Методы полярографии и амперометрии в анализе аминокислот и белков

Методы полярографии и амперометрии в анализе аминокислот и белков

Курсовая работа

по дисциплине: Аналитическая химия

Методы полярографии и амперометрии в анализе аминокислот и белков

Содержание

Введение

. Полярографический метод анализа

. Амперометрический метод анализа

. Аминокислоты

. Белки

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время, когда химическая промышленность и химия как наука в нашей стране развиваются небывалыми быстрыми темпами, особое значение приобретает усовершенствование старых и разработка новых, более совершенных методов анализа, отличающихся высокой чувствительностью, точностью и быстротой получения результатов.

Одним из электрохимических методов анализа, широко применяемых в научно исследовательских работах по химии и фармации, а так же для контроля производства, является полярографический и амперометрический метод.

1. Полярографический метод анализа

Полярография - один из важнейших электрохимических методов анализа веществ, исследования кинетики химических процессов.

Возникновение метода

Предложен Я. Гейровским в 1922 году, когда он изучал влияние напряжения, приложенного к ртутной капле, погруженной в водный раствор, на величину поверхностного натяжения, (так называемый «электрокапиллярный эффект»). Он заметил, что величина тока через каплю зависит от состава раствора. Доработав эту идею, он создал метод, который основан на измерении зависимости тока от напряжения на ртутно-капельном электроде. Получающиеся зависимости, так называемые вольтамперные кривые или вольтамперограммы, зависят от состава раствора и позволяют проводить одновременно качественный и количественный анализ содержащихся в растворе микропримесей. В 1936 году за метод полярографии была присуждена Нобелевская премия, высшая награда ученых.

Принцип метода

Протекание электрического тока в водном растворе связано с движением ионов, образованных в результате электролитической диссоциации. Протекание тока через ртуть, другие металлические и углеродные материалы - с движением электронов. Поэтому на границе электрод/раствор должен существовать какой-то процесс, обеспечивающий переход потока ионов в поток электронов, иначе ток не пойдет. Такой процесс представляет собой электрохимическую реакцию. Количество прореагировавшего вещества определяется законом Фарадея, то есть пропорционально прошедшему через электрод заряду:

Где М - масса прореагировавшего вещества, Мэкв - эквивалентная масса прореагировавшего вещества, Q - прошедший через электрод заряд, z- количество электронов, участвующих в превращении одной молекулы или одного иона, F- число Фарадея, задающее коэффициент пропорциональности. Число Фарадея равно 96485 кулон/моль и представляет собою число Авогадро, умноженное на заряд электрона. Если отнести уравнение (1) к единице времени, масса превратится в массовую скорость реакции (поток вещества) J, а заряд - в ток i, которые обычно относят к единице поверхности электрода (плотность тока):

= Мэкв * i/zF,

Метод основан на анализе кривых зависимостей силы тока от приложенного к электрохимической ячейке напряжения - так называемых полярограмм. В зависимости от формы и скорости изменения поляризующего напряжения различают постояннотоковую (классическую), переменнотоковую, высокочастотную, импульсную, осциллографическую полярографию, варианты метода имеют различные чувствительность (минимально определяемая концентрация вещества) и разрешающую способность (допустимое отношение концентраций определяемого компонента и сопутствующих).

В ячейке для полярографии присутствуют поляризуемый и неполяризуемый электроды, площадь первого должна быть значительно меньше площади второго - в таком случае идущая на нём электродная реакция не вызывает заметных химических изменений в растворе или изменения разности потенциалов. В качестве поляризуемого электрода могут быть использованы ртутно-капающий электрод, стационарный ртутный электрод, твёрдые электроды из графита, благородных металлов и пр.

Почему ртуть?

Выбор ртутного электрода в первых вариантах полярографии не случаен. На ртутном электроде в водном растворе, содержащем электрохимически неактивные соли, скажем, фторид натрия, в широком диапазоне напряжений не протекает никаких реакций, связанных с протеканием тока через электрод. Поэтому, если прикладывается какое-то напряжение к ртутно-капельному электроду, ток остается нулевым, т.к. никаких реакций на электроде нет. Такой электрод называется поляризуемым, от слова «поляризация», что в данном случае означает отклонение потенциала (напряжения) на электроде от равновесного значения. Возможность изменять напряжение позволяет измерить вольтамперограмму.

В качестве противоположного примера - обычно платиновый электрод в водном растворе. За счет высоких каталитических свойств платины при приложении отрицательных напряжений на платине выделяется водород с соответствующим протеканием тока (восстановление воды), а при приложении положительных потенциалов - кислород (окисление воды) с соответствующим протеканием тока в одном и другом направлении. Поэтому невозможно произвольно менять напряжение на платиновом электроде в водном растворе, не создавая значительного тока. Такой электрод называется «неполяризуемым». Для него нельзя произвольно изменять напряжение и измерить аналитическую вольтамперограмму. Капающий электрод позволяет все время обновлять поверхность датчика. Есть и некоторые другие достоинства ртутного электрода, связанные с химическими свойствами ртути.

К сожалению все это несколько портится тем, что ртуть ядовита.

. Амперометрический метод анализа

Амперометрия (амперометрическое титрование) - одна из разновидностей полярографического анализа - метод основан на измерении предельного диффузионного тока, проходящего через раствор при фиксированном напряжении между индикаторным электродом и электродом сравнения. При амперометрическом титровании точку эквивалентности определяют по излому кривой ток - объем добавляемого рабочего раствора.

Амперометрическое титрование дает более точные результаты, так как при его выполнении нет необходимости измерять высоту волны (точность измерения 1-5%). Амперометрическое титрование может быть применено для анализа довольно разбавленных растворов (например, 0,001 М).

Указанный метод позволяет производить титрование таких веществ и такими реагентами, которые сами не дают диффузионного тока.

В зависимости от типа реакции при амперометрическом титровании и вещества, которое участвует в электродной реакции, получают различной формы кривых амперометрического титрования. На оси абсцисс откладывают объем прибавленного реактива, а на оси ординат-силу тока. При этом могут быть получены кривые четырех типов, представленные на Рис. 4.

Оборудование, необходимое для амперометрии, по существу такое же, что и в полярографии. Действительно, полярографическое оборудование можно использовать со значительным успехом. Минимальными требованиями являются источник питания для наложения нужного потенциала и прибор для измерения тока.

Первый может быть простым потенциометром, в то время как самописец идеально подходит в качестве хроноамперметра. Если достигается устойчивое состояние, самописец показывает приближение к постоянной величине тока или ее достижение.

. Аминокислоты

Аминокислоты (аминокарбоновые кислоты) - органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы.

Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы. Является бесцветным кристаллическим веществом, хорошо растворяются в воде. Многие из них обладают сладким вкусом.

Общие химические свойства

Все аминокислоты амфотерные соединения, они могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы -COOH, так иосновные свойства, обусловленные аминогруппой -NH₂. Аминокислоты взаимодействуют с кислотами и щелочами:

₂ -CH₂ -COOH + HCl → HCl • NH₂ -CH₂ -COOH

(хлороводородная соль глицина)₂ -CH₂ -COOH + NaOH → H₂O + NH₂ -CH₂ -COONa

(натриевая соль глицина)

Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов, т.е. находятся в состоянии внутренних солей.

NH₂ -CH₂COOH  <#"821836.files/image006.jpg"> <http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Protein_crystals_grown_in_space.jpg?uselang=ru>

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для изучения пространственной структуры данного белка

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров - полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки - важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Определение аминокислотной последовательности первого белка - инсулина - методом секвенирования белков принеслоФредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белков гемоглобина имиоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в конце 1950-х годов, за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.

Физико-химические свойства

Амфотерность

Белки обладают свойством амфотерности, то есть в зависимости от условий проявляют как кислотные, так и осно́вные свойства. В белках присутствуют несколько типов химических группировок, способных к ионизации в водном растворе: карбоксильные остатки боковых цепей кислых аминокислот (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и азотсодержащие группы боковых цепей основных аминокислот (в первую очередь, ε-аминогруппа лизина и амидиновый остаток CNH(NH₂) аргинина, в несколько меньшей степени - имидазольный остаток гистидина). Каждый белок характеризуется изоэлектрической точкой (pI) - кислотностью среды (pH), при которой суммарный электрический заряд молекул данного белка равен нулю и, соответственно, они не перемещаются в электрическом поле (например, при электрофорезе). В изоэлектрической точке гидратация и растворимость белка минимальны. Величина pI зависит от соотношения кислых и основных аминокислотных остатков в белке: у белков, содержащих много кислых аминокислотных остатков, изоэлектрические точки лежат в кислой области (такие белки называют кислыми), а у белков, содержащих больше основных остатков, - в щелочной (основные белки). Значение pI данного белка также может меняться в зависимости от ионной силы и типа буферного раствора, в котором он находится, так как нейтральные соли влияют на степень ионизации химических группировок белка. pI белка можно определить, например, из кривой титрования или с помощью изоэлектрофокусирования.

В целом, pI белка зависит от выполняемой им функции: изоэлектрическая точка большинства белков тканей позвоночных лежит в пределах от 5,5 до 7,0, однако в некоторых случаях значения лежат в экстремальных областях: так, например, для пепсина - протеолитического фермента сильнокислого желудочного сока pI ~ 1, а для сальмина - белка-протамина молок лосося, особенностью которого является высокое содержание аргинина, - pI ~ 12. Белки, связывающиеся с нуклеиновыми кислотами за счёт электростатического взаимодействия с фосфатными группами, часто являются основными белками. Примером таких белков служат гистоны и протамины.

Растворимость

Белки различаются по степени растворимости в воде. Водорастворимые белки называются альбуминами, к ним относятся белки крови и молока. К нерастворимым, или склеропротеинам, относятся, например, кератин (белок, из которого состоят волосы, шерсть млекопитающих, перья птиц и т. п.) и фиброин, который входит в состав шёлка и паутины. Растворимость белка определяется не только его структурой, но внешними факторами, такими как природа растворителя, ионная сила и pH раствора.

Белки также делятся на гидрофильные и гидрофобные (водооталкивающие). К гидрофильным относится большинство белков цитоплазмы, ядра и межклеточного вещества, в том числе нерастворимые кератин и фиброин. К гидрофобным относится большинство белков, входящих в состав биологических мембран, - интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны(у этих белков, как правило, есть и гидрофильные участки).

Денатурация

Денатурацией белка называют любые изменения в его биологической активности и/или физико-химических свойствах, связанные с потерей четвертичной, третичной или вторичной структуры. Как правило, белки достаточно стабильны в тех условиях (температура, pH и др.), в которых они в норме функционируют в организме. Резкое изменение этих условий приводит к денатурации белка. В зависимости от природы денатурирующего агента выделяют механическую (сильное перемешивание или встряхивание), физическую (нагревание, охлаждение, облучение, обработка ультразвуком) и химическую (кислоты и щёлочи, поверхностно-активные вещества, мочевина) денатурацию.

Денатурация белка может быть полной или частичной, обратимой или необратимой. Самый известный случай необратимой денатурации белка в быту - это приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным. Денатурация в некоторых случаях обратима, как в случае осаждения водорастворимых белков с помощью солей аммония, и используется как способ их очистки

Заключение

Аминокислоты и их сложные эфиры. Для количественного определения аминокислот применялось комплексообразование с катионами металлов (Си2+, IVi2+, Со2+ Рез+, Zг12+). И.В. Веселая разработала метод полярографического определения аминокислот после их хромато графического разделения по высоте волны окрашенного комплекса, образованного при реакции нингидрина с аминокислотами. Максимум волны наблюдается при патенциале -1,7 в. Б.П Жанталай и Я.И. Турьян с этой цепью предлагают использовать метилольные производные аминокислот, которые восстанавливаются при более положительных потенциалах, чем формальдегид, и дают на полярографических кривых две волны, появление которых, по мнению авторов, связано с раздельным полярографированием ионо- и диметилольных производных. Для определения метионина и цистеина в смесях было использовано то, что предельные токи их метилольных производных в присутствии 0,2 М раствора формальдегида проходят через характерные максимумы, возникающие при различных значениях рН буферных растворов.

Полярографические каталитические волны водорода, вызываемые пиридином, были использованы Р.Г. Баишевой и др. для исследования относительной реакционной способности аминокислот, были рассчитаны константы скорости реакций переноса протона от аминогруппы аминокислот к пиридину и от иона пиридиния к аминогруппе. Показано, что нет прямой корреляции между константами скорости протонизации моно-аниона аминокислот, константами скорости депротоноанизации диполярного иона аминокислот с индукционными константами заместителя, но наблюдается корреляция с кислотно-основными свойствами аминокислот. Ю. Оказаки и Отсуки изучали полярографическое поведение аминокислот в небуферных растворах 80%-ного диоксана с водой. Они установили, что моно-амино-карбоновые кислоты (глицин, В-аланин, а-амино-н-масляная кислота, валин, лейцин, серин, треонин, метионин) дают одну волну, Е1 ,которой сдвигается в область отрицательных значений с ростом числа углеродных атомов в молекуле аминодикарбоновые кислоты (аспарагиновая, глутаминовая) образуют двухступенчатую полярограмму. В отличие от водных растворов, комплексы ионов Со2+ с аминокислотами в 80%-ных растворах диоксана могут быть определены одновременно с ионами кобальта.

