Влияние тяжелых металлов на белок

Обновлено: 17.05.2024

Всегда интересно и познавательно изучать химию и биологию. Мы столкнулись с такой проблемой, что не все ученики нашей школы знают о белках достаточную информацию, которая в дальнейшей жизни пригодится. Известно, что наш организм состоит из белков. Не мало важно знать, что такое белок, как окружающая среда влияет на белок и самое главное надо знать, что белок - это основа нашего организма.

Тело человека на 60%состоит из воды, а остальные 40%веса распределяются так:
19%-белки
14%-жиры, и жиросодержащие вещества
5%-минеральные вещества
1%-углеводы
В теле человека работает около 700 ферментов.
Гипотеза:
Мы предполагаем, что существуют факторы отрицательно влияющие на природу белка
Цель:
Узнать как влияют различные факторы на структуру белка

Задачи:
1.Изучить литературу по теме "Белок".
2.Выявить, как влияют на белок различные факторы.
3.Показать их влияние на белок.
4.Объяснить протекающие химические реакции.
5.Сделать вывод.
Объект исследования:

Белок куриного яйца

Предмет исследования:

взаимодействие различных веществ с белком

Проблема:
Можно ли изучить, как влияет окружающая среда на природу белка?

Методы исследования:
1. Наблюдение
2.Эксперемент.
3. Анкетирование.
Способы:
1. Визуальное наблюдение за объектом, его описание
2.Проведение экспериментов (опытов)
3. Анализ, сравнение, выводы.

в ходе данного исследования
проведён анализ, как влияют факторы на белок
выявлено, как влияют факторы на белок

На основании результатов данного исследования обосновано как влияют различные факторы на естественную (нативную) природу белка.

Глава 1.Химический состав и строение белков

В состав белков входят, химические элементы C , H , O , N , а также S , P , Fe
Белки биополимеры, мономеры - аминокислоты

Общая формула аминокислот

- NH 2- аминогруппа с основными свойствами
- COOH - карбоксильная группа с кислотными свойствами
R -радикал
в результате реакции поликонденсации молекулы аминокислоты соединяются друг с другом с образованием димеров, тримеров. полимеров
общая запись пептида:

По данным социологического опроса выявлено следующее:

Проводя опрос в школе мы выяснили, что

из 107 опрошенных, 7 не знают что такое белок.
6 человек считают, что без белка можно прожить,

5 человек не знают, а 96 считают, что без белка нельзя прожить

Качественные реакции на белки

Ксантопротеиновая реакция.

Опыт: Эта реакция показывает наличие в составе аминокислот таких, которые содержат бензольное кольцо:
в пробирку наливаем 2 мл белка и прибавляем несколько капель концентрированной азотной кислоты. Образуется белый осадок нагреваем пробирку - осадок окрашивается в жёлтый цвет. Охлаждаем смесь и добавляем концентрированный раствор аммиака в избытке - окраска становится оранжевой

Биуретовая реакция.

Опыт: Эта реакция показывает наличие пептидных связей между аминокислотами в первичной структуре белка:
К 2 мл раствора белка приливаем равный объём щёлочи и несколько капель медного купороса. Белок окрашивается в красно-фиолетовый цвет.

Глава 2. Структуре белка

Тип связи, определяющий структуру

Пептидная связь (ковалентная)
последовательность аминокислот в полипептидной цепи, которая определяет все другие структуры молекулы, а также свойства и функции белка.

Водородные связи
Закручивание полипептидной цепи в спираль или складывание в “гармошку”.

Ионные, водородные, дисульфидные, гидрофобные связи
упаковка вторичной структуры в глобулу;
фибриллярный белок: несколько вторичных структур, уложенных параллельными слоями, или скручивание нескольких вторичных структур наподобие каната в суперспираль.

Сложение нескольких глобул

Ионные, водородные, гидрофобные связи
Встречается редко. Комплекс из нескольких третичных структур органической природы и неорганическое вещество. Например, гемоглобин.

