XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Комплекс «яд – белок»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Во всех сферах своей деятельности человек имеет дело со многими тысячами химических веществ (более десяти миллионов), ввиду этого химические стрессы сегодня рассматриваются как наиболее приоритетные.
Актуальность исследования ядов и их влияния на организм человека определена моими исследованиями «Анализ качества продуктов, изготовленных в алюминиевой посуде. Перспективы использования алюминиевой посуды в быту» (2021 г.) [4] и «Поваренная соль: кристаллы жизни или белая смерть?» (2022 г.) [5], в результате которых я понял, что многие люди не знают или не придают особого значения безопасности той посуды, которую ежедневно используют для приготовления пищи, а один из самых привычных продуктов, имеющийся на каждой кухне, может быть как является основополагающим строительным элементом нашего организма, так и источником болезней.
Несмотря на то, что первое исторически зафиксированное дело об отравлениях произошло в Риме в 331 г. до н.э., тема ядов продолжает интересовать исследователей разного возраста: Горшков В.Е. (2018), Груздев А.А. (2019), Дихин А. (2015), Моисеенко Е. (2013), Образцова М.Р., Иванов И.Р. и Мельниченко Д.В. (2010), Пачина Л.О. (2022), Саутин М.С. и Маяцкая А.М. (2022), Филенко Ф. (2021) и многих других.
Горшков В.Е. (2018), исследовав влияние некоторых предельных одноатомных спиртов на белки и растительные клетки, выяснил, что любой спирт действует на организм человека отрицательно, поскольку человеческий организм таков, что все необходимые человеку спирты вырабатываются собственным организмом [1].
Груздев А.А. (2019) рассмотрел разнообразие ядовитых веществ, с которыми человек сталкивается в ежедневном обиходе, и пришел к следующему выводу: зная, насколько ядовиты могут быть вещества, входящие в продукты и предметы повседневного обихода, можно найти им альтернативу и тем самым снизить угрозу своему здоровью и окружающей среде [2].
Дихин А. (2015), создавая информационный, учебный, практический материал для использования его на уроках химии, биологии, во внеурочной деятельности, элективных курсах, пришел к выводу, что только рациональное хозяйство, рациональная техника и экономика могут создать безвредные условия жизни человека на планете Земля [3].
Моисеенко Е. (2013) исследовала проблему ядовитых веществ и пришла к выводу, что опасные источники ядов скрываются повсюду: в природе, дома, в том числе и в предметах повседневного обихода, и человек должен знать об этой опасности, чтобы защитить свою жизнь и жизнь близких людей [7].
Образцова М.Р., Иванов И.Р. и Мельниченко Д.В. (2010) изучали вопросы, посвященные токсичности и стандартам качества среды, связи строения и состава органических веществ с их физиологическим действием, механизмам действия ядов и сущности антидотного эффекта, а также значению предельно допустимых концентраций ядовитых веществ в окружающей среде и летальным дозам [8].
Пачина Л.О. (2022) исследовала живые микроорганизмы под влиянием ядовитых веществ, предположив, что вещества, содержащие ядовитые свойства, способны влиять на физические свойства организма [9].
Саутин М.С. и Маяцкая А.М. (2022) экспериментально доказали, что на всякий яд есть свое противоядие – антидот, причем антидот – это не только химические вещества, нейтрализующие яд, но и людская рациональность, осмотрительность, осторожность по отношению к ядам [10].
Филенко Ф. (2021) в поисках ответа на вопрос: «Зачем нам яды, если они опасны?» изучил историю возникновения ядов и особенности их применения в жизнедеятельности человека и пришел к выводу, что человек может сам следить за поступлением вредных веществ в свой организм и регулировать их уровень, принимая «природные утилизаторы», к которым относят морскую капусту, свежие овощи и фрукты [11].
Цель исследования: изучение взаимодействия яда с организмом человека.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
1. Проанализировать литературу по исследуемой теме.
2. Изучить подходы к классификации ядов, основные стадии взаимодействия яда с биологическим объектом и роль белков в этом взаимодействии.
3. Экспериментально проверить влияние этилового спирта на белки и растительные клетки.
Методы исследования
На различных этапах работы и при решении отдельных задач, поставленных в исследовании, использовался широкий набор методов: анализ научно-популярной литературы, методы наблюдения и сравнения, методы эксперимента и обобщения информации.
Глава 1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Ежегодно на Земле синтезируются десятки тысяч новых соединений, многие из которых вовлекаются в круговорот веществ в природе. Чем шире масштабы производственной деятельности человека, тем большее влияние оказывается на биологические процессы в почве, водоемах и на суше, тем сильнее проявляются побочные и отдаленные последствия воздействия чужеродных по отношению к живым организмам и не входящим в естественные биогеохимические циклы вещества (ксенобиотикам). Знание источников, природы, классификации и строения ксенобиотиков позволит прогнозировать источник поступления и потенциальную опасность различных токсикантов, а также возможность их обезвреживания и утилизации.
Вместе с тем одно и то же химическое вещество может быть ядом, лекарством и даже необходимым для жизни средством в зависимости от дозы, ряда условий, при которых оно встречается и взаимодействует с организмом. Поэтому, изучая законы взаимодействия живого организма и ядов, необходимо решить следующие задачи:
- дать характеристику ядов;
- выявить механизмы их действия;
- изучить условия возникновения токсического эффекта при воздействии на организм.
1.1 Классификация ядов
Классификация ксенобиотиков основывается на различных принципах в зависимости от поставленных целей и задач.
В зависимости от источника происхождения и практического применения ксенобиотики негативного воздействия (токсические вещества или яды) подразделяются на следующие группы:
1. Промышленные яды – вещества, применяемые в качестве топлива (метан, бутан и т.д.), органические растворители, красители, химические реагенты, полупродукты органического синтеза и др.
2. Ядохимикаты – удобрения и средства защиты растений от вредителей.
3. Лекарственные препараты и продукты фармацевтики.
4. Бытовые химикаты – красители, парфюмерно-косметические средства, пищевые добавки.
5. Растительные и животные яды.
6. Боевые отравляющие вещества.
Вредные вещества, с которыми контактирует человек, по степени опасности (токсичности) подразделяют на 4 класса:
- чрезвычайно токсичные;
- высокотоксичные;
- умеренно токсичные;
- малотоксичные.
Токсичность вещества тем больше, чем меньшее его количество (доза) вызывает расстройство жизнедеятельности организма.
1.2 Основные стадии взаимодействия яда
с биологическим объектом
Выделяют 4 стадии взаимодействия яда с биологическим объектом:
- поступление яда в организм;
- распределение яда между органами и тканями;
- метаболизм (биотрансформация) яда в организме;
- выведение яда или его метаболитов из организма.
Все эти процессы связаны с проникновением яда в организм через биологические мембраны. Проникновение химических веществ зависит от их физико-химических свойств, размеров молекул и ее формы, степени ионизации и растворимости в липидах.
Поступление яда в организм
Токсические вещества попадают в организм человека и животных через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт и кожу.
Всасывание токсических веществ через дыхательную систему является наиболее быстрым путем их поступления в организм, что связано с большой поверхностью легочных альвеол и интенсивным кровотоком по легочным сосудам.
Желудочно-кишечный тракт является одним из распространенных путей поступления в организм чужеродных веществ. Некоторые ядовитые вещества могут всасываться в кровь непосредственно в полости рта с помощью диффузии.
Особенности строения кожи делают возможным быстрое проникновение жирорастворимых соединений. Существуют три пути проникновения веществ через кожу:
1) через эпидермис;
2) через волосяные фолликулы;
3) через выводные протоки сальных желез.
Проникновению токсических веществ в организм способствуют повреждения кожи.
Транспорт и распределение яда между органами и тканями
Независимо от пути поступления токсических веществ в организм, далее они попадают в кровь и лимфу. С током крови вещества переносятся в межклеточную жидкость, а затем в клетки. Распределение ядов по отдельным органам и тканям зависит от их связывания с белками плазмы крови и форменных элементов, от растворимости в липидах и других факторов. Связывание с белками плазмы известно для большого числа органических веществ. Белки плазмы обладают также способностью к образованию комплексов с металлами, т. е. огромную роль в переносе ядов из крови к органам и тканям играют белки.
После того как яд связался с определенным компонентом организма, он локализируется в каком-то определенном участке организма. Эта локализация изменяет начальный характер распределения вещества, влияет на скорость его абсорбции, метаболизма и выведения из организма. Некоторые металлы связываются белками печени, неорганические ионы концентрируются в костях и зубах. Хорошо растворимые в липидах вещества проникают через биомембраны и быстро распределяются в богатых липидами и хорошо снабжаемых кровью органах – головной мозг, костный мозг, жировая ткань. При этом жировая ткань для многих жирорастворимых ядов является основным депо, удерживающим их на высоком уровне длительное время.
Биотрансформация токсических веществ
Процесс превращения чужеродных веществ, поступивших в организм, называется метаболизм или биотрансформация. Тип биотрансформации яда в организме определяет его физико-химическая структура. Превращения веществ могут происходить в разнообразных органах, тканях и крови. Но главным образом биотрансформация происходит в печени с помощью ферментов митохондрий и микросом клетки, а также в лизосомах. Большинство ферментов, способных биотрансформировать чужеродные соединения, имеются в организме человека. Но ряд ферментов, необходимых для метаболизма ядов, образуются, индуцируемые ксенобиотиками, только в процессе биотрансформации. В процессе метаболизма под влиянием ферментов яды подвергаются ряду превращений, в результате которых образуются промежуточные метаболиты, которые, за небольшим исключением, являются менее токсичными, чем исходные яды.
Выведение яда или продуктов его трансформации из организма
Токсические соединения и их метаболиты выделяются через легкие, почки, желудочно-кишечный тракт, кожу. Их выделение из организма происходит обычно в три фазы:
I. В первую очередь обычно удаляются из организма соединения, находящиеся в неизменном воде или слабо связанные с биокомпонентами.
II. Затем выделяются фракции яда, находящиеся в клетках, как правило, в более прочно связанной форме.
III. В последнюю очередь организм покидает яд из постоянных тканевых депо.
1.3 Белковые молекулы и яды
Важнейшую роль из органических веществ, входящих в живую клетку, играют белки, обладая рядом особенностей, несвойственных никаким другим органическим соединениям:
- бесконечное разнообразие структуры и ее высокая видовая специфичность;
- многообразие физических и химических превращений;
- способность к внутримолекулярным взаимодействиям;
- способность отвечать на внешнее воздействие закономерным изменением конфигурации молекулы и восстанавливать исходное состояние по прекращению воздействия;
- склонность к взаимодействию с другими химическими соединениями с образованием надмолекулярных комплексов и структур;
- наличие биокаталитических свойств и качеств.
Белки принимают участие в построении клеток и тканей, осуществляют биологический катализ, регуляторные и сократительные процессы, защиту от внешних воздействий.
Вместе с тем, как отмечалось выше, большое влияние на распределение яда в организме играет его способность связываться с белками. Молекула яда вписывается в химическую структуру белка. При этом происходят изменения формы вещества и рецепторов таким образом, что соответствие между ними становится оптимальным. Это «слияние» клеток и яда сопровождается перестройкой внутримолекулярных (водородных, ионных и д.р.) связей. В результате происходит изменение формы всей молекулы.
В зависимости от прочности комплекса «яд – белок» действие яда может замедляться или же исчезать совсем.
Знание строения и свойств белковых молекул позволит оценить как воздействие чужеродных веществ, так и последствия этого воздействия на живой организм.
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Методика эксперимента
Опыт 1
В пробирку наливаем белок куриного яйца, затем приливаем туда 98% раствор этилового спирта, перемешиваем.
Видим, что произошла денатурация белка, т. е. нарушение его природной, уникальной структуры. Признаком денатурации белка является появление белого хлопьевидного осадка
Из этого опыта следует, что белок под действием спирта разрушается.
Опыт 2
В чашку кладём мясной фарш, туда наливаем этиловый спирт.
Через 2 дня видим, что мясо изменило цвет из-за того, что свернулись белки.
Опыт 3
В две чашки кладём по несколько семян фасоли. Затем в одну чашку приливаем воду, а в другую этиловый спирт.
Через 3 дня видим, что фасоль, которая была в этиловом спирте, не проросла, а фасоль, которая была в воде, проросла.
Следовательно, этиловый спирт не пригоден для развития и жизни организмов.
2.2 Результаты эксперимента
В результате эксперимента пришли к следующим выводам.
1. Контакт белка со спиртом ведет к денатурации, в результате этого выпадает хлопьевидный осадок белка или изменяется цвет мяса вследствие дегидратации белковых молекул при добавлении спирта. При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию.
2. Этиловый спирт не пригоден для развития и жизни организмов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования я проанализировал литературу по исследуемой теме, изучил подходы к классификации ядов, основные стадии взаимодействия яда с биологическим объектом, роль белков в этом взаимодействии и экспериментально проверил влияние некоторых этилового спирта на белки и растительные клетки.
В ходе экспериментов выяснил следующее:
1. Взаимодействие яда с организмом изучается по влиянию вещества на организм (токсикодинамика) и по тому, что происходит в веществом в организме (токсикокинетика).
Контакт белка со спиртом ведет к денатурации, в результате чего молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию.
2. Этиловый спирт не пригоден для развития и жизни организмов
«И видно, как всходит, – и слышно, как дышит
Там каждая травка и каждый лесок,
Там дерево жизни ветвями колышет,
И каплет из трещин живительный сок,
И брызжет, – и тут же другое с ним рядом:
То дерево жизни с убийственным ядом».
Владимир Бенедиктов (1859 г.)
Список использованных источников и литературы
1. Горшков В.Е. (2018) Влияние предельных одноатомных спиртов на белки и растительные клетки / рук. Н.Н. Макалева // VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке». – Режим доступа: https://school-science.ru/6/13/36716.
2. Груздев А.А. (2019) Все тайное становится явным или яды вокруг нас / рук. С.Е. Федькина // Наука и образование ON-LINE: сайт. – Режим доступа: https://eee-science.ru/item-work/2019-840/.
3. Дихин А. (2015) Тайная сила ядов / рук. Е. Н. Сафронова // Библиотека Lib-5.ru. – Режим доступа: http://lib-5.ru/urok2/urok-112888.php.
4. Колесников М. (2021) Анализ качества продуктов, изготовленных в алюминиевой посуде. Перспективы использования алюминиевой посуды в быту / рук. В.А. Колесникова // XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке». – Режим доступа: https://school-science.ru/13/13/49106.
5. Колесников М. (2022) Поваренная соль: кристаллы жизни или белая смерть? / рук. В.А. Колесникова // XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке». – Режим доступа: https://school-science.ru/17/1/52558.
6. Левданская В.А. Основы биохимии и токсикологии. – Минск: БНТУ, 2008.
7. Моисеенко Е. (2013) Экологический проект «Яды вокруг нас» / рук. Н.П. Валюхова // Мультиурок: сайт. – Режим доступа: https://multiurok.ru/files/ekologhichieskii-proiekt-iady-vokrugh-nas.html.
8. Образцова М.Р., Иванов И.Р., Мельниченко Д.В. (2010) Органические яды и противоядия / рук. Д.С. Исаев // Фестиваль исследовательских и творческих работ учащихся «Портфолио ученика». – Режим доступа: https://project.1sept.ru/works/591100.
9. Пачина Л.О. (2022) Влияние ядов на живой организм / рук. Е. В. Василичина // Наука и образование ON-LINE: сайт. – Режим доступа: https://eee-science.ru/item-work/2022-3248/.
10. Саутин М.С., Маяцкая А.М. (2022) Яды вокруг нас / рук. А.В. Мельникова // Академия педагогических проектов Российской Федерации. – Режим доступа: https://педпроект.рф/саутин-максим-яды-вокруг-нас/.
11. Филенко Ф. (2021) Влияние ядов на организм человека / рук. Г.Н. Сасыкова // Алые паруса: проект для одаренных детей. – Режим доступа: https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2021/07/31/issledovatelskiy-proekt-po-himii-na-temu.