Ферменти, їхня роль у клітині. Лабораторні дослідження: Властивостей ферментів

v=JTFYI0JiXI8&ab_channel=%D0%A6%D1%96%D0%BA%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B0

Винайдення ферментів

          Вперше ферменти були відкриті у 1814 році рос. хіміком  К.С. Кірхгорфом. Російський фізіолог В.П. Павлов назвав ферменти – «Носіями життя».

           Вчення ферментів почалося з дослідження головним чином двох біологічних процесів – перетравлення їжі тваринами та бродіння цукру з утворенням спирту під дією дріжджів. Можна вважати, що вперше дію ферментів спостерігав у 1833 році А. Пайєн та Ж. Персо, які встановили, що спирт виділяє з солоду якусь речовину, що здатна перетворювати крохмаль в цукор, і показали, що вона руйнується при нагріванні.

         В кінці 19 ст. М .Бертло і Луї Пастер сперечалися про природу бродіння.

         Бертло вважав, що цей процес обумовлюється утворенням ферментів живими клітинами дріжджів.

        Пастер вважав, що здатність викликати бродіння притаманна тільки живим клітинам дріжджів, що діляться, та ніяк не відокремлена від них.

         У 1897 р. Е.Бухнер встановив, що якщо зруйнувати клітини дріжджів розтираючи їх піском, та віджати з них сік, цей сік може швидко зброджувати цукор. Це відкриття спричинило кінець дискусії між послідовниками Пастера та Бертло.

Ферменти — це білкові молекули, що є біологічними каталізаторами. Вони наявні у всіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) на інші (продукти). Ферменти виступають у ролі каталізаторів майже у всіх біохімічних реакціях, що протікають у живих організмах.

Ферменти називають також ензимами (від латин, fermentum — закваска, від грец. «єн» — всередині та «зіме» — дріжджі, закваска). Терміни «фермент» і «ензим» учені використовують як синоніми, однак наука про ферменти називається ензимологією, а не ферментологією.

Однак є й інші важливі властивості ферментів:

■усі ферменти — глобулярні білки;

■вони прискорюють швидкість реакції, але самі в цій реакції не витрачаються;

■ферменти високо специфічні: один фермент може каталізувати тільки одну реакцію;

■їхня наявність не впливає ні на властивості, ні на природу кінцевого продукту (або продуктів) реакції;

■фермент завжди більший, ніж субстрат (або субстрати), з якими він взаємодіє;

■фермент взаємодіє із субстратом за допомогою активного центру-спеціальної ділянки, що за формою відповідає субстрату;

■дуже мала кількість ферменту викликає перетворення великих кількостей субстрату;

■каталізуюча реакція зворотна;

■активність ферментів залежить від pH середовища, температури, тиску та від концентрацій як субстрату, так і самого ферменту;

■є речовини, які можуть впливати на фермент і сповільнювати швидкість протікання реакції, такі речовини називають інгібіторами ферментів.

Існують дві гіпотези, які пояснюють, як діють ферменти. Одна з них називається гіпотезою «ключа й замка», а інша гіпотезою «руки й рукавички».

Згідно з першою гіпотезою, субстрат — це «ключ», що точно підходить до «замка» — ферменту. Найважливішою частиною «замка» є активний центр. Саме з ним і зв’язується субстрат, оскільки форма субстрату відповідає формі активного центру. Утворюється фермент-субстратний комплекс.

Це активований стан, що веде до утворення продуктів реакції. Утворені продукти за формою вже не відповідають активному центру. Вони відокремлюються від нього (надходять у навколишнє середовище), після чого вільний активний центр може приймати нові молекули субстрату.

Інгібітори ферментів.

Інгібітор ферментів — це природна або синтетична речовина, що пригнічує активність ферментів або повністю припиняє їхню діяльність. Більшість інгібіторів ферментів діють зворотно, тобто не змінюють молекулу ферменту після своєї дисоціації. Однак існують також незворотні інгібітори ферментів, які незворотно модифікують цільовий фермент.

Розрізняють конкурентне й неконкурентне інгібування. Так звані аналоги субстрату мають властивості, подібні до властивостей субстрату цільового ферменту. Вони зворотно блокують частину молекул ферменту, але не можуть далі перетворюватися на продукт. Оскільки субстрат та інгібітор конкурують за місце зв’язування на ферменті, цей тип гальмування називають конкурентним.

Якщо інгібітор реагує з функціонально важливою групою ферменту, не перешкоджаючи зв’язуванню субстрату, таке інгібування називають не- конкурентним. Неконкурентні інгібітори діють, як правило, незворотно, оскільки вони модифікують функціональні групи цільового ферменту.

Інгібітори ферментів використовують для вивчення механізму дії ферментів, для лікування порушень обміну речовин, а також як пестициди.

