Rostlinná barviva BIOLOGIE

Transkript

1 BIOLOGIE Rostlinná barviva V rámci laboratorního cvičení se studenti seznámí se dvěma rozšířenými typy rostlinných barviv antokyany a karotenoidy a jejich uložením v rostlinných buňkách. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Ing. Věra Přikrylová, Ph.D.

2 BIOLOGIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Motivace studentů... 5 Doporučený postup řešení... 5 Teoretická příprava úlohy... 5 Materiály pro studenty... 5 Záznam dat... 5 Analýza dat... 5 Syntéza a závěr... 5 Hodnocení... 5 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 6 Pracovní návod... 7 Zadání úlohy... 7 Pomůcky... 7 Teoretický úvod... 7 Bezpečnost práce... 8 Příprava úlohy (praktická příprava)... 8 Postup práce... 8 Pracovní list (řešená učitelská varianta) Úkoly Slovníček pojmů Vypracování Doplňující otázky: Závěr Pracovní list (žákovská varianta) Úkoly Slovníček pojmů Vypracování Doplňující otázky: Závěr... 15

3 3 Zařazení do výuky Tematicky je toto laboratorní cvičení vhodné zařadit po probrání kapitoly Stavba rostlinné buňky, jako její vhodné rozšíření i zopakování některých základních pojmů. Studenti budou mít možnost prakticky vidět, jak vypadají jednotlivé buněčné organely a sami si připravit z vybraných rostlin mikroskopické preparáty k jejich pozorování. Tato praktická ukázka by měla přispět k propojení teoretických informací získaných ve výuce a jejich prohloubení. Tip Lze použít i jiný rostlinný materiál (např. karotenoidy: dužina rajčete jedlého (Solanum lycopersicum) antokyany: červený rybíz (Ribes rubrum) atd.), Pro vytvoření zásaditého prostředí lze použít i řadu jiných dostupných chemikálií, případně v domácích podmínkách sodu na praní. Úvod V rámci laboratorního cvičení se studenti seznámí se dvěma rozšířenými typy rostlinných barviv antokyany a karotenoidy a jejich uložením v rostlinných buňkách. Oba typy barviv mohou způsobovat červené zbarvení rostlinných orgánů (plodů, listů atd.), liší se však uložením v buňkách, rozpustností, případně nerozpustností ve vodě a reakcí na změnu ph. Cíle Studenti by měli zvládnout: Připravit mikroskopický preparát ze zadaných částí rostlin Správně manipulovat s mikroskopem, použít odpovídající zvětšení Zakreslit pozorované objekty Popsat pozorované preparáty, včetně organel s uloženými barvivy biologie Rostlinná barviva Materiály pro učitele Časová náročnost Dvě hodiny (2 45 min). Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Chemikálie Hydroxid sodný (5% roztok) R35: Způsobuje těžké poleptání S1/2: Uchovávejte uzamčené a mimo dosah dětí S26: Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc S37/39: Používejte vhodné ochranné rukavice a ochranné brýle nebo obličejový štít S45: V případě nehody, nebo necítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomoc (je-li možno, ukažte toto označení)

4 4 Slovníček pojmů ph antokyany karotenoidy vakuola chromoplast Viz pracovní list (učitel). Přehled pomůcek vzorky rostlinného materiálu: listy červeného zelí (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra), plod papriky roční (Capsicum annuum), plody ptačího zobu (Ligustrum vulgare), souplodí růže šípkové (Rosa canina). mikroskop podložní a krycí sklíčka preparační jehla kapátko nebo skleněná tyčinka skalpel žiletka, případně nůž destilovaná voda univerzální indikátorové papírky pracovní návod pracovní list barvivo kongočerveň (0,3 g práškové kongočerveně rozpouštíme ve 100 ml % roztoku amoniaku) ocet Chemikálie Hydroxid sodný (5% roztok) Teoretická příprava (teoretický úvod) Rostlinná barviva jsou organické látky různého složení, které mají pro rostliny životní význam. Rozdělujeme je na barviva rozpustná v tucích (lipochromy) a barviva rozpustná ve vodě (hydrochromy). Lipochromy jsou obsaženy v plastidech. Patří k nim zelené chlorofyly a žluté až červené karotenoidy. Chlorofyly mají rozhodující význam pro fotosyntézu a jsou přítomny především v listech, karotenoidy způsobují žluté, oranžové a červené zbarvení listů, květů a plodů. Karotenoidy jsou barviva rostlin, hub, řas, mikroorganismů a živočichů; jde o lipofilní organické látky ze skupiny tetraterpenoidů. Za svoji barevnost vděčí řetězci konjugovaných dvojných vazeb. Dělí se na dvě základní skupiny: karoteny (červené barvivo) a kyslíkaté sloučeniny odvozené od karotenů, které se nazývají xanthofyly (žluté barvivo). V rostlinách se vyskytují v chromoplastech, což jsou fotosynteticky neaktivní plastidy žluté, oranžové či červené barvy. Chromoplasty se vyskytují ve zralých plodech, květech, barevně se uplatňují v podzimním listí, někdy jsou obsaženy i v kořenech (např. u mrkve). Chromoplasty díky nápadnému zbarvení rostlinných částí v řadě případů napomáhají při opylování květů či rozšiřování plodů prostřednictvím živočichů. Antokyany patří mezi hydrochromy, v rostlinách se vyskytují ve formě glykosidů, jejich aglykonová (necukerná) část se označuje jako antokyanidin. V rostlinách jsou obsaženy v buněčné šťávě vakuol. Vakuoly v buňkách patří mezi nejrozměrnější membránové organely, pro mladé buňky je charakteristický větší počet menších vakuol, u starších buněk se setkáváme spíše s jednou velkou vakuolou, která jádro a zbytek protoplastu zatlačí k buněčné stěně. Způsobují modré, červené, fialové až černé zbarvení zejména květů a plodů. Antokyany mění barvu se změnou ph buněčné šťávy obsažené ve vakuolách. V kyselém prostředí se barví červeně, v neutrálním fialově a v zásaditém modře. biologie Rostlinná barviva Materiály pro učitele Pozn.: U některých rostlin je barva květů ovlivněná ph půdy, ve které rostou v kyselých půdách jsou květy červené, v zásaditých modré. Klasickým příkladem květin, u kterých ph půdy ovlivňuje ph buněčné šťávy vakuol a tím i barvu květů, jsou hortenzie. Rostlinné pigmenty jsou komplexy chemických látek, které odrážejí určité barvy. Pouze bílá barva není vyvolána barvivem, ale vzduchem v intercelulárách. Protože změna rostlinných barviv se odehrává jedině při rozkladu nebo tvorbě pigmentů, jsou pochody barvoměny u rostlin mnohem pomalejší než u živočichů. Zajímavosti: Antokyany se používají se jako potravinové barvivo s označením E163. Jedná se o bezpečné aditivum, u kterého nejsou známy nežádoucí vedlejší účinky. V ČR se smí používat v potravinách, kromě dětské výživy. Používají se k barvení limonád, alkoholických nápojů, zavařenin, sladkostí, mléčných výrobků a zmrzlin. Ze známých výrobků jej můžeme najít třeba v jogurtech firmy Danone a.s.: Activia višeň, Activia malina. Praktické provedení Oba typy pozorovaných barviv se od sebe liší jednak uložením v rostlinných buňkách, rozpustností, případně nerozpustností ve vodě, a také reakcí na změnu ph. Reakci na změnu ph nejprve ověříme ve vymačkané šťávě z jednotlivých vzorků rostlin. Kyselé prostředí vytvoříme např. použitím octa, zásadité za použití např. hydroxidu sodného. Následně provedeme pozorováním mikroskopických preparátů rostlinných buněk, při kterém si budeme všímat uložení barviva v buňkách. U mikroskopických preparátů rostlin, jejichž barviva reagovala na změnu ph můžeme ještě přímo pod mikroskopem vyzkoušet barevnou reakci v kyselém a zásaditém prostředí.

5 5 Motivace studentů Uvedeme studentům příklady z praktického života: Co se stane, když červené zelí okyselíte octem nebo naopak zmírníte kyselost použitím jedlé sody, jakou barvu dostane skvrna od červeného vína, pokud na ni nasypeme prací sodu? Jak je možné, že na jedné rostlině, např. pomněnce nebo plicníku, mohou být květy různé barvy? Myslíte si, že existuje nějaký přírodní acidobazický indikátor? Doporučený postup řešení 1. Studenti se rozdělí do dvou až tříčlenných pracovních skupin. Každá pracovní skupina obdrží pracovní návod a každý student vlastní pracovní list. Studenti se nejprve podrobně seznámí s pracovním návodem a teprve potom začnou práci v laboratoři. 2. Je vhodné rozdělit práci ve skupině tak, aby každý student připravil alespoň jeden mikroskopický preparát. biologie Rostlinná barviva Materiály pro učitele Teoretická příprava úlohy Studenti si za domácí úkol nebo na začátku hodiny vyplní slovníček pojmů. Zkontrolujeme jeho vyplnění a několika praktickými dotazy zkontrolujeme, zda studenti rozumí jednotlivým pojmům. Materiály pro studenty Pracovní návod, který obsahuje postup práce Pracovní list s postupem práce, doma (případně pře začátkem laboratorního cvičení) vypracovaný slovníček pojmů. Záznam dat Studenti zaznamenají do připravené tabulky v pracovním listu barevnou reakci na změnu ph. Dále provedou zakreslení vždy několika buněk z mikroskopického preparátu a popíší jej. Analýza dat Podle charakteristiky typů barviv a jejich uložení v buňce a reakce na změnu ph studenti určí, jakým typem barviva je způsobeno zbarvení pozorovaných preparátů. Zjištěné skutečnosti studenti využijí pro zodpovězení doplňujících otázek uvedených v pracovním listu. Syntéza a závěr Na závěr společně shrneme získané poznatky o pozorovaných typech barviv. Hodnocení Otestovali studenti správně reakci na změnu ph? Zhotovili studenti správně mikroskopické preparáty? Podařilo se studentům zvolit vhodné zvětšení a vybrat reprezentativní část preparátu? Zakreslili studenti pozorované objekty a vhodně je popsali? Dokázali syntetizovat získané vědomosti a vyvodit odpovídající závěry?

6 6 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje biologie Rostlinná barviva Materiály pro učitele

7 BIOLOGIE Rostlinná barviva Pracovní návod Zadání úlohy Vyzkoušejte, jak rostlinná barviva reagují na změnu ph, zda u nich dochází k barevným změnám. Potom pozorujte mikroskopem vzorky jednotlivých částí rostlin a na základě umístění barviva v buňce a jeho reakce na změnu ph rozhodněte, jakým typem barviva je barva způsobena. Pomůcky Mikroskop Krycí a podložní sklíčka pro přípravu preparátů Preparační jehla Skalpel Kapátko nebo skleněná tyčinka Destilovaná voda Žiletka, případně nůž Univerzální indikátorové papírky ocet Rostlinný materiál (listy zelí červeného (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra), plod papriky roční (Capsicum annuum), souplodí růže šípkové (šípek) (Rosa canina), bobule ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare)! Upozornění: bobule ptačího zobu obecného jsou jedovaté! Chemikálie: 5% roztok NaOH Teoretický úvod Rostlinné pigmenty jsou komplexy chemických látek, které odrážejí určité barvy. Pro rostliny mají životní význam. Mezi nejrozšířenější barviva, která způsobují červenou barvu rostlinných orgánů, řadíme karotenoidy a antokyany. Karotenoidy patří mezi lipochromní barviva, jsou rozpustná v tucích a v rostlinách se nacházejí v chromoplastech. Chemickou povahou patří do skupiny tetraterpenoidů. Na změnu ph nereagují změnou zbarvení. Způsobují většinou žluté, oranžové nebo červené zbarvení listů, květů a plodů. Mezi karotenoidy řadíme karoteny a kyslíkaté deriváty xantofyly. Antokyany patří mezi hydrochromní barviva, jsou obsaženy ve vakuolách některých buněk a způsobují modré, červené, fialové až černé zbarvení zejména květů a plodů. Patří ke flavonoidům, v rostlinách se vyskytují ve formě glykosidů, jejich aglykonová (necukerná) část se označuje jako antokyanidin. Na změnu ph prostředí reagují změnou barvy. Kyselé roztoky antokyanů bývají červené, neutrální fialové a zásadité modré.

8 8 1. V této úloze nejprve prozkoumáme reakci jednotlivých typů barviva na změny ph 2. Provedeme mikroskopování preparátů částí rostlinných orgánů a zjistíme, kde se dané barvivo v buňce nachází a ověříme reakci na změnu ph Bezpečnost práce Celý průběh laboratorního cvičení se řídí laboratorním řádem. Některé používané rostlinné části jsou jedlé (plody papriky, případně listy červené zelí), přesto je v průběhu cvičení zakázáno jíst a pít. Upozornění: Bobule ptačího zobu (Ligustrum vulgare) jsou jedovaté. Příprava úlohy (praktická příprava) Nejprve zpracujte slovníček pojmů a teoretickou přípravu na pracovním listě, potom teprve začněte s prací v laboratoři. Postup práce Nastavení HW a SW Připravte si mikroskop, zapojte do sítě a podle typu mikroskopu a způsobu zaznamenávání dat jej připojte k PC nebo vložte paměťovou kartu pro zaznamenání fotografií jednotlivých preparátů. biologie Rostlinná barviva Pracovní návod Příprava výluhů z rostlinných materiálů Připravte si vzorky rostlinného materiálu, pokrájejte je nebo rozmělněte a zalijte malým množství vroucí vody. Potom roztok rozdělte vždy do tří zkumavek (do každé zkumavky nalijte vždy 1-2 ml výluhu), do první zkumavky přidejte cca 3 ml octa, do druhé zkumavky přidejte stejný objem destilované vody (cca 3 ml) a ke třetí přidejte 3 ml 5% roztoku NaOH. Pozorujte změnu zbarvení a zaznamenejte do tabulky. Orientačně změřte ph za použití univerzálních indikátorových papírků. Mikroskopické preparáty 1. Plod papriky roční (Capsicum annuum) Ze zralého plodu papriky špičkou preparační jehly odeberte kousek červené dužniny těsně pod pokožkou a rozmělněte v kapce destilované vody na podložním sklíčku. Preparát přikryjte krycím sklíčkem a pozorujte. Do nákresu zakreslete několik buněk s chromoplasty. 2. Souplodí růže šípkové (Rosa canina) Zralé souplodí růže šípkové (šípek) rozřízněte opatrně nožem nebo žiletkou, špičkou preparační jehly odeberte kousek červené dužniny těsně pod pokožkou ze stěny souplodí a rozmělněte v kapce destilované vody na podložním sklíčku. Preparát přikryjte krycím sklíčkem a pozorujte. Do nákresu zakreslete několik buněk s chromoplasty. 3. Plod ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare) Pomocí skalpelu rozřízněte jednu z bobulí ptačího zobu a preparační jehlou odeberte velmi malý kousek fialově zbarvené dužniny zpod slupky. Vzorek přeneste do kapky vody na podložní sklíčko. Pomocí preparační jehly rozmělněte dužninu a preparát přikryjte krycím sklíčkem. Přebytečnou vodu odsajte filtračním papírem. Pozorujte preparát pod mikroskopem, zakreslete několik buněk, ve kterých zaznamenáte tvar a velikost vakuol. Po zakreslení preparátu vyzkoušejte opatrně k preparátu přikápnout kapku zásaditého barviva (kongočerveň) a pozorujte změnu zbarvení. 4. List zelí červeného (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra) Pomocí skalpelu opatrně odřízněte tenkou vrstvu z listu červeného zelí, vzorek přeneste do kapky vody na podložní sklíčko, upravte preparační jehlou a opatrně zakryjte krycím sklíčkem. Přebytečnou vodu odsajte filtračním papírem. Pozorujte a zakreslete několik buněk, ve kterých zaznamenáte tvar a velikost vakuol. Po zakreslení preparátu vyzkoušejte opatrně k preparátu přikápnout kapku zásaditého barviva (kongočerveň) a pozorujte změnu zbarvení.