R (NH3) СООН + е= R (NH3) СОО-+ 1/2Н2

Гистидин не восстанавливается на ртутном капельном электроде, и поэтому для его определения В. Ясельскис предлагает использовать реакцию с ионами Со2+ в фосфатном буфере (рН = 8,0). В этом растворе гистидин образует полярографически активный комплекс бисгис-тидин•Со2+, образующий в анодной области одноэлектронную волну. Автор определял гистидин в чистом виде и в присутствии малых количеств артинина, цистина, лизина, серина, глицина, гистамина и в протеиновым гидролизатах. Метод специфичен для свободного гистидина, не связанного пептидной связью.

Гистидин и гистамин определяли реакцией с сероуглеродом и образованием соответствующих кислот. Так же определялась чистота аминокислот. Медные комплексы гистамина Сu(гистамин)2+ и Сu(гистамин)2х2+, по данным Зарембовича, восстанавливаются на ртутном капельном электроде в две одноэлектронные стадии с образованием атомом меди в амальгамированном состоянии. Реакции нитрозировании применялась для определения пролила и и гидроксипролина (производиые пирролидина) . Полярографическое нововведение цистеина было предметом исследования нескольких авторов. Н. Мацуура с соавторами изучали полярограммы цистеина в среде разбавленной серной кислоты. Оказалось, что цистеин в этих условиях образует диффузионную волну с Е1/2 = -0,27 в, а волна восстановления цистина появляется при более отрицательном потенциале (Е1/2 = -0,7 в). Метод позволяет определить одновременно цистеин и цистин и был использован для изучения окисления цистеина. И. Миллер и Я. Тева методом циклической вольтамперометрии изучали механизм электровосстановления цистеина RCН и цистеина RSSR на ртутном капельном электроде при различных концентрациях цеполяризатора, значениях рН в концентрациях добавляемых в исследуемый раствор ионов Сu2+ и Сd2+. Показано образование на поверхности ртути цистеината ртути, адсорбирующегося на поверхности электрода и дающего пик обратимого электро-восстановления. Такие ионы тяжелых металлов, как Сu2+ и Сd2+ вытесняют ртуть из цистеината, сдвигая пик электровосстановлеиня в область более отрицательных потенциалов. Цистеин, как указывают М. Бржезина и П. 3уман, можно определять амперометрическим титрованием в аммиачном и сульфитном растворах, содержащих ионы Си2+. Метод заключается в том, что цистеин восстанавливает медь (II) до меди (1). По количеству восстановленной меди судят о концентрации цистеина. Определению не мешают ионы кадмия, цинка и иодиды. Исследовано амперометрическое титрование SН-групп простых тиолов (цистеина, глутатиона) в буферных растворах (рН = 4-9) с помощью ртутьорганических соединений. Наилучшие результаты с точки зрения специфичности, стабильности, высокой реакционной способности и полярографических свойств показал метилмеркурниодид CH3HgI. Определение SS-групп в белках (инсулине, рибонуклеазе, яичном альбумине и др.) возможно их восстановления в SН-группы сульфитом натрия в присутствии 8 М раствора мочевины титрованием раствором хлорида ртути (II) HgСl2.

Список использованной литературы

1. Гейровский Я., Кута Я. Основы полярографии: Пер. с чеш / Под ред. С.Г. Майрановского. - М.: Мир, 2010. - 559 с.

. Крюкова Т.А., Синякова С. И., Арефьева Т.В. Полярографический анализ. - М.: Госхимиздат, 2009. - 772 с.

. Цфасман С.Б. Электронные полярографы. - М.: Металлургия, 1960. 169 с.

4. Овчинников Ю.А. «Биоорганическая химия» М: Просвещение, 1987. 815 с., стр. 25.

. Сорокин А.В., Ким Е.Р., Овчинников Л. П. Протеасомная система деградации и процессинга белков // Успехи биологической химии. - 2009. - Т. 49. - С. 3-76.

6. Я. Кольман, К.-Г. Рем. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2000, с. 308-309.

. Мискиджьян С.П., Кравченюк Л.П., Полярография лекарственных препаратов ,1976 г., с.41-45,118-120.

. Садовникова М.С., Беликов В.М. Пути применения аминокислот в промышленности. // Успехи химии. 1978. Т. 47. Вып. 2. С. 357―383.

9. Привалов П.Л. Стабильность белков и гидрофобные взаимодействия //Биофизика. - 2011. - В. 5. - Т. 32. - С. 742-760.

. Спирин А.С. Глава II. Информационная РНК и генетический код // Молекулярная биология. Структура рибосомы и биосинтез белка. - Москва: Высшая школа, 2006. - С. 9-16.