Використання ферментів.

Людина активно використовує ферменти в промисловості. Перший патент на використання ферментних препаратів у промислових цілях був отриманий ще в 1891 році. Ферменти давно застосовують у харчовій та кондитерській промисловості для отримання тих чи інших продуктів, у текстильній промисловості — для вибілювання та обробки пряжі й бавовняних ниток.

Ферменти можна використовувати, не витягуючи їх із живих організмів, приміром, безпосередньо в бактеріальних клітинах. Цей спосіб, власне, є основою будь-якого мікробіологічного виробництва.

Біохіміки думали про те, як використовувати чисті препарати ферментів для того, щоб позбутися побічних реакцій, які супроводжують життєдіяльність мікроорганізмів. Створення виробництв, у яких використовуються ферменти в чистому вигляді як реактиви, дуже вигідне. Але є принципова складність: багато ферментів після їхнього витягування з клітини дуже швидко інактивуються, руйнуються.

Учені знайшли шляхи розв’язання цієї проблеми. Для того щоб зробити ферменти стійкими, придатними для багаторазового, тривалого промислового використання, їх приєднують за допомогою міцних хімічних зв’язків до нерозчинних або розчинних носіїв. Унаслідок цього ферменти стають стійкими й можуть бути використані багаторазово.

Створення таких ферментів — заслуга інженерної ензимології, одного з нових напрямів біотехнології. Сьогодні за допомогою методів інженерної ензимології в промисловості отримують, наприклад, глюкозо-фруктозні сиропи, напівсинтетичні пеніциліни, дієтичне безлактозне молоко.

Розповідь – легенда.

В 1941 році король Данії Христіан X вручав відомому біохіміку Линдерстрем-Лангувищу наукову нагороду за дослідження білків і ферментів. Король попрохав вченого пояснити йому і присутнім, що таке ферменти. Вчений розповів таку історію.

      Вмирав старий араб. Все його багатство складалося з 17 чарівних білих верблюдів. Він зібрав своїх синів і оголосив їм своє бажання: «Мій старший син повинен одержати після моєї смерті половину верблюдів. Середньому синові я заповідаю третину всіх верблюдів. Але і мій молодший син повинен

одержати половину верблюдів, середній – третину, але і мій молодший син повинен одержати свою частину – одну дев’яту частину череди.. Поховавши батька, три брати почали ділити верблюдів. Але виконати бажання батька вони не змогли: неможливо було поділити 17 верблюдів ні навпіл, ні на три частини, ні на дев'ять частин. Але тут крізь пустелю проходив дервіш. Бідний, як всі вчені, він вів чорного худого верблюда. Брати звернулися до нього за допомогою. І дервіш сказав: « Виконати бажання вашого батька дуже просто. Я дарую вам свого верблюда, а ви спробуйте розділити його спадок. У братів виявилося 18 верблюдів і все вирішилось. Старший син одержав половину верблюдів - 9, середній -третину череди - 6, молодший син одержав свою частину - 2 верблюди. Але 9, 6 і 2 дають 17, і після розподілу залишився зайвий верблюд - старий верблюд вченого. І дервіш сказав:

«Віддайте мені мого верблюда за те, що я допоміг розділити вам спадок».

«Ось цей чорний верблюд, - закінчив розповідь Линдерстрем - Панг, - і схожий на фермент. Він зробив можливим цей процес, який без нього був би неможливим, а сам залишився без змін».

•Від чого залежить активність ферментів?

Ферменти – білки, що беруть участь у всіх хімічних реакціях організму.

 Н2О2 – кінцевий продукт метаболізму клітини. Це токсична речовина, тому необхідно знешкоджувати в короткий термін. Деякі живі клітини синтезують високоспецифічний фермент – каталазу, який розщеплює Н2О2. В результаті цієї ферментативної реакції гідроген пероксид розкладається на воду та кисень.

Пероксид водню накопичується в живих клітинах рослин внаслідок окисно-відновних процесів. Він впливає токсично на життєдіяльність клітин. Цьому перешкоджає каталаза, яка прискорює розщеплення пероксиду водню. Про активність каталази можна робити висновок на підставі інтенсивного виділення з тканин кисню.

Каталаза – один із найбільш швидко працюючих ферментів: при нулі градусів за Цельсієм одна молекула каталази розкладає за одну секунду до 40000 молекул пероксиду Гідрогену! Давайте побачимо всі це наочно, налийте невелику кількість пероксиду гідрогену у пробірки з вареною та сирою картоплею та з вареним та сирим м’ясом. Що ви спостерігаєте? Чому саме так?

