Методическая разработка по биологии. Лабораторная работа №1 Изучение химического состава растительной и животной клеток.

Лабораторная работа № 1:

Изучение химического состава растительной и животной клеток.

Учебная цель: экспериментально изучить химические состав клетки.

Учебные задачи:

1. закрепить знания о химическом составе клеток.

2. расширить знания об углеводах, белках, жирах, их строении и функ­циях в растительных и животных клетках.

3. научиться распознавать органические вещества в растительных и животных клетках

Обеспеченность занятия (средства обучения):

1. Сборник методических указаний для студентов по выполнению практических занятий по учебной дисциплине «Биология».

2. Рабочая тетрадь.

3. Оборудование и реактивы

Оборудование и реактивы:

пробирки, держатель, стакан с водой, стакан для слива.

растительное масло, мясной бульон, раствор белка, крахмальный клейстер, семена подсолнечника, спиртовой рас­твор I₂, NaOH (10%), CuSO₄, Н₂O₂, кусочки сырого картофеля.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы

по теме практического занятия.

По химическому составу клетки различных организмов могут заметно от­личаться друг от друга, но элементы, входящие в их состав одинаковы. В клет­ках обнаружено около 90 элементов периодической системы химических эле­ментов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них встречаются в живых организмах постоянно. Все химические элементы по их количественному содержанию в клетке можно разделить на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы делят на 2 группы.

Макроэлементы. I группа. Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции, являются кислород, углерод, водород и азот. Все углеводы и липиды содержат водород, углерод и кислород, а в состав белков и нуклеиновых кислот, кроме этих компонентов, входит азот. На долю этих четырёх элементов приходится 98 % от массы живых клеток.

II группа. К группе макроэлементов относятся также фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Эти химические элементы являются обязательными компонентами всех живых организмов. Содержание каждого из них в клетке составляет от десятых до сотых долей процента от общей массы.

Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в организме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур.

Среди обеих групп макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов, или органогенов, на основании того, что они составляют основу большинства органических молекул.

Микроэлементы. Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и многие другие. На долю каждого из них приходится не более тысячных долей процента, а общий вклад этих элементов в массу клетки – около 0,02 %. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных – с пищей, водой и воздухом. Роль и функции элементов этой группы в различных организмах весьма разнообразны. Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, витаминов и гормонов), и их действие проявляется главным образом в том, как они влияют на обмен веществ.

Кобальт входит в состав витамина В₁₂ и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии. Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений. Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов. Иод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей. Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы – инсулина. Нехватка селена приводит к возникновению у человека и животных раковых заболеваний. Каждый элемент играет свою определённую, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Как правило, биологический эффект того или иного микроэлемента зависит от присутствия в организме других элементов, т. е. каждый живой организм – это уникальная сбалансированная система, нормальная работа которой зависит, в том числе, и от правильного соотношения её компонентов на любом уровне организации. Так, например, марганец улучшает усвоение организмом меди, а фтор влияет на метаболизм стронция.

Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определённые элементы. Например, многие морские водоросли накапливают иод, хвощи – кремний, лютики – литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используют в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяют микроэлементы и в медицине.

Ультрамикроэлементы. Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т. е. ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и другие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

Химические элементы образуют 2 группы соединений, входящих в состав клетки: органические и неорганические. К неорганическим соединениям отно­сятся вода, минеральные соли, кислоты и основания. Вода (70%) составляет ос­новную часть цитоплазмы, является хорошим растворителем для гидрофильных веществ, основной средой, где протекает большинство химических реакций. Остальные неорганические вещества, в основном, находятся в клетке в виде ионов: катионов (Na⁺, Са²⁺, К⁺, Mg²⁺, Н⁺) и анионов (Сl^-, S0₄^2-, НС0₃^2-, НР0₄^2-, Н₂Р0₄^-,ОН^-).

К органическим веществам, входящим в состав клетки, относятся углево­ды (2%), липиды (5%), нуклеиновые кислоты ДНК и РНК (1%), белки (18%), различные низкомолекулярные соединения.

Углеводы состоят, в основном, из углерода, водорода и кислорода. Они делятся на простые (моносахариды) и сложные (дисахариды, полисахариды). Моносахариды не разлагаются водой. К ним относится глюкоза C₆H₁₂0₆, кото­рая служит универсальным источником энергии. Дисахариды и полисахариды образуются путем соединения двух и более молекул моносахаридов. К сложным углеводам относятся сахароза, лактоза, крахмал, гли­коген, целлюлоза. Основная роль углеводов связана с их энергетической функ­цией. Они используются также в качестве строительного материала. Например, целлюлоза является одним из важнейших компонентов клеточных стенок гри­бов и растений. Хитин составляет основу наружного скелета у членистоногих. Однако, главным образом, углероды играют роль запасных продуктов и легко мобилизуемых источников энергии. Например, крахмал - основное запасное вещество в клетках растений, гликоген - в клетках животных.

Липиды - группа органических соединений, которые содержатся во всех живых клетках; нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных ор­ганических соединениях. По химическому составу большинство липидов явля­ются сложными эфирами жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Среди соединений этой группы различаются жиры и масла в зависимости от то­го, остаются ли они твердыми при комнатной температуре (жиры), или нахо­дятся в жидком состоянии (масла). Липиды играют важную роль как источник энергии. При окислении они дают в 2 раза больше энергии, чем углеводы и белки, и, таким образом, более экономичны как форма хранения запасных пи­тательных веществ. Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют функцию терморегуляции. Например, у многих позвоночных животных хорошо выражен подкожный жировой слой, что позволяет им жить в условиях холод­ного климата. Нерастворимость в воде делает липиды важнейшими структур­ными компонентами клеточных мембран, состоящих, главным образом из фос­фолипидов. Важно отметить значение липидов как источника воды. При окис­лении 100 г. липидов образуется 105 г. воды. Так, необходимую для жизнедея­тельности воду в спячке медведи получают в результате окисления жира.

Белки - это сложные органические соединения (биополимеры), мономе­рами которых являются аминокислоты. Аминокислоты - амфотерные органиче­ские вещества с общей формулой

Молекулы белков имеют вид длинных цепей, которые состоят из 50 - 1500 молекул аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.В результате образуется первичная структура белка. Вторичная структура представляет спирально закрученную белковую цепочку. Витки спирали удер­живаются водородными связями Н—О, которые образуются между СО- и NH- группами, расположенными на соседних витках. Дальнейшая укладка спирали, специфичная для каждого белка, это третичная структура белка. Она стабили­зируется за счет дисульфидных мостиков (- S - S -). В некоторых случаях 2, 3 и более молекул с третичной организацией объединяются в один комплекс. Это четвертичная структура белка.

Функции белков.

Белки в организме выполняют структурную функцию. Например, стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи у выс­ших животных состоят преимущественно из белка. Двигательная функция обеспечивается особыми сократительными белками. Транспортная функция белков обеспечивается их способностью переносить с током крови многие хи­мические вещества. Например, белки сыворотки крови способствуют переносу липидов. Защитная функция белков выражается в способности вырабатывать особые белки - иммуноглобулины (антитела), которые нейтрализуют чужерод­ные вещества и осуществляют иммунологическую защиту организма. Регуля­торная функция свойственна белкам - гормонам, которые оказывают влияние на обмен веществ. Например, инсулин снижает содержание сахара в крови, а при недостатке инсулина развивается заболевание сахарный диабет. Кроме это­го белки - ферменты являются главными регуляторами биохимических процес­сов. Каталитическая функция - ускорение химических реакций в живой клетке - является очень важной для организмов, так как реакции протекают при умеренной тем­пературе, нормальном давлении и нейтральной среде. Энергетическую функцию белки начи­нают выполнять при их избытке в пище либо, напротив, при сильном истощении клеток. Ча­ще мы наблюдаем, как пищевой белок, перева­риваясь, расщепляется до аминокислот, из ко­торых затем создаются белки, необходимые организму.

Денатурация и ренатурация белков.

Денатурация – это утрата белковой молекулой своей структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жёстких условиях – и первичной структуры (рис. 23). В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжёлых металлов и органических растворителей.

Денатурация может быть обратимой и необратимой, частичной и полной. Иногда, если воздействие денатурирующих факторов оказалось не слишком сильным и разрушение первичной структуры молекулы не произошло, при наступлении благоприятных условий денатурированный белок может вновь восстановить свою трёхмерную форму. Этот процесс называют ренатурацией, и он убедительно доказывает зависимость третичной структуры белка от последовательности аминокислотных остатков, т. е. от его первичной структуры.

Нуклеиновых кислот в природе существует 2 вида: дезоксирибонуклеи­новые ДНК и рибонуклеиновые РНК. Эти вещества являются фосфорсодержа­щими биополимерами живых организмов, обеспечивающими хранение и пере­дачу наследственной информации.

Вопросы для закрепления теоретического материала лабораторной работы.

1. Перечислите макроэлементы I и II группы. Почему их так называют.

2. Приведите примеры микроэлементов . Охарактеризуйте биологическое значение этих элементов.

3. Перечислите биоэлементы, каково их значение в образовании живой материи.

4. Какие неорганические и органические вещества входят в состав клетки?

5. Что такое липиды? Опишите их химический состав. Какова их роль в обеспечении жизнедеятельности организма?

6. Какие вещества называют углеводами? Опишите их химический состав. Какова их роль в обеспечении жизнедеятельности организма?

7. Перечислите функции белка. Из каких органических соединений состоят белки?

8. Какие структуры может принимать белок? Что такое денатурация? Какая она бывает?

Задания для лабораторной работы.

Опыт № 1. Обнаружение жиров в тканях организмов.

Капните каплю растительного масла на кусочек фильтровальной бумаги.

Очистите семечку подсолнечника, поместите ее внутрь другого кусочка фильтровальной бумаги и раздавите, аккуратно высыпьте жом, разверните фильтр и рассмотрите его на просвет.

О наличии жиров можно судить по пятну, оставляемому жирами на фильт­ровальной бумаге. В выводе запишите общую формулу жиров.

Опыт № 2. Обнаружение крахмала и гликогена в тканях организмов.

1. Налейте в пробирку по 4-5 капель бульона и крахмального клейстера, до­бавьте по 2-3 капли йода.

2. Возьмите кусочек картофеля и капните на него йодом.

Какие запасные питательные вещества содержатся в клетках растений и животных, если при взаимодействии с раствором йода гли­коген дает красно - бурое окрашивание, а с крахмалом окраска становится сине – фиолетовой?

В выводе запишите, какой углевод накапливается в растительных и в животных тканях?

Опыт № 3. Обнаружение белков.

Для обнаружения белков используют так называемые качественные реакции. Например биуретовая реакция – качественная на все без исключения белки, а также продукты их неполного гидролиза, которые содержат не менее двухпептидных связей. Биуретовая реакция обусловлена присутствием в белках пептидных связей ( -СО – NH-), которые в щелочной среде образуют с сульфатом меди (ІІ) окрашенные в красно-фиолетовый цвет медные солеобразные комплексы. К 1 мл исследуемого раствора белка добавляют равный объем 10 % раствора гидроксида натрия (NaOH) и затем 2-3 капли 1 % раствора сульфата меди (CuSO₄) разбавленного, почти бесцветного раствора медного купороса.

При положительной реакции появляется фиолетовая окраска с красным либо синим оттенком.

Опыт № 4. Изучение каталитических свойств ферментов, расщепляющих пероксид во­дорода.

1. Налейте в пробирку 1 мл пероксида водорода Н₂O₂ . Разложение пероксида водорода происходит, но очень медленно. Если бы вещество разлагалось с такой скоростью, то произошло бы отравление организма. Добавьте в пробирку мелко нарезанные кусочки картофеля. Через несколько минут можно наблюдать шапку пены. В выводе запишите, для чего необходимы в организме белки-ферменты; и почему пероксид водорода используется для дезинфекции ран, ссадин и полости рта?

Порядок выполнения отчёта к лабораторной работе.

В тетради напишите номер, название, учебную цель занятия оборудования и реактивы.

1. Выполните опыты.

2. Заполните таблицу:

   № опыта	Название	Наблюдения	Выводы
   1
   2
   3
   4

3. Письменно ответьте на вопросы:

1 вариант: вопросы 1,3,5,7

2 вариант: вопросы 2,4,6,8

1. Запишите общий вывод.