Исследовательская работа Влияние тяжёлых металлов на активность каталазы

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Городская гимназия №1»

РОССИЙСКАЯ НАУЧНО-СОЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА

ДЛЯ МОЛОДЕЖИ И ШКОЛЬНИКОВ

«ШАГ В БУДУЩЕЕ»

«Влияние тяжелых металлов на активность каталазы»

Исследовательская работа на городскую

научно-практическую конференцию «За страницами твоего учебника» в рамках программы

«ШАГ В БУДУЩЕЕ»

Авторы: Гасич Александр, Россия,

г. Усть-Илимск гимназия №1,11 класс «А».

Руководитель: учитель Громенко Т.В., городской

гимназии №1, в Усть-Илимске

2015г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………… 3с.

Глава 1. Анализ литературных источников:

1.1 Биологическая роль ферментов в клетке ……………………… 4с.

1.2 Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами ………5с.

Глава 2. Методика проведения исследования ……………………………....8с.

Заключение ………………………………………………………………… 13с.

Список литературы …………………………………………………………...14с.

Глава 1. Введение

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 (Коробкин В.И. Передельский Л.В.,2004). Специалисты считают, что в локальном и глобальном масштабах «приоритетными» являются следующие загрязнители: диоксид серы, канцерогенные вещества (бензпирен), нефтепродукты, хлорорганические пестициды, оксид углерода, оксиды азота, тяжёлые металлы.

Известно, что металлы играют важную роль в жизнедеятельности организмов. Они входят в состав клеток в виде макроэлементов (кальций, натрий, калий, железо, магний) и микроэлементов (кобальт, медь, цинк¸ молибден, марганец, никель). Металлы участвуют в структурировании белков, нуклеиновых кислот, активных центров ферментов, активизируют биологические реакции, участвуют в ионной проницаемости мембран.

Вместе с тем в условиях интенсивного воздействия человека на окружающую среду (добыча руд, минералов, промышленное и сельскохозяйственное производство, развитие автотранспорта) природная среда интенсивно загрязняется как биогенными, так и чужеродными металлами.

Наибольшую опасность среди них представляют тяжелые металлы: ртуть, свинец, кадмий, медь, цинк. При избыточном поступлении в организм тяжелые металлы вызывают глубокую необратимую денатурацию белков, образуя нерастворимые соли комплексного характера по анионным центром радикалов аминокислот, например SH - и COOH - группам. При этом подавляется действие большинства ферментов, поскольку именно радикалы аминокислот участвуют в формировании их активных центров.

Цель экологического эксперимента: Выявить влияние тяжелых металлов на активность фермента каталаза.

Основные задачи эксперимента:

1. Ознакомиться с методикой эксперимента по исследованию активности каталазы по литературным источникам.

2. Провести практическую часть исследования в соответствии с разработанным планом и методикой.

3. Изучить по литературным источникам о влиянии антропогенного загрязнения на живые организмы.

4. Определить концентрацию токсикантов, которая оказывает угнетающее действие на активность фермента.

5. Проанализировать полученные результаты эксперимента, сравнить токсический эффект ионов свинца и меди на уровне общей активности фермента.

Методы исследования: анализ литературных источников, эксперим

Глава 1. Анализ литературных источников

1.1 Биологическая роль ферментов в клетках

Ферментами называются белковые вещества, ускоряющие жизненно важные химические реакции в клетках организмов. Являясь катализаторами, они образуют с исходными веществами неустойчивые промежуточные соединения: эти соединения, распадаясь, дают конечный продукт данной реакции и освобождают ферменты. Известно много ферментов и каждый из них ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту особенность ферментов называют специфичностью или селективностью (избирательностью) действия. Направленность их действия позволяет организму быстро и точно выполнять сложную химическую работу по перестройке молекул пищевых веществ - в нужные ему соединения.

