Соли тяжелых металлов и белок
Обновлено: 19.05.2024
Для обнаружения и изучения химического состава белков существует две группы реакций: цветные и реакции осаждения.
Цветные реакции
Цветные реакции применяются для установления белковой природы вещества, идентификации белков и определения их аминокислотного состава в различных биологических жидкостях. В клинической лабораторной практике эти методы используются для определения количества белка в плазме крови, аминокислот в моче и крови, для выявления наследственных или приобретенных нарушений обмена веществ у новорожденных.
Реакция №1 «Биуретовая реакция на пептидную связь»
Принцип: в основе биуретовой реакции лежит способность пептидных связей (-СО-NH-) образовывать с сульфатом меди в щелочной среде окрашенные комплексные соединения, интенсивность окраски которых зависит от длины полипептидной цепи. Раствор белка дает сине-фиолетовое окрашивание.
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор (белок куриного яйца фильтруют через марлю и разводят дистиллированной водой 1:10); 2) гидроокись натрия, 10% раствор; 3) сульфат меди, 1% раствор.
Ход определения: в пробирку вносят 5 капель раствора яичного белка, 3 капли гидроокиси натрия и 1 каплю сульфата меди, перемешивают. Содержимое пробирки приобретает сине-фиолетовое окрашивание.
Реакция №2 «Нингидриновая реакция»
Принцип: сущность реакции состоит в образовании соединения, окрашенного в сине-фиолетовый цвет, состоящего из нингидрина и продуктов гидролиза аминокислот. Эта реакция характерна для аминогрупп в α-положении, которые присутствуют в природных аминокислотах и белках.
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор; 2) нингидрин, 0,5% водный раствор.
Ход определения: в пробирку вносят 5 капель раствора яичного белка, добавляют 5 капель раствора нингидрина и нагревают до кипения. Развивается розово-фиолетовое окрашивание, переходящее с течением времени в сине-фиолетовое.
Реакция №3 «Ксантопротеиновая реакция»
Принцип: при добавлении к раствору белка концентрированной азотной кислоты и нагревании появляется желтое окрашивание, которое в присутствии щелочи переходит в оранжевое. Сущность реакции заключается в нитровании бензольного кольца циклических аминокислот азотной кислотой с образованием нитросоединений, выпадающих в осадок. Реакция выявляет наличие в белке циклических аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан).
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор; 2) концентрированная азотная кислота; 3) гидроокись натрия, 10% раствор.
Ход определения: к 5 каплям раствора яичного белка добавляют 3 капли азотной кислоты и (осторожно!) нагревают. Появляется осадок желтого цвета. После охлаждения добавляют (желательно на осадок) 10 капель раствора гидроокиси натрия, появляется оранжевое окрашивание.
Реакция №4 «Реакция Адамкевича»
Принцип: аминокислота триптофан в кислой среде, взаимодействуя с альдегидами кислот, образует продукты конденсации красно-фиолетового цвета.
Реактивы: 1) неразбавленный яичный белок; 2) концентрированная (ледяная) уксусная кислота; 3) концентрированная серная кислота.
Ход определения: к одной капле белка прибавляют 10 капель уксусной кислоты. Наклонив пробирку, осторожно по стенке добавляют каплями около 0,5 мл серной кислоты так, чтобы жидкости не смешивались. При стоянии пробирки на границе жидкостей появляется красно-фиолетовое кольцо.
Реакция №5 «Реакция Фоля»
Принцип: аминокислоты, содержащие сульфгидрильные группы – SH, подвергаются щелочному гидролизу с образованием сульфида натрия Na2S. Последний, взаимодействуя с плюмбитом натрия (образуется в ходе реакции между ацетатом свинца и гидроокисью натрия), образует осадок сульфида свинца PbS черного или бурого цвета.
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор; 2) реактив Фоля (к 5% раствору ацетата свинца прибавляют равный объем 30% раствора гидроокиси натрия до растворения образовавшегося осадка).
Ход определения: к 5 каплям раствора яичного белка прибавляют 5 капли реактива Фоля и кипятят 2-3 минуты. После отстаивания 1-2 минут появляется черный или бурый осадок.
Реакции осаждения
Белки в растворе и соответственно в организме сохраняются в нативном (природном) состоянии за счет факторов устойчивости, к которым относятся заряд белковой молекулы и гидратная (водная) оболочка вокруг нее. Удаление этих факторов приводит к склеиванию молекул и выпадению их в осадок. Осаждение белков может быть обратимым и необратимым в зависимости от состава реактивов и условий реакций. В клинической лабораторной практике реакции осаждения используют для выделения альбуминовой и глобулиновой фракций (групп) белков плазмы крови, количественной характеристики их устойчивости в плазме, обнаружения белков в биологических жидкостях и освобождения от них с целью получения безбелкового раствора.
