Среды. Коагуляция белков под воздействием тяжелых металлов

Цель работы: выявить повреждающее действие солей биогенных и небиогенных тяжелых металлов на животные и растительные белки и разницу в реакции на загрязнения между теми и другими.

Вопросы для самостоятельного изучения

1. Каким путем поступают в окружающую нас среду тяжелые металлы? А в организм человека?

2. Что такое биоаккумуляция? Как она связана с длиной пищевой цепи?

3. Как тяжелые металлы воздействуют на здоровье человека?

Теоретическое введение

Белки являются природными полимерами, составленными из аминокислот, и выполняют важнейшие функции в организме: строительную, каталитическую (ферменты), энергетическую, запасающую, гормональную, защитную (антитела), транспортную и др. Они обладают сложной структурой: первичной, вторичной, третичной, иногда четвертичной. В результате действия разнообразных факторов белковая молекула может утратить присущую ей трехмерную конформацию, этот процесс называется денатурацией. При этом молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Причиной денатурации могут быть: тяжелые металлы, сильные кислоты и щелочи, концентрированные растворы солей, нагревание, ультрафиолетовое излучение, органические растворители, детергенты и другие факторы. При загрязнении среды тяжелыми металлами, их катионы проникают в растительные и животные ткани. Там они образуют прочные связи с карбоксильными группами аминокислот, часто вызывают разрывы ионных связей, снижают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок – коагулирует.

Соли тяжелых металлов в водной среде распадаются на ионы. Все ионы металлов могут быть разделены на две группы: биогенные (Cu, Zn, Со, Mn, Fe и др.) и небиогенные (Рb, Hg, Sn, Ni, Al, Sr, Cs и др,). Среди послед ней группы ионы стронция и цезия (в частности радиоактивные) действуют как биогенные и заменяют в органических веществах соответственно кальций и калий, что вредно для организма. Биогенные ионы входят в состав ферментных систем, которые обеспечивают регуляцию всех процессов в клетке и организме. Поэтому их ПДК в среде (предельно допустимые концентрации, т.е. еще не вредные для здоровья организма) значительно выше, чем у небиогенных. При поступлении в растения воздушным (через устьица) или капельным (роса, туман, слабые осадки) путями определенная доза биогенных тяжелых металлов включается в состав ферментных систем, что стимулирует метаболические процессы. Так, медь входит в состав ферментов, участвующих в процессах темновых реакций фотосинтеза, способствует поглощению других элементов; цинк входит в состав ферментов, рас­щепляющих белки, увеличивает устойчивость растений к жаре, засухе, болезням. Лишь при более высоких концентрациях они действуют как токсиканты. На рисунке 6 показано биологическое дей­ствие биогенной (Cu) и небиогенной (Cd) солей на живые тест-системы.

Рисунок 6 Схема биологического действия ионов меди и кадмия

В малых концентрациях Cu оказывает отрицательное влияние (недостаток микроэлементов). С повышением концент­рации появляется стимулирующий эффект, который усиливает­ся, достигая своего оптимума, а затем снижается и, переходя точку ПДК (стрелка), начинает оказывать отрицательное действие.Cd ведет себя иначе. В очень малых концентрациях он нейтрален (не оказывает эффекта), затем его токсическое действие усиливается. После достижения точ­ки ПДК (пунктирная стрелка) наступает перелом с усилением токсического эффекта.

Оборудование: пробирки (16 шт.), пузырьки (8 шт.), пипетка на 1 мл, пипетки аптечные (2 шт.), штатив для пробирок, стеклограф или маркер, 5%-ный раствор CuSO₄, 5%-ный раствор Pb(NO₃)₂, дистиллированная вода, мерный цилиндр, животный белок (куриного яйца), растительный белок (зернового гороха).

Задание 1 Приготовьте в пузырьках серию растворов CuSO₄ и Pb(NO₃)₂ (2,5%, 1,25%, 0,62%) из исходных 5%-ныхов растворов. В 8 пробирок внесите пипеткой по 1 мл животного белка, а в другие 8 – по 1 мл растительного белка. Все пробирки подпишите. В каждую пробирку добавьте по 2 капли одного из указанных растворов. На темном фоне рассмотрите характер коагуляции обоих видов белка под влиянием разных растворов. Результаты занесите в таблицу 21.

Таблица 21 Коагуляция разных белков под воздействием солей

тяжелых металлов

Вид белка	Используемая соль	Концентрация раствора соли, %
		0,62	1,25	2,5	5
Растительный	CuSO4
Растительный	Pb(NO3)2
Животный	CuSO4
Животный	Pb(NO3)2

Задание 2 Определите концентрацию раствора соли при которой происходит коагуляця белка (при разном виде солей и при разном белке). Сделайте выводы, на какой из видов белков сильнее действует CuSO₄ и Pb(NO₃)₂, и какая соль (свинца или меди) и почему сильнее действует на животный белок и на растительный белок.

Контрольные вопросы.

1. Чем отличаются биогенные и небиогенные тяжелые металлы? Приведите примеры тех и других.

2. Каков механизм коагуляции белка ионами тяжелых металлов?

3. Какой элемент, медь или свинец, имеет более высокую ПДК?

Лабораторная работа № 5 очистка стоков и выбросов.