9 9 Vlastní měření (záznam dat) 1. Do tabulky zaznamenejte zjištěné změny zbarvení v kyselém, neutrálním a zásaditém prostředí. 2. Na mikroskopu si nastavte odpovídající zvětšení. Nejprve použijte zvětšení nejmenší, zaostřete sledovaný objekt a teprve potom postupujte ke zvětšení většímu. Vyberte několik reprezentativních buněk, zakreslete je a obrázek popište. Analýza naměřených dat Určete, o jaký typ barviva se v případě jednotlivých preparátů jedná a jeho umístění v buňce. Na základě získaných poznatků odpovězte na otázky v pracovním listu. biologie Rostlinná barviva Pracovní návod

10 BIOLOGIE Rostlinná barviva (antokyany a karotenoidy) Pracovní list (řešená učitelská varianta) Úkoly 1. Vyplňte slovníček pojmů (vysvětlete jednotlivé pojmy). 2. Proveďte výluhy ze šťávy rostlin a určete, jak reagují na změnu ph (orientačně změřte hodnotu ph univerzálními indikátorovými papírky). 3. Zhotovte mikroskopické preparáty z uvedených druhů rostlin (viz pracovní návod). 4. Zakreslete reprezentativní část preparátu, obrázek popište. 5. Zodpovězte otázky v pracovním listu a do závěru uveďte, jakým barvivem je zbarvení pozorovaných částí rostlin způsobeno. 1. Slovníček pojmů (vysvětlete pojmy) ph (vodíkový exponent) číslo, kterým vyjadřujeme, zda vodný roztok reaguje kysele či naopak alkalicky (zásaditě). Hodnota ph je definována jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtů. Antokyany ve vodě rozpustné pigmenty ve vakuolách, mění barvu v závislosti na ph Karotenoidy lipochromní barviva rozpustná v organických rozpouštědlech. Nereagují na změny ph. Jsou obsaženy v chromoplastech. Vakuola: membránová organela rostlinných buněk, představuje zásobárnu vody a různých dalších organických i anorganických látek, včetně barviv (antokyanů) Chromoplasty fotosynteticky neaktivní plastidy žluté, oranžové či červené barvy. Jejich zbarvení je podmíněno přítomností specifických barviv karotenoidů 2. Vypracování 2.1. Do tabulky doplňte zbarvení roztoku v jednotlivém typu prostředí. Rostlinný materiál prostředí kyselé ph neutrální ph zásadité ph Plod papriky roční žádná změna žádná změna žádná změna Listy červeného zelí růžová fialová modrá až zelená, případně až do žluta Souplodí růže šípkové (šípek) žádná změna žádná změna žádná změna Plody ptačího zobu obecného růžová fialová modrá až zelená, případně až do žluta Pozn: barva se může lišit, podle dosažené hodnoty ph

11 11 Reakce na změnu ph u papriky roční a plodů růže šípkové (kyselé, neutrální, zásadité prostředí), převzato z main/jpd3/navody2007/1reseniii.pdf Zbarvení těchto částí rostlin je způsobeno karotenoidy, které nereagují na změnu ph. Barevné změny antokyanů v závislosti na ph, převzato z multitext/obecna_botanika/fotky/cytologie/ velke_antokyany.jpg Zbarvení listů červeného zelí a bobulí ptačího zobu obecného je způsobeno antokyany, které reagují na změnu ph změnou barvy. biologie Rostlinná barviva Pracovní list (řešená učitelská varianta) 2.2. Mikroskopické preparáty a) Mikroskopický preparát z plodu papriky roční (Capsicum annuum) Chromoplasty v plodu papriky roční (Capsicum annuum), převzato z b) Mikroskopický preparát ze souplodí růže šípkové (Rosa canina) Chromoplasty v souplodí růže šípkové (Rosa canina), převzato z af_211_multitext/obecna_botanika/preparaty/velke/bunka/pr_velke_chromoplasty2.jpg Chromoplasty v souplodí růže šípkové (Rosa canina), převzato z Hadač a kol., 1967