Обратимое осаждение
Под действием факторов осаждения белки выпадают в осадок, но после прекращения действия (удаления) этих факторов белки вновь переходят в растворимое состояние и приобретают свои нативные свойства. Одним из видов обратимого осаждения белков является высаливание.
Реакция №1 «Высаливание»
Принцип: насыщенным раствором сульфата аммония осаждается альбуминовая фракция белков, полунасыщенным раствором сульфата аммония – глобулиновая фракция.
Сущность реакции заключается в дегидратации (обезвоживании) молекул белка.
Реактивы:1) неразбавленный яичный белок; 2) насыщенный раствор сульфата аммония; 3) гидроокись натрия, 10% раствор; 4) сульфат меди, 1% раствор; 5) сульфат аммония в порошке; 6) дистиллированная вода.
Ход определения: в пробирку наливают 30 капель неразведенного яичного белка и добавляют равное количество насыщенного раствора сульфата аммония. Содержимое пробирки перемешивают. Получают полунасыщенный раствор сульфата аммония, при этом глобулиновая фракция белка осаждается, а альбуминовая остается в растворе. Через 5 минут осадок отфильтровывают, на фильтре остается глобулиновая фракция, а в фильтрате – альбуминовая. Осадок с фильтрата снимают стеклянной палочкой и переносят в пробирку, куда добавляют несколько капель воды, пока не растворится осадок. Наличие в растворе белка можно доказать с помощью биуретовой реакции, которая будет положительной.
В пробирку с фильтратом добавляют порошок сульфата аммония до полного насыщения раствора, т.е. до тех пор, пока не прекратится растворение соли. При этом выпадает осадок – альбумины. Его отфильтровывают, осадок с фильтра снимают стеклянной палочкой, растворяют водой и проводят биуретовую реакцию.
Необратимое осаждение
Необратимое осаждение белков связано с глубокими нарушениями структуры белков (вторичной и третичной) и потерей ими своих нативных свойств, т.е. денатурацией. Такие изменения белков можно вызывать кипячением, действием концентрированных растворов минеральных и органических кислот, солями тяжелых металлов и т.д.
Реакция №2 «Осаждение при кипячении»
Принцип: белки являются термолабильными соединениями и при нагревании свыше 50-60 0 С денатурируются. Сущность тепловой денатурации заключается в разрушении гидратной оболочки, разрыве стабилизирующих белковую молекулу связей и развертывании белковой молекулы. Наиболее полное и быстрое осаждение происходит в изоэлектрической точке (когда заряд молекулы равен нулю), поскольку при этом частицы белка наименее устойчивы. Белки, обладающие кислыми свойствами, осаждаются в слабокислой среде, а белки с основными свойствами – в слабощелочной. В сильнокислых или сильнощелочных растворах денатурированный при нагревании белок в осадок не выпадает, т.к. его частицы перезаряжаются и несут в первом случае положительный, а во втором – отрицательный заряд, что повышает их устойчивость в растворе.
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор; 2) уксусная кислота, 1% и 10% растворы; 3) гидроокись натрия, 10% раствор.
Ход определения: в 4 пронумерованные пробирки приливают по 10 капель раствора яичного белка. Затем 1-ю пробирку нагревают до кипения, при этом раствор белка мутнеет, но так как частицы денатурированного белка несут заряд, они в осадок не выпадают. Это связано с тем, что яичный белок имеет кислые свойства (изоэлектрическая точка его рН 4,8) и в нейтральной среде заряжен отрицательно. Во 2-ю пробирку добавляют 1 каплю 1% раствора уксусной кислоты и нагревают до кипения. Белок выпадает в осадок, так как его раствор приближается к изоэлектрической точке и белок теряет заряд (один из факторов устойчивости белка в растворе). В 3-ю пробирку добавляют 1 каплю 10% уксусной кислоты и нагревают до кипения. Осадка не образуется, так как в сильнокислой среде частицы белка приобретают положительный заряд (сохраняется один из факторов устойчивости белка в растворе). В 4-ю пробирку добавляют 1 каплю раствора гидроокиси натрия и нагревают до кипения. Осадок не образуется, поскольку в щелочной среде отрицательный заряд частиц белка увеличивается.
