DNA-Rna-πρωτεϊνικός

Το DNA φέρνει τις γενετικές πληροφορίες ενός κυττάρου και αποτελείται από χιλιάδες γονίδια. Κάθε γονίδιο χρησιμεύει ως μια συνταγή στο πώς να χτίσει ένα πρωτεϊνικό μόριο. Οι πρωτεΐνες εκτελούν τους σημαντικούς στόχους για τις λειτουργίες κυττάρων ή χρησιμεύουν ως οι δομικές μονάδες. Η ροή πληροφοριών από τα γονίδια καθορίζει την πρωτεϊνική σύνθεση και με αυτόν τον τρόπο οι λειτουργίες του κυττάρου.

Το DNA είναι τοποθετημένο στον πυρήνα, που οργανώνεται στα χρωμοσώματα. Κάθε κύτταρο πρέπει να περιέχει τις γενετικές πληροφορίες και το DNA επομένως αναπαράγεται προτού να διαιρέσει ένα κύτταρο (αντένσταση). Όταν οι πρωτεΐνες απαιτούνται, τα αντίστοιχα γονίδια μεταγράφονται στο RNA (μεταγραφή). Το RNA υποβάλλεται σε επεξεργασία αρχικά έτσι ώστε τα μέρη μη-κωδικοποίησης αφαιρούνται (επεξεργασία) και μεταφέρονται έπειτα από τον πυρήνα (μεταφορά). Έξω από τον πυρήνα, οι πρωτεΐνες χτίζονται βασισμένος στον κώδικα στο RNA (μετάφραση).

Το έγγραφο έχει δύο επίπεδα, βασικός και προηγμένος. Αυτή η σελίδα είναι μια εισαγωγή και στα δύο επίπεδα. Αρχίζετε στο βασικό επίπεδο, κατόπιν μπορείτε να προωθήσετε εάν θέλετε περισσότεροι και τις βαθύτερες πληροφορίες.

DNA ΚΑΙ ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

Για να κατανοήσει κανείς την ιδέα των μικροσυστοιχιών θα πρέπει να
ανατρέξει στις θεμέλιες αξίες της μοριακής βιολογίας
Το δίκλωνο μόριο DNA μπορεί να ξεδιπλωθεί σε δυο συμπληρωματικές
αλυσίδες, η κάθε μια από τις οποίες χρησιμεύει ως μήτρα για την άλλη όταν το
μόριο πολλαπλασιάζεται (εικόνα 1)
1a
1b
Εικόνα 1a: DNA και τα κομμάτια κατασκευής του
Εικόνα 1b: Η διπλή έλικα του DNA δρα ως μήτρα του εαυτού της
Μέσα στον πυρήνα, το DNA είναι πακεταρισμένο με ειδικές πρωτεΐνες για να
φτιάξει τα χρωμοσώματα. Ο γενετικός κώδικας βρίσκεται στην αλληλουχία
των νουκλεοτιδικών βάσεων: αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη (A, C, G
και T) κατά μήκος του μορίου DNA. Σε ένα γονίδιο, συνεχόμενες τριπλέτες
βάσεων (κωδικόνια) καθορίζουν τη σειρά στην οποία τα αμινοξέα συνδέονται
να δημιουργήσουν μια πρωτεΐνη. Όταν οι επιστήμονες λένε ότι έχουν
χαρτογραφήσει το γονιδιώματα ενός οργανισμού σημαίνει ότι έχουν καταφέρει
να διαβάσουν τη σειρά των νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο DNA. Οι επιστήμονες
έχουν ένα προσχέδιο του ανθρώπινου γονιδιώματος (3 δισεκατομμύρια
νουκλεοτίδια) και γνωρίζουν ότι 2.5 δισεκατομμύρια δεν είναι γονίδια!
Όταν ένα γονίδιο εκφράζεται, το DNA χρησιμοποιείται ως μήτρα για τη
μεταγραφή μιας συμπληρωματικής αλυσίδας του μονόκλωνου νουκλεϊκού
οξέος RNA. Στα περισσότερα γονίδια, η κωδική αλληλουχία χωρίζεται από μη
κωδικές αλληλουχίες που ονομάζονται ιντρόνια, τα οποία κόβονται και
«ματίζονται» μετά την μεταγραφή. Το αγγελιοφόρο RNA (messenger RNA,
mRNA) μεταφέρεται στη συνέχεια στα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα, όπου
το μήνυμα μετατρέπεται σε πρωτεΐνες (εικόνα 2)
2a
2b
Εικόνα 2α: Το μονοπάτι από DNA σε πρωτεΐνη
Εικόνα 2b: Περίληψη των βημάτων από γονίδιο σε πρωτεΐνη σε ευκαρυωτικά
κύτταρα και βακτήρια
Παλιότερα, οι επιστήμονες ενδιαφέρονταν κυρίως για μερικά γονίδια. Τεχνικά
εμπόδια και ζητήματα κόστους έκαναν απαγορευτική τη μελέτη πολλών
γονιδίων ταυτόχρονα. Η δημιουργία των DNA μικροσυστοιχιών τους βοήθησε
να ξεπεράσουν το εμπόδιο αυτό. Από τα μέσα του 1990, οι επιστήμονες
κατόρθωσαν να παρακολουθήσουν την έκφραση όλων των γονιδίων μιας
ομάδας κυττάρων ή ολόκληρου του οργανισμού. Και, παρακολουθώντας την
έκφραση όλων των γονιδίων μια δεδομένη χρονική στιγμή, οι επιστήμονες
δημιούργησαν μια νέα θεώρηση του πως λειτουργούν τα κύτταρα και
απαντούν σε διαφορετικά ερεθίσματα, όπως είναι η αλλαγή του
περιβάλλοντος, η έλλειψη θρεπτικών υλικών ή ακόμα και η ασθένεια.

DNA

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Τρισδιάστατη απεικόνιση της δομής ενός τμήματος DNA

Το δε(σ)οξυριβο(ζο)νουκλεϊ(νι)κό οξύ (Deoxyribonucleic acid - DNA) είναι ένα νουκλεϊκό οξύ που περιέχει τις γενετικές πληροφορίες που καθορίζουν τη βιολογική ανάπτυξη όλων των κυτταρικών μορφών ζωής και των περισσοτέρων ιών. Το DNA συνήθως έχει τη μορφή διπλής έλικας.

Η αποκωδικοποίηση του DNA, η αποσαφήνιση δηλαδή του τρόπου με τον οποίο η δομή του DNA καθορίζει συγκεκριμένες γενετικές επιλογές, επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την γενετική της ζωής και την κληρονόμηση ορισμένων χαρακτηριστικών και νόσων. Επειδή το DNA στα ορισμένα του σημεία είναι ξεχωριστό στον κάθε άνθρωπο, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι βασιζόμενες στην ταυτοποίηση του DNA και βρίσκουν εφαρμογή στην Ιατροδικαστική και στην Εγκληματολογία καθώς επίσης και στην αποσαφήνιση οικογενειακών σχέσεων μεταξύ ατόμων. Τα τελευταία χρόνια γίνεται η πιο εντατική η χρήση του DNA και στις μελέτες της ιστορίας και της ανθρωπολογίας.

