Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки

Г.Н. Ефименко, учитель биологии Московской экономической школы.

Лабораторное исследование в 11-м классе

Дорогие коллеги! В погоне за повышением уровня теоретических знаний, стремясь «вложить» в наших учеников как можно больше фактов, законов и теорий, мы порой не успеваем раскрыть детям самое прекрасное и волнительное в нашей науке – возможность познавать новое через эксперимент. Мы все прекрасно понимаем, как трудно научить ребенка думать, не бояться пробовать и ошибаться, как важно научить его искать, добывать знания самостоятельно. Но не в этом ли состоит главная задача нашей работы? Стимулировать ребенка к поиску, размышлениям, экспериментированию помогают лабораторные работы, проводимые в виде небольших исследований, результаты которых не известны ученикам заранее. Такие работы позволяют без особых усилий повысить мотивацию школьников к изучению биологии.

Существует два препятствия для организации мини-исследований на уроках: бедная материальная база в большинстве школ и ограниченное количество учебного времени. Первое препятствие можно обойти, подобрав работы, не требующие больших затрат и сложных приборов. Вопрос со временем можно решить, например, за счет часов, отведенных на школьный биологический кружок.

Вашему вниманию предлагается небольшое исследование по изучению свойств цитоплазматической мембраны растительной клетки. Оно называется «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки».

Комментарии для учителя

В данном исследовании используется краснокочанная капуста. В вакуолях ее клеток содержится водорастворимый пигмент антоциан, придающий ее листьям характерную окраску. При разрушении клеточной стенки, цитоплазматической и вакуолярной мембран клетки антоциан выходит наружу и окрашивает раствор в пробирке в синий цвет. Для чистоты эксперимента нужно пользоваться одинаковыми пробирками, одинаковыми кусочками капусты (одинаковой толщины и площади), добавлять одинаковое количество всех химических веществ.

В первой части работы учащимся предлагается разрушить оболочку и мембраны клеток механически – при помощи скальпеля. Разрезая листья капусты на кусочки, ученик разрушает клетки, и антоциан выходит наружу. Пигмент окрашивает воду, в которую помещаются кусочки листьев, в синий цвет. В дальнейшем ученику предлагается пользоваться только отмытыми от пигмента кусочками. Чтобы полностью удалить антоциан из разрушенных клеток, учителю необходимо заранее нарезать достаточное количество кусочков капусты и вымочить их в водопроводной воде в течение 3 ч, меняя воду несколько раз.

Во второй части работы учащимся предлагается выяснить влияние различных химических веществ на клеточную мембрану. В сухие (!) пробирки помещаются одинаковые кусочки капусты, обсушенные фильтровальной бумагой. В каждую пробирку добавляется одно из предложенных веществ (см. «Инструкцию для учащегося»). Выбор веществ не случаен: этанол – полярное соединение, соляная кислота и гидроксид натрия – электролиты. Они взаимодействуют, в основном с полярными (гидрофильными) составляющими мембраны (белками, гликопротеидами, полярными головками молекул фосфолипидов) и вызывают денатурацию белков и их частичную экстракцию из мембран. (Этанол, благодаря наличию метиловой группы способен взаимодействовать и с фосфолипидами, но этим взаимодействием в условиях опыта можно пренебречь.) Все это приводит к нарушению целостности клеточных мембран и выходу пигмента в раствор. Соляная кислота и щелочь вступают в химическую реакцию с антоцианом, придавая раствору красную и желтую окраску соответственно. По этой причине антоциан может быть использован как природный индикатор для обнаружения анионов гидроксила и катионов водорода в водном растворе.

Бензин и ацетон – неполярные растворители, взаимодействующие в основном с неполярными (гидрофобными) составляющими мембраны (хвостами молекул фосфолипидов, внутримембранными группами белков). Кроме того, ацетон, как и этанол, вызывает денатурацию белков. Антоциан в бензине не растворяется (но растворяется в ацетоне), поэтому в опыте окраска бензина не изменяется. В этом опыте нужно особенно тщательно обсушить кусочки капусты фильтровальной бумагой и пользоваться только сухой посудой. При добавлении к бензину воды антоциан переходит в водный слой и окрашивает его в синий цвет, бензиновый слой сохраняет свою желтоватую окраску.

Бытовое моющее средство обычно содержит несколько детергентов – амфифильных (т.е. проявляющих и гидрофобные, и гидрофильные свойства) соединений, которые воздействуют на различные компоненты мембран, но главным образом на гидрофобные. В опыте с бытовым моющим средством содержимое пробирки окрашивается в слабый желтый цвет, что позволяет сделать вывод о наличии в нем щелочи. Для опыта нужно брать бесцветное моющее средство.

Поваренная соль – полярное соединение, но в условиях опыта она не разрушает клеточные мембраны, поэтому раствор в пробирке остается бесцветным. Ученик может заметить изменение тургора клеток капусты, но в данной работе это необязательно.

В третьей части работы учащимся предлагается выяснить воздействие температуры на целостность цитоплазматической мембраны. Одна пробирка помещается в баню при температуре не выше 40 °С, другая – при температуре не ниже 60 °С, третья пробирка кипятится в течение нескольких минут. При температуре выше 40 °С белки денатурируют, целостность мембран нарушается, и антоциан выходит в воду, придавая ей синюю окраску. При кипячении кусочков краснокочанной капусты попавший в воду антоциан подвергается термическому разложению и становится бледно-зеленым.

Во всех опытах необходимо отмечать не только окраску раствора, но и цвет кусочков капусты. Кусочки могут обесцветиться полностью или только по краю – в зависимости от количества разрушенных клеток. В опытах с соляной кислотой и гидроксидом натрия кусочки окрашиваются в тот же цвет, что и раствор. Это, возможно, говорит о том, что ионы водорода и гидроксила проникают внутрь клеток и там взаимодействуют с антоцианом.

Инструкция для учащегося

Тема работы: «Изучение факторов, влияющих на целостность цитоплазматической мембраны растительной клетки».

Цель работы: выяснить условия разрушения цитоплазматической мембраны клеток листа краснокочанной капусты.

Приборы и материалы: листья краснокочанной капусты; скальпель; линейка; пинцет; 13 пробирок с пробками; лабораторный штатив для пробирок; водяная баня; термометр; мерный цилиндр; кусочки листьев краснокочанной капусты, предварительно вымоченные в воде в течение 3 ч; фильтровальная бумага; лист белой бумаги; вода; этанол (96%); ацетон; бензин; растворы соляной кислоты (1 М), гидроксида натрия (1 М) и хлорида натрия (10%); смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).

Безопасность и чистота эксперимента

1. Прочтите всю инструкцию до конца, ПРЕЖДЕ чем начнете выполнять работу.

2. Пользуйтесь только СУХИМИ пробирками.

3. Промывайте мензурку и пинцет в воде ПЕРЕД КАЖДЫМ ОПЫТОМ.

4. Для опыта с бензином возьмите сухую мензурку.

5. Работая с ацетоном и бензином, быстро закрывайте пробирки пробками и ставьте пробирки ПОД ТЯГУ.

ХОД РАБОТЫ

Часть 1

1. Вырежьте 3 квадратных кусочка из листьев краснокочанной капусты. Следите, чтобы кусочки были одинаковыми.

2. Поместите кусочки капусты в пробирку и добавьте 5 мл воды. Пронумеруйте эту пробирку №1.

3. Поставьте пробирку в штатив.

4. Отмечайте изменения окраски содержимого пробирки. Определение окраски раствора удобно проводить на фоне листа белой бумаги.

Часть 2

5. Возьмите другую пробирку и повторите пункты 2 и 3, используя кусочки капусты, предварительно вымоченные в воде. Пронумеруйте эту пробирку №2.

6. Пронумеруйте 8 пробирок: №3, №4, №5, №6, №7, №8, №9 и №10.

7. Положите промытые кусочки капусты на фильтровальную бумагу и тщательно промокните их. Поместите высушенные кусочки в пробирки и добавьте вместо воды по 5 мл следующих жидкостей:

в пробирку №3 – этанол (96%);

в пробирку №4 – ацетон;

в пробирку №5 – соляную кислоту (1 М) ;

в пробирку №6 – гидроксид натрия (1 М);

в пробирку №7 – раствор хлорида натрия (10%);

в пробирку №8 – бензин;

в пробирку №9 – смесь бензина и воды (1:1);

в пробирку №10 – смесь воды и средства для мытья посуды (10:1).

8. Отметьте окраску содержимого всех пробирок (используйте лист белой бумаги в качестве фона).

Часть 3

9. Пронумеруйте еще 3 пробирки №11, №12 и №13.

10. Поместите в пробирки №11, №12 и №13 по

5 кусочков капусты и добавьте в каждую по 5 мл воды.

11. Поместите пробирку №11 в водяную баню при t = 40 °С.

12. Поместите пробирку №12 в водяную баню при t = 60 °С.

13. Поместите пробирку №13 в водяную баню при t = 100 °С.

14. Отметьте изменения окраски во всех пробирках (используйте лист белой бумаги в качестве фона).

15. Оформите результаты в виде таблицы: