VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние предельных одноатомных спиртов на белки и растительные клетки.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Здоровье самое большое личное достояние каждого человека. Человеческий организм обладает большими возможностями для сохранения и поддержания здоровья, но эти возможности не беспредельны. Если вредный фактор действует с раннего возраста и систематически, то состояние организма неизменно начинает ухудшаться, и возникает болезнь. Одним из таких факторов является алкоголь. Алкоголь не щадит ни одного органа.
В школьном курсе химии мы изучаем предельные одноатомные спирты и подробно знакомимся с влиянием метанола и этанола на организм человека. В повседневной жизни встречаемся и с другими представителями гомологического ряда алканолов, но не знаем о них ничего. Мы знаем, что метанол и этанол ядовиты и пагубно действуют на живые организмы. А какое влияние оказывают другие спирты? Насколько они опасны для нас? Где мы можем встретиться с ними? На эти и другие вопросы я попытался ответить, выполняя данную работу. Актуальность моего исследования обусловлена тем, что, не смотря на профилактическую работу, число сторонников употребления спиртных напитков очень велико. Самым тревожным является то, что употребление алкоголя, начинается в подростковом возрасте и зачастую приводит к плачевным исходам. Народная мудрость гласит: «Предупрежден, значит, вооружен!», поэтому очень важно собрать и получить доказательства того, насколько опасно для человека употребление алкоголя. Довольно часто не только дети, но и взрослые люди употребляют непищевые продукты, прочитав на этикетке слово «спирт». Но спирт спирту рознь. Многие спирты являются участниками важных биохимических процессов, происходящих в живом организме. Так, некоторые витамины относятся к классу спиртов, например, витамин А (ретинол), витамин D (эргокальциферол и др.). Стероидные гормоны, среди которых имеются и спирты (эстрадиол, кортизол и др.), участвуют в регуляции обмена веществ и некоторых физиологических функциях организма.
Одноатомные предельные спирты, широко используемые в промышленности и в быту, вводят организм в наркозоподобное или гипнотическое состояние, а также оказывают токсическое действие.
При употреблении
100г пива погибает 3000 клеток мозга,
100г вина – 500,
100г водки – 7500.
Мы полагаем, что их гибель связана с особенностями строения и свойствами спиртов.
Из органических веществ, входящих в живую клетку, важнейшую роль играют белки. На их долю приходится около 50% массы клетки. Так, мышцы содержат до 80% белка, селезенка, кровь, легкие – 72%, кожа – 63%, печень – 57%, мозг – 15%, жировая ткань, костная и ткань зубов – 14–28%. Благодаря белкам организм приобрел возможность двигаться, размножаться, расти, усваивать пищу, реагировать на внешние воздействия и т. д.
«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», – писал Энгельс в своих трудах. Вот почему объектом нашего исследования явились спирты и белковые вещества. Новизна работы заключается в доказательстве взаимосвязи строения спиртов с механизмом их действия на клетку и ее белковый компонент.
Цель работы: исследовать влияние некоторых предельных одноатомных спиртов на белки и растительные клетки.
Задачи:
собрать и проанализировать информацию о действии спиртов на живые организмы;
убедиться, что разные спирты не одинаково влияют на белковые вещества и на клетку, являющуюся структурной единицей всего живого;
доказать экспериментально, действие спиртов на важнейшие органические вещества и живые организмы.
Объекты исследования: предельные одноатомные спирты.
Предмет исследования: влияние спиртов на растительные клетки.
Методы исследования:
анализ литературы и Интернет-ресурсов по теме исследования,
химический и биологический эксперименты по действию спиртов на живые организмы и белковые вещества,
микроскопирование,
наблюдение.
Все живые существа — растения и животные — состоят из клеток. Хотя в них и нет отдельных органов дыхания, питания и размножения, но в них происходят все основные явления жизни: они дышат, питаются и размножаются. Необходимый им воздух и питательный материал клетки захватывают массой своего тельца, а размножаются — путем деления. Клетки имеют в организме разную форму и вид, так как в силу разделения труда они исполняют разную работу. Одни из них, например, служат делу пищеварения (клетки кишечника), другие выполняют движения (мышечные клетки), третьи служат для размножения (половые клетки) и т. д. Клетки объединяются в ткани и органы. Наукой давно доказано и опытом жизни подтверждается, что спирт или алкоголь есть яд, разрушительно действующий на всякую клетку. От действия алкоголя жизнедеятельность растительных и животных клеток замедляется и ослабляется, а от более сильных доз может наступить полное прекращение жизнедеятельности клеток, т. е. их смерть.
Отчего это происходит?
При действии на вещества, содержащие воду, этанол жадно отнимает ее из этих веществ и жадно ее удерживает. Так, если в спирт опустить кусочек мяса, то последний сморщивается и делается плотным, потому что в нем остается меньше воды. На этом свойстве спирта отнимать воду из тканей и основывается его ядовитое действие на живую клетку. Нормальная работа всякой клетки совершается только тогда, когда в ней находится в числе других составных частей достаточное количество воды. Алкоголь извлекает воду из клетки, отчего она сморщивается и не может, поэтому правильно продолжать свою жизнедеятельность, ослабевает и может умереть. Спирт, кроме того, отнимает у клетки и кислород, что ускоряет ее гибель.
Я в своих исследованиях использовал следующие спирты: пропанол, бутанол, изобутанол, изоамиловый спирт.
Пропиловый спирт (пропан-1-ол, 1-пропанол) C3H7OH — одноатомный спирт. Встречается в природе в небольших количествах как продукт ферментации. Так, он является компонентом сивушного масла.
Применение
1-Пропанол применяют в качестве растворителя для восков, полиамидных чернил, природных и синтетических смол, полиакрилонитрила; в производстве полиэтилена низкого давления; для получения карбометоксицеллюлозы; как обезжириватель металлов; сорастворитель поливинилхлоридных адгезивов; желатинирующий и пластифицирующий агент целлюлозноацетатных плёнок; алкилирующий агент. Его используют также для синтеза пропионовой кислоты, пропионового альдегида, пропилацетата, пропиламина, ПАВ, пестицидов, некоторых фармацевтических препаратов
Токсикология
Употребление пропилового спирта, также как и этилового спирта, вызывает алкогольное опьянение. В организме человека пропиловый спирт окисляется до пропионовой кислоты, более едкой, чем уксусная кислота, в связи с чем токсичность пропилового спирта значительно выше, чем у этилового (ЛД50 для пропилового спирта = 1870 мг/кг, для этилового спирта 7060 мг/кг). В то же время по сравнению с метиловым спиртом, ЛД50 которого составляет 1500 мг/кг, пропиловый спирт относительно безопасен.
На 2011 год был зафиксирован один смертельный случай отравления пропиловым спиртом[7].
Бутанол-1 (н-бутанол, н-бутиловый спирт) C4H9OH — представитель одноатомных спиртов.
Физические свойства
Бесцветная вязковатая жидкость с характерным запахом сивушного масла. Смешивается с органическими растворителями. В отличие от метанола, этанола и пропанола только умеренно растворяется в воде — 7,6 г на 100 г воды. С ней образует азеотроп содержащий 42,5 % по массе бутанола и кипящий при 97,7 °C.
Применение
Бутанол применяют:
как растворитель в лакокрасочной промышленности, в производстве смол и пластификаторов
модификаторы мочевино- и меламино-формальдегидных смол
для получения пластификаторов: дибутилфталата, трибутилфосфата
для получения бутилацетата и бутилакрилата и эфиров с гликолями
в синтезе многих органических соединений.
Применение в качестве автомобильного топлива
Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.
В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.
Безопасность
Токсичность бутанола относительно невелика (LD50 составляет 2290-4360 мг/кг), но наивысшая среди младших спиртов. При употреблении внутрь возникает эффект, сходный с эффектом от употребления этанола. Бутанол содержится в небольших количествах в различных алкогольных напитках. Иногда бутанол, полученный из технических жидкостей, используется в качестве суррогатного алкогольного напитка.
Концентрация в 0,01 % в воздухе никак не влияет на организм, в то время как 0,02 % вызывает воспаление роговой оболочки глаза.
КПВ 1,7-12 %.
2-Метилпропанол-1 (изобутиловый спирт, изобутанол) — спирт с формулой (CH3)2CHCH2OH, бесцветная, горючая жидкость с характерным запахом. В основном используется в качестве растворителя. Изомерен другим бутиловым спиртам: бутанолу-1, бутанолу-2, 2-метилпропанолу-2.