Η ανακάλυψη της δομής του DNA πραγματοποιήθηκε το 1953 από τους Τζέιμς Γουάτσον (James D. Watson) και Φράνσις Κρικ (Francis Creek). Από πολλούς η ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA θεωρείται ως η μεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ου αιώνα. Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το 1962 το Βραβείο Νόμπελ με τον Μόρις Γουίλκινς, ο οποίος εργάστηκε προς την ίδια κατεύθυνση.

[Επεξεργασία] Η δομή του DNA

Πρόκειται για μια μεγαλομοριακή ένωση που συγκροτείται από αζωτούχες-πρωτεϊνικές βάσεις, φωσφορικές ρίζες και ένα σάκχαρο με πέντε άτομα άνθρακα (πεντόζη). Βρίσκεται συγκεντρωμένο κυρίως μέσα στον πυρήνα του κυττάρου αλλά και σε μερικά άλλα όργανίδια, όπως τα μιτοχόνδρια και τα πλαστίδια, επιτρέποντάς τους να αναπαράγονται αυτόνομα (ημιαυτόνομα οργανίδια). Είναι ο φορέας των γενετικών πληροφοριών του κυττάρου, όχι μόνον με την έννοια της μεταβίβασης χαρακτηριστικών, αλλά και της ρύθμισης της φυσιογνωμίας εξειδίκευσης κάθε κυττάρου για την επιτέλεση των ιδιαίτερων λειτουργιών του.

Η διαμόρφωση των μεγάλων μορίων του DNA στο χώρο έχει τη μορφή δύο επιμήκων αλύσεων, οι οποίες συστρέφονται ελικοειδώς μεταξύ τους. Οι πρωτεϊνικές βάσεις του είναι τέσσερις:

• κυτοσίνη C
• γουανίνη G
• θυμίνη T
• αδενίνη A

Οι πρωτεϊνικές βάσεις, ανάλογα με την σειρά αλληλουχίας τους σε τριάδες, κωδικοποιούν το μήνυμα για τη μεταφορά των αμινοξέων του κυττάρου στα ριβοσώματα. Εκεί τα αμινοξέα συνθέτουν, με τη σειρά κατά την οποία μεταφέρθηκαν στο ριβόσωμα τις διαφορετικές πρωτεΐνες.

[Επεξεργασία] Η ιστορία της έρευνας γύρω από το DNA

Τρισδιάστατη απεικόνιση του μοντέλου ελικοειδούς δομής ενός τμήματος DNA

Η ανακάλυψη ότι το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας είναι το αποτέλεσμα μιας σειράς επιστημονικών ερευνών που διήρκεσε πολλά χρόνια. Ενώ η ύπαρξη του στον πυρήνα των κυττάρων πιστοποιήθηκε ήδη από το 1869, ήταν στα μέσα του 20ου αιώνα που οι ερευνητές ξεκίνησαν να υποθέτουν ότι μπορεί να αποθηκεύει γενετική πληροφορία.

Τα νουκλεϊκά οξέα ανακαλύφθηκαν το 1869 από τον Φρίντριχ Μίσερ. Ο Μίσερ ανακάλυψε μέσα σε πυρήνες κυττάρων την ύπαρξη μιας ουσίας με συγκεκριμένη όξινη αντίδραση. Την ουσία αυτή ονόμασε νουκλεϊνη (από το λατινικό nucleus που σημαίνει πυρήνας). Λίγο αργότερα απομόνωσε από το σπέρμα σολωμού δείγμα της ουσίας που σήμερα αποκαλούμε DNA και το 1889 ο μαθητής του Ρίτσαρντ Άλτμαν την ονόμασε νουκλεϊκό οξύ.

Την ίδια περίπου εποχή ο μοναχός Γκρέγκορ Μέντελ ανακάλυπτε τους νόμους της Γενετικής. Πέρασαν όμως 75 χρόνια προκειμένου να φανεί ότι η ανακάλυψη του Μίσερ αποτελούσε τη μοριακή βάση της ανακάλυψης του Μέντελ.

Σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη του γενετικού ρόλου του DNA είχε τo βακτήριο του πνευμονιόκοκκου. Το 1928 ο Φρεντ Γκρίφιθ χρησιμοποίησε δύο στελέχη του συγκεκριμένου βακτηρίου (Diplococcus pneumoniae), τα οποία ξεχωρίζουν μορφολογικά όταν καλλιεργηθούν σε θρεπτικό υλικό. Πιο συγκεκριμένα, συνηθίζεται να αναφερόμαστε:

• στο λείο βακτήριο (συμβολίζεται με S από το λατινικό smooth = λείος) επειδή δημιουργεί λείες αποικίες ενώ ταυτόχρονα είναι παθογόνο, και
• στο αδρό βακτήριο (συμβολίζεται με R από το λατινικό rough = αδρός) επειδή δημιουργεί αδρές αποικίες και δεν είναι παθογόνο.

Ο Γκρίφιθ ανακάλυψε ότι το μη παθογόνο βακτήριο (R) μπορεί να μετατραπεί σε παθογόνο (S), χορηγώντας σε ένα ποντίκι ένα μείγμα βακτηρίων από ζωντανά αδρά βακτήρια και νεκρά λεία βακτήρια. Το μείγμα αποδείχτηκε παθογόνο, ενώ καθένα από τα συστατικά του από μόνο του δεν ήταν. Τόσο τα ζωντανά αδρά βακτήρια όσο και τα νεκρά λεία βακτήρια από μόνα τους δεν ήταν παθογόνα. Ο Γκρίφιθ συμπέρανε ότι με κάποιο τρόπο μερικά αδρά βακτήρια 'μετασχηματίστηκαν' σε λεία παθογόνα, χωρίς όμως να δώσει ικανοποιητική εξήγηση για τον τρόπο που γίνεται κάτι τέτοιο.

Τρισδιάστατη απεικόνιση του μοντέλου ελικοειδούς δομής ενός τμήματος DNA

Η απάντηση δόθηκε το 1944, όταν οι Όσβαλντ Άβερι, Κόλιν Μακλέοντ και Μακλίν Μακάρτι επανέλαβαν τα πειράματα του Γκρίφιθ σε δοκιμαστικό σωλήνα εργαστηρίου (in vitro). Ο Άβερι και οι συνεργάτες του διαχώρισαν τα διάφορα συστατικά των νεκρών λείων βακτηρίων σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, RNA, DNA κ.α. και ερεύνησαν ποιο από αυτά μπορούσε να μετασχηματιστεί. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι το συστατικό που προκαλούσε το μετασχηματισμό των αδρών βακτηρίων σε λεία ήταν το DNA. Ένα τέτοιο εύρημα ήταν μία πολύ καλή ένδειξη ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό και αποτέλεσε την αρχή μιας επαναστατικής περιόδου για τις βιολογικές επιστήμες.

Σημείο σταθμό σε αυτή τη περίοδο αποτελεί η ανακάλυψη της δομής του DNA που πραγματοποιήθηκε το 1953 από τους Τζέιμς Γουάτσον και Φράνσις Κρικ, δύο βρετανούς ερευνητές που εργάζονταν στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ. Η ανακάλυψη τους, όμως, μάλλον θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως το αποτέλεσμα μιας σειράς σχετικών ερευνητικών δεδομένων, παρά ως μια μεμονωμένη 'επαναστατική' ανακάλυψη. Για παράδειγμα, από το 1948 ο Λίνους Πάουλινγκ είχε ανακαλύψει ότι αρκετές πρωτεϊνες περιλάμβαναν σχήματα με ελικοειδή δομή, πραγματοποιώντας πειράματα με χρήση ακτίνων Χ. Επίσης, από το 1947 ο Έρβιν Τσάργκαφ είχε παρατηρήσει κάτι χαρακτηριστικό: σε οποιοδήποτε δείγμα DNA, τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την αδενίνη είναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την θυμίνη, ενώ τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την γουανίνη είναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την κυτοσίνη.

Οι Γουάτσον και Κρικ βασίστηκαν ιδιαίτερα στην έρευνα της Ροζαλίν Φράνκλιν.Συγκεκριμένα, στηρίχθηκαν στα εξής:

1. Μια φωτογραφία του DNA που ο Μορίς Γουΐλκινς είχε πάρει από το γραφείο της Φράνκλιν και την έδειξε στον Γουάτσον. Εκείνος αναγνώρισε τη διπλή έλικα, κάτι που τον στήριξε στη συνέχιση των ερευνών του.
2. Οι μετρήσεις της Φράνκλιν στο κυτταρικό DNA όπως παρουσιάζονταν σε μια μη δημόσια έκθεση που είδε ο Κρικ.Έτσι αντιλήφθηκε ότι οι δύο έλικες του DNA κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις (είναι αντιπαράλληλες).

Η προσφορά της Φράνκλιν, που πέθανε σε μικρή ηλικία από καρκίνο των ωοθηκών λόγω των ραδιενεργών υλικών που χρησιμοποιούσε στη δουλειά της, αναγνωρίστηκε μετά το θάνατό της.

Τα αποτελέσματα των εργασιών των Γουάτσον και Κρικ ανακοινώθηκαν στις 25 Απριλίου 1953, στο περιοδικό Nature. Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το 1962 το Βραβείο Νομπέλ με τον Μορίς Γουΐλκινς.

To 1957 οι Γουάτσον και Κρικ πρότειναν το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας, στο οποίο περιγράφουν τη διαδικασία με την οποία παράγονται πρωτεΐνες από το DNA του πυρήνα.

Σημαντικά επίσης σημεία της έρευνας σχετικά με το DNA αποτελούν η ανακάλυψη του μηχανισμού σύνθεσης του DNA από τον Άρθουρ Κόρνμπεργκ το 1956 και η ανακάλυψη του γενετικού κώδικα από τον Μάρσαλ Νίρενμπεργκ το 1961.

Ζωικό κύτταρο - Φυτικό κύτταρο

Σύγκριση προκαρυωτικού και ευκαρυωτικού κυττάρου

Το μικροσκόπιο του εργαστηρίου μας

ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΥΤΤΑΡΟ: Η ΘΕΜΕΛΙΩΔΗΣ ΜΟΝΑΔΑ ΤΗΣ ΖΩΗΣ

ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Β΄ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΜΕ ANIMATIONS ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ

ΜΙΑ ΕΙΚΟΝΑ – ΧΙΛΙΕΣ ΛΕΞΕΙΣ

Η παρουσίαση ακολουθεί τη σειρά των περιεχομένων του βιβλίου Βιολογίας γενικής παιδείας της Β΄ τάξης του ενιαίου λυκείου. Οι εικόνες τα διαγράμματα και τα animations που περιέχει μπορούν να φανούν χρήσιμα στην υποστήριξη της διδασκαλίας του μαθήματος της Βιολογίας, να βοηθήσουν τον καθηγητή στην επίλυση πρακτικών προβλημάτων και να προκαλέσουν το ενδιαφέρων των μαθητών.

Εφαρμογή Αρχών της Πράσινης Χημείας στη Σύνθεση ΟργανικώνΕνώσεων με τη Χρήση Μικροκυματικής Ακτινοβολίας

Αρχές Πράσινης Χημείας

Ο όρος Πράσινη Χημεία όπως ορίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του ‘90, είναι η εφαρμογή μιας σειράς από αρχές που μειώνουν ή εξαλείφουν τη χρήση ή παραγωγή επικίνδυνων ουσιών στο σχεδιασμό, παραγωγή και χρήση χημικών προϊόντων.1 Η ιδέα της Πράσινης Χημείας συμπυκνώνεται σε 12 αρχές, μεταξύ των οποίων η ελαχιστοποίηση των αποβλήτων, ο σχεδιασμός ενεργειακά αποδοτικών διεργασιών, η χρήση αντιδραστηρίων και διαλυτών φιλικών προς το περιβάλλον, η χρησιμοποίηση ανανεώσιμων πρώτων υλών, κ.ά.2
Η Πράσινη Χημεία διαφέρει από τις διάφορες ιστορικές προσεγγίσεις στην προστασία του περιβάλλοντος με ποικίλους τρόπους καθώς :
• προλαμβάνει τα προβλήματα πριν αυτά δημιουργηθούν μέσω προληπτικών προσεγγίσεων
• αναλογίζεται τυχόν μελλοντικές επιπτώσεις ήδη από το στάδιο του σχεδιασμού των προϊόντων
• παρέχει περιβαλλοντικές βελτιώσεις σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής των προϊόντων
• παρουσιάζει νέες μεθοδολογίες που θα επιτρέψουν στη βιομηχανία να επενδύσει τα κεφάλαια που τώρα καταναλίσκει (περιβαλλοντικοί φόροι, κόστος διάθεσης αποβλήτων, κόστος αποκατάστασης, κ.τ.λ.), σε παραπέρα έρευνα και ανάπτυξη.
Εφαρμογές Μικροκυμάτων στις Χημικές Αντιδράσεις
Εδώ και χρόνια μια μεγάλη μερίδα κατοίκων των ανεπτυγμένων χωρών έρχεται σε επαφή με τα μικροκύματα μέσω της ευρείας χρησιμοποίησης των οικιακών φούρνων μικροκυμάτων για το γρήγορο ζέσταμα των τροφών. Οι επιστήμονες έχουν βρει και άλλες χρήσεις των μικροκυμάτων, όπως στην προετοιμασία δειγμάτων για ανάλυση, στην επεξεργασία αποβλήτων, στην τεχνολογία πολυμερών, στην τεχνολογία κεραμικών, καθώς και στην υδρόλυση πρωτεϊνών και πεπτιδίων. Η τεχνική επίσης εφαρμόζεται στην ανόργανη σύνθεση σε στερεά φάση3 και βέβαια στην οργανική σύνθεση,4 όπως αναλύεται παρακάτω.
Τα μικροκύματα είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.5 Η συχνότητα των μικροκυμάτων ποικίλει από 300MHz εώς 30GHz και για να αποφευχθεί η παρεμπόδιση τηλεπικοινωνιακών
δραστηριοτήτων τα 2,45 GHz είναι η συνήθης συχνότητα που εφαρμόζεται στους οικιακούς φούρνους μικροκυμάτων.6
Τα μικροκύματα είναι μη ιονίζουσα ακτινοβολία, που επηρεάζει μοριακές κινήσεις όπως τη διπολική περιστροφή, αλλά δεν αλλάζει τη μοριακή δομή. Η απορρόφηση των μικροκυμάτων προκαλεί μια πολύ γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας των αντιδρώντων, των διαλυτών και των προϊόντων.
Η θέρμανση με τα μικροκύματα προκύπτει από την ικανότητα ορισμένων υγρών και στερεών να μετατρέπουν την απορροφούμενη ακτινοβολία σε θερμότητα: η θέρμανση προέρχεται βασικά από το ηλεκτρικό πεδίο των μικροκυμάτων που αναγκάζει τα δίπολα να περιστρέφονται και τα ιόντα να μεταναστεύουν και να ακολουθούν τις ταχείες μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου.
Σε συστήματα με διαλύτες η διπολική πόλωση είναι το φαινόμενο που κατά κανόνα ευθύνεται για τη θέρμανση με μικροκύματα. Τυπικοί διαλύτες που χρησιμοποιούνται με μικροκύματα είναι το νερό, η μεθανόλη, η αιθανόλη, η ακετόνη, ο οξικός αιθυλεστέρας, το χλωροφόρμιο, το οξικό οξύ και το διχλωρομεθάνιο. Το διμεθυλοφορμαμίδιο είναι επίσης χρήσιμο διότι είναι πλήρως αναμίξιμο με το νερό, είναι καλός διαλύτης για πολικές και λιγότερο πολικές ουσίες, ενώ έχει υψηλό σ.ζ. επιτρέποντας διεξαγωγή αντιδράσεων σε ανοιχτά δοχεία.5 Διαλύτες όπως το βενζόλιο, το τολουόλιο, το εξάνιο, ο διαιθυλαιθέρας που δεν μπορούν να απορροφήσουν μικροκύματα, θερμαίνονται μόνο παρουσία άλλων υλικών που αλληλεπιδρούν με τα μικροκύματα.7
Αντιδράσεις με μικροκύματα σε στερεά φάση
Οι αντιδράσεις με μικροκύματα σε κάποιο πολικό διαλύτη έχουν συχνά το επακόλουθο της ανάπτυξης υψηλών πιέσεων με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία η χρησιμοποίηση ειδικών δοχείων από τεφλόν ή κλειστών δοχείων. Τα τελευταία χρόνια, μια πρακτικότερη διάσταση ανακαλύφθηκε με την πραγματοποίηση αντιδράσεων σε στερεό υπόστρωμα χωρίς διαλύτη. Υπάρχουν δύο τέτοιοι τύποι αντιδράσεων: στον έναν, τα αντιδρώντα προσδένονται σε ένα σχετικά αδρανές στα μικροκύματα μέσο.8 Σε αυτή την περίπτωση πρέπει ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα να είναι πολικό. Στον άλλο τύπο της αντίδρασης, χρησιμοποιείται ένα ενεργό υλικό και δε χρειάζεται τα αντιδρώντα να είναι ενεργά στα μικροκύματα.
Συχνά οι οργανικές ενώσεις προσροφώνται στην επιφάνεια ανόργανων οξειδίων όπως η αλουμίνα, η σίλικα, ή ο πηλός (clay). Η θερμοκρασία του μίγματος είναι σχετικά χαμηλή σε τέτοιες συνθήκες απουσία διαλύτη, αν και τοπικά συχνά αναπτύσσονται υψηλότερες θερμοκρασίες.
Οι αντιδράσεις σε στερεά φάση είναι πολύ πρακτικές. Τα προσροφημένα αντιδρώντα τοποθετούνται σε ένα δοχείο και ακτινοβολούνται ενώ τα προϊόντα παραλαμβάνονται με έκπλυση και διήθηση. Με τη μεθοδολογία αυτή δίνεται η δυνατότητα πραγματοποίησης αντιδράσεων σε ανοιχτά δοχεία και σε μεγάλη κλίμακα, αποφεύγοντας την ανάπτυξη υψηλών πιέσεων. Η απουσία
του διαλύτη σε συνδυασμό με τις υψηλές αποδόσεις και τους μικρούς χρόνους αντίδρασης κάνουν αυτούς τους τύπους των αντιδράσεων πολύ ελκυστικές στη σύνθεση.9
Αντιδράσεις προστασίας/αποπροστασίας
Η επιτυχημένη αποβενζυλίωση διαφόρων εστέρων όπως φαίνεται στο σχήμα 1 ανοίγει το δρόμο για την αποπροστασία αμινών και αμινοξέων με ομάδες όπως η 9-φθορομεθοξυκαρβόνυλο-ομάδα (Fmoc), χωρίς τη χρήση ερεθιστικών και διαβρωτικών χημικών ουσιών (τριφθοροοξικό οξύ, πιπεριδίνη).10
CO2CH2C6H5CHCHCO2CH2C6H57 min, 92%10 min, 90%NH2CH2CO2CH2C6H54 min, 95%
Σχήμα 1 Διάσπαση βενζυλεστέρων
Αντιδράσεις Οξείδωσης
Τα συνηθισμένα οξειδωτικά οργανικά αντιδραστήρια δηλαδή υπεροξέα, υπεροξείδια, διοξείδιο του μαγγανίου, υπερμαγγανικό κάλιο, τριοξείδιο του χρωμίου, χρωμικό κάλιο και διχρωμικό κάλιο έχουν περιορισμούς σε σχέση με τη τοξικότητα και τη διάθεση τους.11
Για την οξείδωση των αλκοολών σε αλδεύδη ή κετόνη απουσία διαλύτη με clayfen έχει χρησιμοποιηθεί απλός φούρνος μικροκυμάτων δικνύοντας μεγάλη επιτάχυνση της αντίδρασης χωρίς μάλιστα να παράγεται καρβοξυλικό οξύ στην οξείδωση πρωτοταγών αλκοολών.12
CHOH(87-96%)COMW, 15-60 sClayfenR1R1R2R2
Σχήμα 2 Οξείδωση αλκοολών με καταλύτη clayfen και μικροκύματα
Επίσης οξείδωση υψηλής απόδοσης επιτυγχάνεται και με διοξείδιο του μαγγανίου MnO2 σε σίλικα:13 CHOHCOMW, 20-60 sMnO2-Silica(67-96%)R2R1R1R2
Σχήμα 3 Οξείδωση αλκοολών με MnO2 και μικροκύματα
Αντιδράσεις συμπύκνωσης
Για την παρασκευή ιμινών, εναμινών και νιτροαλκενίων πρέπει να γίνει αζεοτροπική απομάκρυνση του παραγόμενου νερού με τη χρήση ειδικής συσκευής και χρησιμοποίηση μεγάλων ποσοτήτων αρωματικών υδρογονανθράκων.14 Η χρήση μικροκυμάτων για την απομάκρυνση του νερού σε αντιδράσεις σχηματισμού ιμινών ή εναμινών είναι πολύ αποτελεσματική: 15
CHONH2+XK 10 ClayMW 1-3 minCHXN(90-97%)X= H, o-OH, p-OH, p-Me, p-OMe
Σχήμα 4 Χρήση μικροκυμάτων στην παρασκευή ιμινών
Αντιδράσεις αναγωγής
Οι υποκατεστημένες υδροκινόνες είναι σημαντικά ενδιάμεσα για πολλά τελικά προϊόντα αλλά η παρασκευή τους συνήθως απαιτεί ισχυρές συνθήκες. Μια νέα μέθοδος αναπτύχθηκε με μικροκύματα, χωρίς διαλύτη και με καταλύτη KF/Al2O3.16
OORKF-Al2O3MW+OHOHR
Σχήμα 5 Παρασκευή υποκατεστημένων υδροκινονών με μικροκύματα και καταλυτικό σύστημα KF/Al2O3
Πειραματική Πορεία στη Σύνθεση Αρυλαμινών με Μικροκύματα
Οι αρυλαμίνες είναι ευέλικτα ενδιάμεσα με ευρεία χρήση στην ιατρική, στην τεχνολογία πολυμερών και τη φωτογραφία. Οι Ν-υποκατεστημένες αρυλαμίνες χρησιμοποιούνται ως αντιυπερτασικά και
αντιφλεγμονώδη φάρμακα17 και είναι μια σημαντική τάξη ενώσεων στη νευροφαρμακευτική.18
Η απευθείας πυρηνόφιλη υποκατάσταση των αρυλαλογονιδίων συνήθως απαιτεί περίσσεια των αντιδραστηρίων, πολύ πολικούς διαλύτες όπως DMF19 και DMSO20 σε υψηλές θερμοκρασίες ακόμα και με δραστικά αρυλαλογονίδια21, και υψηλή πίεση.22 Στην παρούσα εργασία ερευνούνται οι αντιδράσεις δευτεροταγών αμινών με παρα-νίτρο υποκατεστημένα αρυλαλογονίδια με τη χρήση μικροκυμάτων.23 Οι αντιδράσεις εκτελούνται παρουσία αλουμίνας Al2O3 χωρίς τη μεσολάβηση διαλυτικού μέσου. Τα μικροκύματα θεωρείται ότι διασπούν το δεσμό ετεροατόμων με το υδρογόνο
των πρωτοταγών και δευτεροταγών αμινών.24 Επιπλέον το απελευθερούμενο HBr ή HCl παγιδεύεται στην επιφάνεια της αλουμίνας, ελευθερώνοντας έτσι
το άζωτο να υποστεί την πυρηνόφιλη προσβολή. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε οικιακό μη τροποποιημένο φούρνο μικροκυμάτων μάρκας Whirlpool IC12 με βαθμονομημένες διαβαθμίσεις ισχύος στα 160, 350, 500, 750W και με χρονοδιακόπτη.
XO2N+HNR1R2Al2O3MWO2NNR1R2
Σχήμα 6 Γενικό σχήμα αντίδρασης p-νιτρο-αρυλαγονιδίων με δευτεροταγείς αμίνες
Πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις του p-βρωμονιτροβενζολίου με μορφολίνη και 1-(p-νιτροφαινυλο)-4-φαινυλοπιπεραζίνη παρουσία βασικού Al2O3 (Brockmann Activity Grade 1, 70-290mesh). Σε μικρή κωνική φιάλη των 25ml φέρονται κατά τυχαία σειρά p-βρωμονιτροβενζόλιο (2g, 10mmol), η δευτεροταγής αμίνη (12 mmol) και βασικό Al2O3 (5g). Ρυθμίζεται η ισχύς στα 350W. Ο χρονοδιακόπτης ορίζεται στο 1 λεπτό ακριβώς και τίθεται η συσκευή σε λειτουργία. Με την παρέλευση του λεπτού η ακτινοβόληση παύει αυτόματα και χωρίς να ανοιχτεί το πορτάκι μετρούμε παύση 20sec και επαναλαμβάνεται η ακτινοβόληση κατά τον ίδιο τρόπο για ένα ακόμα λεπτό και μετά πάλι παύση 20sec και τέλος ένα ακόμα λεπτό ακτινοβόληση. Αθροιστικά η επίδραση των μικροκυμάτων στο μίγμα της αντίδρασης διαρκεί 3 λεπτά.
Για τον καθαρισμό του προϊόντος το μίγμα οδηγείται σε στήλη χρωματογραφίας Silica gel 60 και απομωνόνεται με τη χρησιμοποίηση μίγματος διαλυτών πετρελαϊκού αιθέρα-οξικού αιθυλεστέρα σε αναλογία 7:3. Λαμβάνεται αντίστοιχα κίτρινο κρυσταλλικό στερεό [1] και πορφυρό κρυσταλλικό στερεό [2]. Η ταυτοποίηση των προϊόντων πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπία 1H-NMR και IR.
O2NNO[1]
O2NNN[2]
Συζήτηση Αποτελεσμάτων
Πίνακας 1 Πειραματικά αποτελέσματα στη σύνθεση Ν-αρυλαμινών
XO2N HNR1R2 O2NNR1R2
Χρόνος ακτινοβόλησης
Απόδοση O2NBr NO
[1]
3 min
80% O2NBr HNN
[2]
3.5 min
75%
Η αντίδραση με τη μορφολίνη χωρίς μικροκύματα έχει πραγματοποιηθεί από άλλους ερευνητές με καλές αποδόσεις αλλά με τη χρησιμοποίηση διαλύτη THF και υπό υψηλή πίεση (6-12bar).22
Παρόμοια αντίδραση ξανά χωρίς μικροκύματα και με αντιδρών όχι το 4-βρωμονιτροβενζόλιο αλλά το 4-φθοροβενζονιτρίλιο απουσία διαλύτη δίνει απόδοση 95% με θέρμανση στους 120οC σε τρεις ώρες.25
Οι αντιδράσεις που εμείς εκτελέσαμε, έχει διαπιστωθεί ότι όταν πραγματοποιήθηκαν με μικροκύματα αλλά απουσία αλουμίνας προχώρησαν σε ελάχιστο ποσοστό (10-15%)23 γεγονός που υποδικνύει τη σημασία της σύζευξης ενός πολικού μέσου (αλουμίνα) με την ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Διότι οι αμίνες είναι πολικά μόρια αλλά όχι αρκετά ώστε να έχουν μια πολύ αποτελεσματική αλληλεπίδραση με το πεδίο των μικροκυμάτων.
Οι μελέτες των ίδιων ερευνητών έχουν δείξει ότι αν αντί για μικροκύματα εφαρμοστεί απλή θέρμανση στους 120ΟC παρουσία Al2O3, οι αποδόσεις που λαμβάνονται είναι μικρότερες.23 Αυτό αποτελεί απόδειξη ότι πέρα των άλλων τα μικροκύματα είναι μία μορφή θέρμανσης διαφορετική από την κλασσική, τόσο στη φύση όσο και στην ταχύτητά της.
Επιπρόσθετα, με τη συγκεκριμένη μέθοδο με τα μικροκύματα στη στερεά φάση, αποφεύγεται και η χρήση οργανικού διαλύτη για την ανάμιξη των αντιδραστηρίων, που με τη σειρά του συνεπάγεται
χαμηλότερο οικονομικό κόστος και αποφυγή τυχόν επιβάρυνσης του περιβάλλοντος κατά την διάθεση των αποβλήτων.
Μειονέκτημα των οικιακών φούρνων μικροκυμάτων είναι ότι παρόλο που είναι φθηνοί και προσιτοί στην αγορά τους, παράγουν ανομοιόμορφη θέρμανση που θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα σε κάποιες χημικές αντιδράσεις26 και επίσης είναι δύσκολη η παρακολούθηση της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο των μικροκυμάτων.
Συμπερασματικά, η μέθοδος που ερευνήθηκε, αποδείχθηκε εύκολη και αποτελεσματική για τη σύνθεση Ν-αρυλαμινών επιβεβαιώνοντας τη διεθνή βιβλιογραφία στην οποία τα τελευταία χρόνια όλο και πιο συχνά τονίζεται ότι η παρουσία των μικροκυμάτων βελτιώνει εκπληκτικά την ταχύτητα πολλών χημικών αντιδράσεων, με αξιοπρόσεκτη μείωση του χρόνου, χωρίς αρνητική μεταβολή της τελικής απόδοσης, συγκεντρώνοντας όλα τα παρακάτω πλεονεκτήματα:
􀀹 Αποφυγή χρησιμοποίησης διαλύτου, αποφεύγοντας έτσι πιθανή εισπνοή τοξικών ατμών και την ανάγκη τυχόν επαναπόσταξης
􀀹 Η διαδικασία είναι απλή και το προϊόν παραλαμβάνεται από το μίγμα της αντίδρασης με απλή χρωματογραφία στήλης
􀀹 Έχουμε ταχύτατη μεταφορά θερμότητας στη μάζα του μίγματος
􀀹 Το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το μήκος κύματος, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ουσίες μεγάλου πάχους (~10cm, -αφού τα μικροκύματα των οικιακών φούρνων έχουν μήκος κύματος 12.2cm)
􀀹 Η αλουμίνα που χρησιμοποιείται ως καταλύτης είναι φτηνό αντιδραστήριο (50 DM τα 10g, κατάλογος Aldrich)
􀀹 Η κατάλυση σε στερεά φάση έχει το πλεονέκτημα ότι ο καταλύτης μπορεί να ανακτηθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί
􀀹 Η αντίδραση μπορεί να γίνει σε μεγάλη κλίμακα διότι είναι οικονομική και πρακτική αφού δε χρησιμοποιείται διαλύτης
􀀹 Ο μικρός χρόνος αντίδρασης ίσως αποβεί μεγάλης σημασίας για την παραγωγή ραδιοφαρμάκων, τα οποία έχουν περιορισμένο χρόνο δράσης. Με ισότοπα όπως 122Ι (3.6min) ή 11C (20min) η εξοικονόμηση έστω και λίγων λεπτών είναι σημαντική για τη δραστικότητα τους. 27
􀀹 Είναι μέθοδος ασφαλής αφού δεν ενέχει ο κίνδυνος ανάπτυξης υψηλών πιέσεων ή εκρήξεως
Συμπεράσματα για τη Χρήση Μικροκυμάτων στην Οργανική Σύνθεση
Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι η μέθοδος που εφαρμόστηκε είναι ταχεία και αποτελεσματική. Ελήφθησαν υψηλές αποδόσεις σε πολύ μικρό χρόνο. Σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους
αποδείχθηκε ότι είναι οικονομικότερη, με μεγαλύτερες αποδόσεις και περιβαλλοντικά ηπιότερη.
Τα πειράματα αυτά μαζί με μια πληθώρα άλλων που εμφανίζονται στη διεθνή βιβλιογραφία, τονίζουν την τεράστια δυναμική της συνθετικής Πράσινης Χημείας. Ήδη σε κάποια πανεπιστήμια και ερευνητικά ιδρύματα του εξωτερικού η Πράσινη Χημεία έχει εισαχθεί στο διδακτικό και ερευνητικό πρόγραμμα. Είναι αλήθεια ότι το ενδιαφέρον και η ικανότητα με την οποία χρησιμοποιούμε τις πρώτες ύλες και αντιλαμβανόμαστε την επιστήμη μας, θα καθορίσει σε μεγάλο βαθμό τη βιωσιμότητα του πλανήτη μας. Αναμφίβολα, η Πράσινη Χημεία κατέχει ένα ρόλο-κλειδί στην επίτευξη της αειφόρου ανάπτυξης.

