Дом  ->  Квартира и дача  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Фермент амилаза как модель экологического эксперимента

Человеку становится все больше труднее обеспечить себя водой, поскольку природные источники пресной воды - озера и реки - с каждым годом все больше загрязняются как твердыми, так и жидкими отходами производства.

Одной из главных экологических проблем в нашей республике, как впрочем, и в некоторых других регионах, является плохое обеспечение населения качественной питьевой водой. В этой ситуации участие общественности в контроле за состоянием водоемов, работа по предотвращению и сокращению загрязнения водных объектов, привлечения государственных природоохранных и властных органов к решению вопросов обеспечения населения качественной питьевой водой играют далеко не последнюю роль.

Анализ полученных данных показывает, что основными происхождения: животноводческие, поверхностные дождевые и талые стоки из села. Ведь вода является универсальным растворителем, в ней могут растворяться все элементы периодической системы. Чем больше строятся заводы, распахиваются земли, появляются свалки, тем больше грязной, непригодной для питья воды остается на Земле. Дождевые потоки протекая через населенные пункты, автомагистрали, обработанные поля, свалки, вберут в себя всю «химию», которая попадается им на пути. В конечном итоге «раствор цивилизации» окажется в воды. Вода - ценный, абсолютно необходимый человеку ресурс. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются многие физиологические процессы в организме человека, происходит деградация здоровья человека.

Качество питьевой воды должно соответствовать санитарным нормам при ее использовании.

Научное общество учащихся работает в нашей школе 6 - й год. первые два года работала только в летнее время во время полевой практики, ознакомились с теоретическими и практическими навыками полевой работы, собирали материалы, провели наблюдения, обработали данные и составляли отчеты.

Последние пять лет занимается мониторингом качества воды озер находящихся вблизи села. Анализы качества воды показывают на неудовлетворительное состояние. Наблюдается изменение рН среды, повышение концентрации ионов металлов, аммиака, нитрит-ионов. И это сказывается на состояние здоровья населения. Растет число заболеваний как желудочно-кишечные, эндокринной системы, сердечно-сосудистых, опорно-двигательных и др.

Также определение качества воды по организмам зообентоса показывает, что наблюдаются гидробионты только загрязненных водоемов (мотыль, пиявки т. д. ).

Полученные данные показывают, что чаще всего люди сами способствуют их возникновению либо по недомыслию, либо из-за недостатка информации. Поэтому необходима разъяснительная работа среди населения.

Я свою работу хотела начать с рассмотрения роли вещества в экологических взаимодействиях, зависимости экологических функций вещества от его концентрации, условий и характера антропогенной деятельности, а также путей предотвращения его разрушающего воздействия на природные системы.

Актуальность темы: Любое экологическое нарушение влечет за собой множество вытекающих одно из другого последствий.

Цель: Экспериментально доказать вредное влияние загрязнений на живые организмы.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Планировать и проводить исследования.

2. Поставить имитационные опыты, показывающие воздействие различных факторов среды на белковые структуры организма.

3. Аргументировать свою точку зрения.

Гипотеза: 1. Гипотеза: 1. Без понимания сути экологической проблемы невозможно и ее решение

2. Снижение ферментативной активности - неотъемлемая часть в комплексе ответных реакций организмов на воздействие химических загрязнителей различной природы

Научность: Экспериментальный подход в изучении триады «организм – среда – взаимоотношение организма со средой».

Новизна: Амилаза слюны как индикатор реакции организма на воздействие химических факторов.

Методы исследования: Экспериментальные опыты на изучение влияния различных факторов на активность амилазы.

Предмет исследования: Амилаза слюны.

Глава 1. Теоретическая часть

1. 1. Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу - диоксид серы SО2 и оскиды азота NОх.

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу бывают главным образом вулканы и лесные пожары (примерно 20 млн тонн в год). Естественная фоновая концентрация SО2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м3 в Арктике и 1,28 мкг/м3 в средних широтах. Эти концентрации значительно ниже принятого в мирвой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО2 , равного 15 мкг/м3.

Поступления диоксида серы антропогенного происхождения в атмосферу в настоящее время превышает его естественное поступление и составляет около 100 млн тонн в год. Из них на долю США приходится 20 %, на долю России - менее 10 %. Как видно из данных таблицы, в России выбрасы диоксида серы составляют более 30 % от всех вредных промышленных выбрасов.

Выбрасы загрязняющих веществ в атмосферу предприятиями Российской Федерации и содержание в них оксидов серы и азота, тыс. тонн

Диоксиды серы техногенного происхождения образуются при сжигании богатого серой горючего (уголь, мазут), содержание серы в котором колеблется от 0,5 до 5-6 %, на электростанциях (около 40 % антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной промышленности (около 50 %).

Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют о росте в последние годы доли выбросов азотных соединений в закислении атмосферных осадков. На содержание оксидов азота NОх в атмосфере стали обращать внимание лишь после обнаружения озоновыхдыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления оксидов азота в атмосферу связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется оксид азота, а впоследствии и диоксид азота. Значительная часть оксидов азота природного происхождения (природные выбрасы их, по некоторым оценкам, достигают 700 млн тонн в год) перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 в Арктике и 1,23 мкг/м3 в средних широтах, что существенно ниже ПДК NОх , равной 40 мкг/м3.

Оксиды азота техногеного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000оС. При высоких температурах горения часть молекулярного азота окисляется до оксида азота, который в воздухе сразу вступает в реакцию с кислородом с образованием диоксида и тетраоксида N2O4. Исходно выбросы всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид - гораздо более опасное соединение.

Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют около 70 млн тонн в год (примерно 30% их приходится на долю США, 25 % - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов - на долю России). Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее минеральные удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами.

В России около 25% техногенных выбросов оксида дает сжигание топлива на предприятиях электро - и теплоэнергетики, столько же - различные производственные процессы на предприятиях металлургической, машиностоительной и не связанные с процессами горения топлива химической промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенного поступления оксидов азота в атмосферу - автотранспорт и другие виды моноторного транспорта (40%).

Следует отметить, что при наметившейся в 90 -е гг. в России тенденции снижения выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями доля диоксида серы и оксидов азота в этих выбросах увеличивается.

Суммарные выбросы всех загрязнителей в воздушную среду с 1993 по 1997 г. сократились примерно на 30%, диоксида серы - на 20%, оксидов азота - на 30%.

Однако лишь 20% этих сокращений обусловлены природоохранными мероприятиями и усилением экологического контроля. Основная причина - спад производства, который за эти годы составил более 50%. Расмхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу производственного продукта. При этом, как показывает анализ, спад производства был равномерен в различных отраслях хозяйства: наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др. ) и наибольшим - в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная промышленность и др. ).

Особенно возросло поступление вредных выбросов автотранстпорта, в том числе оксидов азота, причем в крупных городах - очень значительно. Например, в Москве в 1998г. 92,3% вредных выбросов пришлось на долю автомабильного парка, который в конце года насчитывал 2,2 млн единиц. Выхлопы от автомаьилей в столице составили 1604 тыс. тонн - почти одну десятую часть вредных выбросов в атмосферу всеми предприятиями России(!). В среднем доля NОх в выхлопных газах составляет 3/4 , а эффективных методов нейтрализации оксидов азота автомабилей пока нет.

1. 2. Выпадение кислотных дождей

Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности в Скандинавии, и Северной Америке в 50 -х гг. В настоящее время эта проблема существует во всем индустриальном мире и приобрела особенное значение в связи с возросшими тезногенными выбросами оксидов серы и азота.

В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн км2 , составляет 5-4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3-2,5.