Применение
Изобутиловый спирт применяется в различных областях и, благодаря низкой стоимости, может служить заменой бутанолу-1. Он используется в качестве растворителя, добавки к нитроцеллюлозе и резинам, осушителя, компонента чернил для печати[4].
Безопасность
Самая низкая опубликованная летальная доза для изобутилового спирта составляет 2460 мг/кг (крысы, перорально) и 3400 мг/кг (кролики, через кожу), что свидетельствует о низкой токсичности при локальном воздействии. Летальная концентрация составляет 1330 мг/л (рыбы, 96 ч). Наркотическая доза для мышей равна 6400 м. д. в течение 136 ч. Изобутиловый спирт вызывает раздражение слизистой глаз и кожных покровов у кроликов. Исследования показали, что изобутиловый спирт может иметь канцерогенное действие.
Наибольшее значение имеет изоамиловый спирт (CH3)2CHCH2CH2OH — основной компонент сивушного масла, из которого его и получают. Изоамиловый спирт — бесцветная неприятно пахнущая жидкость, tкип 132,1 °C, плотность 814 кг/м3, в воде мало растворима, ядовита; её пары раздражают слизистые оболочки дыхательных путей и вызывают удушье и кашель, поражает нервную систему. Изоамиловый спирт в 10-12 раз токсичнее этанола. ЛД50 0,12 – 1,04 мл/кг.
Применение
Амиловые спирты используются в качестве растворителей для различных масел, жиров, смол и восков. Они применяются также как экстрагенты солей урана и ниобия.
Сложные эфиры амиловых спиртов являются растворителями, пластификаторами поливинилхлорида и ацетилцеллюлозы, в парфюмерии — душистыми веществами, в кулинарии — как фруктовые эссенции.
Разработка производства спирта заключается в нагревании сырья с целью удаления легких фракций (поначалу отгоняется азеотропная смесь этанол—вода, потом при повышении температуры отгоняется азеотроп бутанол—вода). Предстоящее нагревание в выпарном аппарате позволяет выделить изоамиловый спирт, а оставшийся тяжкий остаток направляется в отходы. Конфигурацией характеристик технологического процесса (температура и другие) регулируют свойства готового продукта. В итоге выходит изопентанол с массовой толикой 3-метилбутанола-1 до 99,0 % (по ГОСТ 5830-79) либо до 80 % (по ТУ 2421-004-20992222-98).
В ходе анализа литературы я установил, что все, исследуемые мною спирты, входят в состав сивушных масел.
Что же представляют собой сивушные масла?
Сиву́шное ма́сло — побочный продукт спиртового брожения, содержится как примесь в неректифицированном этаноле (спирте-сырце), получаемом брожением, и выделяется из него в процессе ректификации.
Сивушное масло также присутствует в пиве (0,01-0,05%).
В быту, а зачастую и в литературе, используется выражение «сивушные масла». Употребление множественного числа в данном случае бессмысленно, так как предполагает наличие набора неких сивушных масел. На самом деле сивушное масло представляет собой смесь высших (С3–С10) одноатомных алифатических спиртов, эфиров и других соединений (всего около 40 компонентов, 27 из которых идентифицировано), получаемых при ректификации спирта-сырца. Часть из них неизбежно остается в ректификате. Вкус и аромат всех вин и мировых дистиллятов, включая коньяк и виски, во многом определяется присутствием в них сивушного масла.
Физические свойства
Сивушное масло представляет собой маслянистую жидкость с резким неприятным запахом, от светло-жёлтого до красно-бурого цвета и с плотностью 830-840 г/л при 20°C. Состав и свойства варьируют в зависимости от сырья и режимов брожения и отбора фракций при ректификации, выход при ректификации спирта-сырца — 0,3-0,7%.
Химические свойства
Главная составляющая часть — одноатомные насыщенные спирты C3-C9, из которых главным компонентом является изоамиловый спирт, в состав также входят изобутиловый спирт и изопропиловый спирт и в незначительных количествах высшие спирты, а также алифатические альдегиды, жирные кислоты и фурфурол.
Насыщенные спирты и альдегиды являются продуктами метаболизации дрожжами аминокислот, которые подвергаются окислительному дезаминированию с образованием α-кетокислот, которые далее декарбоксилируются до альдегидов, которые, в свою очередь, восстанавливаются до спиртов:
Таким образом из лейцина и изолейцина образуются изомерные амиловые спирты, а из валина — изобутанол.
Практическая часть
Опыт 1.
Действие спиртов на белок куриного яйца.
В 4 пробирки поместили одинаковые объемы белка. В каждую из них добавили по 0,5 мл спиртов: этанола, бутанола-1, 2-метилпропанола-1, 3-метилбутанола-1. Признаком денатурации белка является появление белого хлопьевидного осадка (в сравнение с контролем). Сравниваем скорости денатурации белков в пробирках..
Наблюдали частичную денатурацию белка в пробирке с этанолом и полную денатурацию в пробирках с другими спиртами. Приложение 1.
Опыт 2.
Действие спиртов на белок молока.
В 4 пробирки налили одинаковые объемы молока. В каждую пробирку добавили по 0,5 мл спиртов: этанола, бутанола-1, 2-метилпропанола-1, 3-метилбутанола-1. Наблюдали частичную денатурацию белка в пробирках с этанолом и бутанолом-1. В пробирках с , 2-метилпропанолом-1 и 3-метилбутанолом-1 денатурация была полная. Приложение 2.
После удаления не свернувшейся части молока, в пробирках увидели осадки. По их количеству сделали вывод: этанол и бутанол-1 хотя и вызывают денатурацию белка, но не такую глубокую, как изобутиловый и изоамиловый спирты. Самыми токсичными из исследуемых спиртов являются изобутиловый и изоамиловый. Приложение2.
Выводы
Начиная с этанола, с увеличением углеродной цепи, увеличивается токсический эффект спирта.
Вторичные и разветвленные спирты наиболее физиологически активны. Но, тем не менее, самым токсичным является метанол (это связано с особенностями его трансформации)
Опыт 3.
Действие спиртов на растительные клетки
На клетки кожицы лука подействовали исследуемыми спиртами. Через определенные интервалы времени фиксировали под микроскопом изменения, происходящие с клетками. (табл. 1)
Действие спиртов на растительные клетки. (табл. 1, Приложение 3)
|
Название спирта |
Время воздействия от 0 до15 мин |
Время воздействия от 15 до 21 мин |
Время воздействия от 21 до 27 мин |
|
Этанол |
Начало плазмолиза |
Отхождение цитоплазмы в углах клетки |
Цитоплазма в центре клетки |
|
Бутанол-1 |
Изменения в надмембранном комплексе |
Увеличение межклеточных пространств |
Изменение внутренней структуры |
|
2-Метилпропанол-1 |
Изменения в надмембранном комплексе |
Изменение внутренней структуры клетки |
|
|
3-Метилбутанол-1 (изоамиловый спирт) |
Увеличение межклеточных пространств; Отмирание клетки |
Вывод: Исходя из данных таблицы, мы видим, что самое сильное влияние на клетку оказывает изоамиловый спирт. Его разрушительное действие проявляется уже в течение 15 минут. На второе место по вредности можно поставить 2-метилпропанол-1. Этанол оказывает наименьшее разрушительное действие, по сравнению с другими спиртами. Он вызывает только плазмолиз- отделение пристеночного слоя цитоплазмы от твердой оболочки растительной клетки вследствие утраты ею воды.
Общие выводы
В ходе исследовательской работы изучен процесс денатурации белка под действием разных спиртов. Установлено, что все спирты , способны денатурировать белок. Наиболее сильно денатурация происходит под действием вторичных спиртов и спиртов, имеющих разветвленное строение.
Механизм разрушительного действия спиртов на клетку зависит от их строения и свойств
Согласно современной, трехмерной, жидкостно-мозаичной модели строения клеточных мембран, они состоят из 2 слоев липидов (жиров), в которые встроены белки. Белки обычно являются рецепторами и элементами транспортных каналов. Между белками и жирами существует связь, притяжение, они определенным образом расположены и составляют единое целое.
Негативное влияние метанола и этанола на клетки происходит из-за беспрепятственного преодоления спиртовыми молекулами клеточных мембран. Этому способствуют их малые размеры, слабая поляризация, хорошая растворимость в жирах, а также образование водородных связей с молекулами воды Мембрана клетки при этом теряет свою структурную организацию и жесткость, становится менее вязкой и более текучей. В результате этого все функции мембран - барьерная, транспортная, регулятррная и ферментная нарушаются, и, вследствие этого, возникают многочисленные структурные и функциональные расстройства во всех органах, потому что все органы имеют клеточное строение. Отравляющее действие других спиртов на организм объясняется в первую очередь тем, что они, взаимодействуя с липидами мембраны, изменяют ее структуру, а значит, и функции. Они вызывают денатурацию белков, входящих в состав, как мембран, так и надмембранного комплекса. Эти изменения носят необратимый характер. В числе этих белков и жизненно важные ферменты, гормоны и др.
Результаты опытов наглядно доказывают пагубное влияние алкоголей на белковую структуру молекул и клетку в целом. Потеря белками своих функциональных свойств и обезвоживание клеток наносит непоправимый урон организму человека, употребляющему алкоголь.
Заключение
Исследовав влияние некоторых предельных одноатомных спиртов на белки и растительные клетки, нам удалось выяснить, что любой спирт так или иначе, даже не смотря на то, что человеческий организм способен перерабатывать относительно в больших дозах этиловый спирт и в очень малых дозах другие спирты, действует он на организм отрицательно. Конечно, чрезмерное употребление любого вещества для человека может стать ядом, а в меру, наоборот, принести пользу «Кто знает меру, тот знает все», но человеческий организм таков, что все необходимые человеку спирты вырабатываются собственным организмом, поэтому от употребления алкогольных напитков никакой пользы нет. Напротив, употребление алкоголя вызывает привыкание, что вынуждает людей «гнать» или покупать собственный самогон, употреблять духи, одеколоны, где содержится технический спирт и т.д. Все это может привести не только к отмиранию клеток внутри организма, разрушению белков, но и к ожогам внутренних тканей, отказу печени, почек, к слепоте и даже к смерти.
Особенно хочется обратить внимание молодежи, употребляющей пиво и не подозревающей, какой вред оно наносит растущему организму. Именно в нем содержится наибольшее количество сивушных масел, в состав которых входят изученные нами спирты. По производству этого вида алкоголя Новосибирск занимает пятое место в России. Много производят, значит, много потребляют и нам есть над чем задуматься, пока не поздно.
Литература и Интернет-ресурсы
Азимов А. Мир углерода М., «Химия» 1978 г.
Вайсбергер А. «Органические растворители: Физические свойства и способы очистки»
Габриелян О. С и др. «Химия 10 класс» М., Дрофа 2002.
Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия
Химическая энциклопедия. М., 1988
https://allyslide.com/en/presentation/stroenie-kletki-1-sostav-kletki-poverxnostnyj
http://himmax.ru/index.php/produktsiya/30-reaktivy/1712-izobutilovyj-spirt
https://en.wikisource.org/wiki/1911_Encyclop%C3%A6dia_Britannica/Fusel_Oil
https://med.wikireading.ru/16669
Приложения
Приложение 1.
Действие спиртов на белок куриного яйца.
Приложение 2.
Действие спиртов на белок молока
Приложение 3.
Действие спиртов на растительные клетки.
Изменение клетки под действием этанола
И сходное состояние клеток. Время воздействия спиртом от 0 до 15 минут.
Время воздействия спиртом Время воздействия от 21 до 27 минуты. от 15 до 21 минуты.
Изменение клетки под действием 2-метилпропанола-1
Исходное состояние клеток. Время воздействия от 0 до 15 минут.
Время воздействия от 15 до Время воздействия от 21 до 27 минуты.
21 минуты
Изменение клетки под действием 3-метилбутанола-1.
Исходное состояние клеток. Время воздействия от 0 до 15 минут.
Время воздействия от 15 Время воздействия от 21 до 27 минуты.
до 21 минуты.
Изменение клетки под действием бутанола-1
Исходное состояние клеток. Время воздействия от 0 до 15 минут.
Время воздействия от 15 до 21 минуты. Время воздействия от 21 до 27 минут.