Токсичность ионов металлов

РОО и МП Яльчикского района ЧР
МОУ «Кушелгинская ООШ»
Исследовательская работа
Работа учащихся 9 класса
Осиповой Ольги и
Купташкиной Вероники
Руководител: учительница
биологии и химии
Яшина Надежда Ильинична
2007 год.
Оглавление.
1. Введение -------------------------------------------------------------------------------2
2. Основная часть ---------------------------------------------------------------------3-5
3. Выводы ---------------------------------------------------------------------------------6
4. Заключение ----------------------------------------------------------------------------7
5. Литература -----------------------------------------------------------------------------8
Введение.
При изучении химии важно сосредоточить внимание на проблемах защиты
окружающей среды; развитии представлений о взаимосвязи состава, свойств и
биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе;
биологической взаимозаменяемости химических элементов и последствия этого
процесса для организмов, причинах нарушения биологических циклов.
Экологические проблемы многоаспектны, поэтому для своего решения они требуют
комплексного подхода и, как правило, знаний из различных областей науки. Наиболее
подходящей формой организации деятельности, отвечающей этому требовании,
являются учебно-исследовательские экологические проекты. В процессе работы над
проектом
формируется комплекс специфических умений, подкрепленный
соответствующей теоретической базой.
Для лучшего понимания химии, биологии и экологии нужно научиться связывать их в
единое целое, находить между ними взаимосвязь.
В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. До
ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В
последней четверти ХХ в. глобальные экологические проблемы сделали вполне
реальной угрозу самоуничтожения человечества.
Загрязнение и деградация окружающей среды непосредственно сказывается на
здоровье человека. Экологические факторы вносят существенный вклад в
демографическую катастрофу. Так, только от загрязнения воздуха взвешенными
частицами ежегодная дополнительная смертность составляет 30 тыс. человек, потери
здоровья людей в связи с потреблением некачественной питьевой воды в целом по
России оцениваются более чем в 30 млрд. руб. в год.
Особенно важно решение вопроса элементарной «химической» подготовленности
людей, ведь с веществами, способными принести определенный вред человеку, сегодня
контактирует практически каждый из нас. В повседневной жизни человек использует
лекарства, косметические и парфюмерные средства, красители, различные виды
топлива, пластики, удобрения и т. д. Однако немногие из потребителей имеют
представление об опасностях, связанных с их использованием.
Взаимодействие живого организма со средой можно изучать через один из важнейших
компонентов – фермент. Система фермент – фактор среды достаточно информативна. с
одной стороны, фермент имеет белковую природу, с другой – они проявляют
каталитические свойства, т. е. определяют скорость биохимических реакций. Если
протекание реакции поддается визуализации, то фермент становится удобным
индикатором для изучения взаимодействий различных факторов среды на белковые
структуры организма.
В ответ на воздействие химических факторов включаются различные механизмы,
например, происходит инактивация ферментов. Снижение ферментативной активности
представляет собой неотъемлемую часть в комплексе ответных реакций организмов на
воздействие химических загрязнителей различной природы. Оно обусловлено в
определенной степени непосредственным взаимодействием ферментов с химическим
соединением. эти сведения позволяют рассматривать систему фермент – химический
фактор как модель учебного экологического эксперимента, а изменение активности
фермента интерпретировать как проявление возможной (во многих случаях наиболее
вероятной)реакции организма на появление химического фактора.
Оcновная часть
Цель: Изучить влияние некоторых химических элементов на вещества белковой
природы, на примере фермента слюны амилазы.
Амилаза слюны как индикатор реакции организма
на воздействие химических факторов
Амилаза слюны катализирует гидролитическое расщепление крахмала. Этот фермент
относится к типу α-амилаз, каталитическое действие которых направлено на
внутренние гликозидные связи. Разрушение молекул крахмала происходит с
образованием сначала крупных осколков-декстринов, затем по пути дальнейшего их
дробления с образованием конечного продукта – дисахарида мальтозы. Таким образом,
уменьшение количества крахмала является признаком протекания ферментативной
реакции. В свою очередь, его можно легко определить с помощью качественной
реакции на крахмал, проводимой с использованием иода.
