Біологія 10 клас

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

 

Тема. 3 Елементний склад  біологічних систем

 

§ 10. ЯК ВИВЧАЮТЬ ЖИТТЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМУ РІВНІ

 

Терміни та поняття: проба, об’ємно-ваговий аналіз, титрування, оптичні методи (спектральний і люмінесцентний аналізи, хроматографія), електрофорез, ультрацентрифугування, радіоактивне мічення, ізотопи, математичний аналіз, моделювання.

Матеріал для біохімічних досліджень. Зазвичай біохімічні дослідження проводять на спеціально дібраному матеріалі, який отримують від тварин, рослин, бактерій і вірусів. Це можуть бути цілі організми, продукти їх життєдіяльності (гумус, молоко, сеча), органи, тканини, окремі клітини, частини клітин. Матеріал, отриманий для біохімічних досліджень, називають про ба ми. Проби беруть як найшвидше за спеціально розробленими методиками і відразу ж фіксують за допомогою спеціальних речовин. Потім до аналізу зберігають у холодильних камерах за температури від 0 до -4 °С. У випадку, якщо досліджувана речовина не підлягає консервації (як-от білки), а необхідне тривале зберігання, то проби в пробірках закладають у спеціальні морозильні установки або занурюють у рідкий азот, де їх тримають за температури від -30 °С і нижче. Усі ці застережні засоби необхідні, щоб забезпечити максимальне збереження того хімічного складу, який був за життя.

Одним з надійних фіксаторів є етиловий спирт. (З курсу хімії пригадайте його формулу, властивості.) Саме спирт використовують для тривалого зберігання проб і подальшого дослідження структури ДНК.

Виділення необхідних речовин. Найважливішою біохімічною процедурою є виділення потрібної для аналізу речовини. Цей процес дуже кропіткий, оскільки в будь-якій клітині, тканині або органі одночасно містяться сотні й тисячі різних сполук. Багато в чому розвиток біохімічних досліджень пов’язаний саме з розробкою методик виділення з біологічних об’єктів речовин та їх очищення. Для того щоб процес виділення був ефективнішим, використовують ті види організмів або частини тіла, у яких концентрація досліджуваної речовини максимальна. (Пригадайте, звідки вперше була виділена сахароза, а звідки — глюкоза й фруктоза.) Виділення певних речовин ґрунтується на особливостях їх фізичних або хімічних властивостей — відмінності в молекулярній масі, формах, розмірах і зарядах молекул, розчинності у воді й інших розчинниках, специфічні реакції з певними речовинами таін. Найпоширенішими методами розділення сумішей речовин, що використовують у біохімії, є випарювання, фільтрація, діаліз (від грец. діалізіс — розкладання, відділення), який заснований на здатності речовин дифундувати через спеціальну напівпроникну мембрану, перегонка — випарювання рідини при заданій температурі з наступною конденсацією, екстракція й кристалізація. (Пригадайте, як поводяться насичені розчини солей.)

Методи дослідження в біохімії. Основне завдання, що постає перед біохіміками, — визначення присутності конкретної речовини у пробі й оцінка її кількості. У випадку, якщо виявлена речовина раніше не була відома науці, то встановлюють її формулу, просторову структуру, хімічні та фізичні властивості, функції в організмі. Для того щоб розв’язати ці завдання, вчені мають у своєму розпорядженні арсенал прийомів, які представляють собою сукупність спеціально розроблених методів та методик.

Об’ємно-ваговий аналіз заснований на кількісному визначенні обсягу або маси виділених речовин. Якщо аналізують рідку речовину або розчин солей, то кількісна оцінка речовини проводиться шляхом титрування (від фр. титр — характеристика). Наприклад, у лужний розчин спочатку додають індикатор фенолфталеїн до появи малинового забарвлення, а потім спеціальними піпетками — краплями кислоту. В момент нейтралізації, коли зникає забарвлення, фіксують кількість витраченої кислоти, що і є кількісним показником аналізованої речовини.

Кількісне визначення сухої речовини проводиться шляхом зважування, для цього можуть використовуватися ваги з різним рівнем роздільної здатності від 1 г до 1 мг. Наприклад, перед дослідником поставлено завдання: визначити масу нерозчинної у воді речовини, що містять ся у пробі молока. Для цього молоко фільтрують, отриманий осад промивають, рідину випарюють, а отриману речовину сушать або прожарюють до сталої маси. Потім суху речовину зважують.

Оптичні методи. Це найбільш чутливі з біохімічних методів, які дозволяють визначити вміст речовини у пробі в концентрації менше тисячної мг. Крім того, ці методи мають високу специфічність і точність. Оптичні методи засновані на властивостях хімічних сполук забарвлювати розчин і таким чином робити його непрозорим. У результаті залежно від концентрації барвника змінюється інтенсивність поглинання світлової енергії, що фіксується спеціальними приладами. Розрізняють кілька груп оптичних методів.

Спектральний аналіз дозволяє визначити склад молекул і атомів у пробах на підставі визначення спектрів поглинання й випромінювання світлової енергії. Зви - чайно за допомогою цього методу у пробах визначають склад хімічних елементів.

Люмінесцентний аналіз має особливо високу чутливість. Він ґрунтується на явищі люмінесценції — світінні речовини, що виникає після поглинання нею енергії збудження. На досліджуваний біологічний об’єкт діють ультрафіолетовим світлом і за кольором люмінесценції визначають присутність певної речовини.