Реакция №3 «Осаждение солями тяжелых металлов»
Принцип: белки при взаимодействии с солями свинца, меди, ртути, серебра и других тяжелых металлов денатурируются и выпадают в осадок. Однако при избытке некоторых солей наблюдается растворение первоначально образовавшегося осадка. Это связано с накоплением ионов металла на поверхности денатурированного белка и появлением положительного заряда на белковой молекуле.
Реактивы: 1) яичный белок, 1% раствор; 2) сульфат меди, 10% раствор; 3) ацетат свинца, 5% раствор, 4) нитрат серебра, 5% раствор.
Ход определения: в 3 пронумерованные пробирки вносят по 5 капель раствора яичного белка. В 1-ю пробирку добавляют 1 каплю сульфата меди. Во 2-ю пробирку добавляют 1 каплю ацетата свинца. В 3-ю пробирку добавляют 1 каплю нитрата серебра. Во всех пробирках выпадает осадок. Затем в первую пробирку добавляют 10 капель сульфата меди и во вторую пробирку добавляют 10 капель ацетата свинца и наблюдают растворение осадка. В третью пробирку вносят 10 капель нитрата серебра – растворение осадка нет.
Лабораторная работа 3. Реакции осаждения белка
Почти все белки свертываются при нагревании в нейтральной или слабокислой среде. В сильнокислых и щелочных средах растворы белков при кипячении не коагулируют и могут дать осадок лишь при добавлении нейтральной соли (NaCl и др.). Устойчивость белка в растворе зависит от приобретения положительного заряда в сильнокислой среде и увеличения отрицательного заряда в щелочной среде.
При понижении рН диссоциация карбоксильной группы подавляется и молекула становится положительно заряженной. При повышении рН происходит отрыв протона аминогруппы и молекула приобретает отрицательный заряд. Наиболее полное и быстрое осаждение белков происходит в изоэлектрической точке (это такое значение рН, при котором частицы белка не передвигаются в электрическом поле ни к аноду, ни к катоду). Для большинства белков изоэлектрическая точка соответствует слабокислой среде (рН~5).
Порядок выполнения опыта. В 5 пробирок наливают по 5 капель 1%-ного раствора яичного белка. Первую пробирку нагревают до кипения, при этом жидкость мутнеет. Во второй пробирке раствор белка нагревают до кипения и прибавляют 1 каплю1%-ного раствора уксусной кислоты. При стоянии выпадает хлопьевидный осадок белка, т.к. частицы белка теряют заряд и приближаются к изоэлектрическому состоянию. В третью пробирку добавляют 5 капель 1%-ного раствора уксусной кислоты для получения сильнокислой реакции среды. При кипячении осадок не образуется, поскольку белковые мицеллы перезаряжаются и несут положительный заряд, повышая их устойчивость. В четвертую пробирку приливают 5 капель 1%-ного раствора уксусной кислоты и 2 капли насыщенного раствора хлористого натрия и нагревают, выпадает белый хлопьевидный осадок белка, т.к. его частицы теряют заряд вследствие взаимодействия белка с ионами хлористого натрия. В пятую пробирку добавляют 2 капли 10%-ного раствора едкого натра. При кипячении жидкости осадок не образуется, поскольку в щелочной среде отрицательный заряд на частицах белка увеличивается.
Указания к составлению отчета:Необходимо отметить положительный результат осаждения плюсом, а отрицательный – минусом и сделать выводы по работе касающихся изоэлектрической точки.
| Нейтральная среда | Слабокислая среда | Сильнокислая среда | Сильнокислая среда + электролит | Щелочная среда |
Опыт 2. Высаливание
Высаливанием называют осаждение белков с помощью больших концентраций нейтральных солей: NaCl, (NH4)2SO4 и др. Реакция высаливания обусловлена дегидратацией макромолекул белка и одновременной нейтрализацией электрического заряда. Для высаливания различных белков требуется неодинаковая концентрация одних и тех же солей. Хлористый натрий осаждает слабее, чем сернокислый аммоний, вследствие меньшей дегидратирующей способности. При высаливании белок обычно не теряет своих естественных свойств, например, он может вновь проявлять ферментативную активность. Метод высаливания позволяет разделить белки на различные белковые фракции: альбумины, глобулины и др.
Порядок выполнения опыта. 1). В пробирку наливают 20 капель раствора белка и прибавляют порошок хлористого натрия до полного насыщения раствора. Через несколько минут появляется осадок глобулинов. Содержимое пробирки отфильтровывают, в фильтрате остается альбумин, который в нейтральных растворах не выпадает даже при добавлении хлористого натрия. К фильтрату прибавляют по каплям 1%-ный раствор уксусной кислоты (15-20 капель), альбумин выпадает в осадок, его отфильтровывают и проверяют фильтрат на отсутствие белка при помощи биуретовой реакции;
2) К 15 каплям раствора белка добавляют 15 капель насыщенного раствора сернокислого аммония и перемешивают, выпадает осадок глобулинов. Его отфильтровывают, в фильтрате остается альбумин, к нему добавляют порошок сернокислого аммония до полного насыщения. Выпадает осадок яичного альбумина, его отфильтровывают, фильтрат проверяют на отсутствие белка с помощью биуретовой реакции.
Указания к составлению отчета:необходимо отметить положительный результат осаждения белков плюсом, а отрицательный – минусом; Результаты занести в таблицу и сделать выводы о высаливающей способности указанных растворов.
| Применяемый раствор белка и название белковых фракций | Что осаждается в насыщенном растворе NaCl | Что осаждается в слабокислой среде после высаливания NaCl | Что осаждается в полунасыщенном растворе (NH4)2SO4 | Что осаждается в насыщенном растворе (NH4)2SO4 ? |
Опыт 3. Осаждение белков солями тяжелых металлов
Осаждение белков солями тяжелых металлов в отличие от высаливания, происходит при небольших концентрациях солей. Соли тяжелых металлов вызывают необратимое осаждение белков, т.е. денатурацию. Способность белка прочно связывать ионы тяжелого металла в виде нерастворимых осадков используется как противоядие при отравлении солями ртути, меди, свинца и др.
Порядок выполнения опыта. 1.Осаждение медным купоросом. К 5 каплям раствора яичного белка прибавляют 1 каплю 10%-ного раствора сернокислой меди, образуется бледно-голубой осадок, нерастворимый в воде. В другой пробирке к такой же порции белка приливают 1 каплю 10%-ного раствора сернокислой меди, а затем еще 10 капель и наблюдают растворение осадка в избытке реактива.
2. Осаждение белков уксуснокислым свинцом. К 5 каплям раствора белка приливают 2 капли 5%-ного раствора уксуснокислого свинца. Образуется нерастворимый в воде осадок, но легко растворяющийся в избытке осадителя.
Указания к составлению отчета: результаты реакций записывают в таблицу. Появление осадка обозначают плюсом, растворение осадка – минусом и делают обоснованные выводы по работе.
| Название веществ, осаждающих белки | Употребляемые реактивы | Характер и цвет осадка | Чем обусловлена реакция. Каковы ее особенности? |
Опыт 4. Осаждение белков концентрированными минеральными кислотами
Концентрированные минеральные кислоты вызывают денатурацию белка. В избытке минеральных кислот (за исключением азотной) выпавший осадок белка растворяется.
Порядок выполнения опыта: а) осаждение азотной кислотой. К 5 каплям концентрированной азотной кислоты приливают по стенке пробирки равный объем раствора белка. На границе двух жидкостей образуется осадок в виде небольшого белого кольца;
б) осаждение серной кислотой проводят аналогично. При избытке кислоты образующийся осадок растворяется.
Опыт 5. Осаждение белков органическими кислотами
Органические кислоты вызывают необратимое осаждение белков. Наибольшее применение получили трихлоруксусная CCl3COOH и сульфосалициловая C6H3(OH)(COOH)SO3H.
Порядок выполнения опыта: а) осаждение сульфосалициловой кислотой. К 5 каплям раствора белка добавляют 2 капли 20%-ного раствора сульфосалициловой кислоты. Выпадает осадок белка;
б) осаждение трихлоруксусной кислотой проводят аналогично.
Опыт 6. Осаждение белков органическими растворителями
В органических растворителях (спирт, ацетон) белки не растворяются. В зависимости от природы белка для его осаждения требуются различные концентрации спирта. При осаждении спиртом раствор белка должен быть нейтральным или слабокислым, но не щелочным. Успешнее реакция проходит в присутствии хлористого натрия вследствие снятия заряда с частиц белка. При кратковременном действии и на холоду реакция осаждения белка спиртом обратима. При длительном воздействии происходит денатурация белка.
Порядок выполнения опыта. К 5 каплям раствора белка приливают 15-20 капель этилового спирта (или ацетона), раствор мутнеет. Добавляют 1 каплю насыщенного раствора хлористого натрия, при стоянии выпадает осадок белка.
