ФАНТАСТИЧЕСКИЙ БУКЕТ

Сейчас займемся приготовлением цветов фантастической окраски. Мы воспользуемся свойством некоторых природных красителей изменять свой цвет под действием среды — тем самым свойством, благодаря которому нам удавалось превращать растения в самодельные индикаторы.

У английского писателя Редьярда Киплинга есть стихотворение «Синие розы» — о девушке, которая отвергла букет красных роз, и о юноше, который отправился на поиски синих, но так и не нашел их:

«Зря изъездил я весь свет —

Синих роз под солнцем нет».

Точно так же, как нет на свете ни зеленых пионов, ни желтых ландышей, ни малиновых нарциссов. И все же их можно видеть своими глазами...

В колбе или стакане смешайте 50 мл медицинского эфира с таким же количеством концентрированного раствора аммиака — это и есть реактив для изготовления фантастического букета. Пожалуйста, помните о том, что пары эфира легко воспламеняются, а значит, поблизости не должно быть огня. Кроме того, у обеих жидкостей резкий запах, поэтому опыт надо проводить в вытяжном шкафу или, в крайнем случае, на открытом воздухе.

Цветок, окраску которого вы собираетесь изменить, поместите над сосудом со смесью жидкостей. Некоторое время спустя (точное время придется определить на практике для каждого вида цветов) окраска изменится. Обе жидкости, которыми вы пользуетесь, летучи. Пары эфира экстрагируют Красители цветка из растительных клеток, а пары аммиака создают в лепестках щелочную среду. От этого красители и меняют окраску, подобно лабораторным индикаторам.

Обработав таким способом несколько разных цветков, вы получите невероятные букеты. Если вы собираетесь удивить необычными цветами своих знакомых, то учтите, что букет следует готовить незадолго до демонстрации, потому что обработанные смесью аммиака и эфира цветы быстро увядают.

Казалось бы, в кислой среде, под действием паров какой-либо кислоты, окраска цветов должна восстановиться. К сожалению, это не так: в цветках идут и необратимые процессы, поэтому восстановить прежний цвет удается далеко не всегда.

6

СВОИМИ ГЛАЗАМИ

Сейчас бурно развивается биохимия — и вы можете своими глазами увидеть биохимические превращения, Вы слышали о солнечных элементах, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую? Такие элементы можно изготовить самостоятельно — и они будут давать ток. Получить искусственный шелк, разделить смесь веществ на хроматографической колонке, синтезировать полупроводниковый материал и проверить его свойства—все это посильные задачи для юного химика.

Конечно, множество явлений и процессов останутся у нас вне поля зрения — необъятного не объять. Однако будем надеяться, что то немногое, с чем вы встретитесь в этой главе, даст вам пищу для размышлений. Увидеть своими глазами — очень важно, разобраться в сути — еще важнее.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: ОКСИДАЗЫ И ПЕРОКСИДАЗЫ

Начнем с окислительных ферментов — оксидаз и пероксидаз. Они присутствуют во многих живых тканях, потому что окисление лежит в основе процессов дыхания. Но действуют эти ферменты по-разному: оксидазы окисляют органические вещества кислородом воздуха, пероксидазы для той же цели «добывают» кислород из пероксидов. Конечно, вещества медленно окисляются и без помощи ферментов, но ферменты ускоряют реакцию во много тысяч раз.

При окислении некоторых веществ, например, фенола и гидрохинона, образуются окрашенные продукты реакции. Появление окраски говорит о том, что фермент сработал. А интенсивность окраски позволяет судить о количестве продуктов окисления. Если же окраска вообще не появляется, значит, фермент неактивен. Это может случиться в слишком кислой или слишком щелочной среде, или если отсутствуют поставщики кислорода, или в присутствии вредных для ферментов веществ—так называемых ингибиторов ферментов.

После этого небольшого вступления — сами опыты. Вам понадобятся: капустная кочерыжка, яблоко, клубень картофеля с ростками, луковица с корешками, проросшая в темноте. Реактивами будут служить холодная кипяченая, а еще лучше дистиллированная вода, гидрохинон (из магазина фототоваров) и аптечная перекись водорода. Запаситесь также теркой для овощей, водяной баней, пробирками или флакончиками из-под пенициллина, чистыми пипетками и марлей либо белой тканью.

Начнем исследования с капустного сока. Кусочек капустной кочерыжки, примерно 20 г, измельчите на терке, полученную кашицу отожмите через два слоя марли или один слой ткани, сок соберите в стакан и разбавьте водой в десять раз. Сразу же предупреждаем: при исследовании других растительных объектов сок нужно разбавлять не более чем в два-три раза.

Шесть чистых сухих пробирок или флакончиков пронумеруйте. В пробирки № 1, 2, 3 и 4 налейте по 1 мл разбавленного капустного сока. Пробирки 1 и 2 поставьте для разрушения (инактивации) ферментов минут на пять в кипящую водяную баню, а затем охладите до комнатной температуры. В пробирки 5 и 6 вместо сока налейте по 1 мл воды.

Во все шесть пробирок добавьте немного, на кончике ножа, гидрохинона. Затем в пробирки 1, 3 и 5 налейте по пять капель воды, а в пробирки 2, 4 и 6 — по пять капель пероксида водорода. Содержимое каждой пробирки тщательно перемешайте.

Через десять-пятнадцать минут можно уже наблюдать результаты опыта. Настоятельно советуем записать их в виде таблицы. Внесите в таблицу номера пробирок и состав смеси в каждой из них, в графе против каждой смеси пометьте, изменилась ли окраска в ходе опыта, а если изменилась, то как именно. В следующей графе сделайте вывод—произошло ли окисление.

Когда вся таблица будет заполнена, попытайтесь проанализировать полученные результаты. Для этого подумайте над такими вопросами.

Может ли пероксид водорода окислить гидрохинон в отсутствие капустного сока?

Окисляется ли гидрохинон под действием сока капусты без пероксида водорода?

Сохраняется ли активность ферментов в соке после кипячения?

Какие окислительные ферменты содержатся в капустном соке — оксидазы или пероксидазы?

Однако па основании опыта с растениями одного вида рано еще делать окончательные выводы. Поэтому поставьте такие же опыты с клубнем картофеля и его ростками, с мякотью яблок, с мясистыми чешуями луковицы, а также с ее донцем и листьями («перьями»). Напоминаем: в этих случаях полученный сок надо разбавлять водой в 2—3 раза.

Когда все опыты проделаны, можно определить, в каком из исследованных материалов окислительные ферменты активнее. Как вы считаете, могут ли одновременно присутствовать в растительных тканях оксидазы и пероксидазы?

Попытайтесь сделать выводы сами, не заглядывая в объяснение. А когда выводы сделаны, проверьте, насколько они правильны.

Вывод первый. Пероксид водорода может постепенно окислять гидрохинон и без сока: в пробирках 5 и 6 медленно появляется розовая окраска. Значит, фермент необязателен для реакции. Как и все катализаторы, ферменты лишь ускоряют начавшуюся реакцию во много раз. Вы заметили, конечно, как быстро появилась окраска в пробирке 4. Однако пероксидазы не могут ускорить реакцию гидрохинона с кислородом воздуха (окраска в пробирке 3 отсутствует или появляется очень медленно).

Вывод второй. Фермент можно вывести из строя даже кратковременным кипячением. В пробирке 2 окраски практически нет. Ведь ферменты—это белки; они свертываются при нагревании—в пробирках 1 и 2 появились белковые хлопья.

