5452 / 5452
.pdf4. Почвоведение / под ред. В. А. Ковды. - М.: Высш. шк., 1988. - 400 с.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
1. Цель работы
Цель работы – ознакомить студентов с основными сведениями об элементном составе живого организма и роли этих элементов в его жизнедеятельности, значения среды обитания для живых организмов. Методические указания знакомят студентов с методами определения присутствия химических элементов и соединений в живом веществе. В процессе выполнения работы студенты будут приобретать навыки, необходимые для постановки и проведения работ в области экологии.
2. Теоретические положения
Химический состав живых организмов в определенной степени отражает содержание химических элементов в природной среде их обитания. Биомассу организмов образуют элементы, обладающие способностью к миграции по пищевым цепям из среды обитания организма вследствие их растворимости в воде или нахождению в газообразном состоянии. Содержание в организме алюминия, кремния и других элементов, соединения которых ограниченно растворимы в воде, как правило, ничтожно мало, хотя в земной коре они присутствуют в значительных количествах.
Важнейшими химическими элементами, входящими в состав живых организмов, считают C, N, H, O, S, P. Из этих элементов состоят соединения, образующие основу живой материи: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, липиды и ферменты.
«Металлами жизни» являются Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo. Они обеспечивают структуру и функции активных биополимеров (белков, нуклеиновых кислот), входят в состав биокатализаторов и выполняют ряд других жизненных функций.
40
На молекулярном уровне организм человека имеет следующий состав: вода – 55-60 %, органические вещества – 35-40%, неорганические соединения – около 6 %.
Образующие живую материю биогенные, жизненно необходимые, химические элементы в зависимости от их содержания в организме человека условно подразделяют на две категории. К первой категории относят 12 макроэлементов, содержание каждого из которых превышает 0,01% массы организма человека, мас. %:
О………………………62 К…………………….. 0,23 С………………………21 S……………………... 0,16 Н………………………10 Cl……………………..0,10 N………………………..3 Na…………………….0,08 Ca……………………….2 Mg……………………0,03 Р………………………...1 Fe……………………..0,01
Вторую категорию образуют 18 жизненно необходимых микроэлементов, содержание которых в организме здорового че-
ловека составляет мг: F, Zn, Sr, Br, Cu, Ba, Mn, B, V, Se, I, Mo, Ni, Cr, Li, Cs, Co, Rb. В организме человека постоянно присутствуют девять элементов: Pb, Al, Be, Hg, Cd, As, Sn, Au, Ag, которые при превышающих норму количествах оказывают токсическое действие. К особо опасным относятся Be, Hg, Cd, Pb, As, так как они легко алкилируются, образуя метил – и этилпроизводные.
Живые организмы избирательно ассимилируют из внешней среды необходимые элементы, концентрируя их в определенных органах и тканях. Например, макроэлементы кальций и фосфор в организмах высших животных и человека входят в состав фосфата кальция Ca3(PO4)2 – основы костной ткани; сера в сульфогруппы (HS-группы) входит в состав аминокислот, пептидов и белков; железо с белками образует гемоглобин крови; цинк в высоких концентрациях обнаруживают в поджелудочной железе; молибден – в почках; барий – в сетчатой оболочке глаза; йод – в щитовидной железе; марганец, бром и хром – в гипофизе и т.д. Для нормального протекания физиологических процессов в организме должна поддерживаться определенная степень насыщения его тканей микроэлементами.
Основные характеристики элементов (строение электронных оболочек, степень окисления, способность к комплексообра-
41
зованию и т. д.) определяются положением этих элементов в периодической системе Д. И. Менделеева. Эти же характеристики лежат в основе физиологической и паталогической роли элементов в организме человека. Количественное содержание химических элементов в живом веществе обратно пропорционально их порядковым номерам. В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких элементов к тяжелым в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает их содержание в биомассе. Так, в организме человека присутствуют в основном ионы легких металлов Νа+, К+, Mg2+, Са2+, относящихся к s-элементам, и ионы металлов Мn2+, Fе2+, Со2+ , Zn2+, относящихся к d-элементам. И лишь содержащийся в организме тяжелый d-элемент молибден нарушает общую биогеохимическую установку – построение биологических структур только из легких элементов.
Среди s-элементов 1 группы периодической системы Д. И. Менделеева особое место занимает водород, входящий в состав абсолютного большинства больших молекул и макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды). Для части s- элементов II группы имеют место явления замещения нормальных структурных компонентов костей (Са, Mg) некоторыми элементами этой группы, не входящими в состав костной ткани (Sr, Ba, Ra). С нарастанием атомной массы увеличивается токсичность s-элементов II группы и уменьшается их процентное со-
держание в организме (так, содержание стронция в теле человека составляет 10–3 %, бария – 10–5 %, радия – 10–12 %).
