§11. Ферменты - биологические катализаторы

§11. Вспомните.

Задание №1

Что такое катализ? Какие катализаторы химических реакций вы знаете?

Ответ:

Катализ − ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются. Примеры катализаторов: неорганические (Al₂O₃, TiO₂, ThO₂, MnO₂), органические (каталаза, пероксидаза, праймаза).

Задание №2

Что такое экзо− и эндотермические реакции?

Ответ:

По тепловому эффекту химические реакции делят на экзотермические и эндотермические. Экзотермическими называются реакции, которые протекают с выделением теплоты. Эндотермическими называются реакции, которые протекают с поглощением теплоты.

Задание №3

Что такое прямая и обратная химические реакции?

Ответ:

Прямая реакция – реакция, которая направлена в сторону продуктов.
Обратная реакция – реакция, которая направлена в сторону реагентов. Если реакция протекает в обоих направлениях (и прямом, и обратном), то такая реакция называется обратимой.

Подумайте.

Задание №1

Почему белки редко используются организмами в качестве источника энергии для процессов жизнедеятельности?

Ответ:

Основными источниками энергии являются липиды и углеводы. Липиды также выделяют 38,9 кДж, что больше в 2 раза чем у белков и углеводов. Также белки являются строительным материалом, при их расщеплении не будет происходить роста и развития клетки.

Тренируемся.

Задание №1

Какова роль катализаторов в протекании химических реакций?

Ответ:

Катализаторы могут значительно ускорять протекание химических реакций.

Задание №2

Что лежит в основе работы (механизма действия) любых катализаторов, в том числе ферментов?

Ответ:

Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. Дело в том, что для вступления в реакцию субстрат (субстраты) должен получить дополнительное количество энергии, называемое энергией активации. Только после этого происходит образование продукта (продуктов) реакции. Катализаторы — они снижают необходимое количество энергии активации, и за счёт этого ускоряется протекание реакции.

Задание №3

Какое строение имеет молекула белка−фермента?

Ответ:

Ферменты могут быть простыми, состоящими только из белка, и сложными.
Сложные белки (холоферменты) состоят из двух частей: простого белка (апофермента), и небелковой части − кофактора. Кофактор представлен веществами неорганической природы (чаще всего ионами металлов) или органическими соединениями, которые могут быть либо рыхло связаны с апоферментом (коферментные группы), либо соединяются с ним прочными связями.

Задание №4

Какую роль в составе фермента играют коферменты? Какие вещества в организме являются их предшественниками? Приведите примеры.

Ответ:

В состав многих ферментов, помимо аминокислотных радикалов, часто входят и небелковые соединения — коферменты. Это могут быть, например, ионы металлов (Fe²⁺, Cu²⁺) или органические соединения — динуклеотиды (НАД⁺, ФАД) и др. Они принимают самое непосредственное участие в катализе. Многие водорастворимые витамины, в частности витамины группы В, необходимы нам именно для синтеза таких коферментов.

Задание №5

Как осуществляется регуляция активности фермента?

Ответ:

Регуляция каталитической активности фермента осуществляется:
• присоединением эффекторных молекул (активаторы и ингибиторы);
• регуляция с помощью белок−белковых взаимодействий;
• путем ковалентной модификации (фосфорилирование, ацилирование, метилирование);
• регуляция частичным или ограниченным протеолизом.

Совершенствуемся.

Задание №1

Приведите примеры химических реакций с участием катализаторов, укажите условия их протекания.

Ответ:

1. 2 H₂O₂ = 2 H₂O + O₂ ↑− реакция разложения перекиси водорода на воду и кислород. Катализатором могут быть MnO₂ или FeCl₃ (при обычной температуре).
2. 2 KClO₃ = 2 KCl + 3 O₂ ↑ – эта реакция протекает при нагревании и использовании катализатора MnO₂.

Задание №2

Из курса химии вам известно, что реакции, протекающие при участии катализаторов (никель, платина), требуют высоких температур и давления. Ферментативные процессы протекают в узких пределах изменения температуры и давления. Дайте объяснение этому факту.

Ответ:

Никель и платина ускоряют реакции в 10−100 раз. Соответственно, нагревание не нужно, катализатор активно работает и при комнатной температуре, и при нормальном давлении.

Обсуждаем.

Задание №1

Взрослые люди часто тяжело переносят повышение температуры тела на несколько градусов от нормы, что само по себе является важнейшей защитной реакцией организма против возбудителей целого ряда заболеваний. Как это может повлиять на работу ферментов и других физиологически важных веществ организма человека, имеющих белковую природу?

Ответ:

Повышенная температура, до 41−42 градусов, способствует лучшей активности ферментов, и соотвественно выздоровлению человека. Выше 42 градусов происходит процесс денатурации белка−фермента, потеря его свойств и функций.

Проводим исследование.

Задание №1

Выполните лабораторную работу «Каталитическая активность ферментов (на примере амилазы)» на с. 201.
Цель: доказать каталитическое действие белков−ферментов, показать их высокую специфичность, а также зависимость их действия от условий среды.
Оборудование: штатив с пробирками, мерный цилиндр объёмом 50 мл, пипетки, водяная баня или термостат, термометр.
Реактивы: лёд, 1 %−ный раствор крахмала, 1 %−ный раствор иода в иодиде калия (раствор Люголя), 5 %−ный раствор сульфата меди (II), 10 %−ный раствор гидроксиданатрия, 2 %−ный раствор сахарозы, 0,2 %−ная соляная кислота, свежий 3 %−ный раствор пероксида водорода.
Ход работы:
1. Приготовление раствора слюны, содержащего фермент амилазу.
− Тщательно прополощите рот водой.
− Наберите 2−4 мл слюны в мерный цилиндр.
− Добавьте в цилиндр воды до объёма 10 мл.
2. В две пронумерованные пробирки налейте по 10 капель раствора крахмала.
3. В пробирку № 1 внесите четыре капли воды (контроль), а в пробирку № 2 − 4 капли раствора слюны.
4. Перемешайте и поставьте на водяную баню или в термостат на 15 мин при температуре 37°С.
5. Из пробирки № 2 возьмите четыре капли исследуемого вещества и внесите их в две разные пробирки (по две капли в каждую). В одну из них добавьте каплю раствора иода в иодиде калия. В другую − каплю раствора сульфата меди (II) и четыре капли раствора гидроксида натрия и осторожно нагрейте до кипения. Те же действия проделайте с содержимым контрольной пробирки (№ 1).
6. Оформите полученные результаты в виде таблицы.
7. Сделайте вывод на основе проведённого исследования.

Ответ:

Пробирка Результат Результат после закипания
№ 2.1 − с каплей раствора йода в иодиде калия Мы наблюдаем красное окрашивание с расщеплением крахмала После закипания цвет исчезает (раствор обесцвечивается)
№ 2.2 − с каплей раствора сульфата меди (II) и 4−мя каплями раствора гидроксида натрия Мы видим синее окрашивание Появление желтого осадка, который становится красно−коричневым
№ 1.1 − с каплей раствора йода в йодиде калия Появляется васильковое окрашивание в результате образования комплексного соединения Обесцвечивание раствора
№ 1.2 − с каплей раствора сульфата меди (II) и 4−мя каплями раствора гидроксида натрия Раствор становится мутным Раствор становится черного цвета
Вывод: в данном случае белок амилаза представляет собой фермент, который расщепляет (гидролизует) крахмал до мономеров. Данный фермент действует в зависимости от условий среды (температура).