Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Біологічно активні речовини

Біологічно активні речовини — органічні сполуки, здатні впливати на біологічні процеси в організмі. Біологічну активність, зокрема, виявляють вітаміни, ферменти, гормони.

Вітаміни. Вітаміни (від лат. vita — життя) — група низькомолекулярних органічних сполук порівняно простої будови й різноманітної хімічної природи. Вони є біорегуляторами, які в невеликих кількостях необхідні для нормальної життєдіяльності людини. Вітаміни мають надходити з їжею, оскільки організм не може задовольнити свої потреби в них за допомогою біосинтезу1. Їхню роль у забезпеченні нормального функціонування організму важко переоцінити. Ці сполуки забезпечують життєво необхідні процеси в організмі, беруть активну участь в обміні речовин. Надходження достатньої кількості вітамінів до організму можливе за умови споживання різноманітної їжі (мал. 2.37). Обмін вітамінів є взаємопов’язаним, нестача одного з них упливає на засвоєння інших.

Вітамін С (аскорбінова кислота) бере участь у процесі кровотворення, сприяє засвоєнню в організмі інших вітамінів, білків, Феруму, поліпшує роботу печінки, функцію нервової та ендокринної систем.

Вітамін А (ретинол) необхідний для нормального росту, функції зору, обміну речовин. Ретинол надходить до організму з продуктами тваринного походження, з рослинною їжею — у вигляді каротину, який у печінці перетворюється на вітамін.

1 Біосинтез низки вітамінів відбувається в організмі людини, однак лише внаслідок дії зовнішніх чинників, наприклад ультрафіолетового опромінення (вітаміни групи D), або з деяких попередників (провітамінів), одержуваних з їжею (наприклад, вітамін А організм синтезує з каротинів).

Мал. 2.37. Вітамінний розмай на картинах Катерини Білокур: 1 — Богданівські яблука (1958-1959); 2 — Виноград з ожиною (друга половина 1950-х); 3 — Квіти та овочі (1959—1960); 4 — Кавун, морква, квіти (1951)

Вітаміни групи В: В1, В2, В3, (тіамін, рибофлавін, піридоксин) регулюють обмін речовин, функцію багатьох органів і систем. Потреба в них підвищується за м’язових навантажень, нервово-психічних напружень. Якщо цих сполук в організмі не вистачає, порушуються функції нервової, травної, серцево-судинної систем, уповільнюються процеси росту, кровотворення, знижується опір організму до різноманітних хвороб.

Мал. 2.38. Харчові продукти, що містять вітаміни групи В, на художніх полотнах Клари Петерс (1594-1657, Фламандія): 1 — Натюрморт з рибою й кішкою (після 1620); 2 — Натюрморт із сирами, мигдалем і кренделями (бл. 1615)

Вітамін Е (токофероли) сприяє засвоєнню жирів, вітамінів А і D, бере участь в обміні білків, вуглеводів, впливає на функцію статевих та ендокринних залоз. Багаті на токофероли зернові, овочі, жирні молочні продукти, яйця, олія, горох, квасоля, гречана крупа, м’ясо, риба, шпинат, спаржа, абрикоси (мал. 2.39).

Мал. 2.39. Харчові продукти, що містять вітаміни групи Е, на художніх полотнах: 1 — Адольф Вільям Бугро (1825-1905) Дівчинка, яка їсть кашу (1874); 2 — Корте Адріан Натюрморт зі спаржею й смородиною (1696), 3 — Натюрморт з п’ятьма абрикосами (1704); 4 — Жорж де Латур (1593-1652, Франція) Їдці гороху (1620-ті); 5 — Аннібале Карраччі (1560-1609, Італія) Їдок квасолі (1584-1585)

Звісно, цим перелік вітамінів не обмежується. Зверніть увагу: надлишок вітамінів так само небезпечний, як і їх нестача. Пригадавши з курсу біології значення термінів авітаміноз і гіпервітаміноз, ви зможете самостійно пояснити, чому саме.

Фрагменти молекул деяких вітамінів є складниками речовин, які впливають на активність ферментів.