В последние годы кислотные дожди стали наблюдаться в промышленных районах Азии, Латинской Америки и Африки. Например, в Восточной Трансваале (ЮАР), где вырабатываются 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т серы в год в иде кислотных оасдков. В тропических районах, где промышленность практически не развита, кислотные осадки вызваны поступлением в атмосферу оксидов азота за счет сжигания биомассы.

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и суммы выподений оксидов азота (до 750 кг/ км2 в год ) на значительных по площади ареалах (несколько тысяч км2 ) наблюдается в густонаселенных и промышленных регионах - в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном, Уральском и некоторых других экономических районах, на локальных ареалах (до 1 тыс. км2 ) - в ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров, таких, как Москва, Санкт- петербург, Омск, Норильск, Красноярск, иркутск и другие, насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.

превышение уровня критических нагрузок по выпадению окисленной серы отмечается в ряде областей (Ленинградская, Московская, Рязанская) европейской территории России (ЕТР) и по выпадениям оксидов азота - на половине площади ЕТР.

Анализ кислотности дождей, прведенный в регионах российской Федерации за последние пять лет по результатам измерений Росгидромета, показывает неизменную повышенную их кислотность (минимальные значения рН 3,4-3,1) на Урале и в Предуралье, на северо-западе и юге ЕТР.

Специфическая особенность кислотных дождей - их трансграничный характер, обусловленный переносом коислотообразующих выбросов воздушными течениями на большие расстояния - сотни и даже тысячи километров. Этому в немалом степени способствует принятая некогда "политика высоких труб" как эффективное средство против загрязнения приземного воздуха (например, дымовая труба Экибастузской ГРЭС-1 имеет высоту 330 м. ). Почти все страны одновременно выступают экспортерами своих и импортерами чужих выбросов.

Наибольший вклад в трансграничное подкисление природной среды соединениями серы вносят Украина, Польша, Германия. от России же больше всего окисленной серы направляются в страны Скандинавии. Соотношения такие: с Украиной - 1:17, с Польшей - 1:32, с Норвегией -7:1. Экспортируется "мокрая" часть выбросов (аэрозоли), сухая часть загрязнений выподает в непосредственной близости от источника выброса или на незначительном удалении от него.

1. 3. Влияние кислотных дождей на экосистемы и людей

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду. В первую очередь их отрицательному воздействию подвергаются водоемы, почва и растительность.

природные поверхностные воды обладают буферными способностями по отношению к посторонним ионам водорода и гидроксид - ионам, т. е. могут поддерживать постоянное значение рН вблизи нейтральной точки; за пределами интервала значений рн 4-13 буферная способность полностью утрачивается. главным буферным соединением в воде выступает гидрокарбонат- ион НСО-3 , образующейся при диссоциации угольной кислоты и способный нейтролизовать кислоты и основания:

НСО-3 + Н+ Н2СО3,

НСО-3 + ОН- СО32- + Н2О

Особенно высокими буферными спсобностями обладает морская вода, рН которой составляет от 7 до 8,5, что соответствует слабощелочной реакции. Снеговые воды, а также большинство пресных водоемов, особенно в северных областях земного шара, обладают слабыми буферными свойствами и миеют кислую реакци. : 7>рН>4.

Самый богатый животный мир существует в водах, рН которых лежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче видами, чем животный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водами необитаемы, нет жизни и в водоемах со значениями рН

Первыми жертвами кислотных дождей стали озера и реки.

При повыщении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например, для моллюсков такой порог равен 6, для окуней - 4,5) в водоемах быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

А1(ОН)3 + 3Н+ ( А13+ + Н2О

Даже не большая концентрация ионов алюминия (0,2 мг(л ) в водоемах смертельна для рыб. В то же время фосфат - ионы, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с ионами алюминия, становятся малодоступными для этих организмов.

Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям рН почвенной влаги, но они угнетаются возрастающей кислотностью. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они нейтрализуют почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести, в кислой почве они погибают.

Почвенное подкисление считается одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны Северного полушария. Непосредственное воздействие куислых осадков приводит к нарушению листовой поверхности, процессов транспирации и фотосинтеза за счет разрушения хлорофилла.

Загрязнения воздуха кислотообразующими выбросами оказывает вредное влияние и на организм человека.

Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечно - сосудистыми и легочными заболеваниями. Вредно это и для здоровых людей, поскольку диоксид серы и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием.

1. 4. Экологические проблемы сточных вод

Одна из главных причин загрязнения водной оболочки Земли, приводящая к дефициту чистой пресной воды – сброс в поверхностные водоемы неочищенной или недостаточно очищенной воды, содержащей загрязняющие вещества.

Сточными водами называют воды, использованные на бытовые и производственные нужды и загрязненные при этом дополнительными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства.

Водный бассейн загрязняется атмосферными осадками, вымывающими из воздуха вредные техногенные выбросы , а также ливневыми стоками с городской территории. Интенсивное загрязнение водных объектов - поверхностных и грунтовых вод – дает современное сельское хозяйство с его массовым содержанием скота, интенсивным внесением в почву удобрений и использованием химических средств защиты растений от вредителей.

Значительное количество загрязнений поступает в водоемы от промышленный предприятий, а также от предприятий коммунального городского хозяйства.

Для обезвреживания загрязненных вод, главным образом их разбавления после очистки, ежегодно в мире затрачивается около 9000 км3 чистой воды, что составляет 20% устойчивого стока всех рек земного шара, принимаемого за запасы чистой пресной воды на Земле.

В России в настоящее время в поверхностные водоемы ежегодно сбрасываются более 70 км3 сточных вод, 30% из которых – неочищенные или недостаточно очищенные. При полной очистке современными методами сточные воды в лучшем случае бывают очищены лишь на 90%, и они вносят в водоемы не меньше загрязнений, чем все неочищенные сточные воды 50 лет назад.

Необходимость очистки сточных вод возникла в связи с непрерывным увеличением водопотребления и, соответственно, с образованием значительного количества сточных вод. К сожалению, несмотря на высокую эффективность работы очистных сооружений, многие стоки «нормативно очищенных вод» несут большое количество остаточных загрязнений, превышающих природную самоочищаемость водоемов.

Экологические исследования указали на тесную связь между выживаемостью отдельных представителей водной биоты – флоры и фауны – и степенью – загрязнения воды. Изменение состава водной флоры отмечено даже при кратковременном увеличении загрязненности воды. К сожалению, такие тонкие биоиндикаторы не дают количественной оценки загрязненности воды, но могут служить сигналом о наличии неблагоприятных экологических условий. Количественная оценка загрязненности воды возможна том случае, если степень загрязненности достаточно велика и возможно нарушение нормального состояния водной экосистемы. Такой количественный анализ необходимо делать перед тем, как вода будет сброшена в почву и поверхностные водоемы.

1. 5. Критерии степени загрязнения сточных вод

Критерием загрязненности воды выступают ухудшение ее качества вследствие изменения органолептических свойств и наличие вредных веществ, влияющих на:

• Процессы естественного самоочищения водоемов;

• Жизнедеятельность водных организмов;

• Здоровье человека при использовании воды для водоснабжения населения.

Естественное самоочищение воды происходит биологическим путем: аэробные микроорганизмы питаются органическими веществами, в том числе и загрязнителями. Их активная деятельность обусловлена присутствием в воде достаточного количества растворенного кислорода. Если содержание органических веществ велико, то продукты метаболизма аэробов начинают стимулировать рост водорослей, зоопланктона и размножение представителей высшей фауны, которые потребляют кислород при дыхании. С ростом числа живых организмов в воде увеличивается и число отмирающих, а для аэробного разрушения органических остатков также требуется кислород. Расход кислорода уже не восполняется за счет фотосинтеза. В итоге происходит массовая гибель аэробных организмов и столь же массовое размножение анаэробнах, которые разрушают биомассу посредством брожения. Такой переход от аэробного состояния воды к анаэробному называют опрокидыванием. Естественные водоемы при этом теряют способность к самоочищению.

Итак, главную роль в процессах самоочищения воды от неорганических загрязнителей играет растворенный в воде кислород. Уровень загрязнения воды определяется потребностью воды в кислороде. При этом различают биологическую потребность в кислороде (мг кислорода в расчете на 1л воды, БПК, мг/л) – массу растворенного в воде кислорода, необходимого для биологического окисления тех компонентов загрязнения, которые микроорганизмы используют для своей жизнедеятельности, и химическую потребность в кислороде (ХПК, мг/л) – массу растворенного в воде кислорода, обеспечивающее более полное, химическое, окисление органических и неорганических веществ, находящихся в сточной воде.

При концентрации загрязняющего вещества с (мг/л), равной или меньшей ПДК (С≤ ПДК), вода безвредна для всего живого, как и вода, в которой полностью отсутствует данный загрязнитель.

В экологии принято определить степень загрязнения в единицах ПДК. Так, если концентрация фенола в водоеме хозяйственно-питьевого назначения составляет 0,1 мг/л, то при ПДК этого загрязнителя, равном 0,01 мг/л, говорят, что степень загрязнения водоема по фенолу равна 10 ПДК.

Значения ПДК зависит от признака вредности. Например, ионы меди оказывают токсическое действие при концентрации 10 мг/л, нарушают процессы самоочищения воды при концентрации 5 мг/л, а придают воде привкус концентрации 1 мг/л.

ПДК того или иного вредного вещества устанавливают по лимитирующему признаку вредности (ЛПВ) - признаку вредного действия загрязняющего вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией. Таким образом, ЛПВ создает некоторый запас надежности по другим признакам вредности. В приведенном примере ПДК для меди равна 1 мг/л, т. е. выбрана по органолептическому ЛПВ.

Если в воде несколько веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, то экологическая чистота такой воды определяется выполнением условия:

∑(Сn/ ПДКn) ≤1.

Сравнение ПДК, действующих в Российской Федерации в соответствии с Законом об охране окружающей природной среды, со стандартами, действующими в США и европейских странах, показывает, что российские нормы в 80% случаев более жесткие. Из этого можно сделать неверный вывод, что в России обеспечивается более надежная очистка загрязненной воды. На самом деле это не так. Многие российские стандарты сегодня технически недостижимы, существующие аналитические методы контроля не позволяет определять столь низкие концентрации или не разработаны вообще.

Почти полвека сохраняется критическая ситуация на Волге. В бассейне реки, который охватывает 136 млн. человек и сосредоточено более 60% промышленного и половина сельскохозяйственного потенциала России, дающих не только продукцию, но и 40% всех сточных вод страны. Большая часть из 300 крупных предприятий химической, металлургической, оборонной промышленности, находящихся на берегах Волги и ее притоков, по-прежнему сбрасывают стоки через примитивные, устаревшие очистные сооружения либо вообще без всякой очистки. Немалое токсическое воздействие на Волгу оказывают и колоссальные по объему коммунальные стоки. В крупнейшую реку Европы ежегодно сбрасывается около 20км3 сточных вод, что составляет почти 10% годового стока реки. Каскад водохранилищ при ГЭС резко замедлил течение воды: раньше вода с верховьев реки попадала в море через 1,5 месяца, сейчас – через 1,5 года. Замедление течения воды в десятки раз снизило способность реки к самоочищению, в волжской воде обнаружено более миллиона химических соединений, многие из которых токсичны. И такая река – источник водоснабжения всех прилегающих к ней городов, поселков и деревень, при этом забор воды в поселках и деревнях идет непосредственно из реки, минуя какие-либо очистные сооружения.