Проводя опрос, звучал вопрос: "Белки имеют первичную, вторичную и третичную структуру?" 50человек ответили да, 10 человек нет, а 47 ответили что не знают

Глава 3.Классификация белков

Простые белки (протеины): Альбумины(яичный альбумин, альбумин сыворотки крови)
Глобулины(глобулины сыворотки крови, молока, эдестин конопли)

Сложные белки (протеиды).
Нуклеопротеиды - Нуклеиновый кислоты + белок
Липопротеиды - Липиды +белок

-по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);

-по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);

-по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);

-по выполняемым функциям (транспортные, защитные, структурные белки и др.);

-по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические, лизосомальные и др.);

-по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);

-по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды;

-по продолжительности жизни в клетке

-по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Глава 4. Свойства белков.

Каждое свойство белков заключено в выполнении их биологических функций.
Чем выше уровень организации белковых молекул, тем структура менее прочная, если же структура белка разрушается, то белок не выполняет свои функции.
Денатурация- утрата белковой молекулы своей природной структуры.

( В процессе приготовления куриных яиц происходит денатурация яичных белков)
Белок способный восстанавливать свою естественную структуру при сохранение первичной структуры - ренатурация,

Опыт: Воздействие температуры на белок.
Этот опыт покажет, как влияет температура на белок
Наливаем 2 мл белка. Нагреваем содержимое пробирки до температуры кипения. Мы видим, что белок денатурируется (разрушается). Приливая воду, белок не восстанавливается.

Опыт: Механическое воздействие на белок.
Наливаем 2мл белка. Пробирку закрываем и начинаем трусить. Появляются белые хлопья. Белок разрушается. Приливая воду, ренатурация не происходит.
Белок можно расщепить до аминокислот в естественных условиях(пищеварение) и искусственных условиях при действии кислот и щелочей в процессе гидролиза.

Белки не растворимые в воде (кератин, коллаген), растворимые в воде-альбумины.

Белковая индивидуальность проявляется у живых организмов следующим образом:
1) Является причиной отторжения пересаженных органов - трансплантантов
2) лежит в основе иммунитета-невосприимчивости к чужеродному белку
сходство и различие организмов определяется набором белков

Глава 5.Функции белков

Белки выполняют множество функция:
1)Строительная (родопсин, кератин, эластин, коллаген)-белки входят в состав оболочек, мембран, органоидов, тканей, органов
2) транспортная(гемоглобин, миоглобин ) - Транспорт веществ из клетки и внутрь её - это задачи белковых молекул
3)Регуляторная(белки-гормоны(инсулин))- некоторые белки являются гормонами, гормоны - биологически активные вещества, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ
4)Двигательная(Актин, миозин, тубулин) - двигательную функцию выполняют особые сократительные белки
5) Защитная(интерфероны; фибриноген , тромбин - участвует в свёртывании крови)- в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов образуются особые белки - антитела, способные связывать и обезвреживать их.
6)Токсическая(яд грибов, насекомых, змей) - токсические белки в яде грибов, насекомых и змей
7)Сигнальная - белкам присуща также сигнальная функция. В мембранах клетки встроены белки, способные изменить совою третичную структуру в ответ на действия факторов внешней среды.
8)Каталитическая (ферментативная) В теле человека работает около 700ферментов(пепсин, трипсин) - Все биологические реакции протекают с огромной скоростью, благодаря белкам-ферментам
9)Запасающая (ферритин- запасает железо, альбуин - белок запасает воду) - эту функцию выполняют резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии.
10) Энергетическая- источник энергии (при расщеплении 1 грамма белков выделяется 17,6кДж энергии)

Исключительное свойство белков- самоорганизация структуры, т.е. способность самостоятельно создать определённую, свойственную только данному белку пространственную структуру)

Глава 6. Влияние алкоголя на белок.