Презентация-лабораторная работа "Действие солей тяжелых металлов на белки"
Цель: изучить воздействие солей тяжелых металлов на
способность белков к денатурации, реакцию осаждения белков куриного яйца под действием аналогов антропогенных химических факторов, находящихся в отходах промышленных предприятий и попадающих в окружающую среду
Оборудование и материалы: пипетка, пробирки, штатив для пробирок; насыщенный р-р купрум(II) сульфата, 2,5 % р-р нитрат серебра, 5% р-р ацетат свинца, р-р яичного белка, чистая вода
- прилагается видеофрагмент*
Теоретические сведения:
Белки при взаимодействии с солями свинца, меди, ртути, серебра и других тяжелых металлов денатурируются и выпадают в осадок
Однако при избытке некоторых солей наблюдается растворение первоначально образовавшегося осадка. Это связано с накоплением ионов металла на поверхности денатурированного белка и появлением положительного заряда на белковой молекуле
Способность молекул белка прочно связывать ионы тяжелых металлов с образованием нерастворимых в воде осадков используется как противоядие при отравлении солями ртути, меди, свинца и другими металлами
Ход работы:
I. Действие CuSO4 на белки:
+ р-р CuSO4
Помутнение, выпадение голубого осадка
Пробирка с раствором белка
Осадок растворяется в избытке соли
II. Действие AgNO3 на белки
+ р-р AgNO3
Помутнение – выпадение беловатого осадка
Пробирка с раствором белка
Осадок не растворяется в избытке р-ра (отличие от других солей тяжелых металлов)
III. Действие ацетата свинца - Pb(CH3COO)2 на белки
+ р-р ацетата свинца
Образуется осадок
Пробирка с раствором белка
Осадок должен раствориться в избытке раствора соли
Вывод:
воздействие солей тяжелых металлов, содержащихся в воде и пищевых продуктах.
Исследовательская работа "Влияние антропогенных загрязнений на активность белков" (11 класс)
Актуальность. В условиях интенсивного антропогенного загрязнения окружающей среды, вопрос о влиянии загрязняющих веществ на живые организмы, является крайне актуальным. К отрицательным относят все виды воздействия на биосферу, создаваемых человеком и угнетающих природу. Небывалые по мощности и разнообразию негативные антропогенные воздействия, особенно резко стали проявляться во второй половине 20 века. Под их влиянием естественная биота экосистем перестала служить гарантом устойчивости биосферы.
Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), транспорт, теплоэнергетика, сельскохозяйственное производство. Количество загрязнителей (поллютантов) постоянно растёт по мере развития новых технологических процессов. Суммарный выброс в окружающую среду загрязнителей в России составил 41,8млн.т [3]. Специалисты считают, что в локальном и глобальном масштабах «приоритетными» являются следующие загрязнители: диоксид серы, канцерогенные вещества (бензпирен), нефтепродукты, хлорорганические пестициды, оксид углерода, оксиды азота. К особо опасным загрязнителям относят радиоактивные элементы, диоксины и тяжёлые металлы (ртуть, медь, кобальт, свинец, кадмий).
В то же время многие металлы играют важную роль в жизнедеятельности человека. Они участвуют в структурировании белков, нуклеиновых кислот, активных центров ферментов, активизируют биологические реакции, участвуют в ионной проницаемости клеточных мембран. Но при избыточном поступлении в организм, металлы вызывают глубокую денатурацию белков, образуя нерастворимые соли комплексного характера по анионным центрам радикалов аминокислот. При этом подавляется действие большинства ферментов, поскольку именно радикалы аминокислот участвуют в формировании их активных центров.
Цель работы: выявить влияние аналогов антропогенных загрязнителей на активность растительных и животных белков.
Ознакомиться по литературным источникам с вопросом о негативном влиянии на организм тяжёлых металлов и органических веществ.
Ознакомиться с методикой проведения экологического эксперимента, позволяющего выявить:
а) влияние тяжёлых металлов на активность растительных и животных
б) влияние органических веществ на структуру белков.
3. Определить концентрацию токсикантов, которая вызывает денатурацию
Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Объект исследования: растительные и животные белки;
Предмет исследования: активность белков;
Проблемный вопрос: какие причины вызывают разрушение белков и приводят к потере активности?
Гипотеза: если воздействовать аналогами антропогенных загрязнений на животные и растительные белки, то они теряют активность и разрушаются.
Методы исследования: эксперимент, анализ литературных источников.
Глава 1. Обзор литературных источников
1.1 Экологические последствия загрязнения атмосферы
Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и окружающую природную среду различными способами – от прямой и немедленной угрозы до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние.
Физиологическое воздействие на организм человека главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьёзными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает лёгочную ткань человека и животных.
Пыль, содержащая диоксид кремния, вызывает тяжёлое заболевание лёгких – силикоз. Оксиды азота раздражают и разъедают слизистые оболочки глаз и лёгких, участвуют в образовании ядовитых туманов. Если они содержатся в воздухе совместно с диоксидом серы, то возникает эффект синергизма, т.е. усиление токсичности всей газовой смеси.
Широко известно действие на организм человека оксида углерода: при отравлении возможен летальный исход. Благодаря низкой концентрации СО в атмосфере он не вызывает массовых отравлений, хотя и опасен страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями [1].
Среди взвешенных твёрдых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, которые способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах лёгких, засорять слизистые оболочки.
Весьма неблагоприятные последствия, которые могут сказываться на огромном интервале времени, связаны и с незначительными по объёму выбросами, как свинец, фосфор, кадмий, кобальт. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунитет.
Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, весьма серьёзны и имеют широкий диапозон действия: от кашля до летального исхода. Тяжёлые последствия в организме живых существ вызывает ядовитая смесь дыма, тумана и пыли – смог. Смог особенно опасен для людей, страдающих лёгочными заболеваниями [1].
Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течении длительного времени наносят большой вред не только человеку, но и остальной биоте. Известны случаи массового отравления диких животных, особенно птиц и насекомых, при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации.
Что касается растений, то выбросы вредных веществ действуют на их зелёные части, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, а также попадая из почвы через корни. Особенно опасен для растений диоксид серы, под действием которого прекращается фотосинтез и гибнут многие деревья, особенно хвойные: ель, сосна, пихта, кедр [3].
Глобальное загрязнение атмосферы приводит к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. «Озоновые дыры» - это значительные пространства в озоновом слое атмосферы на высоте 20-25 км с заметно пониженным содержанием озона (до 50%).
Истощение озонового слоя признано всеми как серьёзная угроза глобальной экологической безопасности. Оно ослабляет способность атмосферы защищать всё живое от жёсткого ультрафиолетового излучения («УФ - радиация»), энергии одного фотона которого достаточно, чтобы разрушить большинство органических молекул. Поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, увеличивается количество заболеваний раком кожи.
Антропогенное происхождение «озоновых дыр» связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применятся в промышленном производстве и в быту (хлорагрегаты, растворители, распылители, аэрозоли.) В атмосфере фреоны распадаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.
Основными поставщиками фреонов являются США(30,85%), Япония (12,42%), Великобритания (8,65%), Россия (8%) (по данным «Гринпис»).
«Кислотные дожди» образуются при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота. Соединяясь с атмосферной влагой, диоксид серы и оксид углерода образуют разбавленную серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (рН ниже 5,6) [2].
Суммарные мировые антропогенные выбросы диоксида серы и оксидов азота ежегодно составляют более 255млн т. Закисление природной среды негативно отражается на состоянии экосистем. Под действие кислотных дождей из почвы выщелачиваются не только питательные вещества, но и токсичные металлы6 свинец, кадмий, алюминий и др. Далее они сами и их токсичные соединения усваиваются растениями и почвенными организмами, что ведёт к весьма негативным последствиям [3].
Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням, природным загрязнениям, что приводит к их деградации как природных экосистем. 50 млн га леса в европейских странах страдают от действия загрязняющих веществ. Гибнут хвойные леса в на Северных Аппалачах, в Баварии. Отмечены случаи поражения хвойных и лиственных лесов в Сибири, Карелии, что свидетельствует о неблагополучном состоянии окружающей среды. В районе г. Норильска и на Северном Урале огромные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за выбросов серы Норильским горно-химическим комбинатом [3].
1.2 Влияние тяжёлых металлов на здоровье человека
Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами, а особенно свинцом, приобрело огромные масштабы в связи с содержанием в бензине антидетонаторной добавки – тетраэтилсвинца. Вместе с выхлопными газами автомобилей он выбрасывается в атмосферу. Ежегодно мировой парк автотранспорта выбрасывает в воздух свыше 0,4 млн.т свинца [3]. Вследствие этого за последние десятилетия уровень свинца в крови людей увеличился в несколько раз. Накопление свинца в организме приводит к раковым заболеваниям, так как, в несколько раз усиливает действие канцерогенных веществ (диоксины, полициклические углеводороды). В этом проявляется взаимодействие различных ксенобиотиков в окружающей среде либо в организме, с образованием ещё более ядовитых веществ. Масштабы отравления медью наиболее опасны в промышленных медедобывающих районах, где на 1т добытой меди приходится 2т пыли, содержащей 15% меди, 60% - оксидов железа, по 4% мышьяка, ртути, свинца. При избытке меди в организме происходит угнетение многих ферментов, разрушаются железосодержащие белки (гемоглобин, ферритин и др.) в результате замещения железа на медь. Вследствие отравления медью возникает глобинонурия, желтуха, накапливается метгемоглобин (потемнение крови). Избыток ионов меди в организме вызывает заболевания нервной системы, печени, гастриты, язвенную болезнь желудка. В то же время, медь, как и железо, играет важную роль в процессе кроветворения и поддержания нормального состава крови. Недостаток меди в почве может привести к заболеванию животных анемией, а у растений вызвать задержку образования хлорофилла, понизить содержание в них витаминов. Токсичность ртути, свинца и других тяжёлых металлов усиливается в результате их преобразования в окружающей среде в алкильные производные [5].