1. 6. Ферменты и взаимодействие организма со средой

Взаимодействие живого организма со средой можно изучать через один из важных его компонентов – фермент. С одной стороны ферменты имеют 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 влияния различных факторов среды на белковые структуры организма.

В ответ на воздействие химических факторов включаются различные механизмы, например происходит инактивация ферментов. На биохимическом уровне химический загрязнитель, кроме белковых структур, может взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами. Кроме того, в различных организмах существуют специальные системы противодействия разрушающим факторам: буферные системы против кислотных компонентов, хелатообразующие соединения против ионов металлов и. т. д.

Многочисленные литературные данные указывают на то, что снижение ферментативной активности представляет собой неотъемлемую часть в комплексе ответных реакций организма на воздействие химических загрязнителей различной природы. Оно обусловлено в определенной степени непосредственным взаимодействием ферментов с химическим соединением.

1. 7. Амилаза слюны как индикатор реакции организма на воздействие химических факторов

Амилаза слюны катализирует гидролитическое расщепление крахмала. Этот фермент относится к типу ά – амилаз, каталитическое действие которых направлено на внутренние гликозидные связи. Разрушение молекул крахмала происходит сообразованием 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. Его можно легко определить с помощью качественной реакции на крахмал проводимой с использованием йода.

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов (амилопектин, амилоза), построенных из остатков ά – глюкозы. На долю амилопектина приходится 80 – 90 % смеси. Он состоит из крупных разветвленных молекул. Второй компонент – амилоза – имеет спиралеобразную структуру. Витки спирали могут заключать в своем внутреннем пространстве молекулы, соответствующие их размерам, с образованием комплексов, называемых соединениями включения. 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 и мальтоза, окрашивания не дают.

Таким образом, амилаза является удобным ферментом для постановки учебно – исследовательского эксперимента.

1. 8. Закон оптимума. Кислотные дожди

Закон оптимума - фундаментальный закон действия экологических факторов на живые организмы. Рассмотрим, как выполняется этот закон, если химический фактор – ионы водорода.

Белки и ферменты проявляют биологическую активность при определенной пространственной структуре – нативной конформации, в формировании которой участвуют различные типы взаимодействий, в том числе ионные взаимодействия и водородные связи между различными компонентами полипептидной цепи.

Изменение концентрации ионов водорода в среде приводит к разрушению водородных связей и изменению зарядов боковых радикалов аминкокислот. Например, при увеличении концентрации Н+ может происходить:

Нейтральная отрицательного заряда на белке

Белок – СОО- + Н+ → белок – СООН ,

Образование положительного NH3+,заряда

Белок – NH2 + Н+ → белок – NH3+,

Возникновение отрицательного заряда

Белок – СООН → белок – СОО- + Н+ ,

Исчезновение положительного заряда

Белок - NH3+ → белок - NH2 + Н+.

Эти процессы изменяют характер взаимодействия между участками полипептидной цепи, приводят к разочарованию молекулы и потере ею биологической активности. При этом в ферментах происходят изменения в структуре активного центра, т. е. нарушается необходимая для катализа комплементарность к структуре субстрата и потеря ферментативной активности.

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.

Организмы высших позвоночных животных способны поддержать постоянство внутренней среды самостоятельно. рН-оптимум ферментов этих организмов отражает реакцию белков на внутренние изменения концентрации Н+ в органах и тканях, происходящие при различных нарушениях обмена веществ и другим причинам.

1. 9. Поверхностно – активные вещества (ПАВ) в природе

ПАВ известна в основном как компоненты стиральных порошков, и моющих средств. Без них необходимо нефтедобыча и транспортировка нефти, они используются как ингибиторы коррощз, в легкой промышленности – для отмывки волокон, в пищевой отрасли – для мытья производственных аппаратов и. т. д. Накопление этих соединений в природных системах создает определенный отрицательный эффект. ПАВ вызывают эмульгирование жиров и нефтепродуктов в природных водах. Частицы эмульсии крайне опасны для рыб. Поскольку они концентрируют в себе другие органические загрязнители, растворимость которых в гидрофобной фазе выше, чем в воде. Попадая в желудочно -кишечный тракт с водой, ПАВ способствуют всасыванию органических токсикантов в кровь. Они значительно затрудняют очистку сточных вод снижая эффективность коагулянтов, делают невозможной биохимическую стадию очистки, т. к. токсичны для микроорганизмов .

Глава 2. Исследовательская часть

2. 1. Подготовка к эксперименту по изучению системы фермент-фактор

Во всех опытах с использованием амилазы будут применяться три основных раствора, которые далее мы будем просто называть как раствор крахмала, раствор иода и раствор амилазы, не повторяя их характеристик.

Раствор крахмала. Половину чайной ложки пищевого крахмала взбалтывают в небольшом количесвте холодной воды и добавляют его в 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 , он приобретает цвет некрепкого чая.

С полученными растворами необходимо провести качественную реакцию: разводят полученный раствор крахмала водой в соотношении 1:2 , добавляют две капли раствора иода. Образуется прозрачный синий раствор. Если интенсивность окраски слишком велик и полученный раствор непрозрачен, необходимо дополнительно разбавить исходный

Раствор крахмала. Такая проверка нужна для того, чтобы концентрация крахмала а реакционной смеси с ферментом не была слишком высока. В этом случае эффект воздействия фактора на фермент будет проявляться за короткое время.

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 перемещать раствор фермента, не вспенивая, чуть наклонив пробирку и поворачивая вокруг 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 (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 истечению времени в обе пробирки добавляют две капли раствора иода, перемешивают, наблюдают развитие окрашивания. Обозначим эту схему А.

2. 2. Изучение влияния концентрации ионов водорода на активность амилазы

Реактивы и оборудование: растворы амилазы, крахмала и иода, 0,001М растворы хлороводорода и гидроксида натрия.

В контрольную и две опытные наливают растворы по схеме А. В первую опытную наливают раствор кислоты, а во вторую пробирку - раствор щелочи. Через 20 минут раствор во второй пробирке нейтрализуют , перенося в него стеклянной палочкой небольшие порции концентрированной кислоты, чтобы исключить взаимодействие иода со щелочью.

Результаты приведены на рис. 1. В контрольной пробирке активность амилазы максимальна, а опытных активность фермента не проявляется. рН-оптимум амилазы слюны человека составляет 6,8-7,0.

Зависимость ферментативной активности представляет собой колоколообразную кривую.

Активность амилазы рН раствора

0,001М HCL 0,001M NaOH

Полученные в первом опыте результаты соответствуют зоне оптимума (контрольная) и экстремальным зонам (опытная) состояния организма.

Вывод: Повышение или снижение кислотности губительна прежде всего для тех организмов, внутренняя среда которых изменяется в соответствии с изменением состава внешней среды (микроорганизмы, растения, гидробионты). А у высших позвоночных рН – оптимум ферментов отражает реакцию белков на внутренние изменения концентрации Н+ в органах и тканях, происходящие при различных нарушениях обмена веществ и другим причинам.

2. 3. Изучение подвижности ионов железа под действием слабокислых растворов.

Реактивы и оборудования: 0,001М раствор азотной кислоты, вода, растворы гидроксида натрия, сульфата натрия, почва, два химических стакана.

Для проведения необходимо небольшое количество почвы. В качестве образца лучше взять глинистую почву и глину. Образец почвы разделяют на две равные части и помешают в стаканы. Одну часть заливают водой, вторую - 0,001М раствором азотной кислоты так, чтобы объем почвы приблизительно в два раза, перемешивают. Этот фрагмент опыта можно выполнить на одном из уроков в качестве подготовки к следующему. Время контакта почвы с жидкостями - не менее часа.

В аналитической химии с целью комплексного анализа состава почвы кислотные вытяжки готовят с использованием концентрированной кислоты.

Для проведения анализа нет необходимости фильтровать все содержимое стаканов, тем более что фильтрование глинистых образцов - длительная процедура. Достаточно получить несколько капель фильтрата каждой вытяжки. Слабокислотную вытяжку необходимо нейтрализовать, добавляя раствор щелочи.

С небольшим количеством каждой вытяжки проводят качественную реакцию на присутствие ионов железа (Ш), в зависимости от доступных реактивов. Мы использовали сульфид натрия, добавление которого к водной вытяжке не вызвало никаких изменений, в нейтрализованной слабокислотной вытяжке наблюдали выпадение черного осадка сульфидов железа.

Вывод: Выпадение черного осадка сульфида железа, свидетельствует о переходе ионов Fе 3+ из почвенных соединений в слабокислый раствор.

2. 4. Изучение воздействия почвенных вытяжек на амилазу.

Реактивы и оборудования: два раствора - водная и нейтрализованная слабокислая почвенная вытяжки, растворы крахмала, иода, амилазы, две пробирки.

Цель данного опыта - не просто провести сравнение двух растворов, а на основании этого сравнения понять, что любое экологическое нарушение влечет за собой множество последствий.

Опыт проводят по схеме А в двух пробирках: в контрольную пробирку в качестве второго раствора добавляют водную вытяжку почвы, в опытную пробирку в качестве химического фактора добавляют нейтрализованную слабокислотную вытяжку.

Результат опыта показывает, что амилаза проявляет активность в водной вытяжке и неактивна в слабокислотной. Значит, можно сделать вывод, что ставшие подвижными в почве под действием кислотного дождя ионы металлов опасны для живых организмов.

Взаимодейстие ионов металлов с белками, которые мы наблюдали как инактивацию фермента, основано на образовании многочисленных донорно-акцепторных связей. При этом может происходить сначала частичное, затем более глубокое разрушение пространственной структуры белка, которое по своей сути относится к явлению необратимой денатурации.

Эти два опыта доказывают. что кислотные дожди вызывают целый спектр разнохарактерных изменений в природных системах как непосредственным воздействием ионов водорода, так и опосредованным.

2. 5. Изучение воздействие ПАВ на активность амилазы

Для проведения опыта берем раствор ПАВ (р-р стирального порошка). Приготовление порошка: четверть чайной ложки стирального порошка растворить в 100 мл. воды, затем раствор нейтрализовать.

Опыт проводим по схеме А с исползованием раствора ПАВ в качестве химического фактора.

Наблюдаемое в опытной пробирке синее окрашивание реакционной смеси и соответственно инактивацию фермента.

Вывод: Молекулы ПАВ взаимодействуют с молекулами белков и вызывают нарушение их пространственной структуры.

Заключение

По результатам экспериментов мы пришли к выводу:

1. Уникальный по своему строению ион Н+ обладает способностью взаимодействовать с центрами повышенной электронной плотности и оказывать сильное воздействие на биомолекулы.

2. Одно из многочисленныз следствий выпадения кислотных осадкоя – растворение под их действием соединений металлов, которые оказывают токсическое действие на организм.

3. Детергенты (СМС) разлагаются медленно и, попадая со сточными водами в водоемы, оказывают вредное воздействие на живые организмы.

4. Проблемы токсического действия различных ионов на живые организмы ставит вопрос: существуют ли вещества, способные противодействовать токсическому эффекту?

Дальнейшая наша работа будет направлена на определение способов защиты человека от вредных воздействий химических факторов.

Проделав эксперимент с амилазой слюны мы показали:

1. Систему фермент как модель экологического эксперимента

2. Изменения активности фермента интерпретировали как проявление возможной реакции организма на появление химического фактора.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)