Вывод третий. В пробирке 3 окраска не появилась. Значит, в капустном соке содержатся только пероксидазы, ускоряющие окисление гидрохинона лишь в присутствии пероксида водорода. Однако в опытах с картофельными клубнями и яблоком окраска появляется, и особенно быстро при встряхивании флакона, когда раствор обогащается кислородом воздуха. Значит, в картофеле и яблоке есть оксидазы (конкретнее—фенолоксидаза), способствующие окислению гидрохинона кислородом. Поэтому и темнеют на воздухе разрезанные клубни картофеля и яблоки — они содержат вещества, родственные гидрохинону. Оксидаза также теряет активность при нагревании. Вспомните, темнеет ли вареный картофель? Наконец, четвертый вывод. В картофеле и яблоке есть также оксидазы — при добавлении пероксида в пробирку 4 окраска появляется скорее. А в мясистых чешуях лука оксидазы нет. Они не темнеют на воздухе даже с гидрохиноном.

Кстати, вы обратили внимание на то, что окислительные ферменты особенно активны в готовящихся к росту или растущих органах растений — в донце луковицы и ее корешках, в ростках клубней картофеля? Обмен веществ идет там наиболее интенсивно.

Итак, мы выяснили, что не всякие условия среды благоприятны для действия ферментов. Если сильный нагрев инактивирует ферменты, то, может быть, они более активны при низкой температуре? Проверим и это. Для опыта нужны будут дополнительно четыре стеклянные или металлические банки емкостью около одного литра и лед или снег (примерно 1 кг). Опыт поставим с капустной кочерыжкой.

Натрите кочерыжку на терке, сок, как и прежде, отожмите через марлю или ткань и разбавьте водой в двадцать раз. Пронумеруйте вновь пробирки, если старая нумерация почему-либо стерлась, и налейте в пробирки 1, 2, 3 и 4 по 1 мл разбавленного капустного сока, а затем добавьте гидрохинон на кончике ножа. В пробирки 5 и 6 вместо сока налейте по 1 мл воды и тоже насыпьте гидрохинон. А затем расставьте пробирки следующим образом: 1 — в банку со снегом или льдом; 2 — в банку с теплой водой (40°С); 3 — в банку с горячей водой (60°С); 4 — оставьте на столе при комнатной температуре; 5 — в банку с кипящей водой; 6 — оставьте при комнатной температуре.

Через 5 мин после начала опыта во все пробирки, начиная с более холодных, влейте по пять капель пероксида водорода. Смесь осторожно взболтайте и заметьте время начала реакции. Еще через 5 мин выньте пробирки из банок и запишите результаты опыта в виде таблицы, примерно такой же, как и в прошлый раз. Когда таблица заполнена, можно заняться анализом полученных данных.

Попробуйте сделать выводы самостоятельно, ответив сначала на следующие вопросы.

Ускоряется ли реакция окисления при повышении температуры без добавления фермента?

Можно ли сказать, что ферменты лучше действуют при охлаждении?

Какая температура наиболее благоприятна для действия пероксидаз?

Почему пищевые продукты дольше сохраняются в холодильнике?

Для чего кипятят молоко?

Почему теплокровные животные — млекопитающие и птицы—наиболее развитые и жизнеспособные животные на Земле?

Вы ответили на все эти вопросы? Тогда — наши пояснения.

Вы, вероятно, заметили, что скорость окисления гидрохинона пероксидом водорода неодинакова при низкой и высокой температурах. При высокой температуре скорость окисления, естественно, выше. Пероксидазы облегчают взаимодействие гидрохинона с пероксидом. В присутствии фермента реакция проходит даже при низкой температуре, однако чем выше температура, тем легче ферменту активировать молекулы реагирующих веществ.

Но нельзя забывать, что белки при высокой температуре свертываются, скорость реакции снижается. Существует понятие оптимальной температуры действия ферментов, при которой они проявляют наибольшую активность. Для разных ферментов эта температура неодинакова, но многие ферменты, в том числе и пероксидазы, имеют температурный оптимум 40—50°С.