Метил и фенил-ртуть очень легко проникают в организм. Таким образом, тяжёлые металлы, попавшие в окружающую среду, пагубно влияют на здоровье человека, разрушают белки, в том числе и ферменты, вызывая тяжёлые заболевания.
Несмотря на то, что дефицит лития в организме человека приводит к психическим расстройствам, при повышенной концентрации он очень токсичен. Так избыток лития вызывает общую заторможенность, нарушение дыхания и сердечного ритма, слабость, сонливость, потерю аппетита, жажду, расстройство зрения, а также дерматит лица и рук.
Бериллий принадлежит к числу наиболее токсичных металлов. ПДК бериллия составляет 0,001мг/м, а ртути - 0,01. Бериллий и его соединения обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки, вызывают дерматозы, конъюктивиты, фарингит, заболевания лёгких и бронхов – трахеобронхит, пневмонию и опухоли лёгких. Заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием [1].
Цинк менее токсичен, чем другие металлы, но его избыток в организме может привести к понижению кальция в крови и костной ткани. Присутствие цинка в производственных помещениях в виде пыли вызывает заболевания дыхательных путей, называемое «литейной лихорадкой». С другой стороны цинк - важный микроэлемент. Он входит в состав инсулина, (гормон поджелудочной железы), участвует в переносе углекислого газа кровью позвоночных, стимулирует рост растений [1].
Никель относится к металлам с умеренной токсичностью. ПДК никеля в питьевой воде составляет 0,1мг/л. Аллергическое действие металлического никеля проявляется только при продолжительном контакте кожи человека с декоративными никелевыми покрытиями (корпуса и браслеты часов, оправы очков). В то же время, летучий тетракарбонил никеля – одно из самых ядовитых веществ, известных человеку. ПДК никеля в воздухе производственных помещений 0,0005мг/м. В своё время это соединение состояло в списках отравляющих боевых веществ ряда стран [4].
Кадмий в организме человека в основном накапливается в почках и печени, причём его повреждающее действие наступает, когда концентрация этого химического элемента в почках достигает 200мкг/г живой массы. Попадая с неочищенными стоками промышленных предприятий в водоёмы, растворённый кадмий осаждается и накапливается в донных отложениях. Особенно аккумулируют в своих организмах кадмий водоросли, моллюски и ракообразные. Употребление в пищу этих организмов приводит к заболеваю «итай – итай». В Японии эта болезнь известна с 1955г, когда сточные воды концерна «Мицуй», содержащие кадмий попали в оросительную систему рисовых полей. Это отравление вызвало у людей апатию, повреждение почек, размягчение костей, отмечалось немало смертельных случаев. У японцев, употребляющих в пищу значительное количество риса, содержание кадмия в почках колеблется от 65 до 115 мкг/г, тогда как у европейцев и американцев – от 10 до 30 мкг/г.Источниками кадмия являются газовые выбросы промышленных предприятий, сжигание угля на ТЭС, производство минеральных удобрений, красителей, катализаторов. Усвоение вводно-пищевого кадмия – на уровне 5%, а воздушного – до 80%. К характерным « кадмиевым» болезням горожан относятся: гипертония, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность. У курящих (табак сильно аккумулирует соли кадмия из почвы) или занятых на производстве с использованием кадмия к раку лёгких добавляется эмфизема лёгких, а для некурящих – бронхиты, фарингиты [1].
Глава 2. Методика исследования и результаты
Прекрасную модель для исследований представляют белки, выделенные из семян бобовых растений и белок куриных яиц. В определённых условиях они длительное время сохраняют свои биологические свойства. В растворах белки вступают во взаимодействие со многими веществами (металлами, спиртами, фенолами и др.) [4].
Оборудование и реактивы: набор химических стеклянных пробирок, 1-2 куриных яйца, 5%, 2,5%, 1,25% растворы солей: сульфата меди, хлорида меди, сульфата натрия, хлорида калия, ацетата натрия, ацетата свинца (или свинцовая примочка), 40% раствор формалина, этиловый спирт, растительный белок (горох), пипетка, фильтровальная бумага.
Приготовление растворов белков
У куриного яйца отделить белок от желтка в мерный стаканчик, размешать его стеклянной палочкой в дистиллированной воде в соотношении 1:10. Затем профильтровать.
Зерновой горох перемолоть в муку, развести в соотношении : 10г. гороховой муки на 50мл 10% раствора хлористого натрия или хлористого калия. Профильтровать.
Опыт №1 Воздействие на белки солей металлов
В 6 пробирок наливаем 1,0-1,5мл раствора белка и медленно по каплям из пипетки при встряхивании приливать растворы сульфата меди и сульфата калия (1 и 2 пробирки), хлорида меди и хлорида натрия (3 и 4 пробирки), ацетата свинца и ацетата натрия (5 и 6 пробирки). В 1, 3, 5 пробирках образуются хлопьевидные осадки в результате образования малорастворимых соединений: с солями меди - голубого цвета, с солью свинца – белого цвета. В остальных пробирках изменений не происходит [4].
Процесс необратимого осаждения белков. Денатурация, обратимость процесса.
Необратимое осаждение белков связано с глубокими нарушениями структуры белков (вторичной и третичной) и потерей ими нативных свойств. Такие изменения белков можно вызвать кипячением, действием концентрированных растворов минеральных и органических кислот, солями тяжелых металлов.
(При действии солей тяжелых металлов происходит денатурация белковой молекулы. Осаждение денатурированного белка происходит из-за адсорбции частиц металла на поверхности белковой частицы. Свойства белков осаждаться солями тяжелых металлов используется в медицинской практике. Белки (в составе молока, яйца) применяют в качестве противоядия при отравлении солями тяжелых металлов. Белок ограничивает всасывание ионов металла, образуя с ними нерастворимые комплексы.)
Денатурация белков (лат. denaturatus — лишенный природных свойств; от de- — приставка, означающая отделение, удаление + natura — природа, естество) — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.
Ренатурация — процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру.(При нагревании двухцепочечных молекул ДНК до темп-ры ок. 100°С водородные связи между основаниями разрываются, и комплементарные цепи расходятся — ДНК денатурирует. Однако при медленном охлаждении комплементарные цепи могут вновь соединяться в регулярную двойную спираль. Эта способность ДНК к Р. используется для получения искусств, гибридных молекул ДНК (т. н. молекулярная гибридизация)
Нативная структура белка и ее разрушения. Признаки денатурации.
Функционально активную конформацию белка называют "нативная структура".
Денатурация белков - это разрушение их нативной конформации, вызванное разрывом слабых связей, стабилизирующих пространственные структуры, при действии денатурирующих агентов. Денатурация сопровождается потерей биологической активности белка.
Признаки денатурации:
1.Уникальная трехмерная структура каждого белка разрушается, и все молекулы одного белка приобретают случайную конформацию, т. е. отличную от других таких же молекул.
2. Радикалы аминокислот, формирующие активный центр белка, оказываются пространственно удаленными друг от друга, т. е. разрушается специфический центр связывания белка с лигандом.
3. Гидрофобные радикалы, обычно находящиеся в гидрофобном ядре глобулярных белков, при денатурации оказываются на поверхности молекулы, тем самым создаются условия для агрегации белков. Агрегаты белков выпадают в осадок.
4. При денатурации белков не происходит разрушения их первичной структуры. Вспомните условия, в которых происходит гидролиз пептидных связей.
Осаждение белков солями тяжелых металлов, механизм, особенности, значение для клиники.
При действии солей тяжелых металлов происходит денатурация белковой молекулы. Осаждение денатурированного белка происходит из-за адсорбции частиц металла (свинца, меди, ртути, серебра и других) на поверхности белковой частицы.
Особенности:Однако при избытке некоторых солей наблюдается растворение первоначально образовавшегося осадка. Это связано с накоплением ионов металла на поверхности денатурированного белка и появлением положительного заряда на белковой молекуле.
В клинике:свойства белков осаждаться солями тяжелых металлов используется в медицинской практике. Белки (в составе молока, яйца) применяют в качестве противоядия при отравлении солями тяжелых металлов. Белок ограничивает всасывание ионов металла, образуя с ними нерастворимые комплексы.
Читайте также: