Научно-исследовательская работа в номинации «Персональная медицина»

Научно-исследовательская работа в номинации “Персональная медицина”:

Изучение зависимости ферментативной активности семейной родословной от воздействия различных факторов на примере реакции разложения крахмала

под действием амилазы слюны

Работу выполнил ученик 8 класса

МБОУ Гимназия города Ливны

Сергеев Сергей

Руководитель проекта

Кобась Ольга Ивановна

учитель химии

высшей квалификационной категории

Введение

В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В последней четверти ХХ в. глобальные экологические проблемы сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества.

Загрязнение и деградация окружающей среды непосредственно сказывается на здоровье человека. Экологические факторы вносят существенный вклад в демографическую катастрофу. Так, только от загрязнения воздуха взвешенными частицами ежегодная дополнительная смертность составляет 30 тыс. человек, потери здоровья людей в связи с потреблением некачественной питьевой воды в целом по России оцениваются более чем в 30 млрд. руб. в год.

Особенно важно решение вопроса элементарной «химической» подготовленности людей, ведь с веществами, способными принести определенный вред человеку, сегодня контактирует практически каждый из нас. В повседневной жизни человек использует лекарства, косметические и парфюмерные средства, красители, различные виды топлива, пластики, удобрения и т. д. Однако немногие из потребителей имеют представление об опасностях, связанных с их использованием.

Взаимодействие живого организма со средой можно изучать через один из важнейших компонентов – фермент. Система фермент – фактор среды достаточно информативна. С одной стороны, фермент имеет белковую природу, с другой – они проявляют каталитические свойства, т. е. определяют скорость биохимических реакций. Если протекание реакции поддается визуализации, то фермент становится удобным индикатором для изучения взаимодействий различных факторов среды на белковые структуры организма.

В ответ на воздействие химических факторов включаются различные механизмы, например, происходит инактивация ферментов. Снижение ферментативной активности представляет собой неотъемлемую часть в комплексе ответных реакций организмов на воздействие химических загрязнителей различной природы. Оно обусловлено в определенной степени непосредственным взаимодействием ферментов с химическим соединением. Эти сведения позволяют рассматривать систему фермент – химический фактор как модель учебного экологического эксперимента, а изменение активности фермента интерпретировать как проявление возможной (во многих случаях наиболее вероятной) реакции организма на появление химического фактора.

Исходя из данной концепции, автор данного проекта выдвигает гипотезу о непосредственной связи между загрязнением окружающей среды(экологической обстановкой местности проживания) и здоровьем отдельного индивидуума.

Цель: 

Исследование течения наследственных заболеваний родословной на примере ферментативной реакции разложения крахмала под действием амилазы слюны

Для реализации поставленной цели я выделил для себя следующие Задачи:

1) собрать генеалогическую информацию о наличии среди родственников патологии здоровья.

2) изучить литературу по данному вопросу

3) провести исследование, направленное на изучение влияния антропогенных факторов на фермент амилазу

Объект

Реакция разложения крахмала под воздействием фермента

Предмет

Амилаза слюны

В ходе работы над проектом предполагается применить следующие методы: сбор информации, ее статистическая обработка и интерпретация, работа с литературными источниками, исследование на базе кабинета химии Гимназии.

Считаю проблему, затронутую в рамках данного проекта весьма актуальной, так как ничего дороже здоровья быть не может. Каждый человек должен знать свои корни, и как будущий врач считаю, что о вероятных наследственных патологиях человек должен быть предупрежден заранее.

Основная часть

1. Генеалогическая характеристика патологии

По мере улучшения качества медицинской помощи наследственные заболевания приобретают все больший удельный вес в общей патологии человека. Диагностика наследственной патологии - сложный и трудоемкий процесс. Постановка диагноза происходит в два этапа: общее клиническое обследование больного и при подозрении на наследственную болезнь проведение специализированного дифференциально-диагностического обследования. Для того чтобы предотвратить множество проблем, связанных со здоровьем, необходимо знать свои корни, составляя генеалогическое древо. Знание о предрасположенности к серьезным заболеваниям сможет сберечь от множества проблем.

Одной из задач своей работы я вижу в сборе генеалогической информации о наличии среди родственников патологии здоровья. Для построения родословной, прежде всего, необходимо собрать максимально подробную семейную информацию относительно интересующего вопроса. Сбор информации проводился разными методами: методом опроса, на основе личного обследования членов семьи. Эффективность генеалогического анализа зависит от достоверности, правдивости и полноты полученной информации. При составлении родословной исходным является человек – пробанд, родословную которого изучают. В данном случае пробандом является автор данной исследовательской работы. При сборе информации о родственниках пробанда следует акцентировать внимание не только на характере имеющихся у них патологии (врожденной, наследственной, ненаследственной), но и на таких сведениях, как проживание на географически изолированной или экологически неблагополучной территории, наличие и характер профессиональных вредностей, возраст и причина наступления смерти, особенно при редких обстоятельствах. При анализе родословной, в первую очередь, необходимо установление наследственного характера признака. Если в родословной встречается один и тот же патологический признак несколько раз (на протяжении нескольких поколений), то, вероятно, он имеет наследственную природу.

При составлении генеалогического древа я рассматривал подробно лишь его составляющую по материнской линии, так как информацию о папиной родне было получить достаточно трудно: они живут далеко, необходимо больше времени. Но этим я займусь в ближайшее время.

Работая над родословной моей семьи, я выяснил, что моя мама -Сергеева Н.И., моя бабушка – Чернышкова Л.А., прабабушка – Архипкина Т.Е. подвержены заболеваниям пищеварительной системы.

Проведя анализ своей родословной, я пришел к выводу, что более 50% родственников умирали от различного рода заболеваний желудочно-кишечного тракта. У меня возник вопрос: «Что же является причиной столь серьезных болезней?» В данном случае это может быть:

Нарушение режима и ритма питания, а также некачественное и неполноценное питание. Но данная гипотеза не подтверждается.

Основная причина – это снижение уровня фермента амилазы. Амилаза – пищеварительный фермент, который вырабатывается преимущественно в поджелудочной железе, в небольшом количестве в слюнных железах и многих других органах, и вызывает расщепление крахмала до олигосахаридов. Для здоровья фермент амилаза имеет важное значение. Он участвует в пищеварительных процессах.

1.2. Амилаза слюны как индикатор реакции организма на воздействие химических факторов

Амилаза слюны катализирует гидролитическое расщепление крахмала. Этот фермент относится к типу α-амилаз, каталитическое действие которых направлено на внутренние гликозидные связи. Разрушение молекул крахмала происходит с образованием сначала крупных осколков-декстринов, затем по пути дальнейшего их дробления с образованием конечного продукта – дисахарида мальтозы. Таким образом, уменьшение количества крахмала является признаком протекания ферментативной реакции. В свою очередь, его можно легко определить с помощью качественной реакции на крахмал, проводимой с использованием иода.

Комплекс амилазы с иодом имеет синий цвет, что используется в аналитических целях для открытия крахмала. Декстрины, значительно отличающиеся по молекулярной массе от исходных компонентов крахмала, дают красно-бурое окрашивание с иодом. Низкомолекулярные продукты гидролиза крахмала, в том числе мальтоза, окрашивания не дают.

Характер окрашивания реакционной смеси (крахмал + амилаза + химический фактор) после добавления иода позволяет сделать вывод об активности фермента в присутствии изучаемого фактора. Если окраска отсутствует, то крахмал гидролизован, амилаза активна; красно-бурая окраска – произошло частичное расщепление крахмала, активность амилазы снижена; синяя окраска – крахмал не подвергается гидролизу, амилаза не активна.

2.Подготовка к эксперименту по изучению системы фермент-фактор

Изучив литературу по данной тематике (2,3) автор пришел к выводу, что для проведения данного эксперимента не требуется дорогое оборудование. Все реактивы используются в быту. Опыты с солями тяжелых металлов проводились на базе кабинета химии МБОУ Гимназия.

Раствор крахмала. Половину чайной ложки пищевого крахмала взбалтывают в небольшом количестве холодной воды и добавляют его к 200 мл воды, доведенной до кипения, хорошо размешивают и охлаждают.

Раствор йода. Аптечный 5%-ный спиртовой раствор йода (йодная настойка) разбавляют водой в 20 раз (во всех опытах при отсутствии дистиллированной воды можно использовать водопроводную кипяченую воду), он приобретает цвет некрепкого чая.

С полученным раствором необходимо провести качественную реакцию : разводят полученный раствор крахмала с водой в соотношении 1:2 (это разведение реакционной смеси, в которой он будет использован), добавляют две капли раствора йода. Если интенсивность окраски слишком велика и полученный раствор непрозрачен, необходимо дополнительно разбавить исходный раствор крахмала. Такая проверка нужна для того, чтобы концентрация крахмала в реакционной смеси с ферментом не была слишком высока. В том случае эффект воздействия фактора на фермент будет проявляться за короткое время (20 минут).

Раствор амилазы.  Необходимо ополоснуть рот 2-3 раза водой для удаления остатков пищи, набрать в него 10 мл воды, подержать полминуты и собрать полученный раствор в пробирку, доведя до объема 10 мл. Аккуратно перемешать раствор фермента, не вспенивая (вспенивание может привести к инактивации фермента), чуть наклонив пробирку и поворачивая вокруг её оси.

Изучение воздействия химического фактора на активность амилазы в большинстве опытов проводится по схеме: берут две пробирки, наносят на них на равном расстоянии три метки. В пробирку 1 (контрольную) последовательно наливают до первой метки раствор амилазы, до второй – воду, до третьей раствор крахмала. В пробирку 2 (опытную) наливают до первой метки раствор амилазы, до второй – раствор химического соединения (фактора), воздействие которого изучается, до третьей раствор крахмала. Содержимое пробирок аккуратно перемешивают. Пробирки оставляют в штативе на 20 минут при комнатной температуре. По истечении времени в обе пробирки добавляют по две капли раствора йода, растворы перемешивают, наблюдают развитие окрашивания. (Эту последовательность операций обозначим схемой А и будем применять это обозначение, не повторяя описание.)

3. Практическая часть

Опыт №1 Действие амилазы слюны на крахмал.

Отобрал пробы слюны как описано выше у следующих членов своей семьи

1 проба – прабабушка - Архипкина Т.Е. (84 года)

2 проба – бабушка - Чернышкова Л.А(65 лет)

3 проба – мама - Сергеева Н.И.(41 год)

4 проба – я (автор проекта) - Сергеев Сергей (15 лет)

В пробирке смешивал 5 мл раствора крахмала и 1 мл раствора фермента. Через каждые 30сек после перемешивания отбирал каплю полученного раствора и проверял ее на содержание крахмала, перемешивая с каплей йода на предметном стекле.

Результаты представлены в таблице №1

Вывод: Интерпретировать данные результаты мы можем следующим образом: в норме можно считать результаты исследователя. Почему время расщепления крахмала у мамы больше, чем у исследователя (а следовательно, содержание амилазы меньше)? Объяснить мы это можем гендерным признаком: процессы расщепления пищи у мужчин происходят быстрее из-за больших энергозатрат. Из-за прогрессирования болезни ПТ у бабушки и прабабушки, скорость реакции ферментативного расщепления крахмала больше, потому что активная амилаза компенсирует процессы, протекающие в желудке. На ум приходит слоган: «желудок не может, слюна поможет».

Опыт №2. Изучение влияния концентрации ионов водорода на активность амилазы

Организм человека способен поддерживать постоянство внутренней среды самостоятельно. рН-оптимум ферментов отражает реакцию белков на внутренние изменения концентрации Н+ в органах и тканях, происходящие при различных нарушениях обмена веществ и другими причинами.

Реактивы и оборудование: растворы амилазы, крахмала и йода, 0,001 М растворы хлороводорода и гидроксида натрия; три пробирки.

В контрольную и две опытные пробирки наливают растворы по схеме А. В первую опытную пробирку наливают раствор кислоты (химический фактор), а в другую раствор щелочи. Через 20 мин раствор во второй пробирке нейтрализуют, перенося в него стеклянной палочкой небольшие порции концентрированной кислоты, чтобы исключить взаимодействие йода с щелочью. Затем добавляют йод в соответствии со схемой А.

В контрольной пробирке активность амилазы максимальна, раствор бесцветный; во второй – активность фермента не проявляется; в третьей – раствор бесцветный, это говорит о том, что в слабощелочной среде амилаза способна еще действовать (во рту слабощелочная среда).

Опыт № 3. Изучение воздействия ионов металлов на активность амилазы

Токсическое действие ионов металлов на живые организмы связано с протеканием следующих процессов: вытеснением токсичным ионом необходимого металла из биокомплекса; связыванием с макромолекулами и нарушением их биологической функции.

Реактивы и оборудование: 0,5-1% - ные растворы солей, содержащие катионы металлов р - и d-элементов (мы использовали соли меди (CuSO4), железа (FeSO4), алюминия Al(NO3)3), растворы крахмала, йода, амилазы; две пробирки.

Опыт проводили по схеме А.

Результаты опыта, полученные после добавления в каждую пробирку иода, показывают, что в присутствии иона металла активность амилазы отсутствует (раствор синий), что является подтверждением токсического действия ионов металлов на организм.

Опыт № 4. Белки как противоядие для ионов тяжелых металлов

Реактивы и оборудование: 0,5-1% - ный раствор Pb(NO3)2 , молоко, растворы крахмала, йода, амилазы; две пробирки.

Растворы наливают в равных объемах в следующей последовательности: в контрольную пробирку – раствор амилазы, воду, раствор Pb(NO3)2 и крахмала; в опытную пробирку – раствор амилазы, молоко, раствор Pb(NO3)2 и крахмала. Содержимое пробирок перемешали, через 20 минут добавили в обе пробирки по две капли раствора йода. В обеих пробирках находились ионы свинца, инактивирующие амилазу, однако в присутствии молока активность амилазы сохранилась, о чем свидетельствует отсутствие синего окрашивания раствора при добавлении йода.

Опыт 4. Изучение воздействия формальдегида на активность амилазы

Реактивы и оборудование: 37%-ный раствор формальдегида или формалин, который необходимо разбавить до 1-5%-ной концентрации, растворы крахмала, йода, амилазы; две пробирки.

Опыт проводят по схеме А, используя в качестве химического фактора раствор формальдегида.

Синее окрашивание раствора в пробирке с формальдегидом свидетельствует об инактивации амилазы.

Опыт №5. Изучение воздействия ПАВ на активность амилазы

ПАВ знакомы нам в основном как компоненты стиральных порошков и моющих средств, но сфера их применения значительно ширe. Без них не обходятся нефтедобыча и транспортировка нефти, они используются как ингибиторы коррозии, в легкой промышленности – для отмывки волокoн, в пищевой отрасли – для мытья производственных аппаратов и т. д. Накопление этих соединений в природных системах создает определенный отрицательный эффект. Установлено, что ПВА вызывают эмульгирование жиров и нефтепродуктов в природных водах. Попадая в желудочно-кишечный тракт с водой, ПАВ способствуют всасыванию оргaнических токсикантов в кровь.

Опыт проводят по схеме А с использованием раствора ПАВ (стиральный порошок) в качестве химического фактора.

Наблюдаемое в опытной пробирке синее окрашивание реакционной смеси и соответственно инактивация фермента объясняется тем, что молекулы ПАВ взаимодействуют с молекулами белков и вызывают нарушение их пространственной структуры.

Выводы

На благополучие человеческого здоровья влияет экологическое состояние окружающей среды. Изменение предельно допустимой концентрации веществ непосредственно сказывается на состоянии физического, психического благополучия человека. Многие вещества могут проникать в организм человека, нарушать обмен веществ, оказывая влияние на функционирование веществ белковой природы.

Влияние экологических факторов на организм человека можно изучать через ферменты, в частности амилазу – фермента слюнной железы, ответственного за расщепление крахмала. В присутствии некоторых веществ фермент инактивируется, что нарушает процесс расщепления углеводов в организме человека. Гипотеза, выдвинутая автором проекта полностью подтвердилась.

Таблица № 2 Влияние химических факторов на активность фермента амилазы.

Опыт с ионом Cu2+ объясняет смысл использования медного купороса в сельском хозяйстве, на садовом участке при опрыскивании растений, а также в качестве антисептического средства в медицине. Инактивация ферментов, вызываемая им, приводит к гибели микроорганизмов, многих возбудителей заболеваний растений, но по той же причине медный купорос токсичен для человека, поэтому необходимо соблюдать осторожность при работе с ними.

Опыт с солью алюминия объясняет, почему не рекомендуется держать кислые пищевые продукты в алюминиевой посуде и в чем заключается опасность мобилизации ионов алюминия в почвах под действием кислотных дождей.

Все железосодержащие биомолекулы организма являются комплексными соединениями с белковыми лигандами, а свободные ионы железа так же токсичны, как и многие другие ионы металлов. Это доказывает опыт с солями железа. Становится понятно, почему опасно пить «ржавую воду».

Заключение.

Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученого-естествоиспытателя, впервые создавшего теорию развития живой природы, Жана Батиста Ламарка: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожать свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».

Для успешного решения планетарных экологических кризисов и дальнейшего развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих кризисных проблем всеми, в том числе подрастающим поколением, чтобы направить свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние дома, в котором мы все живем.

Экспериментальный подход в изучении триады «организм – среда – взаимоотношение организма со средой», представленной как «фермент – химическое соединение – химическое взаимодействие»,развивает интерес и ко всей системе этих понятий в целом, и к каждому из них в отдельности. При выполнении эксперимента, идет не только знакомство с экологической проблемой, но и понимание важности приложения знаний о химических свойствах соединений к объяснению их воздействия на биологические структуры. Происходит осознание, что без понимания сути экологической проблемы невозможно ее решение

Результаты эксперимента подводят к выводу о необходимости изменения принципов взаимодействия общества и природы, а также введения системы норм и ограничений во все направления человеческой деятельности (в том числе и использования химических веществ). Это будет способствовать обеспечению нормальных условий для существования и развития природы. Данный проект запущен для дальнейшего изучения и сбора материала на сайте ГлобалЛаб. Мне будет интересно ознакомиться с результатами других пробандов, а география сайта ГлобалЛаб этому способствует.

Литература

1. Ольгина О. М. Опыты без взрывов М.: Химия, !986.

2. Северюхина Т. В. Старые опыты с новым содержанием./ / Химия в школе. -1999 - №2,3

3. Кровельщикова Т. Н. Из опыта реализации экологического подхода к обучению химии. ./ / Химия в школе. -2002 -№8

4. Предводителев Д. А. Роль химических знаний в экологической подготовке школьников. ./ / Химия в школе. -1998 - №3

5. Энциклопедия для детей. Том 17 Химия. / Глав. Ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2000.