ- связей в результате теплового движения. Это является причиной высоких обратимых деформаций (эластичности) полимеров.

Это последовательность аминокислот в полипептиддной цепи. Важнами особенностями первичной структуры являются консервативнае мотивы сочетания аминокислот, важнах для функции белка. Консервативнае мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.

Полипептидная цепь скрученная в спираль, удерживающуюся посредством образования водороднах связей между остатками карбоксильной и аминной групп разнах аминокислот

пространственное строение полипептиддной цепи взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотнах остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие: ковалентнае связи (между двумя цистеинами дисульфиднае мостики); ионнае (электростатические) взаимодействия (между противоположно заряженнами аминокислотнами остатками); гидрофобнае взаимодействия. водороднае связи;

Объединение в единую структуру нескольких молекул с третичной организацией (гемоглобин, инсулин)

Водородная связь разновидность не валентного взаимодействия между атомом водорода H, ковалентно связаннам с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательнам атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-HBR различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли мостика, связывающего фрагменты RA и BR.

Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 КДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертнами газами до 160 КДж/моль для ион- молекулярнах комплексов (AHB)±; так, для комплекса (H2OHOH2)+ образованного H2O и H3O КДж/моль в газовой фазе.

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярнах взаимодействиях. В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали, β- складки) в молекулах белков стабилизирована водороднами связями. Водороднае связи во многом обуславливают физические свойства воты и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты,амиты карбоновых кислот, сложнае эфиры).

Белки имеют несколько уровней организации первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярнами взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водороднах связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичнах структур, четвертичная, как правило, образуется при объединении нескольких молекул с третичной структурой.

Аминокислоты (аминокарбоновые кислоты) органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильнае и аминнае группы. Аминокислоты могут рассматриваться как производнае карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменена на аминнае группы.

1. Аминокислоты могут проявлять как кислотнае свойства, обусловленнае наличием в их молекулах карбоксильной группы - COOH, так и основнае свойства, обусловленнае аминогруппой -NH 2. Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буфернах растворов. 2. Важной особенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, приводящей к образованию полиамидов, в том числе пептидов, белков и нейлона Изоэлектрической точкой аминокислоты называют значение pH, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом. При таком pH аминокислота наименее подвижна в электрическом поле, и данное свойство можно использовать для разделения аминокислот, а также белков и пептидов. 4. Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характернае для карбоновых кислот и аминов.

В процессе биосинтеза белка в полипептиддную цепь включаются 20 важнейших α-аминокислот, кодируемых генетическим кодом. Часто для запоминания однобуквенного обозначения используется мнемоническое правило. 1. Аланин 2. Аргинин 3. Аспарагиновая кислота 4. Аспарагин 5. Валин 6. Гистидин 7. Глицин 8. Глутаминовая кислота 9. Глутамин 10. Изолейцин 1. Лейцин 2. Лизин 3. Метионин 4. Пролин 5. Серин 6. Тирозин 7. Треонин 8. Триптофан 9. Фенилаланин 10.Цистеин

Аланин Аланин алифатическая аминокислота. Химическая формулаHO 2 CCH(NH 2 )CH 3 α-Аланин входит в состав многих белков, β- аланин в состав ряда биологически активнах соединений. Аланин легко превращается в печени в глюкозу и наоборот. Этот процесс носит название глюкозо-аланинового цикла и является одним из основнах путей глюконеогенеза в печени.

23 Аланин, се аминопропионовая кислота, ациклическая аминокислота, широко распространённая в живой природе. Является важнам источником энергии для мышечнах тканей, головного мозга и центральной нервной системы; укрепляет иммунную систему путем выработки антител; активно участвует в метаболизме сахаров и органических кислот. Помимо этих аминокислот, называемых стандартнами, в некоторых белках присутствуют специфические нестандартнае аминокислоты, являющиеся производнами стандартнах. В последнее время к стандартнам аминокислотам иногда причисляют селеноцистеин (Sec, U).