ΜΕΛΕΤΗ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗΣ ΖΥΜΩΣΗΣ

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην παρούσα εργασία προτείνεται η χρήση του Συστήματος Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης (Σ.Σ.Λ.Α), Vernier LabPro, για τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην ταχύτητα έναρξης της αλκοολικής ζύμωσης σε σταθερή θερμοκρασία.

Η ζύμωση πραγματοποιείται σε κωνική φιάλη βυθισμένη σε υδατόλουτρο. Χρησιμοποιούνται:

α) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας, για τον έλεγχο της θερμοκρασίας και β) Ο αισθητήρας πίεσης, για την καταγραφή των παραγόμενων ποσοτήτων CO2. Σαν υπόστρωμα χρησιμοποιείται διάλυμα γλυκόζης 2-64 % w/v στο οποίο προστίθεται 1gr ξηράς ζύμης.

Το πείραμα πραγματοποιείται διαδοχικά με διαφορετικές συγκεντρώσεις υποστρώματος σε σταθερή θερμοκρασία και καταγράφονται οι παραγόμενες ποσότητες CO2 σε χρόνο 600 sec. Η δυνατότητα λήψης μετρήσεων της πίεσης του CO2 και της συγχρονικής απεικόνισής τους σε διαγράμματα πίεσης-χρόνου, που προσφέρει το σύστημα, επιτρέπει με την χρήση του ενσωματωμένου λογισμικού, τον γρήγορο υπολογισμό της ταχύτητας στα πρώτα στάδια της ζύμωσης, από την κλίση των αντίστοιχων γραφικών παραστάσεων.

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Σύστημα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης, Αλκοολική Ζύμωση, Αισθητήρας Πίεσης, Θερμοκρασία, συγκέντρωση υποστρώματος, παραγωγή CO2 , Ταχύτητα Αντίδρασης, Ένζυμα, MBL

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η Αλκοολική Ζύμωση είναι ένα περίπλοκο φαινόμενο με πολλά ενδιάμεσα στάδια που μπορεί συνοπτικά να αποδοθεί με την χημική εξίσωση:

C6 Η12 O6 ζυμάση 2CH3 CΗ2 OH + 2CO2 + ενέργεια

Πρόκειται δηλαδή για την αναερόβια διάσπαση από το ένζυμο ζυμάση, απλών σακχάρων του τύπου C6Η12O6 (γλυκόζη, φρουκτόζη, γαλακτόζη) προς αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα κυρίως. (Σε μικρότερα ποσά μπορούν να παραχθούν: γλυκερίνη, ακεταλδεύδη, ηλεκτρικό οξύ και ανώτερες αλκοόλες).

