XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Исследование воздействия солей тяжёлых металлов, спиртов и кислот на скорость денатурации белков молока

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кудрявцев О.А. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Макаренкова Г.Ю. 1

---

1МОУ Быковская СОШ №14

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Молоко – особенный продукт питания. Оно может употребляться как самостоятельный пищевой продукт, а также из него получают ценные и разнообразные молочные продукты. Молоко является ценным пищевым продуктом, так как содержит много ценного по составу и легкоусвояемого белка, важного для нашего организма.

Эти сложные молекулы, состоящие из более простых аминокислот, оказались универсальны, из-за чего заняли очень важную роль в жизни организмов: белки являются составляющими клеток, их незаменимой частью, давая им различные и специфичные свойства, дополнительно контролируя всё живое. Так, гемоглобин и миоглобин способен соединяться с кислородом и углекислым газом, инсулин регулирует некоторые процессы и содержание глюкозы, а из хроматина, в том числе, состоит ДНК – единый код организма, основа всей жизни. Подобные возможности позволили простейшим существам развиться в полноценных позвоночных, заселяя всю планету и понемногу охватывая её. Эти свойства белок приобретает из-за наличия структур – вторичной, третичной, четвертичной. Данные структуры белковой молекулы непрочные и могут быть легко разрушены воздействием извне. Такое разрушение структуры называется денатурацией.

Денатурация не нарушает порядок аминокислот, но меняет глобальную структуру белка, нарушая стандартную работу белка, изменяя изначальные свойства. Так, белки перестают растворяться, теряют гидрофильность, слипаются в комки. Причин денатурации достаточно много: от изменения температуры, до чрезмерного излучения и концентрации некоторых веществ, например, кислот, солей тяжёлых металлов и т.д. воздействие которых мы и будем изучать.

Цели:

Изучить процесс денатурации белков молока;

Предположить механизм воздействия вещества, которое является причиной денатурации белков в каждом отдельном случае;

Разработать метод, позволяющий оценить скорость денатурации, в частности метод, основанный на измерении скорости выпадения осадка.

Задачи:

найти в литературе и изучить информацию об особенности белков молока и их сходство с белками живых организмов, в частности белков крови;

изучить процесс денатурации и его визуальные проявления;

предложить метод оценки скорости денатурации, в частности по скорости образования сгустка и/или времени выпадения осадка;

изучить вещества, вызывающие денатурацию белков, и влияние их концентрации на скорость денатурации (в некоторых случаях);

предположить механизм воздействия вещества, которое является причиной денатурации белков в каждом отдельном случае;

проанализировать полученные результаты, сделать выводы.

Объекты исследования – пищевое молоко и вещества, способные к денатурации (соли тяжёлых металлов, спирты, кислоты, щелочи).

Предмет исследований – скорость денатурации белков в зависимости от концентрации и особенностей вещества.2. Краткий обзор теоретических сведений о строении и свойствах белков молока.

Белки представляют основу структурных элементов клеток и тканей, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его функционирования в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например фотосинтетический комплекс.

В молоке содержится в среднем 3,5% белков. Наибольшая доля принадлежит казеину (2-4%), содержание молочного альбумина 0,5-1%, молочного глобулина 0,1%, присутствуют также белки оболочек жировых шариков (до 0,01 %). Белки молока содержат 20 видов аминокислот, в том числе все незаменимые аминокислоты. Как правило, белки достаточно стабильны в тех условиях, в которых они в норме функционируют в организме. Резкое изменение этих условий приводит к денатурации белка.

Денатурацией белка называют любые изменения в его биологической активности и/или физико-химических свойствах, связанные с потерей четвертичной, третичной или вторичной структуры. (рис. 1).

Рис. 1. Структуры белка

Под первичной структурой понимают последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.

Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей.

Третичная структура – укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами.

Утрата белковой молекулой своей природной структуры называется денатурацией. Она может возникнуть при воздействии температуры, химических веществ, при нагревании и облучении. Таким образом, денатурация белка может быть вызвана различными относительно мягкими воздействиями, приводящими к нарушению в его молекулах слабых взаимодействий — водородных, ионных связей и гидрофобных контактов, а также к разрыву дисульфидных связей, стабилизирующих нативную структуру белка. При этом нарушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул, но не нарушаются ковалентные связи в полипептидной цепи, следовательно, не нарушается первичная структура белка.

В зависимости от природы денатурирующего агента, выделяют:

механическую (сильное перемешивание или встряхивание),

физическую (нагревание, охлаждение, облучение, обработка ультразвуком)

химическую (кислоты и щёлочи, поверхностно-активные вещества, мочевина) денатурацию.

К нарушению различных связей в большинстве белков приводит прежде всего их нагревание до температуры выше 50°С, а также ультрафиолетовое и другие виды высокоэнергетического облучения, что обусловлено усилением колебаний атомов полипептидной цепи. Денатурацию белка способны вызвать даже механические воздействия, например сильное взбалтывание раствора белка.

Денатурация белков также может происходить вследствие какого- либо химического воздействия, например в присутствии некоторых органических растворителей (спирта, ацетона и др.), мочевины, ионов тяжелых металлов и др., а также в условиях экстремальных значений pH среды.

Денатурация часто приводит к тому, что в коллоидном растворе белковых молекул происходит процесс агрегации мелких частиц белка (глобул) в более крупные. Визуально это выглядит, например, как образование хлопьев, осадка или побеление жидкого и почти прозрачного белка при жарке яиц. В молоке это проявляется уплотнением раствора и образованием комков от свёртывания белков, в том числе хорошо видимых на стенках стеклянной посуды и посредством стеклянной палочки. Этим свойством мы и будем пользоваться для определения влияния различных веществ на степень денатурации белка.

3. Краткий обзор факторов, влияющих на скорость денатурации

Основными факторами денатурации белков являются:

1. Изменение pH

2. Специфичное воздействие спиртов;

3. Специфичное воздействие ионов тяжёлых металлов;

4. Изменение температуры (рассматриваться не будет)

5. Излучение и ионизация (рассматриваться не будет), и некоторые другие.

Данные факторы делятся на группы механического, физического и химического воздействия, а так как наш проект по химии, то мы и будем изучать только химическое воздействие.

Основным химическим фактором, значимым для денатурации белковых молекул, является изменение pH (кислотности). Это значит, что в воде, которая окружает белковые молекулы, возрастает (среда становится сильно кислой) или падает (среда становится сильно щелочной) концентрация ионов H⁺. Такие изменения в концентрации ионов закономерно изменяют заряд белковых молекул, возникает ионизация кислотных и основных групп. Из-за этого меняется их конфигурация в пространстве, рвутся водородные связи и утрачивается третичная и даже вторичная структуры. Данные изменения происходят достаточно быстро. Кислоты также достаточно активные вещества (окислители), поэтому могут также непосредственно разрывать связи между атомами в достаточно большой молекуле белка.

Щёлочи же в свою очередь легче (менее заметно) влияют на заряды белковых молекул, из-за чего белки практически денатурируют медленнее, они сворачиваются значительно мягче, чем при добавлении кислот.

Органические растворители — спирты, фенолы и другие — также нарушают в белках систему водородных связей в результате конкуренции с функциональными группами белков за их образование. Кроме этого, органические растворители вследствие установления контактов с неполярными радикалами остатков аминокислот нарушают в белках гидрофобные взаимодействия. Высокие концентрации мочевины или органических растворителей вызывают нарушение структуры воды, что также приводит к ослаблению в белковых молекулах гидрофобных взаимодействий. Таким образом, спирт и мочевина осаждает белки из раствора практически сразу же. Белок уплотняется, становятся заметны изменения физических и химических свойств.

Органические вещества, которые не растворяются в воде (гидрофобные молекулы), как правило, не имеют полярности в молекуле (или заряда) и не оказывают влияния на молекулы белка.

