ניסויי עיכול
הוכחות ניסיוניות לתהליך העיכול
ניסויי חובה
שקית הדיאליזה כמו דופן המעי
דמיינו רשת עם חורים קטנים: כדורים קטנים (כמו כדורי טניס שולחן) עוברים דרך החורים, אבל כדורים גדולים (כמו כדורי כדורסל) לא.
שקית הדיאליזה בניסוי עובדת בדיוק כמו דופן המעי: יש בה חורים זעירים. מולקולות קטנות (גלוקוז) עוברות דרכם, אבל מולקולות גדולות (עמילן) גדולות מדי ונתקעות.
לכן העיכול הכרחי - צריך לחתוך את הכדורים הגדולים לקטנים כדי שיעברו דרך הרשת!
ניסוי 1: עמילאז בטמפרטורות שונות
השפעת טמפרטורה על פעילות אנזים
פירוק עמילן ע"י עמילאז
כיצד טמפרטורה משפיעה על קצב העיכול?
מכינים 4 מבחנות עם תמיסת עמילן + עמילאז (אנזים מרוק)
מניחים כל מבחנה בטמפרטורה שונה: 4 מעלות (קרח), 25 מעלות, 37 מעלות (גוף), 80 מעלות
כל 2 דקות לוקחים דגימה ובודקים עם תמיסת יוד
יוד + עמילן = כחול-שחור. אם העמילן פורק - צבע חום (אין תגובה)
תוצאה: ב-37 מעלות - העמילן פורק הכי מהר (כחול נעלם ראשון)
ב-80 מעלות - העמילן לא פורק (האנזים עבר דנטורציה)
תוצאות הניסוי
| טמפרטורה | קצב פירוק עמילן | הסבר |
|---|---|---|
| 4 מעלות | איטי מאוד | תנועת מולקולות איטית, התנגשויות מעטות |
| 25 מעלות | בינוני | פעילות סבירה |
| 37 מעלות | מהיר ביותר | טמפרטורה אופטימלית לאנזימי אדם |
| 80 מעלות | אין פירוק | האנזים עבר דנטורציה - שינוי בצורה, אתר פעיל התעוות |
* 37 מעלות היא טמפרטורת הגוף - האנזימים שלנו התפתחו לפעול בה ביעילות מרבית
הסיפור המדהים של וויליאם בומון
בשנת 1822, חייל קנדי בשם אלכסיס סנט מרטין נפצע מיריית רובה שיצרה חור בקיבתו. הרופא וויליאם בומון הציל את חייו, אבל הפצע לא נסגר לחלוטין - ונשאר חור שדרכו אפשר לראות את פנים הקיבה!
בומון ניצל את ההזדמנות המיוחדת: במשך שנים הוא הכניס דרך החור חתיכות מזון שונות קשורות בחוט, הוציא אותן אחרי זמן ובדק מה התעכל. כך גילה שהקיבה מפרישה מיץ קיבה חומצי ושחלבונים מתפרקים בה. זה היה אחד הניסויים הראשונים בהבנת מערכת העיכול!
דנטורציה - מה באמת קורה?
דנטורציה של אנזימים
מדוע אנזים מפסיק לפעול בטמפרטורה גבוהה?
אנזים הוא חלבון עם צורה תלת-ממדית מדויקת. באתר הפעיל שלו יש צורה שמתאימה בדיוק למצע (מולקולת המזון).
כשהטמפרטורה עולה מעל הטמפרטורה האופטימלית:
1. קשרים חלשים שמחזיקים את צורת החלבון נשברים
2. החלבון משנה צורה
3. האתר הפעיל מתעוות - המצע כבר לא מתאים
4. האנזים מפסיק לפעול
שינוי זה הוא בלתי הפיך - האנזים לא חוזר לצורתו המקורית.
דנטורציה = שינוי בלתי הפיך בצורת החלבון שגורם לאובדן פעילות האנזים.