Інші методи. Хроматографія (від грец. хрома — колір і графія — письмо) — метод розділення й аналізу сумішей речовин, заснований на розподілі їх компонентів між двома фазами — не рухливою, що виконує роль сита, яке з різною швидкістю пропускає молекули залежно від їх фізичних та хімічних властивостей, і рухливою, що протікає через не рухливу. В результаті суміші речовини поділяються на групи фракції, наприклад на прості та складні білки.

Електрофорез (від лат. електро і грец. форез — переносити). Оскільки макромолекули різняться між собою зарядом, то в електричному полі вони рухаються з різною швидкістю (мал. 82). Якщо, наприклад, підготовлену пробу крові помістити на спеціальний папір, просочений сольовим розчином — буфером, який має стале значення рН, а потім до одного боку паперу підвести анод, а до іншого — катод, то білки крові з різною швидкістю почнуть мігрувати від катода до анода. Якщо через якийсь час струм вимкнути, а папір пофарбувати спеціальним барвником, то можна виявити групи білків, що різняться зарядом, які відповідно мають різну електрофоретичну рухливість. У сучасній біохімії для електрофорезу застосовують спеціальні гелі — желеподобні речовини, що мають мікропори, через які білки, що рухаються в електричному полі, або молекули нуклеїнових кислот ніби фільтруються.

У біохімії білків і нуклеїнових кислот незамінним є метод ультрацентрифугування. Метод заснований на тому, що окремі частини молекули ДНК відрізняються за розмірами і масою, а тому будуть із різною швидкістю осідати в розчині під впливом відцентрової сили. Причому більші за розмірами молекули розташовуватимуться на периферії, а з меншою питомою вагою — ближче до осі обертання. Ультрацентрифугування проводиться у спеціальних центрифугах, що здійснюють до 50 тис. обертів за хвилину. В результаті під час тривалого центрифугування проб, поміщених у дуже міцні пробірки, вдається не просто розділити фракції ДНК, але й виділити їх у достатній кількості.

Дуже популярним у біохімії є метод радіоактивного мічення. Для цього використовують ся радіоактивні ізотопи (від грец. ізос — однаковий і топос — місце). (Вам уже відомо, що ізотопи — це атоми одного хімічного елемента, які відрізняються числом нейтронів.) Один з основних елементів живого Карбон існує в природі у вигляді кількох ізотопів, серед яких радіоактивним є поширений у довкіллі ізотоп 14С. Якщо у склянку з водою, де утримуються одноклітинні водорості, додати небагато карбонатної кислоти з 14С, а потім поставити її на сонце, то через деякий час завдяки фотосинтезу частина СО2, що утворюється при розкладанні цієї кислоти, виявиться включеною до складу клітини. Профільтрувавши вміст склянки і провівши вимір радіоактивності фільтра, у якому затрималися водорості, можна визначити швидкість накопичення Карбону, що і буде відповідати інтенсивності фотосинтезу та метаболізму водоростей. Розглянутий метод дослідження дістав назву радіокарбонового аналізу.

 

 

Мал. 82.Електрофореграми білків: а — ферменту неспецифічних естераз дощових червів; б — транспортних білків крові — трансферинів карася. Кожний трек відповідає окремій особині

 

Подібні дослідження можна проводити і з тваринами, й навіть з окремими клітинами.

Ви, напевно, чули про радіокарбоновий аналіз, за допомогою якого можна визначити вік будь-яких викопних решток. Виявляється, в живому організмі 14C перебуває в рівновазі з навколишнім середовищем і його концентрація залишається сталою. Після загибелі вміст 14C починає повільно зменшуватися (період напіврозпаду становить 5,7 тис. років). Таким чином, за зменшенням концентрації цього ізотопу можна чітко визначити, скільки минуло часу з моменту загибелі організму.

Математичний аналіз даних. Отримані результати вимірювань називають первинними даними. Їх спочатку заносять у лабораторний журнал, а вже потім формують електронну базу даних і піддають математичній обробці, яка дозволяє визначити надійність і вірогідність отриманих результатів за допомогою алгоритмів. При цьому зазвичай обчислюється середнє значення, наприклад, вмісту жирів у молоці, отримане в серії дослідів, і статистична помилка цього середнього значення. Якщо помилка незначна, то можна стверджувати, що отримані результати вірогідні, а не є наслідком випадкових збігів. За допомогою алгоритмів біометрії (пригадайте, що це за наука) можна проводити й більш складні розрахунки — визначати вірогідність тенденцій або швидкості зміни різних процесів. Для цього проводиться моделювання з подальшим зіставленням отриманої моделі з реально існуючим об’єктом чи процесом, що дозволяє з тим або іншим рівнем імовірності затверджувати вірогідність відмінностей у результатах спостережуваних і очікуваних процесів, які відбуваються в організмі.

Результати узагальнюються у вигляді таблиць, графіків і діаграм — спеціальних графічних зображень, що унаочнюють числові співвідношення. Для цього використовують відповідні комп’ютерні програми.

Сучасна біохімія — це наука, розвиток якої тісно пов’язаний з розробкою методів виявлення, кількісного аналізу й виділення різних речовин, що містяться в організмі або утворюються в результаті життєдіяльності. У створенні цих методів використовуються не тільки досягнення хімії та фізики, але й математичні алгоритми й інформаційні технології.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити