.
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Международный государственный экологический
университет имени А.Д. Сахарова»
Факультет мониторинга окружающей среды
Кафедра экологического мониторинга, менеджмента и аудита
В.Н. Копиця, В.А. Левданская
Основы биохимии и токсикологии
Лабораторный практикум
Минск 2010
Введение
Современное состояние окружающей природной среды характеризуют как ситуацию близкую к экологическому кризису, отличительными чертами которого является химическое загрязнение биосферы и критическое состояние природных ресурсов. В соответствии с концепцией устойчивого развития человечество должно не только стремиться к снижению антропогенной нагрузки на экосистемы, но и взять на себя функции восстановления природного равновесия. Для понимания механизмов поддержания и нарушения устойчивости экосистем уже недостаточно знаний, накопленных традиционными дисциплинами – необходима информация на стыке экологии, биохимии, химии и физиологии.
Деятельность человека в современных условиях обеспечивает загрязнение окружающей среды колоссальным количеством химических соединений, которые могут оказывать воздействие на здоровье человека и других живых организмов либо непосредственно после воздействия, либо в отдаленной перспективе. Эти факторы необходимо учитывать в профессиональной деятельности экологов-менеджеров при проведении оценки воздействия на окружающую среду загрязнителей. В связи с этим, современным экологам нужны знания о механизмах воздействия поллютантов на живые организмы, что и обусловливает необходимость изучения дисциплины «Основы биохимии и токсикологии».
Предметом изучения дисциплины «Основы биохимии и токсикологии» являются: химическое строение молекул, входящих в состав живых организмов, влияние на них токсических соединений, поступающихв организм, а также развития интоксикации и биотрансформации.
Целью курса «Основы биохимии и токсикологии» является формирование системных знаний о строении и свойствах бимолекул, о процессах поступления химических веществ в живые организмы и их взаимодействии с биомолекулами на разных уровнях организации живой материи, развитие интоксикации организма и биотрансформации в нем самого токсиканта.
Изучение данной дисциплины предполагает проведение лабораторных работ, целью которых является актуализация и закрепление теоретического материала лекций, выработка навыков по практическому использованию знаний, подготовка и планирование эксперимента, обобщение полученных данных.
Лабораторная работа №1 Лабораторнаяя работа 2 поляриметрическое определение сахаров
Задание
1. Изучить строение основных представителей моно- и олигосахаридов
2. Изучить принцип поляриметрического определения сахаров
3. Определить концентрацию сахаров в растворах с помощью поляриметра
Углеводы – основной энергетический источник и главный строительный материал растительных клеток. Это наиболее распространенные вещества в растениях. На их долю приходится до 90% сухого вещества.
Функции углеводов в клетках весьма разнообразны. Они служат источником и аккумулятором энергии клеток (крахмал, гликоген). У многих сельскохозяйственных растений углеводы в большом количестве накапливаются в корнях, клубнях и семенах и используются затем в качестве запасных веществ. Стенки клеток растений и растительные волокна состоят главным образом из углеводов; в плодах и ягодах также преобладают углеводы. выполняют скелетные функции в растениях и некоторых животных, например в крабах, креветках, служат основой клеточной стенки бактерий, входят в состав некоторых антибиотиков.
Все углеводы по способности к гидролизу (расщеплению на более мелкие составляющие компоненты с выделением воды) можно разделить на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды – это простые углеводы, которые не способны гидролизоваться: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза и др. Общую формулу моносахаридов можно записать: Сх(Н2О)х
Моносахариды – кристаллические вещества, легко растворимые в воде, плохо – в спирте и совсем не растворимые в эфире. Водные растворы имеют нейтральную реакцию кислотности. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. В плодах и ягодах часто встречаются также и фруктоза.
Глюкоза (виноградный сахар) является одним из самых распространенных моносахаридов. В свободном виде содержится в плодах и ягодах, особенно богат ею виноград – до 80%. Много глюкозы содержится в крови человека и животных. Из молекул глюкозы построен крахмал, она является структурной единицей сахарозы, лактозы (молочного сахара) и многих полисахаридов. Она относится к группе альдоз. Эмпирическая формула — С6Н12О6. Глюкоза имеет специфические свойства, не связанные со свойствами остальных моносахаридов. Эти свойства обусловлены тем, что глюкоза является основным источником энергии для биологических систем.
|
глюкоза С6Н12О6 |
При получении энергии высшими организмами глюкоза расщепляется полностью до углекислого газа и воды. Глюкоза применяется в медицине, как средство усиленного питания при ослаблении организма. Применяется также при отделке тканей и как восстановитель - в производстве зеркал. Другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.
