Лабораторна робота: Вивчення властивостей ферментів.

Мета: дати студентам поняття  про ферменти, їх роль у життєдіяльності організмів. Показати наочний приклад дії ферментів.

Розвивати вміння працювати з інформацією, робити висновки і узагальнення.

Виховувати бажання вести здоровий спосіб життя, інтерес до пошукової роботи, бережне ставлення до свого здоров'я.

Обладнання: підручник для 10 класу «Біологія», «Робочий зошит», фотографії, схеми, малюн­ки, що дозволяють ілюструвати класифікацію, власти­вості та механізм дії ферментів, мультимедійний проектор,  мікроскопи, пробірки, шматочки сирого та вареного м'яса, картоплі, 3% - й розчин пероксиду водню.

Тип заняття: комбіноване заняття.  

Хід заняття

І. Організаційний етап.

ІІ. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності.

Як ви вважаєте про які речовини ці слова?

Вони розщеплюють та синтезують,

вони прискорюють життя.

Вони працівники метаболізму,

без них немає на землі буття. (Ферменти).

Проблемне запитання:

Читаючи наукову періодику, часто зустрічаю інформацію, що ферменти – біокаталізатори, застосовують майже у всіх галузях виробництва. Цікаво що вини собою являють?

Біологічний диктант

Вам потрібно вказати правильні твердження і неправильні словами «так» або «ні».

1. Рухову функцію білків  виконує актин і міозин. (так).
2. Рослини не потребують надходження амінокислот з навколишнього середовища. (ні).
3. Білок не може виконувати свої біологічні функції при руйнуванні своєї третинної структури. (так).
4. Кератин і колаген виконують структурну функцію. (так).
5. Мономерами білка є амінокислоти. (так).
6. Денатурація може бути тільки необоротною. (ні).
7. Амінокислоти можуть сполучатися одна з одною за допомогою пептидного зв’язку. (так).
8. До складу білків входять  30 амінокислот. (ні).
9. Структура білка зберігається навіть при підвищенні температури.(ні).
10. Структура білків не пов’язана з їх функціями. (ні).
11.  Прості білки складаються з амінокислотних залишків. (так).
12.  Поліпептиди з молекулярною масою понад 6000 називають білками. (так).

Запитання для бесіди:

1. Що ви знаєте про каталізатори та їх властивості?
2. Які умови необхідні для дії тих або інших каталізаторів?
3. Відомо, що молекула пероксиду Гідрогену розщеплюється під

дією каталази на воду і молекулярний кисень. Як ви гадаєте, скільки молекул пероксиду водню може розщепити одна молекула каталази за одну секунду?

ІІІ. Оголошення теми і мети заняття.

Сьогодні на занятті ми детально познайомимося з тим, яка роль біологічних каталізаторів.

Запишіть тему: Вивчення властивостей ферментів».

ІV. Вивчення нового матеріалу

Теоретичні відомості.

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.

Спочатку ферменти поділяли на дві групи: гідролази, що прискорюють гідролітичні реакції, та десмолази, що прискорюють реакції негідролітичного розпаду. Потім пробували розділити ферменти на класи за числом субстратів, що беруть участь у реакції. Згідно із цим, ферменти класифі­кували на три групи.

Каталізуючі перетворення двох субстратів одночасно в обох напрям­ках.

Прискорювальні перетворення двох субстратів у прямій реакції й одно­го у зворотній.

Такі, що забезпечують каталітичну видозміну одного субстрату як у прямій, так і у зворотній реакції.

Одночасно розвивався напрямок, де в основу класифікації ферментів був покладений тип реакції, що підлягає каталітичному впливу. Поряд з ферментами, що прискорюють реакції гідролізу (гідролази), були вивче­ні ферменти, які беруть участь у реакціях перенесення атомів та атомних

груп (ферази), в ізомеризації (ізомерази), розщепленні (ліази), різних син­тезах (синтетази) тощо. Такий напрямок у класифікації ферментів виявив­ся найбільш плідним. За цим принципом у сучасній біохімії всі ферменти поділяють на класи.