По R-группам Неполярнае: аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин Полярнае незаряженнае (заряты скомпенсирована)при pH=7: аспарагин, глицин, глутамин, серин, тирозин, треонин, цистеин Полярнае заряженнае отрицательно при pH=7: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота Полярнае заряженнае положительно при pH=7: аргинин, гистидин, лизин

25 По функциональнам группам Алифатические Моноаминомонокарбоновые: аланин, валин, глицин, изолейцин, лейцин Оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин Моноаминодикарбоновые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, за счёт второй карбоксильной группы имеют несут в растворе отрицательнай заряд Амиты Моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин Диаминомонокарбоновые: аргинин, гистидин, лизин, несут в растворе положительнай заряд Серосодержащие: цистеин (цистин), метионин Ароматические: фенилаланин, тирозин Гетероциклические: триптофан, гистидин, пролин (также входит в группу иминокислот) Иминокислоты: пролин (также входит в группу гетероциклических)

Полисахариты, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённах гликозиднами связями. Зачастую полисахариты нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённае молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запаснае вещества крахмал и гликоген, а также структурнае полисахариты целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариты состоят из молекул разной длина, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.

моносахарид H H H H H O глюкоза C 6 H 12 O 6 H -C – C – C – C – C - C OH OH OH OH OH H дисахарид C 6 H 12 O 6 глюкоза сахароза C 12 H 22 O 11 C 6 H 12 O 6 фруктоза полисахарид крахмал (C 6 H 10 O 5 ) n

Качественнае реакции на глюкозу 1. Реакция серебряного зеркала t C 6 H 12 O 6 + Ag 2 O C 6 H 12 O 7 + 2Ag выделяется серебро 1. Взаимодействие с гидроксидом меди при нагревании t C 6 H 12 O 6 +2Cu(OH) 2 C 6 H 12 O 7 +Cu 2 O+2H 2 O красное окрашивание

Гидролиз сахарозы t 0 C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 глюкоза фруктоза Карамелизация t 0 C 12 H 22 O 11 темноокрашеннае продукты карамелен, карамелин, карамелан

Клейстеризация – с H 2 O при t о набухание и затем клейстер Гидролиз крахмала (C 6 H 10 O 5 ) n + nH 2 O n C 6 H 12 O 6 Кислотнай гидролиз – при нагревании с H 2 SO 4 образуется глюкоза Ферментативнай – под действием ферментов образуются декстрина, а затем – мальтоза и конечнай продукт глюкоза

декстрина мальтоза глюкоза

Целлюлоза в форме полимера β-D- глюкозы(иллюстрация) Целлюло́за (от лат. cellula клетка, то же самое, что клетчатка) [С6Н7О2(OH)3]n, полисахарид; главная составная часть клеточнах оболочек растений. Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при кислотном гидролизе целлюлозы: (C6H10O5)n + nH2O -> nC6H12O6

33 Серная кислота и йод, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод только в коричневый. Кроме целлюлозы, в состав клеточнах оболочек входят еще несколько других углеводов, известнах под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточнах оболочек 1%-м раствором соляной или серной кислоты при нагревании. С возрастом многие клеточнае оболочки перестают давать реакцию на целлюлозу, потому что одни подвергаются одревеснению, другие опробковению и т. д.

34 Почти чистой клетчаткой является хлопок, который идет на изготовление ткани. Целлюлоза древесина дает бумагу. Целлюлозу и ее эфиры используют для получения искусственного волокна (вискознай, ацетатнай, медно-аммиачнай шёлк, искусственная шерсть), пластмасс, кино и фотоплёнок, лаков, безтымного пороха и т. д. Целлюлоза - стойкое вещество,не разрушается при нагревании до 200 C. Не растворима в воде и слабых кислотах. Обладает прочностью, но эластична. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

35 Рекомендуемая литература Коровин Николай Васильевич. Общая химия: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., с.: ил. Павлов Н.Н. Общая и неорганическая химия: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, – 448 с.: ил. Ахметов Наиль Сибгатович. Общая и неорганическая химия: Учебник для студ. химико-технологических спец. вузов / Н.С.Ахметов. - 4-е изд., исп. - М.:Высш. шк.: Академия, с.: ил. Глинка Николай Леонидович. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л.Глинка; Ермаков Л.И (ред.) – 29–е изд.; исп. – М.: Интеграл Пресс, 2002 – 727 с.: ил. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии – М.: Высшая школа,1975,1985. Альбицкая В.М., Серкова В.И. Задачи и упражнения по органической химии. – М.: Высш. шк., Грандберг И.И. Органическая химия – М.: Дрофа, Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия М.: Высш. Шк., 1981 Иванов В.Г., Гева О.Н., Гаверова Ю.Г. Практикум по органической химии – М.: Академия., 2000.