12 12 c) Mikroskopický preparát z buněk dužiny ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare) Zbarvené vakuoly v bobulích ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare) Buňky se zbarvenými vakuolami v bobuli ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare), převzato a upraveno z Jeník a kol., 1977 Pokud k preparátu přikápneme kapku kongočerveně, vakuoly se obarví modře. d) Mikroskopický preparát z listů červeného zelí (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra) Zbarvené vakuoly v buňkách listů zelí červeného (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra), převzato z biologie Rostlinná barviva Pracovní list (řešená učitelská varianta) 3. Doplňující otázky Pokud budete dráždit modrými květy plicníku mravence v mraveništi, květy zčervenají. Co se stalo? Mravenci květy postříkali kyselinou mravenčí, změnilo se ph a květy na toto reagují změnou barvy. Čím je způsobena barva plodů borůvky? Co se děje při dozrávání? Barva plodů borůvky je rovněž způsobena antokyany. Při dozrávání se mění v plodech hodnota ph buněčné šťávy (klesá obsah kyselin a zvyšuje se množství cukrů), proto se mění i barva plodů. 4. Závěr Zbarvení šípků a papriky je způsobeno karotenoidy, které nereagují na změnu ph. V buňkách jsou umístěny v chromoplastech. Naopak za zbarvení listů červeného zelí a bobulí ptačího zobu jsou odpovědné antokyany při změně ph prostředí dochází ke změně zbarvení, v buňkách se nacházejí v buněčné šťávě vakuol.

13 BIOLOGIE Rostlinná barviva (antokyany a karotenoidy) Pracovní list (žákovská varianta) Úkoly 1. Vyplňte slovníček pojmů (vysvětlete jednotlivé pojmy). 2. Proveďte výluhy ze šťávy rostlin a určete, jak reagují na změnu ph (orientačně změřte hodnotu ph univerzálními indikátorovými papírky). 3. Zhotovte mikroskopické preparáty z uvedených druhů rostlin (viz pracovní návod). 4. Zakreslete reprezentativní část preparátu, obrázek popište. 5. Zodpovězte otázky v pracovním listu a do závěru uveďte, jakým barvivem je zbarvení pozorovaných částí rostlin způsobeno. 1. Slovníček pojmů (vysvětlete pojmy) ph Antokyany Karotenoidy Vakuola

14 14 Chromoplasty 2. Vypracování 2.1. Do tabulky doplňte zbarvení roztoku v jednotlivém typu prostředí. Rostlinný materiál Plod papriky roční Listy červeného zelí Souplodí růže šípkové (šípek) Plody ptačího zobu obecného prostředí kyselé ph neutrální ph zásadité ph biologie Rostlinná barviva Pracovní list (žákovská varianta) 2.2. Mikroskopické preparáty a) Mikroskopický preparát z plodu papriky roční (Capsicum annuum) b) Mikroskopický preparát ze souplodí růže šípkové (Rosa canina)

15 15 c) Mikroskopický preparát z buněk dužiny ptačího zobu obecného (Ligustrum vulgare) Co jste pozorovali po přidání kongočerveně? d) Mikroskopický preparát z listů červeného zelí (Brassica oleracea convar. capitata var. rubra) biologie Rostlinná barviva Pracovní list (žákovská varianta) 3. Doplňující otázky Pokud budete dráždit modrými květy plicníku mravence v mraveništi, květy zčervenají. Co se stalo? Čím je způsobena barva plodů borůvky? Co se děje při dozrávání? 4. Závěr Uveďte, jakým typem barviva je způsobena barva jednotlivých pozorovaných vzorků rostlinného materiálu a odpověď zdůvodněte.