Первый Московский Государственный Медицинский

Университет им. И. М. Сеченова

Лечебный факультет

Кафедра общей химии

ОБУЧАЮЩАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕТРАДЬ

ПО КУРСУ ХИМИИ БИОПОЛИМЕРОВ

СТУДЕНТА __________ ГРУППЫ

______________________ФАКУЛЬТЕТА

__________________________________ОТДЕЛЕНИЯ

__________________________________________________

Учебный год

Настоящая лабораторная тетрадь по курсу химии биополимеров предназначена для самостоятельной работы студентов лечебноги педиатрического факультетов, выполняющих практические и теоретические задания на лабораторных занятиях. Темы занятий включают лабораторные работы, выполнение и оформление которых студенты проводят самостоятельно. Это дает возможность студентам закрепить пройденный материал и подготовиться к беседе с преподавателем, который должен оценить правильность полученных результатов и выводов. Данная лабораторная тетрадь соответствует учебному плану и включает материал интегрированного курса химии в соответствии с программой лечебного и педиатрического факультетов.

Под редакцией академика РАО, профессора В. А. Попкова

Москва, 2013.

АТТЕСТАЦИОННЫЙ ЛИСТ

Подпись

Преподавателя

Баллы за защиту 1го модуля_____________________________________

Баллы за защиту 2го модуля_____________________________________

Баллы за защиту 3-4 модуля_____________________________________

Баллы за итоговую работу_______________________________________

Баллы за лабораторный журнал____________________________________

Баллы за лекционный конспект____________________________________

Баллы за домашнее задание__________________________________________

ОБЩАЯ СУММА БАЛЛОВ_________________________________________

ЗАЧЕТ____________________________________________________________

Первый Московский Государственный Медицинский - student2.ru
Тема: Строение и структура биополимеров.

Способы получения, специфические свойства (семинар).

Дата:_________

Занятие № 1

Классификация биополимеров (белки, полисахариды, нуклеиновыекислоты). Способы получения (реакции полимеризации и поликонденсации). Структура макромолекул (линейные, плоскостные, пространственные). Специфические свойства: молекулярная масса, асимметричность, гибкость, эластичность.

Цель работы:усовершенствовать знания о принципах строения биополимеров и показать влияние состава и химической природы компонентов макромолекул на их физико-химические свойства.

Целевые задачи:в результате изучения данной темыиметь представление:

- о биологической роли ВМС и их применение в медицине;

- о гибкости, эластичности, и асимметрии биополимеров;

- о методах определения молекулярных масс ВМС.

Знать:

1. Классификацию и способы получения биополимеров.

2. Факторы, влияющие на гибкость и эластичность.

3. Структуру биополимеров и характер связей в их молекулах.

Сущность работы:разобрать классификацию биополимеров; на конкретных примерах рассмотреть структуру белков, полисахаридов, нуклеотидов; изучить способы получения биополимеров и их специфические свойства.

Блок информации:

ПОЛИМЕР-

МОНОМЕР-

СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ-

Задание №1.

Заполнить данную таблицу:

Классификация полимеров.

состав	природа	структура

неорганическиеполимеры:

органические полимеры:

искусственные полимеры:

синтетические полимеры:

Линейные макромолекулы-

Плоские макромолекулы–

Пространственные(3-х мерные)-

* Биополимеры - это высокомолекулярные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность живых систем.

Задание 2

На конкретных примерах приведите способы получения биополимеров:

1.Реакция полимеризации:

2.Реакция поликонденсации:

Задание № 3.

Приведите структурные формулы фрагментов:


полипептидной цепи	полинуклеотидной цепи

гликозидной связи

Задание №4

Приведите структурные формулы гетероциклических оснований:


тимина	аденина	гуанина

цитозина	урацила

Задание № 5.

Приведите схематично четыре морфологические организации белковых структур:


первичная структура	вторичнаяструктура

третичная структура	четвертичная структура

Специфические свойства биополимеров:

Высокая молекулярная масса-

Асимметричное строение-

коэффициент асимметрии:

3. Гибкость макромолекул –

4. Эластичность-

Домашнее задание:

1. Приведите строение любого трипептида и назовите его

2. Приведите строение фрагментов следующих полисахаридов:

Крахмала
Гликогена

3. Приведите фрагмент полинуклеотида с пуриновым основанием, укажите сложноэфирные и гликозидные связи, назовите его:

4.Охарактеризуйте природу связей между отдельными звеньями в макромолекулах полисахаридов

5. Напишите структуру гексапептида: глицил-тирозил-валил-лизил-треонил-лейцин. Сколько в нем пептидных связей?

Полинуклеодиды

Классификация по составу

Белки

Полисахариды

Биополимеры

Первичная

Поликонденсация

Методы получения

полимеризация

Структура биополимера

Полипептидная цепь

Полинуклеотидная цепь

Цепь циклическихполуацеталей

Вторичная

спираль

линейная

разветвленная

Третичная

Двойная или тройная спираль

глобулярная

Складчатая стержнеобразная

Четвертичная

Несколько глобул объединяются в одну крупную частицу

Силы Ван-дер-Вальса

Типы взаимодействия

Водородные связи

Ионные связи

Дисульфидные связи

СХЕМА 1

Дата: _________

Занятие № 2

Целевые задачи:в результате изучения данной темы иметь представление:

- о биологических функциях полисахаридов и их роли в жизнедеятельности;

- об особенностях физико-химических свойств полисахаридов ;

- о классификации полисахаридов.

Знать:

1. Особенности строения гомополисахаридов: крахмала (амилазы, амилопектина), гликогена, целлюлозы, хитина.

2. Особенности строения гетерополисахаридов: гепарина, гиалуроновой кислоты, агар-агара.

3. Химические свойства полисахаридов, обусловленные их строением.

Сущность работы:дать определение полисахаридам,разобрать классификацию полисахаридов,на примерах крахмала и целлюлозы рассмотреть структуру полисахаридов; изучить специфические свойства полисахаридов.

Блок информации( по указанию преподавателя):

ПОЛИСАХАРИДЫ-

ГОМОПОЛИСАХАРИДЫ –

ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ-

ОБРАЗОВАНИЕ ГЛИКОЗИДНЫХ СВЯЗЕЙ:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

Качественные реакции на полисахариды, Гидролиз полисахаридов.

Цель работы:изучить основные свойства полисахаридов, обусловленные их строением.

Сущность работы:провести реакции, характеризующие свойства крахмала и целлюлозы.

Опыт 1. Цветная реакция на крахмал:

Характерной реакцией на крахмал служит реакция с раствором йода в йодиде калия ( иод-крахмальная реакция).

Реактивы: крахмал 1%-ный раствор, раствор Люголя (J₂ + КJ); (в 100 мл воды растворено 20 г йодида калия и 10 г йода).

Ход работы. В пробирку помещают 1 – 2 мл раствора крахмала, приливают одну каплю раствора Люголя; отмечают окраску раствора, затем нагревают и охлаждают.

Опишите наблюдения	______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Опыт 2. Гидролиз крахмала:

Реактивы: крахмал (1%-ный раствор), соляная кислота (конц.), раствор Люголя, лакмус, 10%-ный раствор гидроксида натрия, раствор Фелинга.

Ход работы: в пробирку наливают 5 мл 1 %-го раствора крахмала и 6 капель концентрированной соляной кислоты. Перемешивают и кипятят на пламени горелки. Через 1-2 мин после кипения берут несколько капель раствора пипеткой и приливают в пробирку, в которой находится 6 мл дистиллированной воды, сюда же приливают 2 капли раствора Люголя. Отмечают полученное окрашивание. Пробирку с остатками крахмала кипятят еще 1-2 мин и снова проводят такую же пробу с раствором йода в йодиде калия. Отмечают полученное окрашивание. Затем кипятят еще 4 мин и проводят пробу с реактивом Люголя, после чего должно получиться желтое окрашивание. Это значит, что крахмал расщепился до глюкозы. Гидролизованный раствор крахмала нейтрализуют с помощью лакмуса раствором гидроксида натрия, добавляют реактив Фелинга и нагревают.

Опишите наблюдения	______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Напишите уравнения реакций	______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Опыт 3. Гидролиз целлюлозы:

Ход работы: в пробирку помещают кусочек ваты, заливают его крепким раствором серной кислоты (72 %-ный). После полного растворения (приблизительно через 15 – 20 мин) раствор осторожно разводят водой в 10 – 15 раз и кипятят. После окончания гидролиза нейтрализуют крепким раствором щелочи до сильно-щелочной реакции (по лакмусу) и по каплям добавляют СuSО₄.

Опишите наблюдения

Напишите уравнения реакций

Выводы:

1опыт. 2опыт. 3опыт..

Домашнее задание.