Уже во рту во время пережевывания пищи под влиянием фермента амилазы сложные сахара начинают разлагаться на простые вещества. Эта работа в дальнейшем будет продолжена в кишечнике ферментами - карбогидразами. В желудке и кишечнике белки пищи подвергаются разложению с участием пепсина, трипсина, химотрипсина. Жиры разлагаются на глицерин и карбоновые кислоты под влиянием ферментов - липаз. Все эти реакции протекают по одному принципу: разрывается определенная химическая связь в молекуле белка, углевода или жира. Освободившиеся валентности используются для присоединения групп ОН^- и иона Н⁺ из молекул воды. Происходит процесс гидролиза. Для молекулы белка эту реакцию можно представить так:

• R₁ - Co - NH - R₂ - +HOH = - R₁ COOH + NH₂ - R₂ -

Известны ферменты, которые оказывают иное действие на молекулы. Некоторые из них ускоряют окислительно-восстановительные реакции: они способствуют переносу электрона от одной молекулы (окисляемой) к другой (восстанавливаемой). Существуют ферменты, соединяющие молекулы друг с другом, ферменты, которые переносят большие и сложные группы атомов от одной молекулы к другой. Располагая богатым набором ферментов - катализаторов, клетка разлагает молекулы пищевых белков, жиров, углеводов на небольшие фрагменты и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям организма. Русский физиолог И.П. Павлов назвал ферменты - носителями жизни.

В последние годы широко используются иммобилизованные (неподвижные) ферменты. Для ускорения нужной реакции их закрепляют на поверхности инертного «носителя». В качестве его обычно используют оксид кремня (IV) или полимерные материалы. Через эту массу фильтруют исходные вещества. Ферменты быстро и точно производит высокоспецифичную и химическую работу, в результате которой получаются продукты, почти не содержащие посторонних соединений.

Каталаза относится к классу оксидоредуктаз. Она содержится в животных и растительных тканях и включает железо в составе геминовой простатической группы. Фермент имеет белковую природу и является катализатором в клетке. Каталаза проявляет очень высокую активность: одна молекула фермента разлагает до 5 млн. молекул перекиси водорода в минуту при 0⁰ С.

2Н₂О₂ 2Н₂О + О₂

Это жизненно важная реакция, так как пероксид водорода (Н₂О₂) образуется в результате обмена веществ в клетке и оказывает на клетку вредное действие.

Максимальную активность каталаза обнаруживает в интервале от 0⁰ до 10⁰С. Оптимальные значения РН действия лежит в пределах 6,0 - 8,0. Активность фермента определяется строением белковой молекулы. Определенное пространственное расположение остатков аминокислот, образующих цепеобразную молекулу белка, создает условия для протекания катализируемой ферментом реакции. Длинная цепочка остатков аминокислот свернута в сложный клубок так, что аминокислоты, расположенные в цепи далеко друг от друга, могут оказаться соседями. Некоторые из возникших таким путем группировок, остатков аминокислот проявляют каталитические свойства и образуют активный центр фермента. Ферменты для проявления активности нуждаются в веществах небелковой природы - кофакторах. Кофактором может быть ион металла (цинк, кальций, марганец) или молекула органического соединения (кофермент). Иногда для действия фермента бывает необходимо присутствие, как ионов металла, так и коферментов. В отдельных случаях кофермент очень прочно соединен с белком, что и наблюдается у каталазы. У каталазы кофермент представляет собой комплексное соединение железа (гемм). В некоторых ферментах коферменты - это вещества, близкие по строению молекулы к витаминам. Витамины, таким образом, являются предшественниками коферментов. Из витамина В₁ (тиамин) в клетках образуется тиамин пирофосфат - это кофермент важного фермента (декарбоксилаза), который превращает пировиноградную кислоту в оксид углерода (IV) и ацетальдегид. Из витамина В₂ получают коферменты флавиновых ферментов - одну из стадий окисления пищевых веществ. Из витамина В₁₂ образуются коферменты, необходимые при образовании клеток крови.

1.2 Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, а особенно свинцом приобрело огромные масштабы, особенно в больших городах и вдоль автострад в связи с содержанием в бензине антидетонаторной добавки - тетраэтилсвинца. Вместе с выхлопными газами автомобилей он выбрасывается в атмосферу. Вследствие этого за последние десятилетия уровень свинца в крови людей увеличился. Накопление свинца в организме приводит к раковым заболеваниям, так как, в несколько раз усиливает действие канцерогенных веществ (диоксины, полициклические углеводороды) в организме. В этом проявляется взаимодействие различных ксенобиотиков в окружающей среде либо в организме с образованием ещё более ядовитых продуктов.

