Оглавление
Введение………………………………………………………………………….2
Основная часть.
Глава 1. Что такое
ферменты?
1.1. Ферменты – биологические катализаторы…….…………………….2-3
1.2. Типы ферментов……………………………………………………..…3
1.3. Структура ферментов………………………………………………..…3
1.4. Специфичность ферментов и условия их активности...………….… 4
Глава 2. Значение ферментов в живых организмах.
2.1. Роль ферментов в организме ……………………………………......4-5
2.2. Местонахождение ферментов в организме..........................................5
Глава 3. Исследовательская работа.
3.1. Химические результаты исследования ………………………..........5-6
3.2. Механизм работы ферментов………….………………………………6
3.3. Исследовательский опрос…………………………………………....6-7
Глава 4. Заключение.
4.1. Получение
ферментов………………………………………………. 7-9
4.2 Болезни и ферменты . …………………………..……………………9-10
4.3. Медицинское значение ферментов…………….……………….……10
4.4. Применение ферментов……………………………………………10-12
Библиографический список.……………………………………………………………………… 12
Приложения…………………………………………………………………13-16
Введение.
Актуальность: Известно, ферменты играют важнейшую роль в
регуляции химических превращений обмена веществ. Ферменты обнаружены у всех
живых существ, начиная от самых примитивных микроорганизмов. Получено около 600
ферментов. Ферменты способны управлять сложнейшими процессами разрушения и
сотворения новых веществ в организме. В настоящее время знания о работе
ферментов человек поставил себе на службу в медицине, промышленности, сельском
хозяйстве и других сферах жизни.
Цель проекта: Провести исследование по обнаружению ферментов в
живых организмах, рассмотреть их значение.
Что такое ферменты?
Ферменты – это биологические
катализаторы белковой природы, ускоряющие химические реакции в живых
организмах и вне их.
Ферменты присутствуют во всех живых
клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие
(продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех
биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. К 2013 году было описано
более 5000 разных ферментов. Они играют важнейшую роль во всех процессах
жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.
Подобно всем катализаторам, ферменты
ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса.
Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону.
Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких
миллионов «операций» в секунду.
Например, одна молекула фермента
ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка телёнка, створаживает около
106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37
°C.
При этом эффективность ферментов
значительно выше эффективности небелковых катализаторов — ферменты ускоряют
реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы — в сотни и тысячи
раз.
Типы ферментов
Все ферменты разделяются на три основных группы: амилаза, липаза
и протеаза.
Фермент амилаза необходим для
переработки углеводов. Под воздействием амилазы углеводы разрушаются и легко всасываются
в кровь. Амилаза присутствует как в слюне, так и в кишечнике. Амилаза тоже
бывает разной. Для каждого вида сахаров существует собственный вид этого
фермента.
Липаза
– это ферменты, которые присутствуют в желудочном соке и вырабатываются
поджелудочной железой. Липаза необходима для усвоения организмом жиров.
Протеаза
– это группа ферментов, которые присутствуют в желудочном соке и тоже
вырабатываются поджелудочной железой. Кроме этого, протеаза присутствует и в
кишечнике. Протеаза необходима для расщепления белков.
Структура ферментов
Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой.
Как
и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот,
которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот
сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула)
обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в
белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или
воздействии некоторых химических веществ.
Специфичность ферментов
Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам
(субстратная специфичность). Это достигается частичной комплементарностью
формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в
центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты обычно демонстрируют также
высокий уровень стереоспецифичности (образуют в качестве продукта только один
из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер),
региоселективности (образуют или разрывают химическую связь только в одном из
возможных положений субстрата) и хемоселективности (катализируют только одну
химическую реакцию из нескольких возможных для данных условий). Несмотря на
общий высокий уровень специфичности, степень субстратной и реакционной
специфичности ферментов может быть различной. Например, эндопептидаза трипсин
разрывает пептидную связь только после аргинина или лизина, если за ними не
следует пролин, а пепсин гораздо менее специфичен и может разрывать пептидную
связь, следующую за многими аминокислотами.
Влияние условий среды на активность ферментов
Активность ферментов зависит от условий в клетке или организме — давления,
кислотности среды, температуры, концентрации растворённых солей (ионной силы
раствора) и др.
Роль ферментов в организме
Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации
генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и
распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в
клетках и тканях всех организмов — все эти процессы невозможны без участия
ферментов. Любое проявление функций живого организма — дыхание, мышечное
сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и др. — обеспечивается
действием ферментов. Индивидуальные особенности клеток, выполняющих
определенные функции, в значительной мере определяются уникальным набором
ферментов, производство которых генетически запрограммировано. Отсутствие даже
одного фермента или какой-нибудь его дефект могут привести к серьезным
отрицательным последствиям для организма.
Местонахождение ферментов в организме
В клетке часть ферментов находится в цитоплазме, но в основном ферменты связаны
с определенными клеточными структурами, где и проявляют свое действие. В ядре,
например, находятся ферменты, ответственные за репликацию — синтез
ДНК(ДНК-полимеразы), за ее транскрипцию — образование РНК (РНК-полимеразы). В
митохондриях присутствуют ферменты, ответственные за накопление энергии, в лизосомах
— большинство гидролитических ферментов, участвующих в распаде нуклеиновых
кислот и белков.
Химические результаты исследования
Нами был проведен опыт по изучению механизма действия ферментов на примере
вареного куриного филе и сырого.
В результате добавления в пробирки с
перекисью водорода образцов продуктов животного происхождения наблюдается
результат каталитической функции белков. Каталитическая функция белков играет
исключительно важную роль для нашего организма. Все биологические катализаторы -
ферменты - вещества белковой природы. Их функция заключается в ускорении
химической реакции, протекающих в клетке, в десятки и сотни тысяч раз.
1. Активность фермента проявилась в
пробирке с живыми тканями и не проявилась в пробирке с мёртвыми тканями, потому
что в результате денатурации белка, нарушается структура молекулы фермента, её
активность снижается, затем прекращается.
2. Измельчение ткани влияет на
активность фермента из-за увеличения площади прикосновения, таким образом
скорость протекания реакции увеличивается.
3. Каталаза - фермент, имеющийся
практически во всех клетках, разрушает пероксид водорода с невероятной
скоростью (более 5-ти миллионов молекул в минуту).
2H2O2
= 2H2O
+ O2
↑
Важные отличия ферментов и
неорганических катализаторов в том, что реакции с участием неорганических
катализаторов протекают, как правило, при высоких давлениях, а ферменты
работают при нормальном давлении. Самое главное отличие в том, что скорости
реакций, катализируемых ферментами, во много раз больше.
При биологическом окислении в клетках
растений и животных ядовитое вещество - перекись водорода, которая под
действием ферментов каталазы или пероксиды расщепляется до воды и кислорода.
Механизм работы ферментов
Фермент, соединяясь с субстратом, образует фермент - субстратный комплекс. В
таком комплексе шансы на то, что реакция произойдёт, значительно возрастают. По
завершению реакции фермент (субстратный комплекс) распадается на продукты и
фермент. Результаты исследования показали, что молекулы большинства ферментов
во много раз больше, чем молекулы тех субстратов, которые атакуют данный
фермент, и что в контакте с субстратом находится лишь небольшая часть молекулы
фермента (от 3 до 12 аминокислотных остатков). Эту часть называют активным
центром фермента. Роль остальных аминокислотных остатков состоит в том, чтобы
обеспечить молекуле фермента правильную глобулярную форму, чтобы активный центр
мог работать наиболее активно.
Исследовательская опрос
Мы провели опрос, среди учащихся МАОУ СШ №55 «Лингвист» по следующим вопросам:
1.
Что такое ферменты?
2.
Какова их роль в организме?
3.
Что влияет на активность ферментов?
4.
Какова химическая природа ферментов?
5.
Чьи работы положили начало ферментологии,
как самостоятельному разделу биологической химии?
Из 20 человек лишь 3 ответили правильно на
все вопросы. 4 и 5 вопросы оказались самыми трудными для ребят.
Ферменты являются посредниками между организмом и окружающей средой,
обеспечивают адаптацию организма к изменяющимся условиям (авторегуляторы).
Ферменты
участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации
генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и
распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в
клетках и тканях всех организмов — все эти процессы невозможны без участия
ферментов. Любое проявление функций живого организма — дыхание, мышечное
сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и др. — обеспечивается
действием ферментов. Индивидуальные особенности клеток, выполняющих
определенные функции, в значительной мере определяются уникальным набором
ферментов, производство которых генетически запрограммировано. Отсутствие даже
одного фермента или какой-нибудь его дефект могут привести к серьезным
отрицательным последствиям для организма.
Получение ферментов
Обычно ферменты выделяют из тканей
животных, растений, клеток и культуральных жидкостей микроорганизмов, биологических жидкостей (кровь, лимфа и др.). Для получения некоторых
труднодоступных ферментов используются методы генетической
инженерии. Из исходных материалов ферменты экстрагируют солевыми растворами.
Затем их разделяют на фракции, осаждая солями [обычно (NH4)2SO4]
или, реже, органическими растворителями, и очищают методами гельпроникающей и
ионообменной хроматографии. На
заключительных этапах очистки часто используют методы аффинной хроматографии. Контроль за
ходом очистки ферментов и характеристику чистых препаратов осуществляют,
измеряя каталитическую активность
ферментов с применением
специфических (обычно дающих цветные реакции) субстратов.
За единицу количества фермента принимают такое его количество, которое
катализирует превращение 1 мк моля субстрата в 1 мин в стандартных условиях. Число
единиц фермента, отнесенное к 1 мг белка,
называется удельной активностью.
Получение
ферментов с помощью микроорганизмов более выгодно, чем из растительных и
животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов,
катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и
образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и
проявляют свою активность независимо от клетки. Для получения ферментных
препаратов используют как микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи.
Иногда получение технического ферментного препарата кончается проведением процесса
ферментации, однако активность ферментов в культуральной жидкости быстро
снижается. Поэтому широко практикуют получение сухих технических ферментных
препаратов.
В
мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. тонн (а существует, как
предполагают 25000 ферментов). Например, промышленным способом производят такие
ферменты как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, каталаза,
стрептокиназа, целлюлаза и другие.
Амилазы
и протеазы используют в текстильной, хлебопекарной и кожевенной промышленности.
Пектолитические ферменты могут быть использованы для мацерации тканей при
переработке растительного сырья, например при получении льноволокна. Щелочные
протеазы, особенно иммобилизованные, очень эффективно используются в составе
моющих средств. Кроме протеолитических ферментов в состав моющих средств вводят
липазу, целлюлазу, оксидазу и амилазу для удаления загрязнений крахмального
происхождения. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного
получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.
Микробные
ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня
холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для
очистки канализационных и водопроводных труб и т.д. и т.п. Ферменты для
медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.
В
биологических объектах ферменты обычно находятся в фиксированном состоянии на
поверхности различных клеточных структур - наиболее часто на мембранах.
Благодаря этому ферменты сохраняют свою активность длительное время. В
технологии долгое время применялись препараты свободных ферментов; в таком
состоянии срок их использования был коротким - один производственный цикл. Для
повышения стабильности выделенных ферментов используют технику иммобилизации,
т.е. связывания ферментов на поверхности нерастворимого в воде носителя,
например, органических полимеров, стекла, минеральных солей, силикатов и т.п.
Иммобилизованные ферменты можно длительное время использовать в биохимических реакторах
в условиях непрерывного процесса.
Иммобилизация
и получение связанных ферментных препаратов стало возможным благодаря
детальному изучению строения многих ферментов. Раскрыт аминокислотный состав
ряда ферментных белков, их пространственная конфигурация, выявлены активные
центры, значение различных функциональных групп в проявлении каталитической
активности фермента и так далее.
Примеры
использования иммобилизованных ферментов - изомеризация глюкозы во фруктозу,
гидролиз белков, трансформация стероидов, гормонов и т.д. Новая область
применения иммобилизованных ферментов - создание на их основе бессеребряных
фотоматериалов. На основе действия ферментов построены биолюминесцентные и
иммуноферментные методы анализа, отличительной чертой которых является высокая
чувствительность и абсолютная специфичность.
Болезни, связанные с нарушением выработки
ферментов
Отсутствие или снижение активности какого-либо фермента (нередко и избыточная
активность) у человека приводит к развитию заболеваний (энзимопатий) или гибели
организма. Так, передаваемое по наследству заболевание детей — галактоземия
(приводит к умственной отсталости) — развивается вследствие нарушения синтеза
фермента, ответственного за превращение галактозыв легко усваиваемую глюкозу.
Причиной другого наследственного заболевания — фенилкетонурии,
сопровождающегося расстройством психической деятельности, является потеря
клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение
аминокислоты фенилаланинав тирозин. Определение активности многих ферментов в
крови, моче, спинно-мозговой, семенной и других жидкостях организма
используется для диагностики ряда заболеваний. С помощью такого анализа
сыворотки крови возможно обнаружение на ранней стадии инфаркта миокарда,
вирусного гепатита, панкреатита, нефрита и других заболеваний.
Медицинское значение
Если происходит мутация в гене, кодирующем определенный фермент, может
измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате
большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью
пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от
каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую
катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением
выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного
пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей
активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.
В настоящее время известны сотни
наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы
лечения и профилактики многих из таких болезней.
Практическое использование
На сегодняшний день в различных отраслях хозяйства применение ферментов является
передовым достижением. Особое значение ферменты нашли в пищевой промышленности.
Ведь именно из-за наличия ферментов в тесте происходит его поднятие и
разбухание. Как известно, разбухание теста происходит под действием углекислого
газа CO2, который в свою очередь образуется в результате
разложения крахмала под
действием фермента амилазы, которая уже содержится в муке. Но в муке этого
фермента не достаточно, его, обычно, добавляют. Ещё один фермент протеазы,
придающий тесту клейковину, способствует удержанию углекислого газа в тесте.
Изготовление
алкогольных напитков также не обходится без участия ферментов. В этом случае
широко применяются ферменты, которые находятся в дрожжах. Разнообразие сортов
пива получают именно различными комбинациями комплексных соединений ферментов.
Ферменты, также участвуют в растворении осадков в спиртных напитках, например,
чтобы в пиве не появлялся осадок в него добавляют протеазы (папаин, пепсин),
которые растворяют выпадающие в осадок белковые соединения.
Производство кисломолочных продуктов, например, простокваши, основана на
химическом превращении лактозы (то есть молочного сахара) в молочную кислоту.
Кефир производят подобным образом, но производственной особенностью является
то, что берут не только кисломолочные бактерии, но и дрожжи. В результата
переработки лактозы образуется не только молочная кислоты, но ещё и этиловый спирт.
При получении кефира происходит ещё одна достаточно полезная для организма
человека реакция – это гидролиз белков, что в последствии употребления
человеком кефира способствует его лучшему усвоению.
Производство сыра тоже связано с ферментами. Молоко содержит белок -
казеин, который в процессе химической реакции под действием протеаз изменяется,
и в результате реакции выпадает в осадок.
Протеазы широко используют для обработки кожевельного сырья. Его
способность производить гидролиз белков (расщепление белков) широко применяют
для выведения стойких пятен от шоколада, соусов, крови и т.д. Фермент
целлюлаза - используется в стиральных порошках. Он способен удалять
"катышки" с поверхности тканей. Важной особенностью стирки с
порошками, содержащими целые комплексы ферментов, является то, что стирка в
должна выполняться в тёплой, но не горячей воде, так как горячая вода для
ферментов является губительной.
Применение ферментов в медицине связано с их способностью заживлять раны,
растворять образующиеся тромбы. Иногда ферменты умышленно вводят в организм для
их активизации, а иногда из-за излишней активности ферментов, могут вводить
вещества, которые действуют как ингибиторы (вещества, замедляющие протекание
химических реакций). Например, под действием отдельных ингибиторов, бактерии
теряют способность размножаться и расти.
Применение ферментов в медицине также связано с проведением различных
анализов по определению заболеваний. В этом случае ферменты играют роль
веществ, вступающих в химическое взаимодействие или способствующие химическим
превращениям в физиологических жидкостях организма. В результате получаются
определённые продукты химических реакций, по которым в лабораториях распознают
наличие того или иного возбудителя заболевания. Среди таких ферментов и их
применения наиболее известен фермент глюкозооксидаза, который позволяет
определить наличие сахара в моче или крови человека. Кроме того, наравне с
отмеченным, существуют ферменты, которые способны определять наличие алкоголя в
крови. Этот фермент называется алкогольдегидрогеназа
.
Литература:
1. Тарханов И. Р., Ферменты, в
физиологии // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и
4 доп.). — СПб., 1890—1907.
2. Энзимы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и
4 доп.).
3. Фершт Э. Структура и механизм
действия ферментов. М., 1980.
4. Страйер Л. Биохимия. М.,
1984-1985. Т. 1. С. 104-131. O.
2. С. 23-94.
5. Марри Р., Греннер Д., Мейес П.,
Родуэлл В. Биохомия человека. Т. 1. М., 1993.
6. Ферменты и нуклеиновые кислоты. -
СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1997.
7. Молекулярная динамика ферментов. -
М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000.
8. Кислухина О. В. Ферменты в
производстве пищи и кормов. - М.: ДеЛи принт, 2002.
9. Федоренко Б. Н. Ферменты и
мембраны: научные основы взаимодействия. - М.: МГУПП, 2002.
10. Ферменты микроорганизмов. - Казань: Унипресс,
1998.
11. Николаев А.Я. Биологическая химия. М.:
«Высшая школа», 1998, с.53-58, 70-73, 78, 81-83. 12. Березов Т.Т., Коровкин
Б.Ф. Биологическая химия. М.: «Медицина», 1990, с. 92-93, 95-97, 105-108,
112-115, 126-128, 131-132.
13. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф.
Биологическая химия. М.: «Медицина», 2004, с. 114-116, 118-120, 129-134,
139-143, 159-163, 165-168.
14. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М.
Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. М.: М. Медицина,
1983, раб 24 (п. 1), 25.
15.
Учебник Химии 11 класс, Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н. с.132.
Приложения:
Приложение
№1
Приложение №2
Приложение №3
Опыт с сырым куриным филе. Наблюдаем большое образование пузырьков. Это и есть
выделение кислорода.
Приложение №4
Опыт с вареным куриным филе. Реакция не идет.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.