До класу оксидоредуктаз відносять ферменти, які каталізують реак­ції окиснення-відновлення. Окиснення протікає як процес віднімання атомів Н (електронів) від субстрату, а відновлення — як приєднання ато­мів Н (електронів) до акцептора. Якщо реакція протікає в анаеробних (без кисню) умовах, такий підклас оксидоредуктаз називають дегідрогеназами, а якщо реакція протікає в аеробних умовах (за наявності кисню), такий підклас називають оксидазами.

Трансферази прискорюють реакції перенесення функціональних груп і молекулярних залишків. До класу трансфераз входять ферменти, що при­скорюють реакції перенесення функціональних груп і молекулярних залиш­ків від однієї сполуки до іншої. Це один з найбільших класів: він нараховує близько 500 індивідуальних ферментів. Залежно від характеру груп, які переносяться, розрізняють фосфотрансферази, амінотрансферази, глікозил- трансферази, ацилтрансферази, трансферази, що переносять одновуглецеві залишки (метилтрансферази, формілтрансферази), тощо. Наприклад, амі­дази прискорюють гідроліз амідів кислот. Серед них важливу роль у біохі­мічних процесах в організмі відіграють уреаза, аспарагіназа та глутаміназа.

Гідролази прискорюють реакції гідролітичного розпаду ефірних, пеп- тидних, глікозидних та інших зв’язків у молекулах ліпідів, білків, вугле­водів, нуклеотидів. До гідролазів належать усі травні ферменти. Залежно від хімічної структури субстрату й характеру зв’язку, що розривається, гідролази поділяють на підкласи: естерази, фосфатази, глюкозидази, пептидгідролази. Естерази прискорюють гідроліз складних ефірів (різних ліпі­дів) на спирт і кислоту. Фосфатази каталізують гідролітичне відщеплення фосфорної кислоти від нуклеотидів і фосфорних ефірів вуглеводів. Глюко­зидази прискорюють гідроліз складних вуглеводів. Пептидгідролази при­скорюють гідроліз пептидних зв’язків у молекулах білків і пептидів.

Ліази прискорюють негідролітичне відщеплення від субстратів певних груп атомів з утворенням подвійного зв’язку (або приєднують групи атомів за подвійним зв’язком).

Ізомерази прискорюють просторові або структурні перебудови в межах однієї молекули.

Лігази прискорюють реакції синтезу, поєднані з розпадом багатих на енергію зв’язків.

Кожний фермент забезпечує одну або кілька реакцій одного типу. Наприклад, жири в травному тракті, а також усередині клітини розще­плюються спеціальним ферментом — ліпазою, що не діє на полісахариди й білки. Фермент амілаза, що розщеплює крохмаль або глікоген, не діє на жири. Кожна молекула ферменту здатна здійснювати від кількох тисяч до кількох мільйонів операцій за хвилину. У ході цих операцій фермент не витрачається і не змінюється.

За хімічною будовою розрізняють прості ферменти, які складаються тільки з амінокислот, і складні ферменти, які мають небілкову частину.

Такою небілковою частиною можуть бути, наприклад, вітаміни, йони цин­ку, магнію, заліза.

У процесі каталізуючої реакції в контакт із субстратом вступає не вся молекула ферменту, а певна її ділянка, яку називають активним центром. Ця зона молекули не складається з послідовності амінокислот, а форму­ється при утворенні третинної структури ферменту. Окремі ділянки аміно­кислот зближуються між собою, утворюючи певну конфігурацію активного центру. Будова активного центру відповідає поверхні субстрату, а залишки амінокислот цієї зони ферменту здатні вступати в хімічну взаємодію з пев­ними групами субстрату. Можна уявити, що активний центр ферменту збі­гається зі структурою субстрату, як замок і ключ.

Завдяки активному центру фермент може формувати із субстратом ко­роткочасний фермент-субстратний комплекс, що знижує енергію активації реакції. Саме це й сприяє тому, що реакція протікає набагато швидше.

Основна функція ферментів — прискорення швидкості протікання реакцій у десятки тисяч разів. Без ферментів процеси життєдіяльності не­можливі.

Основною властивістю ферментів є їхня здатність утворювати за допо­могою активного центру фермент-субстратний комплекс і прискорювати протікання реакції.

Властивості травних ферментів

Ферменти слини діють на складні вуглеводи, вони перетворюють крохмаль на глюкозу; крохмаль не розчинний, він не може всмоктуватися у кров, а глюкоза може;

Ферменти ротової порожнини діють у слабощелочному або нейтральному середовищі, ферменти шлунку – у кислому, кишкові ферменти – в слаболужному.

Ферменти слини діють на крохмаль, ферменти шлункового соку на білки, ферменти кишкового соку – на білки, жири, вуглеводи. Вони розщеплюють ці речовини до продуктів, здатних всмоктатися в кров або лімфу.

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.

•                 Орієнтовний текст конспекту студента

Конспект студента має включати визначення ферментів, короткий перелік їхніх властивостей та принцип дії.

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».

       V. Узагальнення, систематизація і контроль знань і вмінь учнів

Робота із зошитом

Під час узагальнення і систематизації знань слід провести лабораторну роботу «Вивчення властивостей ферментів».

         Виявлення ферментів в живих тканинах та їх активності в залежності від різних факторів.

Пояснення викладача:

•    Пероксид гідрогену (Н₂О₂) - продукт обміну речовин в клітинах багатьох рослин та тварин.
•    Н₂О₂ - дуже токсичний; може порушувати діяльність клітин, навіть повне їх руйнування.
•    В клітинах - фермент каталаза.

2Н₂О₂             2Н₂О + O₂    (бульбашки).

Бесіда зі студентами.

• Закінчити речення:

денатурація - це...
ренатурація - це...
деструкція - це...

•       Від чого залежить рівень активності  обмінних процесів?
•       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.

VІ. Самостійна робота студентів

Хід виконання лабораторної роботи

Завдвння1. В пробірку з розчином H ₂ О₂ покласти шматочок сирої картоплі. Спостерігати за тим, що відбудеться .

Завдання 2. В пробірку з розчином Н₂ О₂ покласти шматочок вареної картоплі. Спостерігати за тим, що відбудеться.

Завдання 3. В пробірку з розчином Н ₂ О₂ покласти шматочок сирого м’яса. Спостерігати за тим, що відбудеться .

Завдання 4. В пробірку з розчином Н ₂ О₂ покласти шматочок вареного м’яса . Спостерігати за тим , що відбудеться .

Завдання 5 . На  предметне  скло покласти лист елодеї, додати краплю Н ₂ О₂ накрити предметним скельцем і розглянути через мікроскоп .

Спостереження оформити у вигляді таблиці .

Зробіть висновки.

VІІ.Домашнє завдання

Вивчити відповідний параграф.

Написати висновки до лабораторної роботи.

Поміркуйте над питаннями:

•                  Як біологічна роль ферментів пов’язана з їхньою будовою? Чи змі­нюється фермент у ході реакції?
•                  Яку роль відіграє фермент-субстратний комплекс?
•                  Від яких факторів залежить активність ферментів?
•                  Які проблеми розв’язує інженерна ензимологія?
•                  Як ви думаєте, чому всі ферменти — глобулярні білки? Чи можуть, наприклад, вуглеводи виконувати каталітичні функції?
•                  Одні ферменти найбільш активні в кислому середовищі, а інші — у лужному. Як ви це можете пояснити?

Підготувати повідомлення за темами:

«Використання ферментів»,

«Штучний синтез пептидів».

VІII. Підсумок заняття.

Виставлення оцінок.