1. Напишите структурные фрагменты:


амилозы	амилопектина

целлюлозы	хондроитин-4-сульфата

Гиалуроновой кислоты	гепарина

2. Перечислите полисахариды, которые входят в состав соединительных тканей:

3. Напишите вещества, которые можно отнести к:

Гомополисахаридам
Гетерополисахаридам
Олигосахаридам

АМИНОКИСЛОТЫ-

Классификации аминокислот :

Стереоизомерияальфа-аминокислот:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

Качественные реакции на аминокислоты.

Цель работы:изучить основные свойства аминокислот, обусловленные их строением и наличием функциональных групп.

Сущность работы:провести опыты, указывающие на различное строение аминокислот.

Занятие № 4.

Целевые задачи:в результате изучения данной темы иметь представление:

- о биологических функциях белков и их роли в жизнедеятельности;

- об особенностях строения и их физико-химических свойств;

Знать:

1. Особенности строения и общую характеристику белков.

2. Классификацию и общие свойства белков.

3.Аминокислотный состав пептидов и белков.Особенности строения белков.

Сущность работы:дать определение белкам,разобрать их классификацию,остановиться на синтезе пептидов,их номенклатуре и специфических особенностях структурно-пространственной организации, типы связей стабилизирующих структуры белка (электростатическое взаимодействие,водородная связь, гидрофобные взаимодействия неполярных групп, диполь-дипольные взаимодействия, дисульфидные связи).

Блок информации( по указанию преподавателя):

Белки –

Денатурация-

Ренатурация –

Лабораторная работа.

Качественная реакция на пептидную связь.

Количественное определение белка.

Цель работы:изучить свойства белков, обусловленные их строением.

Сущность работы:провести опыты, подтверждающие наличие пептидной связи, определить содержание белка в исследуемом растворе.

Реактивы:растворы яичного белка разной концентрации, 1%-ный раствор сульфата меди(II),10%-ный раствор щелочи.

1. Биуретовая реакция на пептидную связь:

В четыре пробирки помещают по 1 мл раствора яичного белка разной концентрации, затем в каждую пробирку добавляют по 1 мл раствора гидроксида натрия (c(NaOH) = 1 моль/л). В каждую пробирку ( по стенке пробирки) добавляют по 2 мл раствора сульфата меди(II). Наблюдают появление красно-фиолетовой окраски.

Уравнение реакции:
Вывод:	________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Количественное определение белка в растворе:

В основе метода лежит биуретовая реакция ! Для построения калибровочного графика из раствора белка с точно известной массовой долей (ω = 1,00%) готовят четыре раствора методом последовательного разведения. В пять пробирок помещают по1,00 мл растворов белка: в четыре пробирки – растворы для построения калибровочного графика, в пятую пробирку – исследуемый раствор.Содержимое пробирок перемешивают стеклянными палочками и оставляют на 20 минут при комнатной температуре. Измеряют оптическую плотность раствора на спектрофотометре ПЭ – 5300 В. Стандартный раствор готовят смешиванием 1,00 мл дистиллированной воды, 1,00 мл раствора гидроксида натрия и 0,10 мл раствора сульфата меди(II). Длина волны 24

светофильтра – 540 нм. Записывают результаты измерений.

!!!( эту часть работы делать не надо, в таблице представлены данные для построения калибровочного графика).

В чистую пробирку помещают 2 мл исследуемого раствора, добавляют по 2,00 мл раствора гидроксида натрия и 0,20 мл раствора сульфата меди(II). Содержимое пробирок перемешивают стеклянной палочкой и оставляют на 15 минут при комнатной температуре. Измеряют оптическую плотность раствора на спектрофотометре

ПЭ – 5300 В. Длина волны светофильтра – 540 нм. Строят калибровочный график D = f(ω, %) (на миллиметровой бумаге) по готовым данным из таблицы и определяют массовую долю белка в исследуемом растворе. Делают вывод о содержание белка в исследуемом растворе.

Массовая доля белка ω, %	1,000	0,75	0,5	0,25	Испытуемый раствор
Оптическая плотность, D	1.1	0,8	0.5	0,2

Калибровочный графикD = f(ω, %):

Вывод:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Домашнее задание.

1. Приведите фрагменты простых и сложных белков:


простой	сложный

2. Приведите примеры глобулярных и фибриллярных белков:

глобулярные
фибриллярные

3. Какие факторы влияют на денатурацию белка? Какие явления называют необратимой денатурацией?

4. Приведите две резонансные формы пептидной связи в белках:


Кето-форма	Енольная форма

5. За счет чего стабилизируются вторичная и третичная структуры белка?

6. Напишите цепь гептапептида, состоящего из последовательности аминокислот: серин, валин, тирозин, глутаминовая кислота, валин, аланин, гистидин. Укажите N- и С- концевые остатки. Назовите данныйгептапептид.