Η ζυμάση είναι μίγμα πολλών ενζύμων και παράγεται από ζυμομύκητες ή σακχαρομύκητες του είδους Sacharomyces cerevisae, κοινώς ζύμη ή μαγιά μπύρας. Η ζύμη, εκτός της ζυμάσης, περιέχει και τα ένζυμα ιμβερτάση και μαλτάση. Η ιμβερτάση καταλύει το δισακχαρίτη καλαμοσάκχαρο (ζάχαρη) προς ισομοριακό μίγμα γλυκόζης και φρουκτόζης (Μητσιάδης Σ. 1994). Έτσι το προτεινόμενο πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί και με διάλυμα ζάχαρης.

Αναφορές στην αλκοολική ζύμωση συναντώνται στα σχολικά εγχειρίδια Χημείας και Βιολογίας όλων σχεδόν των βαθμίδων της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης στα κεφάλαια των αλκοολών, της χημικής κινητικής, της αναερόβιας αναπνοής και της δράσης των ενζύμων.

Πιο συγκεκριμένα η αλκοολική ζύμωση αναφέρεται:

Στη Βιολογία Α΄ Γυμνασίου (Α. Καστορίνης κ.ά 1998) στο κεφάλαιο: Αναπνοή στους μύκητες.

Στη Χημεία Γ΄ Γυμνασίου (Γεωργιάδου Τ. κ.ά 1998) στο κεφάλαιο: Αιθανόλη – Ζυμώσεις.

Στη Βιολογία Γ΄ Γυμνασίου (Ανδριώτης Μ. κ.ά 2000) στο κεφάλαιο: Οι μύκητες.

Στη Χημεία Β΄ Λυκείου Γενικής Παιδείας (Λιοδάκης Σ. κ.ά 2000) στο κεφάλαιο: Αλκοόλες – Φαινόλες.

Στη Χημεία Β΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Λιοδάκης Σ. κ.ά 2000) στο κεφάλαιο: Χημική Κινητική.

Στη Χημεία Β΄ Τάξης 1^ου Κύκλου των Τ.Ε.Ε. (Πεπόνης Γ. κ.ά 2000) στο κεφάλαιο: Αλκοόλες – Οξέα.

Στη Βιολογία Γενικής Παιδείας Β΄ Τάξης Ε.Λ. (Καψάλης Α. κ.ά 2000) στα κεφάλαια: Κυτταρική Αναπνοή – Ένζυμα – Βιολογικοί Καταλύτες.

Στη Βιολογία Θετικής Κατεύθυνσης Γ΄ Τάξης Ε.Λ. (Αλεπόρου - Μαρίνου Β. κ.ά 2000) στα κεφάλαια: Εφαρμογές στη Βιομηχανία – Αρχές και Μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας.

Παρατηρούμε ότι η αλκοολική ζύμωση, πέραν της ιδιαίτερης βιολογικής, χημικής και χρηστικής σημασίας που παρουσιάζει, προσφέρει, με την εισαγωγή της στην διδασκαλία, πολλαπλές ευκαιρίες για την πειραματική εξάσκηση των μαθητών σε θέματα που αφορούν: α) Τη χημική κινητική της και τους παράγοντες που την επηρεάζουν ( συγκέντρωση υποστρώματος, θερμοκρασία, Ph, ποσότητα καταλύτη). β) Τη βιοκαταλυτική δράση των ενζύμων. γ) Την παραγωγή και ταυτοποίηση των προϊόντων της.

Η πειραματική προσέγγιση της αλκοολικής ζύμωσης προτείνεται σε ορισμένους εργαστηριακούς οδηγούς οι οποίοι συνοδεύουν τα σχολικά εγχειρίδια με τους παρακάτω τρόπους:

α) Στον Εργαστηριακό Οδηγό Χημείας Γ΄ Γυμνασίου (Γεωργιάδου Τ. κ.ά 2000, 7^η Εργαστηριακή άσκηση –Πείραμα 1^ο) προτείνεται η παρασκευή αιθανόλης από σταφίδες με ζύμωση σε θερμοκρασία 20^οC - 30^οC.

β) Στον Εργαστηριακό Οδηγό Βιολογίας Γ΄ Γυμνασίου (Ανδριώτης Μ. κ.ά 1999 – Άσκηση 10) προτείνεται η παρασκευή ψωμιού με ζύμωση στους 40^οC.

γ) Στον Εργαστηριακό Οδηγό Χημείας Β΄ Λυκείου Γενικής Παιδείας (Λιοδάκης Σ. κ.ά. 2001- Εργαστηριακή Άσκηση 1) καθώς και στον Εργαστηριακό Οδηγό Βιολογίας Β΄ Λυκείου Γενικής Παιδείας (Καψάλης Α. κ.ά. 2001 - Άσκηση 10), προτείνεται η παραγωγή αιθανόλης από ζύμωση διαλύματος ζάχαρης ή γλυκόζης σε ζεστό δωμάτιο και έλεγχος της προόδου της ζύμωσης με διάλυμα Ca(OH)_2.

δ) Στον Εργαστηριακό Οδηγό Βιολογίας Θετικής Κατεύθυνσης Γ΄ Τάξης Ε.Λ. (Αλεπόρου - Μαρίνου Β. κ.ά 2000, Εργαστηριακή Άσκηση 5) εξετάζεται η ανάπτυξη ζυμομυκήτων στην μαγιά σε θερμοκρασίες 0^οC, περιβάλλοντος, 35^οC, 45^οC, 70^οC με μέτρηση της μεταβολής του όγκου της ζύμης.

ε) Στο εγχειρίδιο Χρήσης MultiLog (1999), προτείνεται μελέτη της επίδρασης των μεταβολών του pH στην παραγωγή του CO2 στα πρώτα στάδια της ζύμωσης.

H παρούσα πειραματική προσέγγιση αξιοποιεί τις δυνατότητες του MBL (Microcomputer Based Labs), Vernier LabPro, με το οποίο πρόσφατα εφοδιάστηκαν 14 εργαστήρια Φ.Ε. στις Κυκλάδες, για τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του υποστρώματος στην ταχύτητα έναρξης της αλκοολικής ζύμωσης.

Τα MBL επιτρέπουν την πραγματοποίηση ποσοτικών πειραμάτων με δυνατότητα μέτρησης και απεικόνισης, σε πραγματικό χρόνο, διαφορετικών και γρήγορα μεταβαλλόμενων παραμέτρων. Επιπλέον η μαθηματική επεξεργασία μπορεί να γίνει σε πολύ μικρό χρόνο, χάρις στο ενσωματωμένο λογισμικό.

H χρήση των MBL έχει προταθεί για την πραγματοποίηση πειραμάτων χημικής κινητικής (Ρούμελης Ν. 2003), για την εκτέλεση πειραμάτων στα οποία παράγονται αέρια (Καλογερόπουλος Ν. κ.α. 2004) και σε πλήθος άλλων πειραμάτων, με σαφή παιδαγωγικά πλεονεκτήματα έναντι των κλασσικών διατάξεων και τη χρήση λογισμικών προσομοίωσης. (Καλογερόπουλος Ν. κ.α. 2002), (Δημητρακοπούλου Α. 1999), (Βαμβακούσης Χ. κ.α. 2003), (Καλκάνης Θ. 2003).

ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΟΡΓΑΝΑ-ΣΥΣΚΕΥΕΣ - ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ

· Σύστημα συγχρονικής λήψης και απεικόνισης με αισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας (Χρησιμοποιήθηκε το σύστημα της Vernier το οποίο διαθέτουν 14 σύγχρονα εργαστήρια στα Λύκεια του νομού Κυκλάδων, τα οποία εξοπλίστηκαν από το ΠΕΠ Νοτίου Αιγαίου).

· Υδατόλουτρο

· Ζυγός

· Κωνική φιάλη κενού με ανθεκτικά τοιχώματα των 250 ml

· Ελαστικός σωλήνας εσωτερικής διαμέτρου 4-5 mm (2 τεμάχια μήκους 6 cm)

· Τρίοδη βάνα ιατρικών μεταγγίσεων

· Διάλυμα γλυκόζης 64%

· Ξηρή μαγιά

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Στο σωλήνα (ακροφύσιο) της φιάλης κενού συνδέουμε με ελαστικούς σωλήνες την τρίοδη βάνα και τον αισθητήρα πίεσης, ενώ στο ελαστικό πώμα της φιάλης προσαρμόζουμε τον αισθητήρα της θερμοκρασίας. Συνδέουμε το Σ.Σ.Λ.Α με τον υπολογιστή και ρυθμίζουμε ρυθμό δειγματοληψίας (rate): 1/sec και αριθμό μετρήσεων (samples): 600.

Ρυθμίζουμε το υδατόλουτρο στους 40^ο C. Στη φιάλη κενού προσθέτουμε 200 ml διαλύματος γλυκόζης 4% ( αραιώνοντας το αρχικό διάλυμα) και την τοποθετούμε στο υδατόλουτρο. Όταν η θερμοκρασία του διαλύματος εξισορροπηθεί με αυτή του υδατόλουτρου και σταθεροποιηθεί προσθέτουμε 1 gr ξηρής μαγιάς, τοποθετούμε το πώμα με τον αισθητήρα της θερμοκρασίας, ανακατεύουμε το μίγμα ώστε να γίνει ομογενές και ενεργοποιούμε το σύστημα. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις αποθηκεύουμε τα διαγράμματα θερμοκρασίας-χρόνου και πίεσης-χρόνου. Επαναλαμβάνουμε το πείραμα με διαφορετικές συγκεντρώσεις γλυκόζης 4- 64%.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΧΟΛΙΑ

Παρατίθενται τα διαγράμματα πέντε πειραμάτων με διαφορετικές συγκεντρώσεις υποστρώματος γλυκόζης (4%, 8%, 16%, 32% και 64%) σε θερμοκρασία 40^ο C.

Α. Συγκέντρωση διαλύματος γλυκόζης 4%

Β. Συγκέντρωση διαλύματος γλυκόζης 8%

Γ. Συγκέντρωση διαλύματος γλυκόζης 16%

Δ. Συγκέντρωση διαλύματος γλυκόζης 32%

Ε. Συγκέντρωση γλυκόζης 64%

Από τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώνεται ότι η αντίδραση εξελίσσεται με μεγαλύτερη ταχύτητα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις υποστρώματος σε σταθερή θερμοκρασία. (για συγκεντρώσεις από 4% έως 16%) ενώ για πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις η ταχύτητα δεν αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος της γλυκόζης.

Συμπεράσματα

Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων με το λογισμικό του Vernier LabPro έδωσε τις εξής “ταχύτητες αντίδρασης” για τα πρώτα 600 sec ζύμωσης:

1. Διάλυμα γλυκόζης 4% : ταχύτητα αντίδρασης 14,68*10^-3 kPa/sec
2. Διάλυμα γλυκόζης 8% : ταχύτητα αντίδρασης 23,52*10^-3 kPa/sec
3. Διάλυμα γλυκόζης 16% : ταχύτητα αντίδρασης 31,15*10^-3 kPa/sec
4. Διάλυμα γλυκόζης 32% : ταχύτητα αντίδρασης 20,51*10^-3 kPa/sec
5. Διάλυμα γλυκόζης 64% : ταχύτητα αντίδρασης 20,86*10^-3 kPa/sec

Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν το γεγονός ότι «η αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος οδηγεί συνήθως σε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης» καθώς και ότι, «από ένα σημείο και πέρα όμως, περισσότερα μόρια υποστρώματος δεν οδηγούν σε μεγαλύτερη ταχύτητα αντίδρασης. Αυτό οφείλεται στην πλήρη κάλυψη από το υπόστρωμα του ενεργού κέντρου των διαθέσιμων μορίων του ενζύμου.» [Καψάλης Α. κ.ά. (2004), Βιολογία γενικής παιδείας Β΄ τάξης ενιαίου λυκείου, σελ. 85].

Θα πρέπει να επισημάνουμε ότι η ιδιαιτερότητα της αλκοολικής ζύμωσης έγκειται στο γεγονός ότι καταλύεται από ένζυμα, τα οποία παράγονται από τους σακχαρομύκητες κατά την διάρκεια της πέψης των σακχάρων στο εσωτερικό των κυττάρων τους. Οι σακχαρομύκητες, σαν ζωντανοί οργανισμοί, αναπαράγονται (διαιρούνται) με μέσο χρόνο διπλασιασμού 2h. Αν σκεφτούμε ότι 1gr μαγιάς περιέχει περίπου 2*10¹⁰ κύτταρα ζυμομύκητα, αντιλαμβανόμαστε ότι στην περίπτωση της “αντίδρασης” της αλκοολικής ζύμωσης, τα “αντιδρώντα” αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου σε αντίθεση με τις συνήθεις αντιδράσεις. Στην ουσία τα αποτελέσματα του ρυθμού παραγωγής του CO2 που μετρώνται καταγράφουν την μεταβολική και αναπαραγωγική δραστηριότητα των σακχαρομυκήτων.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Το σύστημα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης αποδεικνύεται χρήσιμη διάταξη για την πειραματική προσέγγιση πολυπαραμετρικών φαινομένων όπως οι ζυμώσεις. Με την ίδια διάταξη θα μπορούσε να μελετηθεί η επίδραση πλήθους άλλων παραγόντων στην εξέλιξη της διαδικασίας της ζύμωσης, όπως αυτών της θερμοκρασίας, του pH και της ποσότητας ζύμης.

Η προτεινόμενη πειραματική διαδικασία θα μπορούσε να προστεθεί στο υποστηρικτικό υλικό, για την αξιοποίηση των Σ.Σ.Λ.Α. τα οποία ήδη υπάρχουν στα εργαστήρια των Ενιαίων Λυκείων, με χαμηλό όμως ποσοστό χρήσης, όπως διαπιστώθηκε σε προηγούμενη έρευνα (Βαμβακούσης Χ. κ.ά. 2003).

Τέλος, το φαινόμενο των ζυμώσεων προσφέρεται για διαθεματικές δραστηριότητες μια και σε αυτό θίγονται θέματα Χημείας ( χημική κινητική ), Βιολογίας (ένζυμα , αναερόβια αναπνοή ), Οικιακής οικονομίας (παρασκευή κρασιού, μπύρας, γιαουρτιού, ψωμιού).