Ферменти1 — високоспецифічні органічні каталізатори, глобулярні білки, синтезовані живими клітинами. Процеси, що відбуваються за участі ферментів, відомі людині з глибокої давнини, адже приготування хліба, сиру, вина й оцту ґрунтується на ферментативних процесах.

Для створення синтетичних ферментів широко використовують циклодекстрини. На основі β-циклодекстрину синтезовано гідролітичні ферменти, зокрема ферменти з хімотрипсиновою, трансамілазною й рибонуклеазною активністю.

З курсу біології ви вже знаєте, що в кожній клітині є сотні ферментів. Вони беруть участь в обміні речовин, синтезі, розпаді жирів і нуклеїнових кислот. Перетравлювання й засвоєння харчових продуктів також відбуваються за участі ферментів. Ферментні системи впливають на дихання, розмноження, м’язове скорочення, кровообіг і нервово-психічну діяльність. Без них реакції в клітині проходили б занадто повільно й не могли б підтримувати життя. Ферменти широко використовують як потужні інструменти для визначення будови біополімерів, у генно-інженерних розробках, у медицині та харчовій промисловості.

Ферменти в медичній практиці застосовують як діагностичні й терапевтичні засоби та як специфічні реактиви. Наприклад, для кількісного визначення глюкози в сечі й у крові використовують фермент глюкозооксидазу. А вміст у цих рідинах сечовини визначають за допомогою ферменту уреази.

Оскільки ферменти зберігають свої властивості й поза організмом, їх успішно використовують у різних галузях промисловості. Наприклад, протеолітичний фермент папаїн (із соку папаї) — у пивоварінні, для зм’якшення м’яса; пепсин — у виробництві «готових» каш і як лікарський препарат; трипсин — у виробництві харчових продуктів для дітей; ренін (сичужний фермент зі шлунка теляти) — у сироварінні. Каталазу широко застосовують у харчовій і гумовій промисловості; а целюлази й пектидази, які розщеплюють полісахариди, — для освітлення фруктових соків. Пральні засоби з ензимами добре вибавляють плями органічного походження — крові, поту, жиру, рослинних барвників тощо (мал. 2.40).

З молока виділено 20 нативних ферментів. Крім них, у цій біологічній рідині є й мікробні ферменти. Принцип дії молочних ферментів має вибірковий характер, що дає змогу контролювати властивості сирого молока та їхні зміни під час технологічної переробки. Визначення активності каталази використовують для контролю молока, отриманого від хворих тварин. Проба на пероксидазу, а також на фосфатазу є критерієм оцінки режиму теплової обробки (пастеризації) молока й вершків. За кількістю редуктази судять про санітарне благополуччя й ступінь свіжості молока, за цим показником визначають загальну кількість бактерій у ньому.

1 Від лат. fermentum — закваска, ензим.

Мал. 2.40. Ензими в дії: 1 — ензими є — плям немає; 2 — ензими сприяють травленню; 3 — ферменти — елементи сироваріння

Роль хімічної наукової спільноти в дослідженні біологічно активних речовин важко переоцінити. Наприклад, Дороті Кроуфут Годжкін (мал. 2.41.1) — британська біохімікиня, відома у зв’язку з розробленням рентгеноструктурного аналізу білків, визначення структур пеніциліну та вітаміну В12. У 1964 році одержала Нобелівську премію з хімії «за визначення за допомогою рентгенівських променів структур біологічно активних речовин». У 1969 році, за п’ять років після отримання Нобелівської премії, також установила структуру інсуліну.

Герті Тереза Корі (мал. 2.41.2) — американська біохімікиня, лавреатка Нобелівської премії з фізіології або медицини 1947 року (спільно із чоловіком Карлом Корі) «за відкриття каталітичного перетворення глікогену». Цей список можна продовжити (зробіть це).

Мал. 2.41: 1 — Дороті Кроуфут Годжкін (1910—1994); 2 — поштова марка із зображенням Герті Терези Корі (1896—1957)

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Схарактеризуйте елементний склад людського організму.

2. Наведіть приклади біогенних елементів. Поясніть, за якими ознаками класифікують біогенні елементи.

