Proteine und Aminosäuren - Fachdidaktik Chemie ETH
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Fachdidaktik Chemie ETH Experimentierkurs Demonstrationsexperiment Proteine und Aminosäuren Ziele: Die SuS lernen, dass Proteine verändert werden können und ihre dreidimensionale Struktur durch Hitze, Alkohol und Säuren verändert werden kann. Sie lernen, dass Proteine aus Aminosäuren bestehen und man diese nachweisen kann. Es ist das Ziel, dass SuS erkennen, dass Milch eine Alltagssubstanz ist, die sich fällen lässt (Käseherstellung) und dass sich in Milch Aminosäuren nachweisen lassen. Voraussetzungen: Die SuS haben den Aufbau von Proteinen besprochen. Damit die SuS die Tragweite des an sich eher unspektakulären Experiments erkennen, ist es wichtig, nochmals hervorzuheben, dass Proteine überall in der Natur und auch in technischen Anwendungen wichtige Aufgaben erfüllen. Zudem ist es wichtig, dass die SuS die Verbindung, klare Lösung – intaktes Protein / trübe Lösung – unlösliches, denaturiertes Protein machen können. Zeitbedarf: Mit Besprechung und Aufgaben ca. 1 Lektion Skizze: Teil-1 - Die Fällung von Milch 1. Amadeus Bärtsch 2. 3. HS 2014 Fachdidaktik Chemie ETH Experimentierkurs Teil.2 – Nachweis der Aminosäuren mit Ninhydrin Materialien: Teil-1 – Fällung von Milch (in Anlehnung an Lit.:[1]) Materialien: 1x grobes Tuch (Leinentuch oder Nylonstrumpf) Chemikalien: ca. 200ml Milch, 50ml Zitronensaft Geräte: 2x 500ml Becherglas (1x Hochform), 1x Löffel, 1x passender Trichter für den Kaffeefilter Teil-2 – Nachweis von Aminosäuren mit Ninhydrin Materialien: Siedesteine, Chemikalien: 1% Ninhydrin (in 10% Ethanol v/v) Freie Aminosäuren: Methionin, Serin, Glycin (möglichst kein Prolin) und etwas Molke aus dem Teil-1 Geräte: Amadeus Bärtsch mindestens 4 grosse Reagenzgläser, Heizbad oder Bunsenbrenner, grosses Becherglas, Leuchtkasten für Reagenzgläser HS 2014 Fachdidaktik Chemie ETH Experimentierkurs Durchführung: Teil-1 – Säurefällung von Milch 1) ca. 250 ml Milch werden in ein 500 ml Becherglas gefüllt und mit ca. 50 ml Zitronensaft (oder Zitronensäure) versetzt. Ein zweites Glas mit Milch wird als Vergleichsobjekt daneben gestellt. 2) Es wird nur kurz gerührt und nach ca. 2 min beginnen sich in der angesäuerten Milch Flocken zu bilden (koaguliertes Casein-Gemisch). Beim Vergleichsobjekt geschieht nichts. 3) Im bereitgestellten zweiten 500 ml Becherglas (Hochform) ist ein Trichter, in den ein grobes Tuch eingelegt ist, welches das Sediment (weißer Casein Niederschlag) auffängt. Das Filtrat (Molke, milchig trüb) wird aufgefangen. 4) Beim Vergleichsobjekt geschieht immer noch nichts. Teil-2 – Ninhydrin Reaktion (Ruhemann’sche Purpur, Aminosäure Nachweis) 5) Für jede freie Aminosäure wird ein Reagenzglas mit ca. 1,0 ml Wasser gefüllt; hier Glycin und Methionin. Die Aminosäuren werden durch Schütteln und leichtes Erwärmen gelöst. Nach ca. 2 min wird ca. 1.0 ml Ninhydrin-Lösung zur in Wasser gelösten freien Aminosäure gegeben. Es wird ein Siedesteinchen hineingegeben (Schutz vor Siedeverzug). 6) Das Gemisch wird im kochenden Wasserbad mindestens 5 min erwärmt. 7) Es wird etwas Molke (Filtrat aus dem Teil-1 des Experimentes) entnommen und in ein Reagenzglas überführt und ebenfalls mit 2 ml Ninhydrin versetzt. Auch dieses Gemisch wird im Wasserbad erhitzt. 8) Nach ca. 5 min im Wasserbad sollte sich zuerst bei den Reagenzgläsern mit der freien Aminosäure eine blaue Färbung sichtbar sein und dann beim Reagenzglas mit der Molke eine hellere, eher lila, Färbung. Beide Färbungen werden mit der Zeit etwas dunkler. Reaktionsgleichung: Zu Teil-1 Amadeus Bärtsch HS 2014 Fachdidaktik Chemie ETH Experimentierkurs Zu Teil-2 Erklärung: Teil-1 - Fällung von Casein (Hauptproteinbestandteil der Milch) Bei Erreichen des isolelektrischen Punktes (pH 4.6) kommt es zum Ausflocken des Caseins. Durch Protonierung der Carboxylgruppen, Phosphatreste und Imidazolgruppen des Histidins kommt es zur Bildung von Zwitterionen und somit zur Ladungsneutralität. Die vorher bestehende Abstoßung der Micellen untereinander aufgrund ihrer Ladungen ist nicht mehr gegeben. Zusätzlich wird die Hydrathülle geschwächt, wodurch es in der Summe zur Aggregation kommt, das Casein fällt als Folge davon aus. Das zuvor in den Phosphatbrücken gebundene Calcium geht in Lösung und bleibt bei der sauren Casein Fällung in der Molke gelöst. Lit.:[2] Teil-2 – Nachweis von Aminosäuren mittels der Ninhydrin Reaktion Der Mechanismus verläuft über eine Decarboxylierung der primären Aminosäure zum Amin. Grund ist eine oxidative Desaminierung zum Aldehyd nach dem Reaktionsmechanismus des Strecker-Abbaus. Das Ninhydrin wird bei der Reaktion reduziert. Als Zwischenprodukt ergibt sich ein Aminoderivat der durch Tautomerie veränderten reduzierten Form des Ninhydrins. Dieses Derivat reagiert mit einem zweiten Ninhydrin- Molekül zum Ruhemanns-Purpur, der das sichtbare blaue Reaktionsprodukt ist. Siegfried Ruhemann entdeckte um 1911, dass Ninhydrin mit Aminosäuren und Peptiden eine blauviolette Färbung ergibt, den sogenannten "Ruhemannschen Purpur". Entsorgung: Hausmüll und Abfluss Amadeus Bärtsch HS 2014 Fachdidaktik Chemie ETH Experimentierkurs Bemerkungen: Die Ninhydrin Färbereaktion benötigt etwas Zeit. Alle Geräte sollten bereitliegen und das Wasser sollte möglichst schon kochen. Die Reaktionslösung sollte mindesten für 3 min kochen, damit ausreichend Energie für die Reaktion bereit steht. Die Färbung vom Ninhydrin-Dimer ist umso heller, je mehr Säure in der Reaktionslösung vorhanden ist. Deshalb sollte Zitronensaft als Säurefällungsmittel verwendet werden. Casein ist gegenüber alkalischer und saurer Hydrolyse sehr stabil (industriell wird 10 molare HCl verwendet!), deshalb muss für das Demonstrationsexperiment Molke eingesetzt werden. In der Molke gibt es ausreichend freie Aminosäuren, die für die Färbung sorgen. Ninhydrinfärbungen an der Haut sind sehr hartnäckig, also besser Handschuhe tragen. Literatur: Nr. 1 2 Literatur In Anlehnung an: Quark einmal selbst herstellen – in wenigen Minuten Link: http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/11/quark-einmal-selbstherstellen-in-wenigen-minuten.html (Download: 19Okt2014) Isabelle Kuhn, Gewinnung von Casein aus Milch, Organisches Grundpraktikum Lehramt WS 2006/7 der Philipps-Universität Marburg. Link: http://chids.online.unimarburg.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0064Gewinnung_von_Casein_aus_Milch.pdf 3 4 5 6 7 Autor: (Download: 19Okt2014) Mario Gerwig, Ruhemanns Purpur, Organisch-Chemisches Grundpraktikum für Lehramtskandidaten, Philipps-Universität Marburg 04Jul2007. Link: http://www.chids.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0135Ruhemanns_Purpur.pdf (Download: 19Okt2014) Video zum Ruhemann‘schen Purpur : Link: http://www1.wdr.de/fernsehen/wissen/quarks/ (Download: 19Okt2014) PowerPoint Präsentation zum Nachweis von Aminosäuren Link: http://www.uni-saarland.de/uploads/media/Nachweise_Aminosaeuren.ppt (Download: 19Okt2014) Nachweis von Aminosäuren mit Ninhydrin Link: http://www.schulchemie.de/ninhydrin_glycin_prolin_versuch.pdf (Download 20Okt2014) Conatex-Didactic Lehrmittel GmbH, Link: http://www.conatex.com/mediapool/versuchsanleitungen/VAD_Chemie_Aminosaeuren_2.pdf (Download: 20Okt2014) Heiko Schwertner Amadeus Bärtsch HS 2014