Пищевые продукты портятся под действием ферментов, которые содержатся в них или выделяются микроорганизмами. На холоде активность ферментов снижается — вот почему в холодильнике продукты портятся меньше.

На верхнюю ступень эволюции поднялись теплокровные животные, которые могут поддерживать температуру тела, оптимальную для деятельности ферментов.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: ДЕГИДРОГЕНАЗЫ

До сих пор вы ставили опыты с растительными тканями. Попробуем поэкспериментировать с ферментами из тканей животных. Объект нового исследования — дегидрогеназы, которые участвуют в процессах тканевого дыхания у животных. Из названия этих ферментов видно, что они отнимают у веществ атомы водорода. Как это происходит, вы увидите чуть позже, а пока приготовьте все необходимое для опыта.

На этот раз вам понадобятся следующие вещества: 5 мл 0,5 %-ного водного раствора формальдегида (аптечный формалин разбавить водой в десять раз); столько же 0,02 %-ного водного раствора метиленового синего (можно использовать разбавленные синие чернила); столько же водного раствора янтарной кислоты, осторожно нейтрализованного пищевой содой до прекращения выделения пузырьков; 10 мл вазелинового или растительного масла. Еще нужен будет термометр и объекты исследования — свежее коровье молоко и мясо курицы или кролика.

Сначала посмотрим, как окисляет формальдегид дегидрогеназа свежего молока. Чтобы это стало заметно, и понадобился раствор красителя метиленового синего: дегидрогеназа отнимет у формальдегида атом водорода, перенесет его на легко восстанавливающийся краситель, и он обесцветится. А формальдегид окислится при этом до муравьиной кислоты. Обесцвеченный после восстановления краситель легко окисляется кислородом воздуха и вновь синеет. Поэтому реакционную смесь придется изолировать от воздуха слоем масла.

Пронумеруйте шесть пробирок. В пробирки 1 и 2 налейте по 5 мл свежего некипяченого молока, а в пробирку 3 — такое же количество холодного кипяченого молока.

Воду в водяной бане нагрейте до 37 °С. Во все три пробирки добавьте по 0,5 мл (около 50 капель) раствора формальдегида и по 5 капель раствора метиленового синего. Смесь станет голубой. В каждый флакон налейте немного масла, чтобы образовался тонкий изолирующий слой на поверхности, и поставьте пробирки 1 и 3 на водяную баню. Пробирку 2 оставьте при комнатной температуре. Заметьте время начала реакции и наблюдайте за изменением окраски растворов. Результаты не забудьте записать в тетрадь.

Как и раньше, зададим вам наводящие вопросы. При какой температуре раствор обесцвечивается быстрее?

Сохраняет ли фермент свою активность в кипяченом молоке?

Что произойдет, если продуть через обесцвеченный раствор воздух?

Прежде чем проверить правильность своих выводов, поставьте еще один опыт с дегидрогеназой, а потом уже рассмотрим результаты обоих опытов.

В мышцах животных содержится специфический фермент—дегидрогеназа янтарной кислоты. Она катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую с переносом отнятого водорода на подходящее вещество, например, на метиленозый синий. Эта реакция протекает без участия кислорода, как говорят, в анаэробных условиях.

Сырое мясо курицы или кролика (около 10 г) мелко нарежьте и разотрите на блюдце. Кашицу промойте несколько раз водой на марле, чтобы удалить растворимые вещества. Промытую кашицу размешайте с тройным объемом воды, в которую добавлена поваренная соль—примерно треть чайной ложки. Разбавленную кашицу влейте в пробирки 4, 5 è 6 — по 5 мл в каждую. Пробирку 4 погрузите на пять минут в кипящую водяную баню и охладите до комнатной температуры. Затем в пробирки 4 и 5 добавьте по 0,5 мл раствора янтарной кислоты и по 10 капель раствора метиленового синего, а в пробирку 6 добавьте 0,5 мл воды и 10 капель красителя. В каждый флакон долейте чуть-чуть масла, чтобы изолировать смесь от воздуха. Проследив изменение окраски, попробуйте ответить на очередные вопросы.

Восстанавливается ли краситель в присутствии прокипяченной кашицы из мяса?

Нужна ли для этой реакции янтарная кислота?

Сходно ли поведение ферментов из тканей при высокой температуре?

А теперь — пояснения. Дегидрогеназы в свежем молоке ускоряют реакцию окисления формальдегида (это замечено по обесцвечиванию метиленового синего). Восстановленному красителю можно вернуть синий цвет, окисляя его кислородом воздуха. Дегидрогеназа молока при низкой температуре «работает» медленно; после кипячения молока она вовсе теряет активность. Значит, у этого фермента тоже есть оптимальная температура реакции.

В опытах с кашицей из мышц дегидрогеназа янтарной кислоты, как и все ферменты, теряет активность после кипячения. В отсутствие янтарной кислоты реакция также не идет (если вы хорошо промыли кашицу водой и удалили таким образом содержащуюся в ней янтарную кислоту). Фермент довольно быстро окисляет янтарную кислоту до фумаровой, перенося атомы водорода на краситель.

И еще один опыт с этим же ферментом, но с другим объектом — с микроорганизмами. До сих пор вы имели дело с животными и растительными тканями. Однако микроорганизмы, пожалуй, еще лучше вооружены ферментами: ведь у них нет других средств борьбы за существование, кроме биохимических. С одним из микроорганизмов, а точнее — грибов, мы и поставим опыт. Речь идет об обычных пекарских дрожжах. Среди множества активных ферментов, которые вырабатываются дрожжами, есть и знакомая нам дегидрогеназа.

Кусочек прессованных дрожжей разотрите на блюдце с двумя чанными ложками кипяченой воды. Растирать лучше пластмассовой или алюминиевой ложкой. Когда смесь станет однородной, внесите ее чистой пипеткой в две пробирки. Их надо предварительно вымыть с мылом ватным тампоном на палочке, промыть водой и высушить. Другой пипеткой добавьте в обе пробирки немного масла.

Пробирку 1 поставьте на пять минут в кастрюлю с кипящей водой и охладите до комнатной температуры. В обе пробирки добавьте по щепотке сахарного песка и осторожно взболтайте, чтобы сахар растворился. Третьей пипеткой введите в обе пробирки по 10—15 капель раствора красителя. Наблюдайте за окраской раствора.

Опыт можно несколько усложнить, для этого понадобится больше пробирок. Попробуйте изменять температуру раствора, брать разные количества дрожжей и сахарного песка. А выводы предоставляем вам сделать самостоятельно, без всяких наводящих вопросов. Теперь, когда вы накопили достаточный опыт, вам это вполне под силу.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: АМИЛАЗЫ

Ферменты ускоряют течение многих химических реакций, и делают это избирательно. У каждого из них своя узкая «специальность», один и тот же процесс ускоряется иногда несколькими ферментами. В этом мы сейчас и убедимся.

Рассмотрим ферменты, разрушающие крахмал с присоединением к его «осколкам» молекул воды, т.е. гидролитические ферменты. Среди них—амилазы, о которых мы уже рассказывали в главе «Опыты с углеводами». Поскольку суть действия таких ферментов вы уже знаете, займемся сразу сравнительными опытами: проверим, как действуют на крахмал амилазы человека и животных.

Источником амилазы человека, как и раньше, будет служить слюна. Амилазы животного происхождения вы найдете в пчелином меде.

Приготовьте сначала пять растворов. Первый раствор: соберите в пробирку около 0,5 мл слюны и разбавьте холодной кипяченой водой в двадцать раз. Второй раствор: очень жидкий крахмальный клейстер (четверть чайной ложки крахмала на стакан воды). Третий раствор: разбавленная водой в двадцать раз аптечная иодная настойка. Четвертый раствор: две-три капли пчелиного меда, разведенные водой в десять раз и тщательно перемешанные. Пятый раствор: половина чайной ложки пищевой соды на десять ложек воды,

На этот раз потребуется девять пробирок. Во все пробирки налейте около 5 мл клейстера. В пробирки 1, 4 и 7 прибавьте пипеткой по 5 капель уксуса, а в пробирки 2, 5 и 8—столько же раствора соды. В остальные пробирки прибавьте по 5 капель чистой воды. Содержимое всех пробирок перемешайте и в каждую внесите по 10 капель разбавленной слюны.

Через 10 мин в пробирки 1, 2 и 3 прибавьте одну-две капли раствора иода и перемешайте смесь. Наблюдайте за изменением окраски. Еще через 15 мин прибавьте такую же порцию иода в пробирки 4, 5 и 6, а еще через 10 мин—в остальные пробирки. Крахмал и декстрины, как вы помните, дают различную окраску с подом, и по мере разрушения крахмала амилазой цвет меняется. Так можно судить не только о распаде крахмала, но и о том, какая среда—кислая, нейтральная или щелочная— более благоприятна для этого процесса.

Опыт с пчелиным медом ставится точно так же. Активность амилаз в разных образцах может сильно колебаться, поэтому, возможно, время гидролиза придется уменьшить или увеличить. Например, в слюне заядлых курильщиков амилазы содержится очень мало.

Для следующего опыта понадобится ячменный солод — проросшие зерна ячменя. Опустите зерна в воду на несколько часов и оставьте их прорастать на блюдце в течение 4—5 дней, каждый день подливая немного воды. Проростки отделите, промойте водой è тщательно разотрите деревянным пестиком или ложкой. Кашицу разбавьте двойным количеством дистиллированной воды и отожмите через плотную ткань в стакан. Такой экстракт содержит два фермента: альфа-амилазу и бета-амилазу. Дополнительной обработкой можно разрушить один из них, чтобы наблюдать действие другого. Альфа-амилазу разрушим нагреванием. К одной части экстракта из ячменя добавьте три части воды, размешайте смесь и нагревайте ее 20 мин на водяной бане при 70 0С, тщательно перемешивая. Охлажденный раствор содержит бета-амилазу.

Теперь, чтобы получить раствор альфа-амилазы, нужно разрушить бета-амилазу кислотой. Около 5 мл экстракта охладите до 2—3 °С в холодильнике или на льду, прибавьте неполную чайную ложку охлажденного уксуса и долейте в пробирку почти доверху холодную воду. Смесь перемешайте и оставьте на 15—20 мин, а затем нейтрализуйте раствор, добавляя порошок мела до прекращения выделения пузырьков. Еще раз размешайте смесь, разбавьте в два раза водой, дайте отстояться и слейте жидкость над осадком в чистую пробирку. На этом подготовка к опыту закончена.

В десять пробирок налейте по 1 мл раствора крахмала и по 9 мл воды. В пробирки 1—5 добавьте пипеткой десять капель раствора альфа-амилазы, в остальные пробирки—столько же раствора бета-амилазы, Содержимое всех пробирок перемешайте. Через 3 мин в пробирки 1 и 6 прибавьте одну каплю раствора иода и размешайте. То же проделайте с пробирками 2 и 7 через 5 мин, 3 и 8—через 10 мин, 4 и 9—через 20 мин, 5 и 10—через 30 мин.

Вы заметите, что в присутствии альфа-амилазы окраска быстро меняется: синяя—фиолетовая— розовая—желтая: при этом образуются декстрины— осколки молекул крахмала. Бета-амилаза действует иначе: она как бы «откусывает» кусочки от молекул крахмала, и поэтому окраска с иодом остается синей, но по мере распада крахмала ее яркость уменьшается.