Ионы тяжелых металлов в свою очередь тоже имеют заряд и могут присоединяться к белкам, образуя альбуминаты. Однако, из-за большего радиуса чем у лёгких металлов, они меняют электрическое поле белка, заставляя тех образовать так называемые «кластеры» (слипание комков белка). Из-за этого молекулы больше не могут отталкиваться друг от друга, а наоборот притягиваются, что и позволяет им объединяться в довольно большие соединения (сгустки), нарушается растворимость белковых молекул. Степень и скорость денатурации определяется концентрацией ионов тяжелых металлов и степенью диссоциации их солей: малая концентрация солей тяжелых металлов вызывает гелификацию (уплотнение) белков на поверхности, большая концентрация вызывает необратимые глубокие изменения белковых молекул.

Также, некоторые тяжёлые металлы образуют прочную связь с тиольными группами, что также нарушает работу белковых молекул, делает молекулы более тяжелыми, нерастворимыми.

4. План проведения исследований.

Все исследования в рамках данного проекта осуществлялись в школьной лаборатории с соблюдением правил техники безопасности при работе с едкими веществами (кислотами, щелочами), с веществами, являющимися ядами. Опыты с летучими (сильно пахнущими) веществами, а также с концентрированными кислотами проводились с использованием вытяжного шкафа.

План проведения исследования:

Для исследования брали по 30 мл молока, 3,2% жирности. Молоко наливали в различные химические стаканы. Подписывали (нумеровали) емкости.

В каждую порцию молока наливали по 20 мл растворов различных химических веществ, в том числе:

2.1 10% растворы солей тяжёлых металлов (FeCl₃, CuCl₂, Pb(CH₃COO)₂, CdSO₄, ZnSO₄, BaCl₂) и для сравнения 10% растворы солей более легких металлов (Na₂CO₃, NaCl, Na₂S, Na₂SO₄, CaCl₂, NH₄Cl, MnSO₄, CoSO₄, NiSO₄, CrCl₂)

2.2 98%-100% растворы спиртов (этанол, бутанол) и других органических веществ (гептан, гексан, толуол, глицерин, гликоль).

2.3 концентрированные кислоты 98% растворы серной и азотной кислот, 70% раствор уксусной кислоты, разбавленные кислоты 25%, 10%, 1% растворы кислот (уксусная, серная и азотная кислоты)

2.4. 10% растворы щелочей (KOH, NaOH).

Оценивали: степень денатурации сразу после добавления веществ, через 2 часа и через сутки после смешивания. Оценку проводили по характеру сгустка (размешивание стеклянной палочкой), характеру комков и следов на стенках химического стакана, изменению цвета (в некоторых образцах), наличию отделяемой воды (выпадение осадка).

Фотографировали полученный результат.

Описывали результаты в таблице, формулировали выводы.

5. Описание результатов по исследованию молока.

1. Действие на молоко различных кислот, в том числе серной, уксусной, азотной. Результаты представлены в таблице 1. Фотографии результатов представлены на рисунках 2-7.

2. Действие на молоко различных спиртов и иных органических соединений. Результаты представлены в таблице 2. Фотографии результатов представлены на рисунках 8-11.

3. Действие на молоко различных солей. Результаты представлены в таблице 3. Фотографии результатов представлены на рисунках 12-21.

4. Действие на молоко растворов щелочей: гидроксида натрия NaOH, гидроксида калия KOH и гидроксида кальция Ca(OH)₂. Результаты представлены в таблице 4. Фотографии результатов представлены на рисунках 22-23.

Таблица 1. Действие на молоко различных кислот.

Таблица 1 (продолжение). Действие на молоко различных кислот.