Так, соединения меди весьма токсичны для представителей животного и растительного мира. Избыток ионов меди в человеческом организме вызывает заболевания нервной системы, печени и почек, гастриты, язвенную болезнь желудка. У работающих с медными порошками более 5 лет, снижается жизненная ёмкость лёгких, резко увеличивается содержание гемоглобина, и число эритроцитов в крови, уплотняются корни лёгких, воспаляются дёсна.

Масштабы отравления медью наиболее опасны в промышленных меднодобывающих районах, где на 1т добытой меди приходится 2 т пыли, содержащей 15% меди, 60% - оксидов железа, по 4% мышьяка, ртути, цинка, 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).

Оксиды меди и соли вызывают аллергию, изъязвление роговицы, дерматиты.

Загрязнение супесчаной почвы (5мг/кг) может привести к угнетению активности нитрифицирующих бактерий. Медь заметно задерживает минерализацию азота.

В то же время, медь, как и железо, играет важную роль в процессе кроветворения и поддержании 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 тяжелых металлов усиливается в результате их преобразования в окружающей среде в алкильные производные.

С₆Н ₅Hq CH₃Hq

Hq Hq ²⁺ (CH₃) Hq

Метил и фенил-ртуть вследствие своей лиофильности очень легко проникают в организм. Таким образом, тяжелые металлы, попавшие в окружающую среду, необратимо разрушают белки, в том числе и ферменты, пагубно влияют на здоровье человека, вызывая тяжелые заболевания.

Фенилртуть Метилртуть

Ртуть отличается широким спектром и большим разнообразием клинических проявлений токсического действия. В основе механизма действия ртути лежит блокада биологически активных групп белковой молекулы. При отравлениях ртутью отмечается головная боль, общая слабость, боли при глотании, повышенная температура, боли в животе, признаки поражения почек. Известны смертельные случаи при отравлении парами ртути. У рабочих производств отмечаются неврастенический синдром, нарушение психической сферы (повышенная раздражимость, эмоциональная неустойчивость, утомляемость, пониженная умственная работоспособность). Снижается количество гемоглобина и число эритроцитов, кровоточивость дёсен, набухание лимфатических и слюнных желез, воспаление толстого кишечника, язва желудка и двенадцатиперстной кишки, некротические изменения в почках.

Несмотря на то, что дефицит лития в человеческом организме приводит к психическим расстройствам, при повышенной концентрации он 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.

Следующий за литием бериллий принадлежит к числу наиболее токсичных металлов (для сравнения приведем ПДК бериллия и ртути в воздухе производственных помещений, составляющие 0,001 и 0,01 мг/м³ , соответственно). Бериллий и его соединения обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки, вызывают дерматозы, конъюнктивиты, назофарингит, заболевания легких и бронхов - трахеобронхит, пневмонию и опухали легких. Заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием. Металлы, в сравнительно высоких концентрациях отрицательно влияющие на жизнедеятельные процессы, в малых концентрациях абсолютно необходимы для нормального функционирования различных организмов, т.е. относятся к биологически активным элементам.

Цинк менее токсичен, чем медь, однако его избыток в организме может привести к понижению концентрации кальция в крови и костной ткани. Присутствие цинка в воздухе производственных помещений в виде пыли иногда вызывает заболевание дыхательных путей, называемое «литейной лихорадкой». С другой стороны, цинк - важный микроэлемент: он входит в состав инсулина (гормона поджелудочной железы), участвует в переносе углекислого газа кровью позвоночных и, что особенно важно, стимулирует рост растений.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что токсичность тяжелых металлов находится в непосредственной связи с их химической формой существования, с конкретной «химической упаковкой» металла. Общеизвестно, например, что соединения Cr⁶⁺ значительно более токсичны, чем соединения Cr³⁺, что находит отражение в значениях их ПДК в питьевой воде - 0,05 и 0,5 мг/л соответственно.

Никель относится к тяжелым металлам с умеренной токсичностью (ПДК Ni²⁺ в питьевой воде составляет 0,1 мг/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 Ni(CO)₄ (ПДК в воздухе производственных помещений 0,0005 мг/м³) - одно из наиболее ядовитых веществ, известных человеку (в свое время это соединение состояло в списках боевых отравляющих веществ ряда держав).

Кадмий относится к редким, рассеянным элементам: он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Поступая в водоёмы, растворимый кадмий осаждается и накапливается в донных осадках. Он может находиться в почве в виде комплексных соединений (цианиды). Резко выражено загрязнение кадмием водоёмов и почвы в районах размещения металлургических комбинатов, производств красителей, кадмий - никелевых аккумуляторов, минеральных удобрений. Кадмий снижает активность пищеварительных ферментов - трипсина, пепсина, изменяется каталазную активность крови и тканей печени, угнетает синтез гликогена в печени. Вдыхание паров кадмия в концентрации 1мг/м. куб.в течение 8 часов рабочей смены приводит к токсической пневмонии, а затем к отёку лёгких. При этом развивается хронический ринит и фарингит, раздражение гортани, жжение в носу, Носовые кровотечения, образование язв в носовой полости. При случайном отравлении сульфатом кадмия смерть у пострадавшей наступила через 30 часов при нарастании сердечно - сосудистой недостаточности, отёке лёгких.

В Японии была обнаружена болезнь «итай - итай», при которой отмечалась декальцификация скелета, особенно у пожилых людей. Причиной явилось интенсивное загрязнение рисовых полей сточными водами горнометаллургических предприятий. Болезнь протекала с деформацией скелета, снижением роста, болями в пояснице, мышцах ног, переломами рёбер при кашле. Развивалась анемия, поражение почек, снижалось содержание в крови железа, кальция, фосфора.

Работающие в контакте с кадмием часто умирают от рака лёгкого и простаты. Исследования показывают, что у рабочих производства кадмиево - никелевых аккумуляторов (США) при стаже работы 5 лет и концентрациях кадмия в воздухе 1 мг/м.куб оказалась очень высокая онкозаболеваемость.

Глава 2. Методика проведения исследования

Активность каталаза измерялась манометрическим методом. Он основан на измерении объема кислорода, выделившегося при воздействии фермента на субстрат.

2H₂O₂ 2H₂O + O₂

Ферментативная активность измерялась в приборе - каталазнике. Бюретку заполняем 3% раствором серной кислоты, чтобы предотвратить гнилостные процессы в воде и снизить в ней растворение газа. Избыток раствора, образующегося при вытеснении жидкости из бюретки, собирается в воронке.

Реактивы и оборудование

3% раствор медного купороса (CuSO₄) и нитрата свинца (PB(NO₃)₂ или ацетата свинца, 3% раствор перекиси водорода (H₂O₂); половинка клубня картофеля; пипетка, фарфоровая ступка с пестиком; мерный цилиндр и стакан; весы, колбы на 50 мл., мел, секундомер.

Получение вытяжки каталазы из картофеля

Приготовить навеску 1г картофеля и тщательно растереть в охлажденной льдом ступке добавив 0,3г мела и 5-10 мл. охлажденной воды. Затем полученный гомогенат ткани разбавить охлажденной водой из расчета 30-50 мл. на 1 г. картофеля. Ферментную вытяжку после отстаивания слить для отделения от растительных остатков, измерить объем и хранить в колбе на холоде.

Измерение активности каталазы

Исследование влияния ионов свинца и меди на активность фермента. В одно колено каталазника поместить 3 мл. ферментной вытяжки, а в другое - 3 мл. раствора перекиси водорода (субстрата). Присоединить каталазник к прибору, установить нулевую точку жидкости в бюретке. Быстро слить и перемешать растворы в одном из колен каталазника и через каждые 1 мин. Отмечать объем кислорода, который выделяется в процессе ферментативной реакции. Активность фермента выразить в объеме кислорода (мл), выделившегося за 1 мин, в расчете на 1г. сырой растительной ткани по формуле:

А =

Добавить в одно из колен каталазника о,5 мл ингибитора (ацетат свинца, сульфат меди) непосредственно перед помешиванием перечисленных растворов (опытные пробы). Ферментативную активность нужно сравнить с контрольными пробами, в которые вместо солей-ингибиторов добавим 0,5 мл воды. Повторность опытов (3) дает возможность статистически оценить достоверность полученных результатов.

Результаты исследований

1. Расщепление H₂O₂ каталазой

2H₂O₂ 2 H₂O + O₂

1 мин

2 мин

3 мин

VВыделившегося О₂

3 мл

2,1 мл

0,7 мл

Подсчитаем по формуле активность каталазы:

А₁ = = 1,5 мл/мин

А₂ = =1,05 мл/мин

А₃ = = 0,3 мл/мин

2. Влияние CuSO₄ на активность каталазы.

