Niektóre pojęcia mają inne znaczenie w języku potocznym niż w języku naukowym. Dla przykładu, pojęcie „białko” oznacza część jajka kurzego, które jest elementem naszej codziennej diety. Czy pojęcie to będzie oznaczało to samo na lekcjach chemii? Jak definiujemy białka? Czy żółtko zawiera białko?
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
budowę cząsteczek aminokwasów;
sposób łączenia się za sobą cząsteczek aminokwasów;
produkty reakcji kondensacji aminokwasów.
Nauczysz się
definiować pojęcie „białka”;
projektować i przeprowadzać doświadczenie, które pozwoli określać, jakie pierwiastki chemiczne wchodzą w skład białek;
opisywać budowę białek;
wskazywać, w jakich produktach spożywczych występują białka;
wymieniać funkcje białek w organizmie.
i9L37WFw4F_d5e174
1. Skład pierwiastkowy białek
Jak zbudowany jest organizm człowieka?
Organizm ludzki zbudowany jest głównie z wody (około masy ciała), związków organicznych (około masy ciała) oraz innych niż woda związków nieorganicznych. Wśród wspomnianych związków organicznych, najliczniejszą grupę stanowią tak zwane białka (około masy ciała).
Co to są białka i z jakich pierwiastków są zbudowane?
Białka to substancje złożone o stosunkowo skomplikowanej budowie.
Badanie składu pierwiastkowego białek
Doświadczenie 1
RMTMCoPkzFAO4
Przeprowadzono doświadczenie, które miało na celu sprawdzenie, jakie pierwiastki wchodzą w skład białek.
Problem badawczy:
Jakie pierwiastki wchodzą w skład białek?
Hipoteza:
W skład białek wchodzą takie pierwiastki, jak: węgiel, wodór, tlen, azot oraz siarka.
Co było potrzebne:
białko jaja kurzego;
uniwersalny papierek wskaźnikowy;
papierek ołowiowy;
woda destylowana;
probówka;
drewniana łapa do probówek;
statyw na probówki;
palnik;
zapałki.
Przebieg doświadczenia:
W probówce umieszczono około białka jaja kurzego. Następnie ogrzewano ją w płomieniu palnika, stale wstrząsając. Zaobserwowano zachodzące zmiany, a do wylotu probówki zbliżono zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy i papierek ołowiowy.
Obserwacje:
W trakcie ogrzewania, białko jaja kurzego ścina się, stopniowo ciemnieje i ostatecznie pokrywa się czarnym nalotem. Na ściankach probówki pojawiają się krople bezbarwnej cieczy. Ogrzewaniu białka towarzyszy nieprzyjemny zapach, przypominający palące się włosy. Zbliżony do wylotu probówki zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienia zabarwienie z żółtego na zielone, a papierek ołowiowy czernieje.
Wnioski:
Czarny nalot, który powstaje w wyniku ogrzewania na białku jaja kurzego, to węgiel. Ciecz na ściankach probówki to skroplona para wodna. Zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienia zabarwienie w kontakcie z wydzielającym się amoniakiem. Czernienie papierka ołowiowego świadczy o obecności w białku siarki.
Postawiona hipoteza jest zatem prawdziwa – w skład białek wchodzą takie pierwiastki, jak: węgiel, wodór, tlen, azot oraz siarka.
1
Polecenie 1
RQf0nJpPwT9vp
Obserwacje: Obserwując zachodzące podczas przeprowadzania doświadczenia zmiany, zwróć uwagę na zmiany konsystencji i zabarwienia białka jaja kurzego podczas ogrzewania oraz na barwy użytych papierków – uniwersalnego papierka wskaźnikowego i papierka ołowiowego. Zastanów się, czy w czasie ogrzewaniu białka jaja kurzego wyczuwalny jest jakiś zapach.
Wnioski: Zastanów się, o czym świadczą odnotowane obserwacje. W swoich wnioskach odnieś się do postawionej hipotezy.