Рисунок 2. Действие на молоко серной кислоты в различных концентрациях. Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (4.1 – 98%, 4.2 – 50%, 4.3 – 25%, 4.4 – 10%, 4.5 – 1%)

Рисунок 3. Действие на молоко серной кислоты в различных концентрациях. Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (4.1 – 98%, 4.2 – 50%, 4.3 – 25%, 4.4 – 10%, 4.5 – 1%)

Рисунок 4. Действие на молоко азотной кислоты в различных концентрациях. Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (4.6 – 98%, 4.7 – 25%, 4.8 – 10%)

Рисунок 5. Действие на молоко азотной кислоты в различных концентрациях. Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (4.6 – 98%, 4.7 – 25%, 4.8 – 10%)

Рисунок 6. Действие на молоко уксусной кислоты в различных концентрациях. Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (3.6 – 70%, 3.5 – 10%)

Рисунок 7. Действие на молоко уксусной кислоты в различных концентрациях. Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (10 – 70%, 9 – 10%)

Таблица 2.Действие на молоко различных спиртов и иных органических соединений.

Таблица 2 (продолжение). Действие на молоко различных спиртов и иных органических соединений.

Рисунок 8. Действие на молоко органических веществ. Фотография СРАЗУ после добавления. Нумерация проб: (1 – этанол, 2 – пропанол, 3 – гептан, 4 – гексан)

Рисунок 9. Действие на молоко органических веществ.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ. Нумерация проб: (1 – этанол, 2 – пропанол, 3 – гептан, 4 – гексан)

Рисунок 10. Действие на молоко органических веществ.

Фотография СРАЗУ после добавления. Нумерация проб: (5 – глицерин, 6 – гликоль, 8 – толуол)

Рисунок 11. Действие на молоко органических веществ.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ. Нумерация проб: (5 – глицерин, 6 – гликоль, 8 – толуол)

Таблица 3.Действие на молоко различных солей.

Таблица 3 (продолжение). Действие на молоко различных солей.

Рисунок 12. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (1 – Na₂CO₃, 2 – NaCl, 3 – Na₂S, 4 – Na₂SO₄, 5 – FeCl₃,)

Рисунок 13. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (5 – FeCl₃, 6 – CuCl₂, 7 – CaCl₂)

Рисунок 14. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (9 – CdSO₄, 10 – MnSO₄, 11 – CoSO₄, 12 – NiSO₄).

Рисунок 15. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (13 – ZnSO₄, 14 – Pb(CH₃COO)₂ с добавлением CH₃COOН, 15 –Pb(CH₃COO)₂ без кислоты).

Рисунок 16. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (19 – BaCl₂, 20 – СrCl₂).

Рисунок 17. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (5 – FeCl₃, 6 – CuCl₂, 7 – CaCl₂, 8 – NH₄Cl)

Рисунок 18. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (9 – CdSO₄, 10 – MnSO₄, 11 – CoSO₄, 12 – NiSO₄).

Рисунок 19. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (13 – ZnSO₄, 14 – Pb(CH₃COO)₂ с добавлением CH₃COOН, 15 –Pb(CH₃COO)₂ без кислоты).

Рисунок 20. Действие на молоко 10% растворов различных солей.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (19 – BaCl₂, 20 – СrCl₂).

Таблица 3.Действие на молоко щелочей.

Рисунок 22. Действие на молоко 10% растворов различных гидроксидов.

Фотография СРАЗУ после добавления.

Нумерация проб: (16 – Ca(OH)₂, 17 – NaOН, 18 – КОН)

Рисунок 23. Действие на молоко 10% растворов различных гидроксидов.

Фотография ЧЕРЕЗ СУТКИ.

Нумерация проб: (16 – Ca(OH)₂, 17 – NaOН, 18 – КОН)

6. Выводы по результатам исследования молока.

По результатам экспериментов, я пришел к следующим выводам:

Денатурация белков (в частности химическая) происходит достаточно быстро и имеет характерные признаки, которые легко идентифицировать;

Вследствие непрочности химических связей (водородные и проч.), которые образуют вторичную, третичную и четвертичную структуры белка, многие вещества способны вызвать денатурацию белка, в основном это соли тяжёлых металлов, кислоты и некоторые органические вещества.

По результатам экспериментов, было показано, что наибольшим воздействием на белки обладают кислоты, растворимые соли железа, меди, цинка, свинца, кадмия и хрома;

Соли щелочных металлов и более легких металлов не проявляют эффекта денатурации или он незаметен;

Щёлочи проявляют эффект денатурации медленно, но со временем изменения значительные;

Органические соединения, нерастворимые в воде не вызывали денатурацию белков молока, при этом денатурация от прибавления одноатомных спиртов была значительная и достаточно быстрая;

Скорость денатурации белка у каждого вещества разная: самые быстрые результаты показали кислоты, соли свинца, кадмия, цинка;

Видимая степень денатурации белка тоже разнилась: самыми показательными оказались концентрированные кислоты, соли свинца, кадмия;

Небольшие количества кислоты, солей свинца, кадмия и других металлов также приводили к денатурации, но не так выраженно;

Скорость денатурации напрямую зависит от концентрации, особенно это характерно для кислот. Но выразить этот показатель количественно пока невозможно;

Все способы фиксировать денатурацию оказались оценочными, разной степени достоверности, в зависимости от возможностей наблюдателя. Измерить степень и скорость денатурации пока не представляется возможным.

7. Заключение.

Денатурация белков имеет большое значение в явлениях живого мира. Так, по мере старения организмов происходит постепенная, хотя и очень медленная, денатурация белков, сопровождающаяся снижением их гидрофильности. Примером подобной необратимой денатурации является старение семян, которые, даже при наиболее благоприятных условиях хранения, в конце концов, теряют способность к прорастанию. Так как специфические биологические функции белка возникают на уровне его третичной или четвертичной структуры, то денатурация, сопровождающаяся нарушением этих уровней структурной организации белка, приводит к частичной или полной потере белком своей биологической активности.

Денатурация белков имеет место и очень важна в целом ряде процессов пищевой промышленности — при выпечке хлеба и кондитерских изделий, сушке макарон, изготовлении консервов и т.д. Денатурация придаёт неестественно белый цвет вашей яичнице, а кусочек варёного мяса приобретает твёрдость. Денатурированные (частично разрушенные) белки, как правило, значительно легче усваиваются организмом, так как в процессе пищеварения они легче гидролизуются под воздействием специфических катализаторов — ферментов. Следовательно, денатурация белков, происходящая в ходе производства пищевых продуктов, а также приготовления пищи, имеет положительное значение, так как в результате нее повышается степень усвоения белков.

Однако с развитием науки и технологий в наш быт проникали всё новые и новые вещества, в том числе и не совсем полезные. Так, в Древней Греции, в качестве материала для винных сосудов использовали свинец, медь же и другие металлы использовали как красители для тканей, а в восемнадцатом веке и позже как лекарство использовали жидкую ртуть и её алые соли, потребляя данное «лечебное зелье» без какого либо страха, не зная об опасности подобных металлов.

И вот уже в наше время, когда давно известно об опасностях многих металлов, их количество вокруг нас постепенно растёт, вследствие загрязнения планеты мусором и использованной техникой, иногда напрямую отравляя сточные воды и грунт ртутью с промышленных производств.

Год назад, я задался вопросом - "настолько ли опасны тяжёлые металлы и другие вещества, в том числе органические растворители для человека? Возможно ли навредить себе?", и с этими вопросами я начал экспериментировать и углубляться в вопрос, постепенно узнавая всё новые детали мира вокруг, и смог их проверить, лично подтвердив денатурацию белков от тяжёлых металлов.

8. Список использованной литературы.

https://www.phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2010/02(79)-2010/9849/

Цветков Л.А. Эксперимент по органической химии. М., Просвещение. 1973.

Штремплер Г.И. Химия на досуге. Домашняя лаборатория. М., Просвещение.1996

Фармакология, под. ред. Ю. Ф. Крылова и В. М. Бобырева. - Москва, 1999.

https://naukatv.ru/video/film-science/889

https://opiumedu.ru/bihomiya/stroenie-i-funkcii-belkov-denaturaciya-belka/

https://studref.com/595101/ekologiya/denaturatsiya_belka

Габриелян О. С и др. Химия 10 класс., М., Дрофа 2002.

Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия., М., 1988