גורמים נוספים המשפיעים על אנזימים
טמפרטורה מול pH
השפעת טמפרטורה
כל אנזים פועל בטמפרטורה אופטימלית
לאנזימי אדם: 37 מעלות
מתחת - פעילות איטית
מעל - דנטורציה (בלתי הפיכה)
דוגמה: עמילאז ברוק: 37 מעלות אופטימלי
השפעת pH
כל אנזים פועל ב-pH אופטימלי
פפסין: pH 2 (חומצי)
אנזימי לבלב: pH 8 (בסיסי)
סטייה מה-pH גורמת לדנטורציה
דוגמה: פפסין ב-pH 8 יעבור דנטורציה ויפסיק לפעול
תוצאות מלאות - ניסוי עמילאז בטמפרטורות שונות
| טמפרטורה | דקה 2 (יוד) | דקה 4 (יוד) | דקה 6 (יוד) | דקה 8 (יוד) | מסקנה |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 מעלות | כחול-שחור | כחול-שחור | כחול-שחור | כחול בהיר | פירוק איטי מאוד |
| 25 מעלות | כחול-שחור | כחול בהיר | צהוב-חום | צהוב-חום | פירוק בינוני |
| 37 מעלות | כחול בהיר | צהוב-חום | צהוב-חום | צהוב-חום | פירוק מהיר! |
| 80 מעלות | כחול-שחור | כחול-שחור | כחול-שחור | כחול-שחור | אין פירוק - דנטורציה |
* כחול-שחור = יש עמילן. צהוב-חום = אין עמילן (התפרק). ב-37 מעלות העמילן נעלם הכי מהר
מעבדה אינטראקטיבית: הריצו את הניסוי בעצמכם
הזיזו את סרגל הזמן, לחצו הוסף תמיסת יוד ובדקו מה קורה ב-4 המבחנות בטמפרטורות שונות. שימו לב לצבע הנוזל ולאחוז העמילן שנותר בכל מבחנה.
חומרי זיהוי
כיצד מזהים חומרי מזון?
בדיקת עמילן - יוד
מוסיפים תמיסת יוד. תגובה חיובית: צבע כחול-שחור. ללא עמילן: צהוב-חום.
בדיקת סוכר פשוט - בנדיקט
מוסיפים תמיסת בנדיקט ומחממים. תגובה חיובית: צבע כתום-חום. ללא סוכר: כחול.
בדיקת חלבון - ביאורט
מוסיפים תמיסת ביאורט. תגובה חיובית: צבע סגול. ללא חלבון: כחול בהיר.
בדיקת שומן - נייר
טופחים על נייר. תגובה חיובית: כתם שקוף שלא נעלם. ללא שומן: כתם יבש.
ניסוי 2: קרום חדיר למחצה (דיאליזה)
מעבר חומרים דרך קרום
דיאליזה - חדירות בררנית
מה עובר דרך קרום חדיר למחצה ומה לא?
ממלאים שקית דיאליזה (קרום מלאכותי) בתמיסה של עמילן + גלוקוז
שמים את השקית בכוס מים
ממתינים 30 דקות
בודקים את המים בכוס: בדיקת יוד (עמילן) + בדיקת בנדיקט (גלוקוז)
תוצאה: גלוקוז עבר למים (בנדיקט חיובי), עמילן נשאר בשקית (יוד שלילי)
מסקנה: גלוקוז (קטן) עובר דרך הקרום, עמילן (גדול) לא עובר
הקשר לגוף
ניסוי זה מדגים את מה שקורה במעי הדק: רק מולקולות קטנות (גלוקוז, חומצות אמינו) עוברות דרך דופן המעי לדם. מולקולות גדולות (עמילן, חלבונים) חייבות להתפרק קודם ע"י אנזימים. לכן העיכול הכימי הכרחי!
עיצוב ניסוי נכון
ניסוי מבוקר: ניסוי מול ביקורת
מבחנת הניסוי
עמילן + עמילאז בטמפרטורה הנבדקת
המשתנה הבלתי תלוי: טמפרטורה
כל שאר התנאים קבועים
דוגמה: מבחנה עם עמילן + אנזים ב-37 מעלות
מבחנת הביקורת
עמילן ללא עמילאז באותה טמפרטורה
מוכיחה שהפירוק נובע מהאנזים
ולא מהטמפרטורה לבד
דוגמה: מבחנה עם עמילן בלי אנזים ב-37 מעלות - העמילן לא מתפרק
ללא ביקורת, אי אפשר להוכיח שהאנזים הוא הגורם לפירוק - אולי הטמפרטורה לבד הספיקה?
כללים לניסוי מדעי
בכל ניסוי חשוב לשמור על כללים מדעיים. בניסוי העמילאז, למשל, חייבים לוודא שהתוצאות נובעות רק מהמשתנה שאנחנו בודקים (טמפרטורה).