Obserwacje: W trakcie ogrzewania białko jaja kurzego ścina się, stopniowo ciemnieje i ostatecznie pokrywa się czarnym nalotem. Na ściankach probówki pojawiają się krople bezbarwnej cieczy. Ogrzewaniu białka towarzyszy nieprzyjemny zapach, przypominający palące się włosy. Zbliżony do wylotu probówki zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienia zabarwienie z żółtego na zielone, a papierek ołowiowy czernieje.
Wnioski: Czarny nalot, który powstaje w wyniku ogrzewania na białku jaja kurzego, to węgiel. Ciecz na ściankach probówki to skroplona para wodna. Zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienia zabarwienie w kontakcie z wydzielającym się amoniakiem. Czernienie papierka ołowiowego świadczy o obecności w białku siarki.
Postawiona hipoteza jest zatem prawdziwa – w skład białek wchodzą takie pierwiastki, jak: węgiel, wodór, tlen, azot oraz siarka.
1
Polecenie 1
Zapisz, w jaki sposób wykryto obecność poszczególnych pierwiastków w białku.
RT4maQWLDEvrK
Sprawdzano obecność węgla, tlenu, wodoru, azotu oraz siarki.
BiałkabiałkaBiałka to związki chemiczne, których cząsteczki zbudowane są głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu. Obecność wymienionych atomów pierwiastków chemicznych w strukturze białka potwierdziliśmy w doświadczeniu W wyniku ogrzewania, białko pokryło się czarnym nalotem, którym był węgiel. Na ściankach probówki można było zaobserwować krople wody, której cząsteczki zbudowane są z atomów wodoru i tlenu. Zwilżony wodą uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienił zabarwienie z żółtego na zielone, co wskazuje na obecność anionów wodorotlenkowych () i zasadowy odczyn roztworu. Aniony te powstały w wyniku reakcji amoniaku (uzyskanego w wyniku ogrzewania białka) z wodą.
W skład białek mogą również wchodzić inne pierwiastki chemiczne. Obecność w białku jednego z nich – siarki – również udało się potwierdzić w analizowanym doświadczeniu. Papierek ołowiowypapierki ołowiowePapierek ołowiowy służy bowiem do wykrywania anionów siarczkowych (), a jego czarne zabarwienie świadczy o powstaniu praktycznie nierozpuszczalnej w wodzie soli, tj. siarczku ołowiu. Równanie reakcji chemicznej, jaka zaszła na papierku ołowiowym, można zapisać w formie jonowej skróconej jako:
Możliwe, że już wcześniej udało Ci się zauważyć obecność siarki w białku jaja kurzego w nieco mniej sprzyjających okolicznościach. Podczas psucia się jaj, wyczuwalny jest nieprzyjemny zapach, który spowodowany jest powstawaniem siarkowodoru – związku chemicznego o wzorze sumarycznym . Oprócz pierwiastków chemicznych, wskazanych na podstawie wyników doświadczenia nr , w skład białek mogą wchodzić również między innymi fosfor, żelazo, magnez, miedź oraz cynk. Warto jednak pamiętać, że wymienione metale mogą występować w białkach jedynie w formie jonów: , , , .
i9L37WFw4F_d5e303
2. Budowa białek
Białka są związkami wielkocząsteczkowymi zbudowanymi z reszt aminokwasów, które są ze sobą połączone za pomocą wiązań peptydowychwiązanie peptydowewiązań peptydowych. Mimo że wyróżnia się tylko około dwudziestu aminokwasów białkowych (czyli takich, które mogą wchodzić w skład białek), różnorodność białek występujących w przyrodzie jest ogromna.
Cząsteczki aminokwasów mogą łączyć się ze sobą w reakcjach kondensacjireakcja kondensacjireakcjach kondensacji. Reakcję kondensacji dwóch cząsteczek glicyny (aminokwasu białkowego o najprostszej budowie) można opisać za pomocą równania:
R1QRyvjFG2AfB1
W wyniku zachodzącej reakcji chemicznej, z dwóch cząsteczek glicyny powstaje jedna cząsteczka związku organicznego, w której reszty cząsteczek glicyny połączone są ze sobą wiązaniem peptydowym. Związek organiczny, o którym mowa, to dipeptyd. Nie jest on zaliczany do grupy białek. Białkami umownie nazywamy związki chemiczne, których cząsteczki utworzone są z łańcuchów zawierających więcej niż reszt aminokwasów, połączonych za pomocą wiązań peptydowych. Związki o krótszych łańcuchach są zaliczane do oligopeptydówoligopeptydyoligopeptydów (zawierających od do około reszt aminokwasów) lub polipeptydówpolipeptydypolipeptydów (zawierających od około do reszt aminokwasów). Jak to możliwe, że w skład cząsteczki białka może wchodzić tak duża (a często nawet większa) liczba reszt aminokwasów? Zwróć uwagę, że w cząsteczce rozpatrywanego dipeptydu znajdują się dwie grupy funkcyjne: aminowa () oraz karboksylowa ():
RqApBR2EOriIg1
Dzięki obecności tych grup, dipeptyd może ulegać dalszym reakcjom kondensacjireakcja kondensacji aminokwasówreakcjom kondensacji. Obecna w nim grupa aminowa może połączyć się z grupą karboksylową kolejnej cząsteczki, a grupa karboksylowa z grupą aminową następnej cząsteczki aminokwasu. W ten sposób powstanie tetrapeptyd, zbudowany z czterech reszt glicyny.
RG5yw7LbMz9i31
Jak widzisz, również i w tym przypadku powstała cząsteczka tetrapeptydu zawiera grupy aminową i karboksylową, zdolne do dalszych reakcji chemicznych. Czy już rozumiesz, dlaczego jest możliwe utworzenie tak dużych cząsteczek białka?
Narysowanie wzoru chemicznego cząsteczki białka, w przeciwieństwie do wzorów cząsteczek aminokwasów, dipeptydów czy tetrapeptydów, nie jest już takie proste. Uproszczoną budowę cząsteczki białka możemy przedstawić schematycznie za pomocą wzoru:
RHQjzsMMLboME1
Budowa białek jest jednak nieco bardziej skomplikowana. W przypadku jej opisu należy uwzględnić cztery struktury (poziomy uporządkowania): strukturę pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową oraz (o ile występuje) czwartorzędową. Struktury te scharakteryzowano krótko na poniższej grafice:
R14NEFzSennwm1
R1HL2LXjvuMuG
Ciekawostka
Budowę białek opisał amerykański fizyk i chemik Linus Carl Pauling (czyt. lajnus carl puling), za co w otrzymał Nagrodę Nobla. Osiem lat później, tj. w ., otrzymał drugą – tym razem Pokojową Nagrodę Nobla za pracę podczas kampanii przeciwko próbom z bronią jądrową. Naukowiec ten uważany jest za jednego z najważniejszych chemików
RKD88wB0Rjf6P
i9L37WFw4F_d5e366
3. Występowanie białek oraz ich rola w organizmie
Białka są podstawowym elementem budującym wszystkie organizmy. Oprócz funkcji budulcowej, odgrywają również inne znaczące role w organizmie. Załączona poniżej mapa pojęć ukazuje podział białek ze względu na funkcje pełnione przez nie w organizmie człowieka.
1
RwUpqIJCyuB4d1
1
Mapa myśli przedstawiająca funkcje pełnione przez białka w organizmie. Pierwszą z nich jest funkcja budulcowa, inaczej strukturalna. Pełnią ją białka takie jak: kolagen, który buduje ścięgna, miozyna, budująca mięśnie oraz keratyna, która buduje włosy i paznokcie. Drugi rodzaj białek to białka transportujące, na przykład hemoglobina, zawarta w erytrocytach, która przenosi (transportuje) tlen. Trzecim rodzajem są białka enzymatyczne, na przykład pepsyna, czyli enzym umożliwiający hydrolizę peptydów (trawienie białek). Kolejnym rodzajem są białka hormonalne. Jest to między innymi insulina, czyli hormon trzustki, który reguluje poziom glukozy we krwi. Następnym rodzajem białek są te pełniące funkcje obronne (ochronne), jak na przykład fibrynogen. Bierze on udział w procesie krzepnięcia krwi (gojenia się ran). Ostatnim rodzajem białek są białka ruchowe (kurczliwe): miozyna i aktyna, umożliwiające skurcz mięśni.