В результаті проведеного досліду зі шматочками сирої та вареної картоплі:

-зі шматочками вареної картоплі не було розщеплення пероксиду водню (кисень не виділявся), тому що під час варіння відбулася денатурація білка – ферменту каталази, порушилася третинна і вторинна структура молекули і це привело до руйнування активного центру ферменту;

-зі шматочками сирої – бурхливе виділення кисню, що свідчить про наявність в клітинах картоплі ферменту – каталази.

      

Ферменти, як і всі білки нестійкі сполуки, й легко розпадаються під впливом підвищення температури та певних хімічних речовин.

Теж відбувається, якщо перекис водню капнути  на рану чи прополоскати рот. Фермент розкладає пероксид водню на воду і кисень, при чому кисень вбиває мікроби, дезинфікує рану, або порожнину рота. Цією властивістю каталази користуються медики.

Лабораторне дослідження № 1

Тема: Властивості ферментів

Робота може виконуватися за одним з двох варіантів - з вивченням ферменту амілази слини або з вивченням ферменту каталази, що міститься у живих клітинах тварин та рослин.

. Вивчення ферменту каталази

Мета: вивчити основні властивості ферментів на прикладі ферменту каталази; дослідити дію ферменту каталази на гідроген пероксид; з’ясувати умови, потрібні для здійснення каталітичної функції ферменту.

Хід роботи:

Гідроген пероксид (перекис водню) Н2О2 є токсичним для живих клітин. Він накопичується в клітинах внаслідок окисно-відновних процесів.

Накопиченню гідроген пероксиду перешкоджає фермент каталаза, який прискорює розщеплення цієї речовини на воду Н2О та кисень О2↑.

Про активність каталази можна робити висновки на підставі того, наскільки інтенсивним є виділення кисню з тканин.

Дослідження активності каталази в клітинах запасної тканини рослини

1.  До пробірки № 1 помістіть цілий шматочок сирої картоплі,

 а до пробірки № 2 - шматочок вареної картоплі.

2. У кожну пробірку прилийте по 2 мл гідроген пероксиду Н2О2. Спостерігайте, в якій з пробірок відбудуться зміни. Результати занесіть до таблиці.

Дослідження активності каталази в клітинах тваринних тканин

1. До пробірки № 3 помістіть шматочок сирого м’яса (або печінки), 

а до пробірки № 4 - шматочок вареного.

2. У кожну пробірку прилийте по 2 мл гідроген пероксиду. Спостерігайте, в якій з пробірок відбудуться зміни. Результати занесіть до таблиці.

Результати дослідів занесіть до таблиці:

Вміст мікропрепарату, пробірки	Що спостерігали	Висновки
Шматочок сирої картоплі + 2 мл Н2О2
Шматочок вареної картоплі + 2 мл Н2О2
Шматочок сирого м’яса (печінки) + 2 мл Н2О2
Шматочок вареного м’яса (печінки) + 2 мл Н2О2

ВИСНОВОК-

https://uahistory.co/gdz/all-laboratory-works-6-11-class-2017/157.php

Лабораторне дослідження № 1

Тема: Властивості ферментів

Робота може виконуватися за одним з двох варіантів - з вивченням ферменту амілази слини або з вивченням ферменту каталази, що міститься у живих клітинах тварин та рослин.

ВАРІАНТ 1. Вивчення ферменту каталази

Мета: вивчити основні властивості ферментів на прикладі ферменту каталази; дослідити дію ферменту каталази на гідроген пероксид; з’ясувати умови, потрібні для здійснення каталітичної функції ферменту.

Обладнання і матеріали: мікроскопи, штатив з пробірками, фільтрувальний папір, піпетка, скляна паличка, пінцет, термометр, лійка, лабораторні піпетки, водяна баня, предметні та покривні скельця, препарувальна голка, дистильована вода Н2О, склянка зі снігом або льодом, 3 % розчин гідроген пероксиду Н2О2, 5 % спиртовий розчин йоду І2, рідкий 2 % крохмальний клейстер, сухий крохмаль, сира й варена картопля, листки елодеї (бальзаміну, пеларгонії або ін.), шматочки сирого і вареного м’яса (або печінки), пісок.

Хід роботи:

Гідроген пероксид (перекис водню) Н2О2 є токсичним для живих клітин. Він накопичується в клітинах внаслідок окисно-відновних процесів.

Накопиченню гідроген пероксиду перешкоджає фермент каталаза, який прискорює розщеплення цієї речовини на воду Н2О та кисень О2↑.

Про активність каталази можна робити висновки на підставі того, наскільки інтенсивним є виділення кисню з тканин.

Дослід 1. Дослідження активності каталази в клітинах листка рослини

1. Приготуйте мікропрепарат витриманого на світлі 8-10 годин листка елодеї (бальзаміну, пеларгонії) і розгляньте його під мікроскопом. Зверніть увагу на форму клітин, їхнє прилягання одна до одної та наявність або відсутність клітинних включень.

2. Нанесіть піпеткою на край покривного скла розчин гідроген пероксиду Н2О2, а з протилежного боку відтягніть воду фільтрувальним папером (до тих пір, доки розчин не опиниться під накривним скельцем).

3. Розгляньте мікропрепарат під мікроскопом. Опишіть стан клітин до додавання гідроген пероксиду та після нього. Результати занесіть до таблиці.

При додаванні гідроген пероксиду до клітин листка рослини відбувається бурхливе виділення бульбашок кисню.

Це свідчить про наявність ферменту каталази в живих рослинних клітинах.

Дослід 2. Дослідження активності каталази в клітинах запасної тканини рослини

1. Пронумеруйте п’ять пробірок. Дві з них будуть задіяні у досліді 2, три інші - у дослідах 3 та 4.

2. До пробірки № 1 помістіть цілий шматочок сирої картоплі, а до пробірки № 2 - шматочок вареної картоплі.

3. У кожну пробірку прилийте по 2 мл гідроген пероксиду Н2О2. Спостерігайте, в якій з пробірок відбудуться зміни. Результати занесіть до таблиці.

У досліді зі шматочками вареної картоплі розщеплення гідроген пероксиду не відбувається (кисень не виділяється), тому що під час приготування картоплі відбулася денатурація білка-ферменту каталази, порушилася третинна і вторинна структури молекули, і це привело до руйнування активного центру ферменту.

У досліді зі шматочками сирої картоплі відбувається бурхливе виділення кисню, що свідчить про наявність в клітинах картоплі ферменту каталази.

Дослід 3. Дослідження активності каталази в клітинах тваринних тканин

1. До пробірки № 3 помістіть шматочок сирого м’яса (або печінки), а до пробірки № 4 - шматочок вареного.

2. У кожну пробірку прилийте по 2 мл гідроген пероксиду. Спостерігайте, в якій з пробірок відбудуться зміни. Результати занесіть до таблиці.

У досліді зі шматочками вареного м’яса (печінки), як і в попередньому досліді, не було розщеплення гідроген пероксиду (кисень не виділяється), тому що під час термічної обробки м’яса (печінки) також відбулася денатурація білка-ферменту каталази, порушилася третинна і вторинна структури молекули, і це привело до руйнування активного центру ферменту.

У досліді зі шматочками сирого м’яса (печінки) відбувається бурхливе виділення кисню, що свідчить про наявність в клітинах м’яса (печінки) ферменту каталази.

Можете провести такі сам дослідження з іншими об’єктами - сирими та вареними фруктами або овочами.

Дослід 4. Дослідження наявності каталази в неживих об’єктах

1. В пробірку № 5 помістіть невелику кількість піску.

2. Прилийте 2 мл гідроген пероксиду. Чи спостерігаєте виділення газу?

Вміст пробірки залишається без змін. Розкладання гідроген пероксиду не відбувається. Пісок є неживим об’єктом і не містить ферменту каталази.

Результати дослідів занесіть до таблиці:

Вміст мікропрепарату, пробірки	Що спостерігали	Висновки
Листок рослини + кілька крапель Н2О2	Утворення бульбашок газу.	Клітини листа рослини містять фермент каталазу.
Шматочок сирої картоплі + 2 мл Н2О2	Утворення бульбашок газу.	Клітини сирої картоплі містять фермент каталазу.
Шматочок вареної картоплі + 2 мл Н2О2	Розкладання гідроген пероксиду не відбувається.	Під час приготування вареної картоплі відбулася денатурація ферменту.
Шматочок сирого м’яса (печінки) + 2 мл Н2О2	Утворення бульбашок газу.	Клітини сирого м’яса (печінки) містять фермент каталазу.
Шматочок вареного м’яса (печінки) + 2 мл Н2О2	Розкладання гідроген пероксиду не відбувається.	Під час приготування вареного м’яса (печінки) відбулася денатурація ферменту.
Пісок + 2 мл Н2О2	Розкладання гідроген пероксиду не відбувається.	Пісок є неживим об’єктом і не містить ферментів.

Отже, каталаза міститься лише в живих клітинах (листки рослин, сирі м’ясо, печінка) і відсутня в об’єктах неживої природи (пісок). За кип’ятіння молекули каталази змінюють свою структуру, фермент піддається денатурації і втрачає каталітичні властивості.

Висновки:

1. Фермент каталаза є біологічним каталізатором, міститься в живих клітинах тварин та рослин. Вона прискорює хімічні реакції і має білкову природу.

2. Каталаза виявляє свою дію лише за певних умов (кімнатна температура). За різкої зміни умов (кип’ятіння) піддається денатурації і втрачає каталітичні властивості.

3. Дія ферменту є специфічною: в дослідах відбувається розкладання лише однієї речовини - гідроген пероксиду.