3. Прокоментуйте вислови: а) «У кожному кругляку на бруківці є всі елементи періодичної системи» (Іда Ноддак1, 1935); б) «В організмі не тільки є всі елементи, а й кожен з них виконує якусь функцію» (В. І. Вернадський2, 1937). Висловте свою думку щодо актуальності цих тверджень сьогодні.

4. Поясніть, чому дефіцит Флуору викликає карієс зубів, а дефіцит Йоду — ендемічний зоб.

5. Наведіть приклади неорганічних й органічних речовин в організмі людини.

6. Прокоментуйте з огляду на вивчене уривок твору3 «Тирамісу з полуницями»: «Людське тіло можна вважати комплексом атомів. Ми складаємося з хімічних сполук, а ті й собі — з хімічних елементів. Середньостатистична доросла жінка, яка важить сімдесят кілограмів — це сорок три кілограми Оксигену, шістнадцять Карбону й близько двох кілограмів Нітрогену. Склад нашого організму аж ніяк не вражаючий і не надто відрізняється від хімічного складу інших тіл у космосі. Та наше тіло космічне не лише через хімічний склад. Воно космічне, бо атоми, з яких воно складається, не вмирають, а лише змінюють свій стан. Кожен атом, з якого створено наше тіло, був колись усередині зорі, а деякі утворилися навіть під час Великого Вибуху». Підтвердьте розрахунками або спростуйте кількісні дані, наведені в ньому.

7. Опишіть фізичні властивості жирів та їхнє застосування.

8. Поясніть, на яких реакціях ґрунтуються: а) перетворення олій на тверді жири; б) добування мила.

9. Пригадайте, як тварини в дикій природі пристосовуються до умов існування, і поясніть: а) роль жирів у пристосованості ведмедів, пінгвінів, лебедів; б) чим небезпечне розлиття нафти для водоплавних птахів.

10. Обґрунтуйте, якими розчинниками — полярними чи неполярними — доцільно видаляти жирові плями.

11. Поясніть з погляду хімії: а) українське прислів’я: «Було сало, милом стало»; б) чому зі стеаринової свічки можна виготовити мило, а з парафінової — ні; в) назву науково-популярної статті про жири: «Рідке золото організмів».

12. Поясніть, чому: а) Шеєле назвав відкритий ним гліцерол «солодким началом жирів»; б) жир плаває на поверхні води; в) у міру проростання насіння в ньому зменшується частка жирів і зростає вміст вищих карбонових кислот; г) деякі вітаміни виробляють у капсулах у вигляді олійних розчинів. Наведіть приклади таких вітамінів.

13. На уроці хімії продемонстровано дослід: в одну пробірку налили олію, в іншу — машинне масло. До вмісту обох пробірок добавили по кілька крапель спиртової настоянки йоду й перемішали. Рідини набули коричневого кольору. Пробірки закоркували й залишили в темному місці. Наступного дня виявили, що в одній із пробірок рідина знову стала світлою. Поміркуйте й поясніть зміни, що відбулися.

14. Підготуйте презентацію із загальною назвою «Жири: користь і шкода».

15. Наведіть: а) загальну формулу вуглеводів; б) молекулярні формули глюкози, сахарози, лактози, мальтози, крохмалю, целюлози, глікогену; в) приклади вуглеводів і їхніх тривіальних назв.

1 Фізико-хімікиня, фахівчиня в галузі геохімії та радіохімії, 1896-1978, Німеччина.

2 Природознавець, засновник геохімії, біогеохімії та радіогеології, вчення про біосферу, космізм, 1863-1945, Росія, Україна.

3 Йоанна Яґелло, письменниця й журналістка, авторка творів для дітей та молоді, нар. 1974, Польща. Тирамісу з полуницями.

16. Поясніть: а) походження назви «вуглеводи»; б) за якою ознакою класифікують вуглеводи на моно-, ди-, полісахариди; в) які характеристичні групи є в молекулах глюкози, сахарози, крохмалю, целюлози; г) які речовини є продуктами часткового окиснення глюкози купрум(ІІ) гідроксидом, відновлення глюкози воднем; д) чим крохмаль подібний до целюлози і чим відрізняється від неї; е) значення реакцій фотосинтезу, бродіння глюкози, гідролізу сахарози, крохмалю, целюлози, глікогену.

17. Опишіть поширення вуглеводів у природі й харчових продуктах.

18. Висловте припущенння, чому: а) сік стиглого яблука відновлює амоніачний розчин аргентум(І) оксиду, а сік незрілого — ні; б) сік незрілого яблука набуває синього кольору під дією йодної настоянки; в) якщо довго жуєте шматочок хліба, то відчуваєте солодкий смак; г) борошнистий смак насіння під час проростання змінюється на солодкуватий.

19. У промисловості гідроліз крохмалю здійснюють нагріванням з розбавленою сульфатною кислотою. Висловте припущення, для чого після закінчення гідролізу до розчину добавляють надлишок крейди. Підтвердьте свої міркування хімічним рівнянням.

20. Так званий інвертний сироп утворюється внаслідок кип’ятіння цукрового сиропу з лимонною кислотою. Він значно солодший за цукровий. Висловте припущення щодо хімічного складу інвертного сиропу й запропонуйте спосіб, у який можна хімічно відрізнити його від цукрового. Поясніть, чому інвертний сироп солодший за звичайний.

21. Підготуйте презентацію «Як ми використовуємо вуглеводи».

22. Наведіть приклади амінокислот.

23. Поясніть: а) чому амінокислоти утворюють внутрішні солі; б) як утворення внутрішньої солі впливає на властивості амінокислот; в) як амінокислоти реагують з лугами й кислотами; г) як утворюються пептиди; д) що таке пептидна група та пептидний зв’язок; е) із чого складається поліпептидний ланцюг; є) де і для чого застосовують амінокислоти.

24. Проаналізуйте структурні формули лізину (1), глутамінової кислоти (2), серину (3), валіну (4) і поясніть, чому: а) у водному розчині 2-аміноетанової кислоти універсальний індикатор не змінює забарвлення, у водному розчині лізину набуває синього кольору, а у водному розчині глутамінової кислоти — червоного; б) серин ліпше розчиняється у воді, ніж валін.

  • 25. Складіть рівняння реакцій: а) гліцину з калій гідроксидом і хлоридною кислотою; б) добування натрій моноглутамату — підсилювача смаку Е 621 — з глутамінової кислоти й натрій гідроксиду, якщо в реакції бере участь лише карбоксильна група, сполучена з тим самим атомом Карбону, що й аміногрупа; в) хімічні рівняння утворення трипептидів, що складаються із залишків лізину, глутаміну й серину. Скільки різних трипептидів може утворитися з трьох різних амінокислот?

26. В одноразовий термостійкий пластиковий стакан налийте молоко об’ємом 50 мл, розбавте його вдвічі водою й добавте столовий оцет об’ємом 1 мл (замість оцту можна використати розчин лимонної кислоти або сік цитрини). Трохи нагрійте цю суміш. Опишіть спостереження.

  • Запропонуйте спосіб попередньої перевірки молока на вміст речовин, які спричиняють його зсідання.
  • Поясніть, для чого недобросовісні продавці в місцях стихійної торгівлі добавляють у молоко питну соду, антибіотики.
  • Спрогнозуйте наслідки споживання порівняно дешевого молока, яке не пройшло санітарний контроль. Оцініть доцільність покупок у місцях стихійної торгівлі.

27. Приготуйте два однакові клаптики накрохмаленої сухої марлі завбільшки з долоню, блюдце з розбавленим розчином йоду, склянку з водою, ватні палички. Добре змочіть слиною вату на одній з паличок і посередині клаптика накрохмаленої марлі напишіть літеру. Затисніть марлю між долонями й тримайте так 2—3 хв, а потім змочіть розчином йоду. Спостерігайте, як забарвлюється клаптик марлі. Повторіть ці дії, але замість слини змочіть вату на другій паличці водою. Опишіть спостереження, порівняйте й поясніть результати дослідів.

28. Складіть сенкан «Білки».

29. Опишіть у загальному вигляді склад і будову ДНК.

30. Оцініть правильність застосування терміну «полінуклеотиди» стосовно нуклеїнових кислот. Обґрунтуйте свою думку.

31. Порівняйте склад і будову ДНК й РНК.

32. Обґрунтуйте роль нуклеїнових кислот в організмі.

33. Поясніть, яке значення мають нуклеїнові кислоти для організмів, розвитку науки й технологій.

34. Наведіть приклади етичних проблем, які виникають у зв’язку з дослідженнями нуклеїнових кислот.

35. «ДНК та РНК надихають митців». Доберіть ілюстрації на підтвердження цієї тези й створіть віртуальну виставку творів.

36. Дізнайтеся, використавши різноманітні джерела інформації, про новітні матеріали й технології, пов’язані з нуклеїновими кислотами. За результатами досліджень підготуйте презентацію.

37. Поясніть, чому вітаміни й ферменти відносять до біологічно активних речовин.

38. Наведіть приклади найважливіших вітамінів і схарактеризуйте їхню біологічну активність.

39. Поясніть, де і для чого використовують ферменти.

40. У яблуках і бананах є антиоксиданти (поліфеноли) і фермент поліфенолоксидаза, функція якого полягає в окисненні поліфенолів. Для того щоб ці дві речовини почали взаємодіяти, потрібен кисень — саме тому неушкоджене яблуко не темніє. Щоби шматочки яблук і бананів не темніли, їх кладуть у воду або збризкують лимонним соком. Поясніть з погляду хімії, чому ці засоби є ефективними.

41. Поясніть, чому ферменти інактивуються внаслідок нагрівання.

42. Порівняйте хімічні та біохімічні каталізатори (ферменти).

43. Ярина стверджувала, що насправді корисними є вітаміни, що надходять в організм з природною їжею. Назар заперечував: вітаміни, добуті за допомогою хімічного синтезу, нічим не відрізняються від природних. А як вважаєте ви? Аргументуйте свою думку.

44. Проаналізуйте інформацію, оцініть її достовірність і практичне значення: «2014 року Рада медичних досліджень Великобританії повідомила про створення ферментів зі штучного генетичного матеріалу, який також було виготовлено в лабораторних умовах. Синтетичні ферменти функціонують так само, як і природні. Це дає ключ до розуміння процесів зі створення будівельних блоків життя й нові перспективи для виготовлення лікарських засобів».

45. Сплануйте та проведіть досліди, які доводять, що в слині є ферменти. Опишіть і поясніть результати вашого дослідження.

46. Доведіть, що пральні засоби з ензимами доцільно використовувати для прання за температури 30-40 °С, а не 80-90.

47. Приготуйте, використавши аптечну настоянку йоду, його водно-спиртовий розчин (він має бути кольору міцного чаю). Долийте до нього рідкий крохмальний клейстер до утворення синього забарвлення. Витисніть трохи соку з різних цитрусових, також підготуйте зразки пакетованих соків. Кожен зразок соку вдвічі розбавте дистильованою водою. До підготовленого зразка соку доливайте по краплям йодований розчин крохмального клейстеру. Спостерігайте за зміною забарвлення протягом однієї хвилини. Якщо в соку багато аскорбінової кислоти, йодокрохмальний клейстер має знебарвитися. Порівняйте вміст аскорбінової кислоти в досліджених зразках. Зробіть висновок.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Практична робота 1. Виявлення органічних кислот у харчових продуктах

Завдання. Використайте універсальний індикаторний папір, природні індикатори (буряковий сік, чайну заварку, сік червонокачанної капусти тощо) для виявлення органічних кислот у харчових продуктах. Сплануйте експеримент, виконайте його, опишіть свої спостереження й зробіть висновок.

Практична робота 2. Розпізнавання органічних сполук

Завдання. Доберіть реактиви й розпізнайте: а) крохмальний клейстер та яєчний білок; б) розчини глюкози й сахарози; в) розчини глюкози й гліцеролу; г) крохмальний клейстер і гліцерол; д) яєчний білок і гліцерол.

Сплануйте експеримент, виконайте його, опишіть свої спостереження й зробіть висновок.