Dzienne zapotrzebowanie na białko jest indywidualną cechą organizmu – zależy między innymi od wieku i płci, a także stanu zdrowia, aktywności fizycznej oraz masy ciała. Zwiększone zapotrzebowanie na białko wykazują głównie dzieci w okresie wzrostu oraz kobiety w czasie trwania ciąży, a także osoby aktywne fizycznie.
Średnie zapotrzebowanie [EAR] białka wg krajowej racji pokarmowej
Grupa (płeć, wiek/lata)
Masa ciała ()*
m.c./dobę (gram na kilogram masy ciała na dobę)
g/os./dobę (gram na osobę na dobę)
Niemowlęta
miesięcy
miesięcy
Dzieci
Chłopcy
Mężczyźni
Dziewczęta
Kobiety
ciąża
laktacja
*Prawidłowa masa ciała (u osób dorosłych BMI ) Indeks górny Źródło: Jarosz M., Rychlik E., Stoś K., Charzewska J., Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, . Indeks górny koniecŹródło: Jarosz M., Rychlik E., Stoś K., Charzewska J., Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, .
Zawartość białka w produktach spożywczych jest różna, co należy brać pod uwagę przy doborze produktów spożywanych w ciągu dnia.
R1ZoVD02EZiMF
RtmUUFNdzb5sr
R1L32d78TxBpt
R1VxWONMeS91A
Rbdci36iXM7g0
R1LzqiPxzVnH5
RKO2QFPjkUvYT
RbxePLO5HOHt2
RUEhVqP6CIemC
R1TiRxMtNuGEt
RE3mj2pVJDfbM
Indeks górny Źródło danych przedstawionych w galerii: 1. Kunachowicz H., Nadolna I., Iwanow K., Wartość odżywcza wybranych produktów spożywczych i typowych potraw, PZWL, . 2. Kunachowicz H., Przygoda B., Nadolna I., Iwanow K., Tabele składu i wartości odżywczej żywności, PZWL Indeks górny koniecŹródło danych przedstawionych w galerii: 1. Kunachowicz H., Nadolna I., Iwanow K., Wartość odżywcza wybranych produktów spożywczych i typowych potraw, PZWL, . 2. Kunachowicz H., Przygoda B., Nadolna I., Iwanow K., Tabele składu i wartości odżywczej żywności, PZWL
Polecenie 2
R1Hw8CJHvwhII
i9L37WFw4F_d5e424
Podsumowanie
Cząsteczki wszystkich białek są zbudowane głównie z atomów czterech pierwiastków: węgla, wodoru, tlenu i azotu. W skład niektórych białek mogą wchodzić atomy siarki, fosforu i inne atomy.
Podstawowymi elementami budującymi białka są aminokwasy.
Białka to wielkocząsteczkowe związki chemiczne, zbudowane z reszt aminokwasowych, połączonych wiązaniami peptydowymi.
Białka są głównym składnikiem budulcowym organizmów. Pełnią funkcje: budulcowe, transportowe, regulujące i inne.
Źródłem białka zwierzęcego są między innymi jajka, nabiał, mięso, ryby, a roślinnego – produkty zbożowe oraz rośliny strączkowe, np. fasola, soja i soczewica.
Praca domowa
1
Polecenie 3.1
RfmEcqWZRdV50
Rozwiązując zadanie możesz postępować zgodnie z poniższą instrukcją.
Wykorzystując masę ciała chłopca, oblicz, ile gramów białka dziennie powinien on spożywać.