1 мин

2 мин

3 мин

VВыделившегося О₂

1 мл

0,6 мл

0,4 мл

А₁= = 0,5 мл/мин

А₂ = = 0,3 мл/мин

А₂ = = 0,2 мл/мин

3. Влияние 3% Рb (NO₃)₂ на активность каталазы.

1 мин

2 мин

3 мин

VВыделившегося О₂

0,1 мл

0 мл

0 мл

А₁= = = 0,05 мл/мин

А₂ = 0мл/мин

А₃= 0 мл/мин

Выводы

1. Ферменты - это биологические катализаторы в клетке. Фермент каталаза содержится в животных и растительных клетках и включает железо в составе геминовой простатической группы. Каталаза ускоряет разложение токсичной для организма перекиси водорода до свободного кислорода и воды.

2H₂O₂ 2H₂O + O₂

2. Токсический эффект ионов меди высок, реакции разложения H₂O₂ каталазой в присутствии ионов меди идут в 2 раза медленнее. Медь оказывает угнетающее действие на активность фермента.

3. 3% Рb (NO₃)₂ ещё токсичнее, чем CuSO_4. Реакции разложения перекиси водородакаталазой идут ещё медленнее.

4. Концентрация токсикантов, которая оказывает угнетающее действие на активность каталазы, составляет 3%.

5. Тяжелые металлы - свинец, цинк, ртуть, медь вызывают глубокую необратимую денатурацию белков, в том числе и ферментов, с образованием нерастворимых солей комплексного характера.

Металлы, входящие в активный центр фермента (Fe, Mq) конкурентно вытесняются металлами - ингибиторами с образованием неактивного центра.

Ме⁺ - фермент + М⁺ (ингибитор) Ме⁺ (ингибитор + фермент + Ме⁺

неактивный

комплекс)

Заключение

На рубеже 21века человечество в полной мере ощутило глобальный экологический кризис, который однозначно указывает на антропогенную токсикацию нашей планеты. Вероятно, человек перешёл допустимые экологические пределы воздействия на все компоненты биосферы, что в конечном итоге поставило под угрозу существование современной цивилизации.

В связи с этим академик Н.Н. Моисеев отмечал: «…Антропогенная нагрузка на биосферу возрастает стремительно и, вероятно, близка к критической. Человек подошёл к пределу, который нельзя переступить ни при каких обстоятельствах. Один неосторожный шаг - и человечество сорвётся в пропасть. Одно необдуманное движение - и биологический вид Homo sapiens может исчезнуть с лика Земли».

Реализация стратегии выхода их экологического кризиса и перехода к устойчивому развитию всего мирового сообщества возможна лишь на основе единства природоохранных действий всех государств. Природа не знает государственных границ, она всеобща и едина. Для человеческой популяции среда обитания - вся биосфера, которая представляет собой единую и целостную систему. Все слагаемые глобального экологического кризиса становятся экологическими императивами всех государств.

Важнейший вклад в становление принципов и норм в области охраны окружающей среды внесла Международная конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992г.). Подводя итоги конференции, генеральный секретарь оргкомитета М.Стронг заявил: «Мир после конференции должен стать другим. Другими должны стать дипломатия и система международных отношений ООН. Мы выживем вместе, в противном случае - не выживет никто».

Приложение 1

График «Токсический эффект ионов свинца и меди

на уровне общей активности каталазы»

3 мл н₂о₂

2 мл

1мл

СuSO₄

Рb (NO₃)₂

0

1 мин 2 мин 3 мин

Литература

1. Ковалевская Н.И. Экологическая биохимия: живые организмы и антропогенное загрязнение биосферы. Биология в школе. №3 1993 г.

2. Казаков Е.А. Казакова С.М. К проведению опытов по обнаружению действия каталазы. Биология в школе №5. 1980 г.

3. Николаев Л. А. Металлы в живых организмах М.: Просвещение, 1986 г.

4. Эйхлер В. Яды в нашей пище. М.: Мир 1983 г.

5. Яблоков А.В., Остроумов С.А. Уровни охраны живой природы. М.: Наука. 1985 г.