Комплекс амилозы с иодом имеет синий цвет, что используется в аналитических
целях для открытия крахмала. Декстрины, значительно отличающиеся по
молекулярной массе от исходных компонентов крахмала, дают красно-бурое
окрашивание с иодом, низкомолекулярные продукты гидролиза крахмала, в том числе
мальтоза, окрашивания не дают.
Характер окрашивания реакционной смеси (крахмал + амилаза + химический фактор)
после добавления иода позволяет сделать вывод об активности фермента в присутствии
изучаемого фактора. Если окраска отсутствует, то крахмал гидролизован, амилаза
активна; красно-бурая окраска – произошло частичное расщепление крахмала,
активность амилазы снижена; синяя окраска – крахмал не подвергается гидролизу,
амилаза не активна.
Подготовка к эксперименту по изучению системы фермент-фактор
Раствор крахмала. Половину чайной ложки пищевого крахмала взбалтывают в
небольшом количестве холодной воды и добавляют его к 200 мл воды, доведенной до
кипения, хорошо размешивают и охлаждают.
Раствор иода. Аптечный 5%-ный спиртовой раствор иода (иодная настойка)
разбавляют водой в 20 раз (во всех опытах при отсутствии дистиллированной воды
можно использовать водопроводную кипяченую воду), он приобретает цвет некрепкого
чая.
С полученным раствором необходимо провести качественную реакцию : разводят
полученный раствор крахмала с водой в соотношении 1:2 (это разведение реакционной
смеси, в которой он будет использован), добавляют две капли раствора иода Если
интенсивность окраски слишком велика и полученный раствор непрозрачен,
необходимо дополнительно разбавить исходный раствор крахмала. Такая проверка
нужна для того, чтобы концентрация крахмала в реакционной смеси с ферментом не
была слишком высока. В том случае эффект воздействия фактора на фермент будет
проявляться за короткое время (20 минут).
Раствор амилазы. Учащимся необходимо ополоснуть рот 2-3 раза водой для
удаления остатков пищи, набрать в него 10 мл воды, подержать полминуты и собрать
полученный раствор в пробирку, доведя до объема 10 мл. Аккуратно перемешать
раствор фермента, не вспенивая (вспенивание может привести к инактивации
фермента), чуть наклонив пробирку и поворачивая вокруг её оси.
Изучение воздействия химического фактора на активность амилазы в большинстве
опытов проводится по схеме: берут две пробирки, наносят на них на равном расстоянии
три метки. В пробирку 1 (контрольную) последовательно наливают до первой метки
раствор амилазы, до второй – воду, до третьей раствор крахмала. В пробирку 2
(опытную)наливают до первой метки раствор амилазы, до второй – раствор
химического соединения (фактора), воздействие которого изучается, до третьей раствор
крахмала. Содержимое пробирок аккуратно перемешивают. Пробирки оставляют в
штативе на 20 минут при комнатной температуре. По истечении времени в обе
пробирки добавляют по две капли раствора иода , растворы перемешивают, наблюдают
развитие окрашивания. (Эту последовательность операций обозначим схемой А и
будем применять это обозначение, не повторяя описание.
Кислотные дожди
Изменение концентрации ионов водорода в окружающей среде может происходить
вследствие кислотных дождей. Явление повышения кислотности биосферы губительно
прежде всего для тех организмов, внутренняя среда которых изменяется в соответствии
с изменениями состава внешней среды (это микроорганизмы, растения, многие
гидробионты).
Организмы высших позвоночных животных способны поддерживать постоянство
внутренней среды самостоятельно. рН-оптимум ферментов отражает реакцию белков
на внутренние изменения концентрации Н+ в органах и тканях, происходящие при
различных нарушениях обмена веществ и другими причинами.
О п ы т 1. Изучение влияния концентрации ионов водорода на активность
амилазы
Реактивы и оборудование: растворы амилазы, крахмала и иода, 0,001 М растворы
хлороводорода и гидроксида натрия; три пробирки.
В контрольную и две опытные пробирки наливают растворы по схеме А. В первую
опытную пробирку наливают раствор кислоты (химический фактор), а в другую
раствор щелочи. Через 20 мин раствор во второй пробирке нейтрализуют, перенося в
него стеклянной палочкой небольшие порции концентрированной кислоты, чтобы
исключить взаимодействие иода с щелочью. Затем добавляют иод в соответствии со
схемой А.
В контрольной пробирке активность амилазы максимальна, раствор бесцветный; во
второй – активность фермента не проявляется; в третьей – раствор бесцветный, это
говорит о том, что в слабощелочной среде амилаза способна еще действовать (во рту
слабощелочная среда).
Токсичность ионов металлов.
Токсическое действие ионов металлов на живые организмы связано с протеканием
следующих процессов: вытеснением токсичным ионом необходимого металла из
биокомплекса; связыванием с макромолекулами и нарушением их биологической
функции .
О п ы т 2. Изучение воздействия ионов металлов на активность амилазы
Реактивы и оборудование: 0,5-1% -ные растворы солей, содержащие катионы
металлов р- и d-элементов (мы использовали соли меди (CuSO4), железа (FeSO4),
алюминия Al(NO3)3), растворы крахмала, иода, амилазы; две пробирки.
Опыт проводили по схеме А.
Результаты опыта, полученные после добавления в каждую пробирку иода,
показывают, что в присутствии иона металла активность амилазы отсутствует (раствор
синий), что является подтверждением токсического действия ионов металлов на
организм.
О п ы т 3. Белки как противоядие для ионов тяжелых металлов
Реактивы и оборудование: 0,5-1% -ный раствор Pb(NO3)2 , молоко, растворы
крахмала, иода, амилазы; две пробирки.
Растворы наливают в равных объемах в следующей последовательности: в
контрольную пробирку – раствор амилазы, воду, раствор Pb(NO3)2 и крахмала; в
опытную пробирку – раствор амилазы, молоко, раствор Pb(NO3)2
и крахмала.
Содержимое пробирок перемешали , через 20 минут добавили в обе пробирки по две
капли раствора иода. В обеих пробирках находились ионы свинца, инактивирующие
амилазу, однако в присутствии молока активность амилазы сохранилась, о чем
свидетельствует отсутствие синего окрашивания раствора при добавлении иода.
Формальдегид – компонент фотохимического смога,
его взаимодействие с белками
В процессе формирования фотохимического смога образуется много агрессивных
органических соединений, в том числе формальдегид, который также может
образовываться при неполном окислении бензина и накапливаться в воздухе городов
как токсический компонент выхлопных газов. Контакт формальдегида со слизистой
оболочкой глаза приводит к ухудшению зрения, его вдыхание вызывает раздражение и
поражение дыхательных путей. Длительное воздействие формальдегида на организм
становится причиной серьезных нарушений функций нервной системы. В основе этих
явлений – взаимодействие формальдегида с белками.
Формальдегид влияет на микроорганизмы, вызывая их гибель. Вот почему это
вещество
используют
при
консервировании
биологических
препаратов,
обеззараживании медицинских инструментов, помещений, консервировании кормовых
смесей, протравливании семян при их хранении, в процессе копчения пищевых
продуктов и т. д.
О п ы т 4. Изучение воздействия формальдегида на активность амилазы
Реактивы и оборудование: 37%-ный раствор формальдегида или формалин, который
необходимо разбавить до 1-5%-ной концентрации, растворы крахмала, иода, амилазы;
две пробирки.
Опыт проводят по схеме А, используя в качестве химического фактора раствор
формальдегида.
Синее окрашивание раствора в пробирке с формальдегидом свидетельствует об
инактивации амилазы.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) в природе
ПАВ знакомы нам в основном как компоненты стиральных порошков и моющих
средств, но сфера их применения значительно шире. Без них не обходятся нефтедобыча
и транспортировка нефти, они используются как ингибиторы коррозии, в легкой
промышленности – для отмывки волокн, в пищевой отрасли – для мытья
производственных аппаратов и т. д.
Накопление этих соединений в природных системах создает определенный
отрицательный эффект. Установлено, что ПВА вызывают эмульгирование жиров и
нефтепродуктов в природных водах. Попадая в желудочно-кишечный тракт с водой,
ПАВ способствуют всасыванию органических токсикантов в кровь.
О п ы т 5. Изучение воздействия ПАВ на активность амилазы
Опыт проводят по схеме А с использованием раствора ПАВ (стиральный порошок) в
качестве химического фактора.
Наблюдаемое в опытной пробирке синее окрашивание реакционной смеси и
соответственно инактивация фермента объясняется тем, что молекулы ПАВ
взаимодействуют с молекулами белков и вызывают нарушение их пространственной
структуры.
Выводы
На благополучие человеческого здоровья влияет экологическое состояние
окружающей среды. Изменение предельно допустимой концентрации веществ в
непосредственно сказывается на состоянии физического, психического благополучия
человека. Многие вещества могут проникать в организм человека, нарушать обмен
веществ, оказывая влияние на функционирование веществ белковой природы.
Влияние экологических факторов на организм человека можно изучать через
ферменты, в частности амилазу – фермента слюнной железы, ответственного за
расщепление крахмала. В присутствии некоторых веществ фермент инактивируется,
что нарушает процесс расщепления углеводов в организме человека.
.
Влияние химических факторов
на активность фермента амилазы.
№ опыта
Химический фактор
1
Хлороводородная кислота
(0,001 М)
Щелоч (0,001 М)
CuSO4 (1%)
FeSO4 (1%)
Al(NO3)3 (1%)
Pb(NO3)2 (1%)
Pb(NO3)2 (1%) + молоко
HCOH (5%)
ПАВ (стиральный порошок)
2
3
4
5
Цвет раствора в
пробирке
синий
бесцветный
синий
синий
синий
синий
бесцветный
синий
синий
Опыт с ионом Cu2+ объясняет смысл использования медного купороса в сельском
хозяйстве, на садовом участке при опрыскивании растений, а также в качестве
антисептического средства в медицине. Инактивация ферментов, вызываемая им,
приводит к гибели микроорганизмов, многих возбудителей заболеваний растений, но
по той же причине медный купорос токсичен для человека, поэтому необходимо
соблюдать осторожность при работе с ними.
Опыт с солью алюминия объясняет, почему не рекомендуется держать кислые
пищевые продукты в алюминиевой посуде и в чем заключается опасность мобилизации
ионов алюминия в почвах под действием кислотных дождей.
Все железосодержащие биомолекулы организма являются комплексными
соединениями с белковыми лигандами, а свободные ионы железа так же токсичны, как
и многие другие ионы металлов. Это доказывает опыт с солями железа. Становится
понятно, почему опасно пить «ржавую воду».
Заключение.
Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации
природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно
необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученогоестествоиспытателя, впервые создавшего теорию развития живой природы, Жана
Батиста Ламарка: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в
том, чтобы уничтожать свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для
обитания».
Для успешного решения планетарных экологических кризисов и дальнейшего
развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих
кризисных проблем всеми, в том числе подрастающим поколением, чтобы направить
свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного
устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние
дома, в котором мы все живем.
Экспериментальный подход в изучении триады «организм – среда – взаимоотношение
организма со средой», представленной как «фермент – химическое соединение –
химическое взаимодействие»,развивает интерес и ко всей системе этих понятий в
целом, и к каждому из них в отдельности. При выполнении эксперимента, идет не
только знакомство с экологической проблемой, но и понимание важности приложения
знаний о химических свойствах соединений к объяснению их воздействия на
биологические структуры. Происходит осознание, что без понимания сути
экологической проблемы невозможно ее решение
Результаты эксперимента подводят к выводу о необходимости изменения принципов
взаимодействия общества и природы, а также введения системы норм и ограничений во
все направления человеческой деятельности (в том числе и использования химических
веществ). Это будет способствовать обеспечению нормальных условий для
существования и развития природы.
Литература
1. Ольгина О. М. Опыты без взрывов М.: Химия, !986.
2. Северюхина Т. В. Старые опыты с новым содержанием./ / Химия в школе. -1999 №2,3
3. Кровельщикова Т. Н. Из опыта реализации экологического подхода к обучению
химии. ./ / Химия в школе. -2002 -№8
4. Предводителев Д.А. Роль химических знаний в экологической подготовке
школьников. ./ / Химия в школе. -1998 - №3
5. Энциклопедия для детей. Том 17 Химия. / Глав. Ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+,
2000.