Дата: _________

Занятие №5.

Целевые задачи семинара:иметь представление :

- о биологических функциях полинуклеотидов и их роли в организме;

- о физико-химических свойствах полинуклеотидов, обусловленных особенностями их строения.

Знать:

1. Химический состав и строение ДНК и РНК.Уровни их структурной организации

(первичная и вторичная структуры).

2. Строение нуклеотидов и нуклеозидов.

3. Свойства полинуклеотидов : кислотно-основные, хелатирующую способность, способность к денатурации, жидкокристаллическое состояние нуклеиновых кислот.

Блок информации (по указанию преподавателя):

___________________________________________________________________

Полинуклеотиды( нуклеиновые кислоты) –

РНК –

ДНК –

____________________ _________________

Рибоза 2-дезоксирибоза

пуриновые основания :

пиримидиновые основания:

минорные азотистые основания:

Нуклеозиды-

Нуклеотиды –

_______________ ____________________

Аденозин (нуклеозид) аденозин-5¹-монофосфат

(нуклеотид)

Правила Чаргаффа:

Положения модели Уотсона и Крика :

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Домашнее задание.

1. Приведите фрагменты полинуклеотидной цепи:


РНК	ДНК

2. Приведите примеры :


Рибонуклеозида (дайте название)	Дезоксирибонуклеозида (дайте название)

3. Напишите формулу аденозинтрифосфата, укажите сложноэфирные и гликозидные связи:

Дата: _________

Занятие № 7

Вязкость-

Лабораторная работа.

«Определение молекулярной массы биополимера

Занятие № 8

Целевые задачи:

иметь представление :

- об устойчивости растворов биополимеров;

- о факторах , влияющих на устойчивость растворов биополимеров;

-о коацервации и миткрокапсулирловании

Знать:

1. Основные причины нарушения устойчивости растворов биополимеров.

2. Сущность высаливания, высаливающее действие ионов, способность ионов к гидратации.

Блок информации ( по указанию преподавателя):

ВЫСАЛИВАНИЕ –

КОАЦЕРВАЦИЯ

Схема 3.

Факторы ускоряющие процессы высаливания

ТЕМПЕРАТУРА

рН среды = рI

ВОДООТНИМАЮЩИЕ СРЕДСТВА

Явления, происходящие при нарушении устойчивости

ВЫСАЛИВАНИЕ

КОАЦЕРВАЦИЯ

ДЕНАТУРАЦИЯ

Понижение растворимости биополимеров в растворе солей с большей концентрацией

Нарушение нативной пространственной структуры биополимера

Нарушение структуры гидратных оболочек макромолекул

введение насыщенныхрастворов электролитов,содержащих сульфат,оксалат-ионы

Наличие водоотнимающих средств

Рост Т

Изменение рН

Физическая

Химическая

рост Т

Давление

УФ

Ультразвук

Кислота и щелочь

Соли тяжелых металлов

Органические растворители

ЗАСТУДНЕВАНИЯ

Факторы устойчивости растворов биополимеров

Гидратная оболочка за счет полярных и ионогенных групп

Заряд намакро-молекуле за счет ионогенных групп

Лабораторная работа.

Занятие № 9

Целевые задачи:

иметь представление :

- о процессах растворения биополимеров;

- о процессах набухания биополимеров;

- о факторах , влияющих на набухание биополимеров;

-о явлении коллоидной защиты.

Знать:

1. Как измеряют величину и степень набухания ВМС.

2. Влияние растворителя и электролитов на величину набухания ВМС.

3. Что является мерой защитной способности вещества.

4. Понятие « золотого числа».

5. Определение ИЭТ биополимера по степени набухания.

Блок информации ( по указанию преподавателя):

НАБУХАНИЕ –

КОНТРАКЦИЯ-

СХЕМА 5

НАБУХАНИЕ

НЕОГРАНИЧЕННОЕ

ОГРАНИЧЕННОЕ

1 стадия

2 стадия

Ограниченное смешение раствора ВМС и растворителя

Наличие мостиковых связей

выделение теплоты

рост цепи биополимера

уменьшение энтропии

сольватация макромолекул

контракция

увеличение объема

СХЕМА 6

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС НАБУХАНИЯ

Форма макромолекулы

Время

рН

Природа ВМС

Электролиты

Физическое состояние

Лиотропный ряд

Кинетика набухания

Антогонистическое набухание

Лабораторная работа.

Экспериментальные данные

Пробирка	Среда	Высота слоя сухого желатина h_o, мм	Высота слоя набухшего желатина h, мм	Степень набухания
1.	Вода
2.	Раствор Na₂SO₄)=0 Na₂SO₄)=0Na₂SO₄)=0суль фатасульфата Na₂SO₄) (Na₂SO₄)=Na₂SO₄ С=0,00125 мольддддмтмоль/лмоль/л
3.	Раствор NaI С=0,1моль/л

во второй пробирке раствор(Na₂SO₄)=0,5 моль/л

Вывод:

Занятие № 10

Целевые задачи:

иметь представление :

- об особенностях броуновского движения и диффузии макромолекул в растворах ВМС;

- о специфике процессов, связанных с переносом ионов ( без изменения их зарядов ) через мембрану;

Знать:

1.Уравнение Галлера. Определение молярной массы ВМС осмометрическим методом.

2. Что такое онкотическое давление. Передвижение жидкости между плазмой и межклеточным пространством в зависимости от онкотического и гидростатического давлений.

3. Мембранное равновесие Доннана.

4.Общую характеристику смешанных биополимеров.

5.Расчет коэффициента диффузии по уравнению Эйнштейна.

Блок информации ( по указанию преподавателя):

На занятии сделать следующие задания:

1. Молярная масса биополимера = 600000 г/моль. Рассчитайте молярную концентрацию раствора, если массовая концентрация полимера равна 6 г/л. Чему равно осмотическое давление такого раствора при 27⁰С, коэффициент b = 1 Па х м⁶х кг^-2.

2. Чему равен радиус белковой частицы, если коэффициент диффузии сывороточного альбумина при комнатной температуре в разбавленном водном растворе соли = 10^-12м²/с , и молекулы ВМС имеют сферическую форму.Вязкость воды = 0,001 Н.с/ м²

3. Напишите основное уравнение мембранного равновесия Доннана и проведите его анализ.

Домашнее задание.

1.Напишиите уравнение Эйнштейна для расчета коэффициента диффузии и сделайте его анализ:

2. Какое уравнение отражает зависимость осмотического давления от концентрации биополимера в растворах?

3. Будет ли наблюдаться эффект Доннана, если белок помещен в среду с рН, равной ИЭТ белка?

4. Какие процессы регулируют изменение онкотического давления?

5. По одну сторону мембраны помещен раствор белка RCl с концентрацией 0,1 моль/л, по другую – раствор хлорида натрия с концентрацией 0,2 моль/ л. Рассчитайте концентрацию хлорид-ионов по обе стороны мембраны после установления равновесия.

Дата____________

Тема: « Гели. Структурообразование в растворах биополимеров »

Занятие № 11

Целевые задачи:

иметь представление :

- о классификации гелей;

- о свойствах лиогелей;

-о факторах ,влияющих на желатинирование.

Знать:

- определения понятия «гель», « студень».

- сущность тиксотропии и синерезиса.

- процессы диффузии в гелях.

- диффузии по уравнению Эйнштейна.

Блок информации ( по указанию преподавателя):

1. Гель –

2..Студень-

- Лиогели-

- Коагели –

- Ксерогели –

-Хрупкие –

Эластичные -

Лабораторная работа.

Цель работы:изучить получение гелей и студней методами желатинирования и набухания, а также процессы диффузии в студнях.

Сущность работы:провести опыты, с помощью которых можно получить гели и студни.

Опыт 1.Получение геля желатина.

Приборы, оборудование:водяная баня, горелка , химический стакан на 250 – 500 мл, стеклянная палочка, штатив с пробирками, мерный цилиндр.

Реактивы: желатин сухой, вода.

Ход работы: 0,3 г желатина, высыпают в пробирку и заливают 6мл холодной воды. Выдерживают в течение 20 – 30 мин для набухания желатина, после чего содержимое пробирки осторожно нагревают, непрерывно помешивая стеклянной палочкой до полного растворения желатина. Образуется золь желатина, его наливают в другую пробирку, охлаждают и помещают в стакан с холодной водой или кусочками льда.

Описать наблюдения:

Вывод:

Занятие 12.

Целевые задачи:

иметь представление :

- о классификации биополимеров;

- о структуре, свойствах и физиологической роли смещанных биополимеров;

Знать:

1.Строение протеогликанов, надмолекулярную структуру хряща.

2.Строение гликопротеинов, структуру коллагена, его роль в жизнедеятельности, строение конформациитропоколлагена и коллагенового волокна.

3.Что такое антигенные детерминанты. Роль гликофорина.

4.Строение липопротеинов, структуру частицы липопротеина. Роль хиломикронов.