Сходные отношения можно наблюдать и на примере p- элементов. Так, бор не отличается значительной токсичностью для животных организмов, тогда как таллий является сильнейшим ядом.
Аналогично легкие p-элементы IV – VI групп (C, N, O, P, S) являются важнейшими биогенными элементами, в то время как тяжелые p-элементы (Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se, Te) высокотоксичны для живых организмов. У p-элементов VII группы (F, Cl, Br, I) отмечается увеличение способности к образованию биологически активных органических соединений в связи с нарастанием атомной массы.
42
Большинство d-элементов, т.е. элементов, расположенных в побочных подгруппах периодической системы элементов, – это важнейшие биогенные микроэлементы (Сu, Zn, Cr, Мn, Fе, Со, Мо и т.д.).
Как и для s- и p-элементов, для d-элементов характерна общая закономерность, заключающаяся в том, что с увеличением атомной массы увеличивается токсичность элементов в данной группе периодической системы и уменьшается их процентное содержание в организме. Так, в организме человека менее токсичного цинка содержится примерно 10–3 %, более токсичного кадмия – 10–4 %, а нормальное содержание ртути (самого токсичного элемента этой группы) не превышает 10–6 %.
Считается, что в живых организмах встречаются все известные химические элементы или их нуклиды.
По степени токсичности все металлы можно разделить на три группы:
1.Высокотоксичные металлы – ртуть, уран, индий, кадмий, медь, таллий, мышьяк, золото, ванадий, платина, бериллий, серебро, цинк, никель, висмут.
2.Умеренно токсичные металлы – марганец, хром, палладий, свинец, осмий, барий, иридий, олово, кобальт, галлий, молибден, скандий, стронций, сурьма, рутений, родий, лантан, лантаноиды.
3.Малотоксичные металлы – алюминий, железо, германий, кальций, магний, стронций, цезий, рубидий, литий, титан, натрий.
Металлы расположены по степени токсичности их ионов в убывающем порядке. Как видно, самым токсичным является ион ртути, а наименее токсичным – натрий.
Все оксиды металлов менее ядовиты, чем их соли, причем с увеличением токсичности элемента различие степени токсичности между оксидами и солями уменьшается. Образовав химическое соединение с белком, металл вызывает изменения вторичной и третичной структур этого белка, что способствует формированию антигена, индуцирующего аллергизацию организма.
Большое значение в биогенном преобразование веществ в процессе метаболизма играет присутствие в живом организме аскорбиновой кислоты (витамин С). В молекуле аскорбиновой ки-
43
слоты нет карбоксильной группы – носителя кислотных свойств в органической химии. Кислотные свойства этого вещества обусловлены легкой подвижностью водорода у третьего углеродного атома, однако в природных продуктах содержится огромное количество органических кислот и поэтому определять аскорбиновую кислоту методом нейтрализации нельзя.
Химический анализ позволяет устанавливать, из каких химических элементов и соединений состоит анализируемое вещество. При определении содержания химических элементов и соединений в различных органах и тканях организма последние подготавливаются для анализа путем минерализации органических веществ серной, азотной и хлороводородной кислотами. Полученный минерализат анализируют на содержание различных элементов.
3. Содержание работы
Особо важную роль в осуществлении различных физиологических и паталогических процессов играют 10 металлов – Νа, К, Са, Zn, Мn, Fе, Со, Мо, Мg, Сu; 6 органогенов – Н, С, Ν, О, Р и S, составляющих основу всех биологически важных молекул и макромолекул. Из неорганических веществ наибольшую экологическую опасность создают металлы и их соединения, диоксид серы и оксиды азота. Число людей, контактирующих с металлами, возрастает не только при их добыче, но и в результате увеличения загрязнения выбросами металлов атмосферы, почвы, воды, вследствие накопления их в растениях, организмах животных и рыб. Заболевания в результате аллергических, токсических, онкогенных воздействий металлов приобретают все более и более широкое распространение.
При определении аскорбиновой кислоты (витамина C) необходимо учитывать ее легкую окисляемость. Аскорбиновая кислота крайне легко окисляется, даже кислородом воздуха. При окислении аскорбиновая кислота переходит в дегидроаскорбиновую кислоту, которая уже не проявляет витаминных свойств. В качестве окислителя в методе используется йод, который количе-
44
ственно переводит аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую, при этом образуется йодоводородная кислота.
Для выполнения данной работы необходимо знать аналитические классификации катионов и анионов и химикоаналитические характеристики s-, p- и d-элементов. Весь этот материал обобщен в схемах и таблицах (приложение), пользование которыми значительно облегчает анализ и сокращает время получения конечного результата.
4. Реактивы, посуда и оборудование
Реактивы:
•анализируемые растворы солей NaCΙ, KCΙ, ΝΗ4CΙ, CaCΙ2,
SrCΙ2, ΒaCΙ2, CuSO4, AgΝΟ3, ZnCΙ2, CrCΙ3, MnSO4, FeSO4,
FeCΙ3, AΙCΙ3, Pb(ΝΟ3)2 ;
•растворы аналитических реагентов (NH4)2CO3, KI, K2Cr2O7, CH3COONa, CaSO4, (NH4)2SO4, (NH4)2C2O4, AgNO3, Na3[Co(NO2)6], NH4OH, NH4Cl, (NH4)2S, K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6];
•растворы кислот HCl (разб.), HCl (2М), HCl (конц.), HNO3 (разб.), H2SO4 (разб.), CH3COOH (разб.);
•гидроксид натрия NaOH (разб.);
•растворы аммиака NH3 (разб.), NH3(конц.);
•тиосульфат натрия Na2S2O3 (крист.);
•красная лакмусовая бумага;
•раствор йода 0,125%-ный;
•коллоидный раствор крахмала;
•фильтровальная бумага.
Посуда и оборудование:
•пробирки;
•пипетка капельная;
•спиртовка;
•воронка;
•держатель пробирок;
•водяная баня;
•часовое стекло;
•электроплитка.
45
5. Порядок работы
Анализируемый раствор может содержать один или два из изучаемых катионов.
Обнаружение катиона проводят из отдельной порции раствора дробным методом. Аскорбиновую кислоту определяют в представленном образце.
5.1. Анализ контрольного раствора
Качественный анализ раствора проводится по следующему плану:
1.Проба на принадлежность катиона исследуемого раствора
кI (NH4+, K+, Na+) или II (Ba2+, Sr2+, Ca2+) аналитической группе с помощью группового реагента (NH4)2CO3 в нейтральной или слабощелочной среде.
В пробирку наливают 3-4 капли исследуемого раствора и
добавляют 3-4 капли реагента (NH4)2CO3. Если выпал белый осадок, то исследуемый раствор содержит катионы II аналитической
группы. Если при действии (NH4)CO3 осадок не выпал, то исследуемый раствор содержит катионы I аналитической группы.
2.Проба на принадлежность катиона исследуемого раствора
кIII (Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cr3+, Zn2+, Al3+), IV (Cu2+) или V (Ag+, Pb2+)
аналитической группе с помощью группового реагента.
Проба на катион Ag+ групповым реагентом V группы (выполняется, если исследуемый раствор бесцветный). В четыре пробирки помещают по 3-4 капли исследуемого раствора и столько же HCl 2М конц.. Определяют растворимость полученного осадка AgCl в HCl, HNO3 и концентрированном растворе NH3. Одну пробирку с осадком оставляют и наблюдают разложение осадка на свету. В пробирку с осадком AgCl, растворенным в аммиаке, добавляют несколько капель концентрированного раствора HNO3 до появления осадка.
Проба на катион Cu2+ групповым реагентом IV группы (выполняется, если исследуемый раствор голубой). В пробирку помещают 3-4 капли исследуемого раствора, добавляют 1-2 капли раствора H2SO4 и 2-3 кристаллика Na2S2O3. Содержимое пробир-
46
ки нагревают до образования черного осадка. Испытывают растворимость осадка в HNO3.
Проба на катионы III аналитической группы с помощью группового реагента (NH4)S в присутствии NH4OH и NH4Cl. В шесть пробирок помещают 3-4 капли исследуемого раствора и прибавляют по 1-2 капли раствора (NH4)2S или свежеприготовленной сероводородной воды. Наблюдают образование осадков. Изучают действие на них избытка концентрированного раствора аммиака и солей аммония. Сопоставив окраски исследуемого раствора и осадка с групповым реагентом (табл. П1), сделать вывод о том, какой катион содержится в предложенном для анализа растворе.
3. Доказав принадлежность катиона к определенной аналитической группе, определяют с помощью характерных реакций, какой это катион.
Обнаружение катионов NH4+. На часовое стекло помещают 1-2 капли исследуемого раствора, 2-3 капли раствора NaOH и закрывают вторым часовым стеклом, на котором при помощи дистиллированной воды приклеена красная лакмусовая бумага. Выделяющийся NH3 взаимодействует с влажной индикаторной бумагой, что приводит к изменению её цвета (сереет). Реакцию можно провести в пробирке, смешав несколько капель анализируемого раствора и раствора NaOH. К отверстию пробирки подносят стеклянную палочку, смоченную концентрированной HCl, и наблюдают появление белого дыма, вызванного образованием кристалликов NH4Cl. Реакция специфична и позволяет обнаружить NH4+ в присутствии всех катионов.
Обнаружение катионов Ва2+. К 4 каплям исследуемого раствора прибавляют 1-2 капли K2Cr2O7 и 1-2 капли CH3COONa. Образуется желтый кристаллический осадок BaCrO4.
Обнаружение катионов Sr2+. В качестве реагента используют гипсовую воду – насыщенный раствор CaSO4. К 4-5 каплям исследуемого раствора добавляют столько же гипсовой воды. Образование осадка SrSO4 ускоряют нагреванием на водяной бане.
Обнаружение катионов Ca2+. В две пробирки помещают по 3 капли исследуемого раствора, добавляют 4-5 капель раствора (NH4)2C2O4 и нагревают на водяной бане. Образующийся бе-
47
лый осадок CaC2O4 указывает на присутствие ионов Са2+. Осадок проверяют на растворимость в HCl и CH3COOH.
Обнаружение катионов Mn2+. В две пробирки помещают 3-4 капли исследуемого раствора и прибавляют 1-2 капли раствора NaOH. Наблюдают образование осадка Mn(OH)2. Изучают его растворимость в HCl, NaOH, фиксируя изменение цвета.
Обнаружение катионов Fe2+. В две пробирки помещают по 3-4 капли исследуемого раствора, 1-2 капли HCl 2М конц. и по 1-2 капли раствора K3[Fe(CN)6]. Изучают отношение осадка к HCl и NaOH. Сравнивают цвет осадка с цветом берлинской лазури, полученной при взаимодействии Fe3+ с K4[Fe(CN)6].
Обнаружение катионов Fe3+. В пробирку помещают 3-4
капли исследуемого раствора, добавляют 1-2 капли раствора HCl
и2-3 капли раствора K4[Fe(CN)6]. Наблюдают образование и цвет
осадка берлинской лазури KFe[Fe(CN)6].
Обнаружение катиона Al3+. В пробирку помещают 3-4 капли исследуемого раствора и добавляют по каплям раствор ам-
миака до образования белого осадка. Осадок Al(OH)3 растворяют в NaOH, прибавляют несколько кристалликов NH4Cl и нагрева-
ют. Наблюдают выпадение хлопьевидного осадка Al(OH)3. Обнаружение катиона Pb2+. В пробирку помещают 3-4 ка-
пли исследуемого раствора, добавляют столько же капель рас-
твора KI и наблюдают выпадение осадка PbI2. К содержимому пробирки приливают немного дистиллированной воды и нагревают до растворения осадка, охлаждают и наблюдают повторное выпадение осадка в виде искрящихся кристаллов. Добавляют из-
быток KI до растворения PbI2, переходящего в K2[PbI4].
Определение аскорбиновой кислоты. На весах взвешива-
ют предоставленный образец. Образец помещают в ступку, заливают 20-30 мл хлороводородной кислоты и тщательно растирают. Полученную смесь количественно переносят в коническую колбу
ититруют раствором йода в присутствии 1-2 мл раствора крахмала, тщательно перемешивая. Как только капля йода окрасит раствор в синий цвет и окраска не исчезнет в течение 2-3 минут, записывают показания бюретки.
Реакция протекает по схеме:
48
C6H4O2 (OH)4 + I2 → C6H4O4 (OH)4 + 2HI .
Количество витамина C в пробе находят по формуле (%):
ω(%)=V 0,875 100/ m 1000 =V 0,875/10 m,
где V – израсходованный объем раствора йода на титрование; m – масса образца.
5.2. Изучение влияния обнаруженного катиона на организм
Пользуясь исходными данными (табл. П2) и сведениями, изложенными в п.2 настоящих методических указаний, определяют биологическую роль найденного катиона для организма человека и область его применения в медицине. Отчёт оформляют
ввиде двух таблиц и формулируют вывод о результатах анализа.
6.Требования к отчету
Материалы лабораторной работы должны быть оформлены в виде отчёта на отдельных листах формата А4 или в тетради с указанием фамилии и группы.
Отчёт должен содержать:
•дату проведения и номер работы;
•название и цель работы;
•краткое изложение теоретических основ работы;
•перечень применяемых в работе реактивов, посуды и оборудования;
•порядок выполнения анализов, уравнения характерных реакций;
•таблицу наблюдения и итоговую таблицу;
•выводы о результатах анализа;
•ответы на контрольные вопросы.
Ниже приводится пример заполнения таблиц.
Таблица 1
49