Oblicz masę białka zawartego w szklance mleka, a otrzymany wynik pomnóż razy cztery (chłopiec wypija cztery szklanki mleka dziennie).
Porównaj wyniki uzyskane w punktach i .
Chłopiec powinien dziennie spożywać:
białka
W szklance mleka zawarte jest:
białka
Zatem w czterech szklankach mleka znajduje się:
białka
Jeśli Krzyś będzie dostarczał swojemu organizmowi białko, pijąc wyłącznie cztery szklanki mleka, to nie zaspokoi dziennego zapotrzebowania.
1
Polecenie 3.2
RHaqLumPIRtcL
Przypomnij sobie, jakie funkcje spełniają białka w organizmie i jak wpłynie na nie niedobór lub nadmiar białka.
Poniżej znajduje się przykładowa mapa pojęć. Ile z zawartych w niej informacji znajduje się w zaproponowanej przez Ciebie mapie?
R1Xi8C1vSnWfh
1
Polecenie 3.2
Białko, jako składnik odżywczy, jest dla organizmu źródłem azotu oraz odpowiednich aminokwasów. W dostępnych źródłach wyszukaj informacje na temat niedoboru i nadmiaru białka w organizmie człowieka. Wymień przynajmniej po trzy skutki niedoboru oraz nadmiaru białka.
R1Il1hbBA2xKs
Białko tworzy strukturę mięśni i innych tkanek, wchodzi w skład komórek skóry, włosów i paznokci. Jest ważne dla prawidłowego funkcjonowania układu hormonalnego, decyduje o prawidłowym wzroście i rozwoju człowieka, pomaga regenerować tkanki.
Skutki niedoboru białka:
anemia,
zmniejszona odporność,
zahamowanie wzrostu i rozwoju niemowląt.
Skutki nadmiaru białka:
odwodnienie;
wypłukiwanie minerałów z kości;
zakwaszenie organizmu.
Polecenie 3.3
RViJLVW7Eaujh
i9L37WFw4F_d5e506
Słownik
białka
białka
wielkocząsteczkowe związki chemiczne zbudowane z reszt powyżej aminokwasów, połączonych wiązaniami peptydowymi; w skład białek wchodzą głównie takie pierwiastki, jak: węgiel, wodór, tlen i azot
oligopeptydy
oligopeptydy
związki chemiczne zawierające w cząsteczkach od do około reszt aminokwasów, połączonych wiązaniami peptydowymi
papierki ołowiowe
papierki ołowiowe
papierki bibuły nasączone roztworem soli ołowiu (np. octanu ołowiu – , wykorzystywane do identyfikacji jonów siarczkowych ; w obecności anionu siarczkowego, papierek przyjmuje charakterystyczne czarne zabarwienie, co jest związane z wytrącaniem się osadu siarczku ołowiu, wg równania reakcji
polipeptydy
polipeptydy
związki chemiczne zawierające w cząsteczkach od około do reszt aminokwasów, połączonych wiązaniami peptydowymi
reakcja kondensacji
reakcja kondensacji
reakcja chemiczna, w wyniku której dochodzi do połączenia się substratów i powstaje produkt główny, o większej od nich masie cząsteczkowej, oraz produkt uboczny (np. woda), o małej masie cząsteczkowej
reakcja kondensacji aminokwasów
reakcja kondensacji aminokwasów
reakcja chemiczna zachodząca pomiędzy cząsteczkami aminokwasów, której głównym produktem jest peptyd (oligopeptyd, polipeptyd lub białko), a produktem ubocznym woda; reakcja ta zachodzi pomiędzy grupą karboksylową cząsteczki jednego z aminokwasów i grupą aminową cząsteczki drugiego z aminokwasów; od grupy karboksylowej odłącza się grupa hydroksylowa , a od grupy aminowej atom wodoru; odłączone fragmenty cząsteczek aminokwasów tworzą cząsteczkę wody, a reszty aminokwasów łączą się ze sobą za pomocą wiązania peptydowego tworząc cząsteczkę peptydu
wiązanie peptydowe
wiązanie peptydowe
powstaje w wyniku połączenia się cząsteczek dwóch aminokwasów; tworzą je grupy karboksylowa, z cząsteczki jednego z aminokwasów, i grupa aminowa, z cząsteczki drugiego z aminokwasów
i9L37WFw4F_d5e692
Ćwiczenia
Pokaż ćwiczenia:
1
Ćwiczenie 1
RB25S4oIG1EWW
1
Ćwiczenie 2
Rx3AeVhrB7pPZ
1
Ćwiczenie 3
RNpLmlXEs20nJ
2
Ćwiczenie 4
R4xqP4Nbr2R0o
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz ,,Prawda'', jeśli zdanie jest prawdziwe, lub ,,Fałsz'', jeśli jest fałszywe.. Białka są podstawowym elementem budującym organizmy.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka mogą w organizmie pełnić różne funkcje, między innymi regulujące, transportowe i ochronne.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka są związkami o małej masie cząsteczkowej.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka powstają w wyniku reakcji kondensacji aminokwasów, której ubocznym produktem jest woda.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz ,,Prawda'', jeśli zdanie jest prawdziwe, lub ,,Fałsz'', jeśli jest fałszywe.. Białka są podstawowym elementem budującym organizmy.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka mogą w organizmie pełnić różne funkcje, między innymi regulujące, transportowe i ochronne.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka są związkami o małej masie cząsteczkowej.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Białka powstają w wyniku reakcji kondensacji aminokwasów, której ubocznym produktem jest woda.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Oceń prawdziwość zdań zawierających informacje na temat budowy i roli biologicznej białek.
Prawda
Fałsz
Białka są podstawowym elementem budującym organizmy.
□
□
Białka mogą w organizmie pełnić różne funkcje, m.in. regulujące, transportowe i ochronne.
□
□
Białka są związkami o małej masie cząsteczkowej.
□
□
Białka powstają w wyniku połączenia się co najmniej 100 cząsteczek aminokwasów.
□
□
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 5
Uczeń przeprowadził doświadczenie, które zilustrował na poniższym schemacie. Przyporządkuj podane stwierdzenia odpowiednio do obserwacji, wniosków oraz nieprawidłowych odpowiedzi.
RHTqpDGOqEcn9
RFtdOgkBYYjA8
R157DvHVZChGS
2
Ćwiczenie 6
Na poniższej grafice przedstawiono schematycznie struktury białka, które należy wziąć pod uwagę podczas opisywania jego budowy. Do każdego z przykładów dopasuj nazwę odpowiadającej mu struktury białka oraz krótki jej opis.
RMVHwJLiqvspl
R1TpDaaRCJgpl
R1Ykt2uxODKXA
2
Ćwiczenie 7
Poniższy wzór przedstawia budowę cząsteczki pewnego dipeptydu.
R1VtnfrFHyfNT
Został on utworzony w wyniku reakcji kondensacji dwóch aminokwasów o wzorach:
RVj3zCsA4tg4C
R16niTAGkvR79
R1KgUddd6Bvke
31
Ćwiczenie 8
Poniżej zamieszczono fragment łańcucha cząsteczki pewnego białka. Ustal, z reszt jakich aminokwasów utworzony jest ten fragment. Napisz nazwy odpowiednich aminokwasów w kolejności, w jakiej ich reszty występują w podanym fragmencie łańcucha białkowego.
R1ZV7clMQrHME
Skorzystaj z zamieszczonej poniżej tabeli z wzorami i nazwami aminokwasów białkowych.
R1JXekVKR2qQL
Rps3m3YSaEJ10
Na narysowanym fragmencie łańcucha cząsteczki białka odszukaj wszystkie wiązania peptydowe. Zastanów się w jaki sposób zostały one utworzone.
Czy udało Ci się wymienić nazwy wszystkich poniższych aminokwasów? Podany fragment łańcucha białkowego składa się z pięciu reszt różnych aminokwasów. Aminokwasy te to kolejno: