Реакция крахмала с амилазой уравнение

Реакция крахмала с амилазой уравнение

Крахмал – ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источником углеводов в человеческом организме.

Химическая формула крахмала (С₆(Н₂О)₅) n .

Строение крахмала

Крахмал состоит из 2 полисахаридов, построенных из остатков циклической a-глюкозы.

Как видно, соединение молекул глюкозы происходит с участием наиболее реакционноспособных гидроксильных групп, а исчезновение последних исключает возможность образования альдегидных групп, и они в молекуле крахмала отсутствуют. Поэтому крахмал не дает реакцию «серебряного зеркала».

Крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала.

В состав крахмала входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) — 10-20%;
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) — 80-90%.

Амилоза

Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки α–глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода (α-1,4-гликозидными связями).

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков a-глюкозы (средняя мол. масса 160 000) .

Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев a-глюкозы.

Амилопектин

В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде, и имеет разветвленное строение.

Подавляющее большинство глюкозных остатков в амилопектине связаны, как и в амилозе α-1,4-гликозидными связями. Однако в точках разветвлений цепи имеются α-1,6-гликозидные связи.

Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн.

Молекулы амилопектина также довольно компактны, так как имеют сферическую форму.

Биологическая роль крахмала. Гликоген

Крахмал – главное запасное питательное вещество растений, основной источник резервной энергии в растительных клетках.

Остатки глюкозы в молекулах крахмала соединены достаточно прочно и в то же время под действием ферментов легко могут отщепляться, как только возникает потребность в источнике энергии.

Амилоза и амилопектин гидролизуются под действием кислот или ферментов до глюкозы, которая служит непосредственным источником энергии для клеточных реакций, входит в состав крови и тканей, участвует в обменных процессах.

Гликоген (животный крахмал) – полисахарид, молекулы которого построены из большого числа остатков α–глюкозы. Он имеет сходное строение с амилопектином, но отличается от него большей разветвленностью цепей, а также большей молекулярной массой.

Содержится гликоген главным образом в печени и в мышцах.

Гликоген – белый аморфный порошок, хорошо растворяется даже в холодной воде, легко гидролизуется под действием кислот и ферментов, образуя в качестве промежуточных веществ декстрины, мальтозу и при полном гидролизе – глюкозу.

Превращение крахмала в организме человека и животных

Нахождение в природе

Крахмал широко распространен в природе. Он образуется в растениях в процессе фотосинтезе и накапливается в клубнях, корнях, семенах, а также в листьях и стеблях.

Крахмал содержится в растениях в виде крахмальных зерен. Наиболее богато крахмалом зерно злаков: риса (до 80%), пшеницы (до 70%), кукурузы (до 72%), а также клубни картофеля (до 25%). В клубнях картофеля крахмальные зерна плавают в клеточном соке, в злаках они плотно склеены белковым веществом клейковиной.

Физические свойства

Крахмал – белое аморфное вещество, без вкуса и запаха, нерастворимое в холодной воде, в горячей воде набухает и частично растворяется, образуя вязкий коллоидный раствор (крахмальный клейстер).

Крахмал существует в двух формах: амилоза – линейный полимер, растворимый в горячей воде, амилопектин – разветвлённый полимер, не растворимый в воде, лишь набухает.

Химические свойства крахмала

Химические свойства крахмала объясняются его строением.

Крахмал не дает реакцию «серебряного зеркала», однако ее дают продукты его гидролиза.

1. Гидролиз крахмала

При нагревании в кислой среде крахмал гидролизуется с разрывом связей между остатками α-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

Процесс гидролиза протекает ступенчато, схематически его можно изобразить так:

Видеоопыт «Кислотный гидролиз крахмала»

Реакцию превращения крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты открыл в 1811 г. русский ученый К.Кирхгоф (реакция Кирхгофа).

2. Качественная реакция на крахмал

Так как молекула амилозы представляет собой спираль, то при взаимодействии амилозы с йодом в водном растворе молекулы йода входят во внутренний канал спирали, образуя так называемое соединение включения.

Раствор иода окрашивает крахмал в синий цвет. При нагревании окрашивание исчезает (комплекс разрушается), при охлаждении появляется вновь.

Крахмал + J₂ – синее окрашивание

Видеоопыт «Реакция крахмала с йодом»

Данная реакция используется в аналитических целях для обнаружения, как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба)

3. Большинство глюкозных остатков в молекулах крахмала имеют по 3 свободных гидроксила (у 2,3,6-го атомов углерода), в точках разветвления – у 2-го и 3-го атомов углерода.

Следовательно, для крахмала возможны реакции, характерные для многоатомных спиртов, в частности образование простых и сложных эфиров. Однако эфиры крахмала большого практического значения не имеют.

Качественную реакцию на многоатомные спирты крахмал не дает, так как плохо растворяется в воде.

Получение крахмала

Из растений извлекают крахмал, разрушая клетки и отмывая его водой. В промышленном масштабе его получают главным образом из клубней картофеля (в виде картофельной муки), а также кукурузы, в меньшей степени – из риса, пшеницы и других растений.

Получение крахмала из картофеля

Картофель моют, измельчают и промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание. Вода извлекает из измельченного сырья крахмальные зерна, образуя так называемое «крахмальное молоко».

Полученный крахмал ещё раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого воздуха.

Получение крахмала из кукурузы

Зерна кукурузы замачивают в теплой воде разбавленной сернистой кислоты с целью размягчения зерна и удаления из него основной части растворимых веществ.

Набухшее зерно дробят для удаления ростков.

Ростки, после всплывания на поверхность воды, отделяют и используют в дальнейшем для получения кукурузного масла.

Кукурузную массу повторно измельчают, обрабатывают водой для вымывания крахмала, затем отделяют отстаиванием или с помощью центрифуги.

Применение крахмала

Крахмал широко применяется в различных отраслях промышленности (пищевой, фармацевтической, текстильной, бумажной и т.п.).

Он является основным углеводом пищи человека – хлеба, круп, картофеля.

В значительных количествах перерабатывается на декстрины, патоку и глюкозу, используемые в кондитерском производстве.

Из крахмала, содержащегося в картофеле и зерне злаков, получают этиловый, н-бутиловый спирты, ацетон, лимонную кислоту, глицерин.

Крахмал используется как клеящее средство, применяется для отделки тканей, крахмаления белья.

В медицине на основе крахмала готовятся мази, присыпки и т.д.

Несложный опыт с амилазой, слюной и крахмалом

Продолжаю «йодную» тематику. Уже рассказала про спиртовой раствор йода, про то, как правильно писать – йод или иод, а сегодня хочу предложить немного отдохнуть от теории и сделать небольшой и несложный опыт, в которой йод принимает самое непосредственное участие.

Небольшое вступление

И все равно не обойтись без небольшой теории. Коротко расскажу основные моменты, чтобы было понятно, о чем пойдет речь дальше и для чего вообще нужен опыт.

Опыт, который я предлагаю сделать, показывает, как фермент слюны амилаза инициирует расщепление крахмала и прочих полисахаридов.

Помню, еще в школе на уроках биологии наша незабвенная Светлана Филипповна любила задавать вопрос: где начинается пищеварение? За ответ «в желудке» шел удар указкой по столу, гневная тирада и «двойка» в дневник.

С тех пор я запомнила на всю жизнь, что пищеварение начинается во рту. Именно поэтому все врачи настоятельно рекомендуют очень тщательно прожевывать пищу, есть не спеша, а не на бегу, когда глотаешь не жуя.

Мне даже где-то попадалась информация, что на одно глотательное движение должно быть не менее тридцати жевательных. Только тогда процесс пищеварения будет эффективен. Честно скажу, когда-то давно, лет десять назад, наверное, я честно пыталась следовать этому совету, но быстро поняла, что в этом случае даже обычный завтрак затягивается почти на час, не говоря уже об обеде. А с современным темпом жизни это, увы, нереально.

Ну да это уже тема не этой статьи и даже не этого блога. Возвращаюсь к амилазе и пищеварению.

Итак, во рту начинается процесс переваривания пищи. Зубы измельчают еду, язык – перемешивает, а слюна – смачивает. Вместе со слюной в пищу попадает необходимый для переваривания фермент – амилаза, который действует на сложные углеводы, например, крахмал – расщепляет их на составные части, которые затем будут всасываться в кровь и давать энергию организму.

Вот сегодня на примере я покажу, как «работает» амилаза.

Как делаем опыт

• Приблизительно полчаса времени
• Картофельный крахмал – 1 чайная ложка без горки
• Спиртовой раствор йода
• Горячая и холодная вода
• Две мерные ложечки на 5 мл от любого лекарственного сиропа
• Стакан или чашка
• Небольшая кастрюлька с электроплитой (или газовой, не важно)
• Желательно – маркер, который пишет по стеклу
• Несколько стаканов или стеклянных баночек от детского питания

Поначалу, когда я планировала эксперимент, то насчитала, что мне понадобится 6 баночек. Однако, в ходе эксперимента выяснилось, что можно спокойно обойтись и тремя.

Начинаем с того что растворяем крахмал в минимальном объеме холодной воды, хорошенько размешиваем. Затем готовим коллоидный раствор крахмала. Не пугайтесь, это всего лишь кисель.

Для его приготовления стакан воды кипятим в кастрюльке, а потом при постоянном помешивании выливаем туда растворенный в холодной воде крахмал.

Перемешиваем, перемешиваем! Постоянно мешаем, чтобы не было комочков!

Варим на слабом огне минуты три-четыре. Затем отставляем остывать.

Запомните, чтобы опыт получился, все вещества должны быть комнатной температуры либо едва-едва теплыми!

Пока остывает, озадачиваем семью, друзей и родственников (а также собак, кошек, попугайчиков и рыбок), находящихся с вами в одной квартире, на предмет сбора слюны. Не смейтесь, на первый взгляд это легко, а попробуйте набрать и убедитесь, что не так все просто. Вам понадобится 10 мл – две ложечки по 5 мл. Больше – можно, меньше – нет.

Одну порцию выливаем в небольшой стакан или любую другую небольшую емкость и кипятим на водяной бане три-четыре минуты. Оставляем остывать.

Остывший крахмальный кисель разливаем по две чайных ложки по трем баночкам и подписываем маркером:

В первую баночку добавляем не подвергшуюся нагреванию порцию слюны и хорошенько перемешиваем.

Во вторую баночку добавляем прокипяченную слюну.

Третья будет контрольной. Туда добавляем 5 мл воды (столько же, сколько было слюны).

Теперь все активно мешаем-мешаем-мешаем, имитируя процесс пищеварения. Вот крахмал попал к вам в рот в виде хлеба, яблока, банана и т.д. Вот вы его измельчили зубами, а теперь перемешиваете языком, смачивая слюной, содержащей амилазу. Желательно перемешивать минут пять.
Обратите внимание, как в первой баночке изменится консистенция раствора. Вот что амилаза животворящая делает! А что во второй и третьей — с «убитым» кипячением ферментом и вообще без него?

Давайте проверим, что стало с крахмалом, который был во рту виртуального едока, то есть в баночках. Вспоминаем качественную реакцию на крахмал – появление синей окраски при взаимодействии с йодом.

Отбираем по небольшому объему из каждого образца. Можно отлить в отдельные емкости-баночки, но я сделала проще. Положила на стол кусок гладкого плотного целлофана и чайной ложкой выложила из каждой баночки на стол по небольшой пробе. Затем добавила в каждую пробу по 1 капле спиртового раствора йода.

Смотрите, в первом образце цвет йода не изменился, остался коричневым – крахмала там нет, весь переработан и расщеплен ферментом амилазой.

А в двух других умница-йод показал наличие крахмала, окрасив растворы в темно-синий цвет. Во втором образце фермент был подвергнут нагреванию, что изменило его свойства, сделало его «нерабочим, неактивным» — крахмал не расщепился на свои составляющие. В третьем, контрольном «рту» амилазы не было вообще, крахмал остался в первоначальном виде, его некому было расщепить.

Обсуждаем и ликвидируем последствия опыта

Вот вы и увидели, как начинается процесс пищеварения. Модель, конечно, очень условная и упрощенная, но, тем не менее, наглядная и работающая.

Опыт несложный в выполнении, не занимает много времени и не требует специального оборудования и реактивов. Как, впрочем, и все опыты, которые я провожу и записываю в рубрику «Похимичим».

Руки, посуду, квартиру и детей (насчет собаки и рыбок не знаю, не пробовала) отмыть от йода очень легко. Вам понадобится тиосульфат натрия, который продается в аптеке, стоит копейки и работает даже спустя год после окончания срока годности (у меня такой в шкафу лежит, выбросить жалко). Пары ампул вам хватит (конечно, в зависимости от масштабов проблемы).

Ну а я, пожалуй, я задумаюсь о пользе еды на бегу и второпях без тщательного пережевывания пищи. А вы что думаете по этому поводу?

KidsChemistry теперь есть и в социальных сетях. Присоединяйтесь прямо сейчас! Google+ , В контакте , Одноклассники , Facebook , Twitter

Гидролиз крахмала a-амилазами

a-Амилазы действуют на a-1,4 –гликозидные связи, расщепляют амилозу внутри её цепи, в результате чего с большой скоростью образуются низкомолекулярные продукты гидролиза – нормальные a-декстрины. Их дальнейший гидролиз даёт мальтозу, мальтотриозу и глюкозу. Было найдено, что расщепление a-1,4-глюкозидных связей в амилозе носит случайный характер иподчиняется закону статистического распределения продуктов реакции. Расщепление более мелких фракций на последнем этапе амилоза носит уже не случайный характер – действие фермента направлено лишь на определённые a-1,4-гликозидные связи. В конечном счёте a-амилазы превращают амилозу в мальтозу и глюкозу, хотя и отмечены некоторые несущественные различия в динамике гидролиза этими ферментами указанного субстрата.

Бендецкий, Яровенко по изменению вязкости и восстанавливающей способности гидролизатов крахмала оценивали действие (множественность атаки) a-амилазы Bac. Subtilis на растворимый крахмал. Авторы наблюдали существенное различие вязкость –восстанавливающая способность при кислотном и ферментативном гидролизе крахмала. Это дало основание сделать заключение, что при кислотном гидролизе деградация крахмала происходит беспорядочно, а при действии a-амилазы осуществляется множественная атака на субстрат, приводящая к образованию олигомеров на первой стадии деградации.

Разрыв цепей амилопектина осуществляется между a-1,6 — глюкозидными связями. Отщепление декстринов, содержащих 15 и более гликозидных остатков, идёт с большей скоростью, в то время как конечное осахаривание существенно замедляется. Продукты гидролиза, содержащие a-1,4 — глюкозидные связи, являются нормальными a-декстринами и состоят из 6-13 глюкозидных остатков. Остаточные декстрины, содержащие большое количество a-1,6-связей, обазначаются как аномальные конечные декстрины. Установлено, что a-1,6-связи не только не расщепляются a-амилазой, но и являются стерическим препятствием для гидролиза a-1,4-связей, находящихся в непосредственной близости к a-1,6-связям. Наименьшим предельным декстрином в конце гидролиза амилопектина амилазой слюны был найден тетрасахарид, солодовой амилазы – паноза, т. е устойчивым к расщеплению в первом случае были две a-1,4-глюкозидные связи, во втором – лишь одна.

На рис. Представлена схема действия a-амилаз на амилозу и амилопектин по Бернфельду.

Рис.2 Действие a-амилазы на амилозу и амилопектин по Бернфельду.1 – мальтоза; 2 – глюкоза; 3 – нормальный a-декстрин; 4 – конечный a-декстрин; *-редуцирующий конец амилозы или амилопектина; — действие a-амилазы.

Ход работы

Оборудование: электрическая плитка, химические стаканы, колбы, термостойкая колба, термометр, водяная баня, пипетка, мензурка.

Реактивы: крахмал, раствор йода.

Приготовление раствора крахмала:

В термостойкую колбу добавляем 200 мл воды. В неё же добавляем 2 г крахмала. Доводим смесь до кипения и кипятим несколько минут. Таким образом получаем 1% раствор крахмала.

Приготовление раствора слюны:

50 мл воды полощем во рту в течении 3-4 минут.

В три пробирки добавляем по 25 мл раствора крахмала и каплю йода. Раствор крахмала окрашивается в интенсивно синюю окраску. Нагреваем электрическую плитку и измеряем температуру водяной бани. В течении 8-10 минут даём время, чтобы температура водяной бани и температура раствора в пробирках уравнялась. Снова измеряем температуру водяной бани. Добавляем в раствор крахмала 5 мл раствора слюны и включаем секундомер. Отмечаем время исчезновения синей окраски. Затем в следующие три пробирки добавляем раствор крахмала и каплю раствора йода, охлаждаем водяную баню и повторяем процедуру при более низкой температуре.

Результаты эксперимента приведены в таблице:

Зависимость скорости расщепления крахмала от температуры.

Можно видеть, что кривая имеет колокообразный характер с максимумом при температуре 37оС. Это подтверждает белковое строение a-амилазы, так как при использовании неорганических катализаторов скорость при повышении температуры постоянно возрастает. Также можно видеть, что в нейтральной среде оптимальная работа фермента происходит при 37оС, что совпадает с температурой тела человека.

Литература

1. Алейникова Т.Л., Рубцова Г.В. «Руководство к практическим занятиям по биологической химии». М.: Высшая школа 1988 г.

2. Жеребцов Н.А. «Амилолитические ферменты в пищевой промышленности». М.: Лёгкая и пищевая промышленность 1984 г.

3. А. Ленинджер «Биохимия». 1976 г.

4. Лещук Р.И., Хило З.В. «Малый практикум по биохимии». Томск 1984 г.

5. Производство и применение амилолитических ферментов в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность 1968 г.

6. Филиппович Ю.Б. «Основы биохимии». М.: Высшая школа 1985 г.

Благодарности

Выражаю благодарность учителю физики Барановой Елене Львовне за помощь в работе и за предоставленное оборудование, ученику 9б класса Косареву Славе за оформление плакатов и ученице 11а класса Овчаровой Наталье за помощь в работе.