- משתנה בלתי תלוי (משנים): הטמפרטורה
- משתנה תלוי (מודדים): קצב פירוק העמילן
- משתנים מבוקרים (קבועים): כמות עמילן, כמות אנזים, זמן, pH
- ביקורת: מבחנה עם עמילן בלי אנזים - מוכיחה שהפירוק הוא בזכות האנזים
השיטה המדעית - שלבים
←
←←
←
שאלת מחקר ← השערה ← ניסוי ← תוצאות ← מסקנה
דוגמה: שאלה: האם טמפרטורה משפיעה על עמילאז? ← השערה: ב-37 מעלות הפעילות תהיה מרבית ← ניסוי: 4 מבחנות בטמפרטורות שונות ← תוצאות: ב-37 מעלות הפירוק הכי מהיר ← מסקנה: טמפרטורה אופטימלית 37 מעלות.
פרוטוקולים שכדאי להכיר
שימוש בלוח יוד
נוטפים טיפת תמיסת יוד על לוח חרסינה לבן. מוסיפים טיפה מהדגימה. צבע כחול-שחור = יש עמילן. חום-צהוב = אין עמילן (פורק).
חימום בנדיקט באמבט מים
מוסיפים בנדיקט לדגימה ומחממים ב-100 מעלות באמבט מים (לא על להבה ישירה!). כחול = אין סוכר. כתום-חום = יש סוכר פשוט.
הכנת אמבט מים
ממלאים כוסית במים בטמפרטורה הרצויה. מחכים 5 דקות עד שהמבחנה מגיעה לטמפרטורה. רק אז מוסיפים אנזים.
שימוש בשקית דיאליזה
קושרים קצה אחד של השקית. ממלאים בתמיסה. קושרים את הקצה השני. שוטפים מבחוץ. טובלים בכוס מים ומתחילים למדוד.
איך כותבים דו"ח ניסוי?
דו"ח ניסוי מדעי כולל מספר חלקים קבועים. שימו לב לכתוב כל חלק בבירור:
- שאלת מחקר - מה רוצים לבדוק?
- השערה - מה אנחנו חושבים שיקרה ולמה?
- חומרים וציוד - רשימה מדויקת
- מהלך הניסוי - שלבים מספריים, ברורים, ניתנים לחזרה
- תוצאות - טבלה / גרף / תצפיות
- מסקנות - האם ההשערה התאשרה? מה למדנו?
שאלה לחשיבה
מדוע אנזימים בקיבה (פפסין) פעילים ב-pH 2, אבל אנזימים במעי הדק פעילים ב-pH 8?
כל אנזים מותאם לסביבה שבה הוא פועל. פפסין התפתח לפעול בסביבה החומצית של הקיבה (pH 2). אנזימי הלבלב פועלים במעי הדק שם הסביבה בסיסית יותר (pH 8) - הלבלב מפריש ביקרבונט שמסתיר את חומצת הקיבה. אם נשים פפסין ב-pH 8, הוא יעבור דנטורציה.
שאלה לחשיבה
תלמידה ביצעה את ניסוי הדיאליזה אבל שמה את שקית הדיאליזה בתמיסת גלוקוז (במקום במים). מדוע לא תקבל תוצאות תקינות?
דיפוזיה מתרחשת מריכוז גבוה לריכוז נמוך. אם בכוס יש תמיסת גלוקוז, אין הפרש ריכוזים בין תוך השקית לחוץ - הגלוקוז לא ינוע (או ינוע הרבה פחות). בניסוי התקין, המים בכוס הם ללא גלוקוז, כך שהגלוקוז עובר מריכוז גבוה (שקית) לנמוך (כוס).
שאלה לחשיבה
תלמיד טוען: 'ב-80 מעלות האנזים רק 'ישן' - אם נחזיר אותו ל-37 מעלות הוא יתחיל לפעול שוב'. האם הוא צודק? הסבירו.
התלמיד לא צודק. דנטורציה היא תהליך בלתי הפיך. בטמפרטורה גבוהה, הקשרים שמחזיקים את הצורה התלת-ממדית של החלבון נשברים, והאנזים משנה צורה באופן קבוע. גם אם נחזיר אותו ל-37 מעלות, האתר הפעיל כבר מעוות ולא יחזור לצורתו המקורית. זה כמו ביצה מבושלת - גם אם נקרר אותה, היא לא תחזור להיות נוזלית.
בניסוי זה בודקים כיצד pH משפיע על פירוק חלבון ע"י פפסין:
- מכינים 3 מבחנות עם חלבון ביצה מבושל + פפסין
- מוסיפים למבחנה 1: HCl (pH 2), למבחנה 2: מים (pH 7), למבחנה 3: NaOH (pH 10)
- ממתינים 24 שעות ב-37 מעלות
- תוצאה: רק במבחנה 1 החלבון התפרק - פפסין פעיל רק ב-pH חומצי
- מסקנה: לכל אנזים pH אופטימלי שבו הוא פעיל ביותר