Поражение сосудов мозга наблюдается у злоупотребляющих алкоголем, в 4-5 раз чаще, чем у не пьющих
Алкоголь заметно снижает умственную и физическую работоспособность, остроту зрения. Вызывает ожирение сердца, понижает количество гемоглобина в крови, разрушает эритроциты. Нервные клетки у алкоголика гибнут, а отдельные участки мозга становятся бездеятельными.
Народная мудрость: "Выпьёшь много вина, так убавиться ума".

Алкоголь разрушает ферменты.
В каждом организме своё определённое количество белков. Специфичность белка определяется набором аминокислот, их количеством и последовательностью расположения в пептидной цепи.
В организме человека около 5 млн. белков, у бактерий 3тыс

Опыт: Воздействие спирта на белок.
Наливаем 2 мл белка и приливаем равный объём этилового спирта. Белок разрушается. Начинают образовываться хлопья - следовательно, происходит денатурация. Приливая воду, ренатурация белка не идет.

Глава 7. Факторы влияющие на белок.

В окружающую среду часто попадают соли тяжёлых металлов: меди, свинца, ртути.
Опыт: Воздействие тяжёлых металлов на белок.
К 2 мл белка приливаем равный раствор сульфата меди. Содержимое окрашивается в голубой цвет и происходит разрушение белка.
Прилив воду к данному раствору восстановление его нативной структуры не происходит. (Ренатурация не идет. Процесс денатурации необратим)

В пище мы употребляем поваренную соль.
Опыт: Воздействие поваренной соли на белок.
К 2мл белка приливаем равный объём раствора поваренной соли. Изменений в белке нет. Денатурация белка не идет.

1.Мы изучили литературу по теме "Белок".

2.Выявили как влияют на белок различные факторы. В ходе опытов мы узнали что NaCl ( раствор поваренной соли) не влияет на белок, остальные факторы влияют.

3.Показали их влияние на белок.

4.Объяснили протекающие химические реакции.

Мы провели работу и сделали вывод. Что белок это немаловажная часть любого организма. Надо знать, что белок способен разрушаться.

На белок влияют различные факторы : спирт, механическое воздействие (встряхивание), соли тяжелых металлов, щелочи, кислоты, высокая температура. А не влияет на денатурацию белка раствор поваренной соли.

Нам всем надо понимать, что в живых телах есть белки.

Вся деятельность организма - его развитие, движение, выполнение им его функций и многое другое связано с белковыми веществами
Без белка - нет жизни!
Высказывание о белках Ф. Энгельс:
"Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка"
Научные данные современной биологии полностью подтверждают это гениальное высказывание

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].

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

библиографическое описание:
Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / Зинина О.Т. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — №4. — С. 99-105.

код для вставки на форум:

Одними из наиболее вредных для биосферы Земли загрязнений, имеющих самые разнообразные вредные последствия, как для здоровья людей, так и для жизнедеятельности живых организмов, являются загрязнения тяжелым и металлами. Наряду с пестицидами, диоксинами, нефтепродуктами, фенолами, фосфатами и нитратами тяжелые металлы ставят под угрозу саму существование цивилизации. Увеличивающийся масштаб загрязнений окружающей среды оборачивается ростом генетических мутаций, раковых, сердечно-сосудистых и профессиональных заболеваний, отравлений, дерматозов, снижением иммунитета и связанных с этим болезней. В подавляющем большинстве случаев первоисточником загрязнений является экологически безграмотная деятельность человека. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, та к как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Очень часто многоэлементный анализ используют в медицине при выяснении причин острых и хронических отравлений, а так же при лечении профессиональных болезней, связанных с хроническим воздействием тяжелых металлов на организм в условиях реального производства и экологических особенностей.

В химико-токсикологическом анализе применяется метод минерализации при исследовании биологического материала (органов трупов, биологических жидкостей, растений, пищевых продуктов и др.) на наличие та к называемых «металлических ядов». Эти яды в виде солей, оксидов и других соединений в большинстве случаев поступают в организм через пищевой канал, в соответствующих отделах которого они всасываются в кровь и вызывают отравления.