Фруктоза или плодовый сахар - спутник глюкозы во многих плодах растений в свободном состоянии содержится в плодах винограда – до 7,7%; вместе с глюкозой входит в состав меда. Фруктоза самая сладкая из всех сахаров. Усвоение фруктозы организмом не требует инсулина, поэтому используется в качестве заменителя сахара в питании людей страдающих ожирением и сахарным диабетом. Эмпирическая формула фруктозы такая же, как и у глюкозы — С6Н12О6. Но в отличие от глюкозы, фруктоза содержит кетонную группу.
|
Фруктоза (левулоза; фруктовый сахар)
|
Рибоза – моносахарид, входящий в состав нуклеиновых кислот и играющий важную роль в передаче наследственной информации новым клеткам
|
Рибоза |
Олигосахариды – это углеводы, построенные из небольшого количества моносахаридов. Наиболее распространены дисахариды, образующиеся при соединении двух моносахаридов с выделением воды. Наиболее часто встречающимся олигосахаридом является сахароза.
Сахароза (свекловичный, тростниковый сахар) содержится в большом количестве в сахарной свекле, сахарном тростнике, абрикосах, сливах, персиках, бананах, мандаринах, апельсинах. Под действием ферментов или при нагревании с кислотами сахароза распадается, образуя смесь из глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром, а сам процесс распада – инверсией. Сахароза имеет наибольшее народно-хозяйственное значение, так как она является основным сахаром, используемым в питании населения. Больше всего сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы (14-20%) и в соке стеблей сахарного тростника (14-25%).
Сахароза (тростниковый сахар) |
|
Второй большой группой природных олигосахаридов являются олигосахариды молока, которые играют важную роль в формировании кишечной флоры новорожденных, необходимой для нормального пищеварения. Они способствуют развитию в пищеварительном тракте микроорганизма Lactobacillus bifidus, расщепляющего основ ной олигосахарид молока — лактозу с образованием молочной и уксусной кислот, которые препятствуют размножению патогенных бактерий, в частности тифозной палочки.
В состав этих олигосахаридов входят D-глюкоза, D-галактоза, L-фукоза и N-ацетилглюкозамин, а характеристическим фрагментом является остаток лактозы. Один из наиболее крупных олигосахаридов молока - лакто-М-фукопентаноза.
Лактоза (молочный сахар) |
В 1 л женского молока находится около 70 г лактозы и 3 г амино-содержащих олигосахаридов. В коровьем молоке количество олигосахаридов, содержащих аминосахара, приблизительно в 100 раз меньше.
Пространственное строение молекул моносахаридов наглядно описывается с помощью модели Фишера:
СНО СНО
С С
НОН2С ОН ОН СН2ОН
Н Н
D-форма L – форма
Построение фишеровских проекций предусматривает следующее: объемная модель соединения (в данном случае глицеринового альдегида) располагается над плоскостью чертежа так, чтобы угол, образуемый углерод-углеродными связями, был обращен к плоскости и при проецировании цепь углеродных атомов расположилась бы вертикально. При этом С-атом с наименьшим порядковым номером (у альдоз - альдегидный атом углерода) должен быть вверху, а два заместителя при асимметрическом атоме углерода (атом водорода и гидроксильная группа окажутся справа и слева. Если ОН‑ группа находится справа, такой изомер относится к D-ряду, если слева — к L-ряду. При увеличении числа асимметрических атомов каждый из них рассматривается независимо от других и обладает D- или L-конфигурацией в соответствии с расположением связанной с ним гидроксильной группы Моносахарид в целом относят к D-ряду, если наиболее удаленный от альдегидного асимметрический С-атом имеет D-конфигурацию.
Оптическая изомерия. Основана на том, что растворы или кристаллы некоторых веществ могут изменять угол наклона луча плоскополяризованного света (вращать луч). Такие вещества называются оптически активными. Если плоскость поляризации вращается по часовой стрелке (смотря по направлению распространения световой волны), то вращение обозначается знаком (+); вращение против часовой стрелки знаком ().
Оптически активные соединения хиральны, то есть через их молекулы невозможно провести ось или плоскость симметрии. Примером может служить глюкоза. Пространственно это соединение может иметь две формы, которые выглядят, как зеркальные отображения друг друга.
Такие зеркальные формы называются энантиомерами. (+) - энантиомеры вращают плоскость поляризации света по часовой стрелке, а () - энантиомеры — против часовой стрелки. Равномолярная смесь энантиомеров оптически не активна и называется рацемической смесью.
Контрольные вопросы
1. Что такое углеводы и какова их функция?
2. Опишите линейное и циклическое строение основных моносахаридов
3. Опишите строение дисахаридов
4. Что такое оптическая изомерия?
5. Нарисуйте формулу Фишера для моносахаридов и обоснуйте правильную дачу названия сахарам.
6. В чем заключается поляриметрический метод определения концентрации сахаров?
7.В чем заключается явление мутаротации)