Важнейшим и «металлическими ядами » являются соединения бария, висмута, кадмия, марганца, меди, ртути, свинца, серебра, таллия, хрома, цинка и соединения некоторых неметаллов (мышьяка, сурьмы). Ряд перечисленных выше химических элементов, соединения которых являются токсичными. В небольших количествах содержатся в тканях организма как нормальная их составная часть, В виду незначительных количеств этих химических элементов. Содержащихся в организме, их называют микроэлементами.

Установлены предельно-допустимые концентрации микроэлементов в организме.

Каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает оптимальные тканевые концентрации и функции;
У каждого элемента имеется свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превышена [Mertz, 1982].

Правила Мертца особенно важны для токсикологической химии. Металлы с малыми значениями диапазона концентраций условно отнесены в разные группы по «степени опасности» (чем меньше диапазон, тем «опаснее»):

As, Be, Cd, Hg, Pb, Tl, Zn;
B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb, Sc;
Ba, Mn, Sr, V, W.

Общепризнанно, что наиболее опасными элементами для человека, да и вообще для теплокровных животных, являются кадмий, ртуть и свинец (Cd, Hg, Pb).

Кадмий вызывает отравление, описанное в Японии как болезнь «итаи-итаи» (ох-ох). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающей остеомаляцию (декальцификацию) костей, что приводит к ломкости костей. Хроническое отравление кадмием разрушает печень и почки, приводя к сильнейшему нарушению функции почек. Избыток кадмия нарушает метаболизм металлов, особенно железа и кальция, нарушает действие цинковых и иных металло-ферментов, блокирует сульфгидрильные группы ферментов, нарушает синтез ДНК. Кадмий легко замещает металлфлавопротеиновых комплексах, где главенствующую роль играют железо и молибден, нарушая двухстадийный процесс окисления.

Ртуть токсична в любой своей форме. Ртуть в природных условиях довольно быстро превращается в летучее токсическое соединение — хлорид метилртути. В организме ионы метилртути быстро попадают в эритроциты, печень и почки, оседают в мозге, вызывая серьезные необратимые кумулятивные нарушения ЦНС. Это приводит, к конце концов, к общему и церебральному параличу, деформации конечностей, особенно пальцев, затрудненному глотанию, конвульсиям и смерти. Ртуть блокирует активность ряда важнейших ферментов, в частности карбоангидразы, карбоксипептидазы, щелочной фосфатазы. Легко замещает кобальт в корриноидах, извращая метаболические реакции, связанные с витамином В12. Повреждение механизма биосинтеза ДНК из-за недостаточности витамина В12 является причиной мегалобластических анемий и наиболее распространенной формы - пернициозной анемии, что приводит к дегенеративным изменениям нервной системы.

Свинец известен как токсическое вещество почти 5 тысяч лет среди греческих и арабских ученых. В современных условиях наибольшим источником загрязнения свинцом среды обитания считаются выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин добавляется тетраэтилсвинец для повышения октанового числа. Свинец препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, считается сильнейшим нейротоксином, вызывает повышенную агрессивность. Хроническое отравление свинцом постепенно приводит к нарушениям функций почек, нервной системы, анемии. Токсичность свинца увеличивается при недостатке в организме кальция и железа. Свинец блокирует SH-группы белков, образуя комплексы с фосфатными группами рибозы у нуклеотидов, особенно у цитидина, и тем самым быстро разрушает РНК, ингибирует ферменты, в частности карбоксипептидазу.

Мышьяк относится к числу наиболее сильных и опасных ядов. В присутствии кислорода быстро образует очень ядовитый мышьяковистый ангидрид. При пероральном отравлении высокая концентрация мышьяка наблюдается в желудке, кишечнике, печени, почках и поджелудочной железе, при хроническом отравлении постепенно накапливается в коже, волосах и ногтях. Из-за ингибирования различных ферментов нарушает метаболизм. В процессе отравления первыми страдают аксоны, что приводит к периферической нейропатии и параличу конечностей. Мышьяк считается канцерогенным для человека.

Таллий очень токсичен, зачастую его называют «химическим СПИДом». Таллий, проникая через клеточные мембраны, образует сильные комплексы, например, нерастворимый комплекс с рибофлавином. Это приводит к нарушению метаболизма серы и разрушению иммунной системы. Отравление таллием приводит к гастроэнтеритам, периферической нефропатии, при большой абсорбции к смерти. Через 2-3 недели после небольшого отравления у человека выпадают волосы.

Цинк в виде двухвалентного элемента входит в состав свыше 20 ферментов, включая участвующие в обмене НК. Большая часть цинка в теле человека находится в мышцах, а самая высокая концентрация — в простате. В крови он присутствует в эритроцитах как кофактор в карбоангидразе. Избыток цинка может разбалансировать метаболические равновесия других металлов. Разбалансировка отношения цинк/медь является главным причинным фактором в развитии ишемической болезни сердца. Избыточное потребление солей цинка может приводить к острым кишечным отравлениям с тошнотой. В общем, цинк не очень опасен, а возможность отравления, вероятнее всего зависит от совместного присутствия токсичного кадмия.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав цитохромоксидазы, тироназы и других белков. Их биологическая роль связана с процессами гидроксилирования, переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизн и поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению мед и в тканях путем ограничения ее абсорбции ил и стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях При соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз : ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. Около 95 % меди в организме присутствует в составе гликопротеина крови церулоплазмина. Известен факт недостатка этого белка При болезни Вильсона-Коновалова - врожденном дефиците метаболизма (гепатолентикулярная дегенерация). Из-за генетического дефекта в синтезе церулоплазмина его содержание в крови резко снижено. В результате медь не связывается в комплекс с нормальной для организма константой устойчивости. Это приводит к недостатк у мед и в цеп и реакций метаболизма, приводящей к естественному для здорового организма синтез у соединительной ткани. Для осуществления нормального процесса сшивки мономеров эластина и коллагена не хватает активной Си-лизолоксидазы. С другой стороны «освободившиеся» ионы меди, лишившись по сути единственного нормального потребителя, откладываются в специфических тканях (печень, ядра мозга, почки, эндокринные железы, радужная оболочка глаз), где оказывают прямой токсический эффект. Создается парадоксальная ситуация избытка меди в специфических тканях при ее недостатке в нормальной цепи метаболизма.

Хром один из наименее токсичных элементов. При острых отравлениях накапливается во внутренних органах. Считается, что трехвалентный хром в виде комплекса с никотиновой кислотой и алифатическим и аминокислотам и работает в организме в качестве «фактора толерантности к глюкозе». Его действие заключается в усилении гипогликемического действия инсулина. В обычных условиях отрицательным является недостаток хрома в организме.

Сурьма — менее токсичный элемент, чем мышьяк. При отравлении накапливается в скелете, почках, селезенке.

Барий в виде двухвалентного катиона ядовит из-за его антагонизма с калием (но не с кальцием). У обоих ионные радиусы подобны. Барий является мускульным ядом. Абсорбированный барий откладывается в костях и в пигментной оболочке глаз.

Марганец — элемент почти нетоксичен, особенно в виде двухвалентного иона. В виде перманганат-иона токсичен из-за окислительной способности. Отравление происходит в случае вдыхания оксида в промышленном производстве.

Серебро. Элемент накапливается в печени и в меньших количествах, но равномерно, в остальных органах и тканях. Отложения серебра отмечено в клубочках почек и в субэпителиальных слоях кож и («аргироз» — голубоватое окрашивание кожи).

При различных патологиях имеет место изменение содержания микроэлементов в организме. Исследование сыворотки больных острым вирусным гепатитом, а также при постгепатитном циррозе показало, что у пациентов с острым гепатитом концентрация цинка почти не менялась, концентрация кадмия значительно увеличивалась. Концентрация меди и марганца незначительно уменьшалась. При хроническом гепатите и постгепатитном циррозе содержание меди и цинка в сыворотке уменьшалось, а кадмия увеличивалось. Содержание марганца почти не менялось. Выделение с мочой меди, превышающее 115 мкг/сутки и сопровождаемое низким содержанием в крови, свидетельствует о синдроме системного заболевания, например, болезни Вильсона-Коновалова. Повышенное содержание в крови и моче алюминия, особенно у пожилых людей, может сопровождать энцефалопатию, болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия, а при почечной недостаточности также остеомаляцию и микроцитарную гипохромную анемию. Повышенное содержание в крови и моче лития характерно для больных с патологией мочевыделительной системы, нефропатиями.

Повышенное относительно ПДК содержание в биологических жидкостях отдельных тяжелых металлов может свидетельствовать о хроническом воздействии токсикантов на организм и перенапряжении работы почек и печени. Это требует мер по очистке организма от избытка тяжелых металлов, например, с помощью препаратов с полианионами (морская капуста) в незапущенных случаях.

Повышенное содержание в крови и моче наиболее токсичных тяжелых металлов (кадмия, ртути, свинца) требует энергичных мер по их выведению, поскольку их избыток разрушает нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы.

Повышенное содержание в крови и моче таллия и селена может пролить свет на причины облысения и плохое самочувствие таких больных.

Повышенное содержание в организме бора должно привлечь внимание к тяжелым металлам, содержание которых не превышает ПДК, т.к. он оказывает синергистское (усиливающее) влияние на их токсические свойства.

Токсичность «металлических ядов» объясняется связыванием их с соответствующими функциональными группами белковых и других жизненно важных соединений в организме. В результате нарушаются нормальные функции соответствующих клеток и тканей в организме, и наступает отравление, которое в ряде случае в заканчивается смертью.

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.

Влияние тяжелых металлов на белок

В результате активного воздействия цивилизации на окружающую среду степень ее загрязнения возрастает с каждым годом. Главной причиной ухудшения экологической обстановки можно считать колоссальное потребление и переработку минеральных ресурсов, являющихся источником металлов, необходимых для производства.
Особенно опасным является все возрастающее загрязнение природных источников воды токсическими веществами, включающими ионы тяжелых металлов (ТМ). Поскольку человек за год выпивает примерно две тонны питьевой воды, то даже малые концентрации этих веществ, которые накапливаются в организме человека, могут привести к различным тяжелым заболеваниям, включающим онкологические и сердечно-сосудистые патологии.
В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами стало особенно опасным потому, что не существует надежных механизмов самоочищения среды (период полувыведения из почвы цинка — до 500 лет, свинца — до нескольких тысяч лет). Попадая в окружающую среду с газовыми выбросами, твердыми отходами и сточными водами предприятий, удобрениями и пестицидами, ТМ загрязняют почвенный покров, воды и воздух, причем из водной и воздушной среды прямыми или косвенными путями попадают в почву. Особенно опасны загрязнения изотопами металлов, которые, как показала Чернобыльская катастрофа, могут быть радиоактивными.
Главными источниками поступления в биосферу большинства металлов являются предприятия теплоэнергетики, поскольку в угле и нефти присутствуют все металлы. Количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в атмосферных выбросах при сжигании угля, нефти, торфа и другого горючего может в 3-8 раз превышать количество добываемых металлов.
Для пригородных и сельских районов характерно поступление ТМ в окружающую среду в составе сточных вод и отходов. Существенным источником загрязнения почвы является применение удобрений из шламов, полученных из промышленных и канализационных очистных сооружений. Даже обычные моющие средства могут быть источником ионов цинка и селена.
Кроме того, к основным источникам токсических загрязнений необходимо отнести и автотранспорт. Автомобили кроме оксидов азота, углерода и серы выбрасывают в атмосферу соли свинца. Содержание свинца в организме жителей США, например, в настоящее время приближается к предельно допустимой концентрации (ПДК).
Физический механизм воздействия тяжелых металлов на живые организмы
До недавнего времени было непонятно, почему сравнительно малые концентрации тяжелых металлов вызывают тяжелые отравления.
Последние годы в работах, проводимых на физическом факультете, было обнаружено новое физическое явление — образование надмолекулярных структур — дипольных белковых кластеров в растворах различных белков и ферментов, содержащих ионы тяжелых металлов. Принято называть тяжелыми металлами те элементы, атомный вес которых превышает 40.
Образование белковых нано структур было изучено нами в растворах различных протеинов, содержащих ионы тяжелых щелочных металлов — цезий, рубидий, а также медь, кадмий, свинец, европий и др. различными оптическими методами (рассеяние света, фотонно-корреляционная спектроскопия и поляризация флуоресценции).
Как показали эти исследования, особую роль играет взаимодействие белков и ферментов с таким важным для жизнедеятельности организма элементом, как калий. Оказалось, что наличие в растворах белков ионов калия K + также приводит к возникновению дипольных нанокластеров.
Таблица. Металлы и их ионные радиусы

МЕТАЛЛ	Na+	K+	Cs+	Rb+	Cd+	Pb 2+	Eu 3+	Сe+
ВЕЛИЧИНА ИОННОГО РАДИУСА	0,87 A	1,33 A	1,67 A	1,47 A	1,14 A	1,2 A	0,95 A	1,27 A

Было выявлено, что на процесс кластерообразования влияет величина ионного радиуса металла. В случаях, когда в растворах белков имеются малые ионы типа Na+, образование дипольных кластеров не наблюдается, поскольку ион натрия находится у поверхности белка в окружении молекул воды и не может соединиться непосредственно с противоположным зарядом на белке.
Ионы с большим радиусом (смотри таблицу), такие как Cs+, Rb+, Cd+, Ce+, Pb 2+ , Eu 3+ а также К+, не могут удерживать на своей поверхности воду, т.к. энергия взаимодействия заряд иона — дипольная молекула воды обратно пропорциональна четвертой степени ионного радиуса и может быть сравнима с тепловой энергией. Поэтому такие ионы присоединяются к отрицательным зарядам на поверхности белка непосредственно без водной оболочки (рис.1).
Когда концентрация перечисленных выше ионов увеличивается, наступает момент электрической разрядки поверхности белка. При этом вместо кулоновского отталкивания между макромолекулами белка возникает диполь-дипольное притяжение. Этот процесс возможен только для белков и ферментов, поскольку только у них наблюдаются гигантские дипольные моменты, достигающие величины в тысячу D (дебай).
Смена характера межмолекулярного взаимодействия приводит к появлению в растворах белков надмолекулярных наноструктур — дипольных белковых кластеров, масса которых растет в области изоэлектрической точки белка с ростом концентрации тяжелых ионов.

Рис.1. Схема возможного процесса образования дипольной белковой наноструктуры

Роль калия и натрия в жизнедеятельности организма очень важна. Электрические свойства (потенциал покоя — потенциал действия) большинства клеток определяются этими двумя ионами, а также ионом кальция Ca+, поэтому они называются потенциало — образующими. Как известно, натрий содержится в крови, в плазматической жидкости межклеточного пространства, в то время как калий в организме человека, в основном, находится внутри клеток. Так внутри мышечных клеток калия почти в 50 раз больше, чем в межклеточном пространстве. Для поддержания такой концентрационной неравновесности затрачивается большая энергия. С помощью молекулярных «машин» — Атфаз — натрий из клеток выкачивается, и в клетки закачивается калий. При патологическом состоянии у человека может происходить разрушение клеточных мембран (лизис клеток). В этом случае выходящий из клеток калий нарушает процесс синтеза белков и ферментов и приводит к кластеризации макромолекул.
Безусловный интерес представляют собой исследования свойств водных растворов основных белков крови (альбумина и гамма-глобулина), а также белков являющихся основными структурными элементами тканей живых организмов, к которым относится фибриллярный белок — коллаген.
В наших работах с помощью методов статического и динамического рассеяния света (фотонно-корреляционной спектроскопии) было показано, что размер ионного радиуса металла влияет на межмолекулярные взаимодействия и подвижность молекул коллагена в растворе. Воздействие ионов калия, имеющих больший ионный радиус по сравнению с ионами натрия, аналогично воздействию ионов тяжелых металлов, т.к. приводит к агрегации молекул коллагена вблизи изоэлектрической точки (pH 6). Это проявляется в уменьшении примерно в два раза величины коэффициента трансляционной подвижности, при этом масса рассеивающих частиц увеличивается на порядок.
Рост массы частиц в растворах белков при воздействии ионов металлов с большими ионными радиусами было подтверждено также с помощью метода поляризации флуоресценции.
Следует отметить, что по данным наших экспериментов начало кластерообразования в растворах альбумина, содержащих ионы свинца, меди, кадмия и др., соответствуют значениям ПДК для этих металлов.
В 2009 году в дипломной работе Т.Н. Тихоновой с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) были впервые получены изображения молекул основных белков сыворотки крови — альбумина и гамма-глобулина, а также изображения белковых кластеров, которые образуются в растворах при добавлении ионов с большими ионными радиусами.
В качестве примера на фотографиях показаны снимки молекул альбумина и белковых агрегатов в растворах альбумина с ионами калия и европия.

Рис.2. Строение молекулы альбумина, отснятой на АСМ
Рис.3. 2D-изображение частиц образующихся в растворе альбумина при добавлении KCl, полученного с помощью АСМ

Данная фотография, полученная с помощью АСМ, дает представление о размере молекулы альбумина (~10 нм).
Как можно видеть, размер частицы увеличился почти на порядок.

Рис. 4. 2D-изображение белковых кластеров в растворе альбумина, содержащем соль Eu(NO₃)₃

На фотографии (рис 4.), полученной с помощью АСМ, показано изображение частиц, образующихся в растворе альбумина при добавлении соли Eu(NO₃)₃ .
Таким образом, нами обнаружен и объяснен механизм образования наноразмерных дипольных кластеров в растворах белков, содержащих ионы тяжелых металлов и калия.
Можно предполагать, что образование белковых кластеров в крови человека под действием ТМ, приводит к нарушениям как транспортной, так и иммунной функций основных белков крови.
Возникает вопрос, каким способом можно обезопасить человека от отравления тяжелыми металлами.
Наиболее эффективным методом очистки от ТМ может служить сорбция металлических ионов на пористых средах, например на активированном угле. Подобные фильтры применяются во всех современных системах очистки водопроводной воды.

Г.П. Петрова, Ю.М. Петрусевич, И.А. Сергеева,
Т.Н. Тихонова, К.В. Федорова,
(кафедра молекулярной физики,
кафедра медицинской физики)

Литература
1. G.P. Petrova, Yu.M.Petrusevich, A.N.Evseevicheva.// Gen. Phys. and Biophys. 1998, V.17(2), C. 97
2. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М. // Биомед. радиоэлектроника. 2000, №3, С. 41.
3. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М., Тен Д.И. // Квант. Электроника. 2002, 32, №10, С. 897.
4. И.А. Сергеева, Н.В. Сокол, М.С. Иванова, Г.П. Петрова, Ю.М. Петрусевич// ВМУ. Серия 3 Физика. Астрономия. 2009, №4, С. 85

Читайте также:

Влияние тяжелых металлов на белок

Исследовательская работа "Влияние антропогенных загрязнений на активность белков" (11 класс)

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

похожие статьи

Презентация-лабораторная работа "Действие солей тяжелых металлов на белки"

Влияние тяжелых металлов на белок