168576
столько раз учителя, ученики и родители
посетили сайт «Инфоурок»
за прошедшие 24 часа
+Добавить материал
и получить бесплатное
свидетельство о публикации
в СМИ №ФС77-60625 от 20.01.2015
Дистанционные курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации для педагогов

Дистанционные курсы для педагогов - курсы профессиональной переподготовки от 6.900 руб.;
- курсы повышения квалификации от 1.500 руб.
Престижные документы для аттестации

ВЫБРАТЬ КУРС СО СКИДКОЙ 50%

ВНИМАНИЕ: Скидка действует ТОЛЬКО сейчас!

(Лицензия на осуществление образовательной деятельности № 5201 выдана ООО "Инфоурок")

ИнфоурокБиологияДругие методич. материалыМетодическая разработка по теме "Ферменты"

Методическая разработка по теме "Ферменты"

библиотека
материалов
Скачать материал целиком можно бесплатно по ссылке внизу страницы.

Глава 3. ФЕРМЕНТЫ


Ферментами или энзимами называют вещества белковой природы, ускоряющие протекание химических реакций. Ферменты отличаются тремя уникальными свойствами: 1) это самые эффективные из известных катализаторов; 2) большинство ферментов отличаются специфичностью действия; 3) действие их регулируется, т.е. они способны переходить от состояния с низкой активностью к состоянию с высокой активностью и обратно.

Все ферменты относятся к глобулярным белкам, причем каждый фермент выполняет специфическую функцию, связанную с присущей ему структурой. Однако максимальная активность многих (но не всех) ферментов зависит от участия небелковых соединений, называемых кофакторами.

Различают неорганические кофакторы ( например, Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+) и органические, которые обычно называют коферментами, (большая часть их представляет собой витамины).

Молекулярный комплекс белка и кофактора называют холоферментом; он обладает максимальной каталитической активностью. Белковый компонент, лишенный кофактора, называется апоферментом, он обладает очень низкой активностью, а часто вообще неактивен.

Тип сязи между кофактором и ферментом может быть различным. В некоторых случаях они существуют отдельно и связываются друг с другом только на время протекания реакции. В других случаях кофактор и фермент связаны постоянно, иногда очень прочно, ковалентными связями.

Как белковые вещества, ферменты термолабильны и теряют активность при температурах, при которых происходит денатурация белка.

Для каждого фермента существует оптимальная область значений рН, в которой он наиболее активен.

Важным свойством ферментов является их специфичность действия. Некоторые из них обладают абсолютной специфичностью: каждый фермент катализирует единственную реакцию, вследствие того, что топография активного центра такого фермента соответствует топографии одного-единственного субстрата.

Многие ферменты обладают лишь относительной специфичностью – они способны катализировать один тип реакции с более чем одним структурно-подобным субстратом.

Хотя детальный механизм действия каждого фермента уникален, все ферменты "работают" сходным образом: фермент Е обратимо связывается с субстратом S с образованием промежуточного фермент-субстратного комплекса ЕS, котрый затем распадается с образованием продукта Р и свободного фермента Е в исходном виде:

Е+ S Е S Р + Е

Скорость ферментативного процесса описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, связывающего концетрацию субстрата [S] с начальной скоростью V0 :

V0 = Vmax [S] / Km + S

где Vmax – максимальная скорость; Km – константа Михаэлиса; [S] – концентрация субстрата.

В большинстве случаев о количестве ферментов судят по его активности.

Согласно Междурудной номенклатуре, ферментативную активность выражают в каталах (сокращённо –кат). Один катал – есть каталитическая активность способная осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 моль в секунду.

Также для выражения активности используются единицы активности фермента (Е).. 1Е катализирует превращение субстрата со скоростью 1мкмоль/мин при оптимальных условиях. 1Е =16,67 нкат.

Удельная активность фермента выражается числом единиц Е на 1мг белка, концентрация фермента в растворе – числом единиц Е на 1мл.

Удельную активность можно расчитать по формуле:

Еуд = Емол 1000/ Мr

Где Еуд – удельная активность; Емол – молярная (молекулярная) активность; Мr – относительная молярная масса фермента.

Молярная активность (или число оборотов) выражается числом молей субстрата, реагирующего с 1 молем фермента за 1мин.

Все ферменты по типам катализируемых реакций подразделяются на 6 классов:

оксиредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции; трансферазы - катализируют межмолекулярный перенос различных химических групп; гидролазы – гидролитически расщепляют химические связи; лиазы – расщепляют связи способом, отличным от гидролиза и окисления; изомеразы – ускоряют реакции взаимопревращения различных изомеров; лигазы – катализируют реакции образования связей в реакции конденсации двух различных соединений за счет энергии гидролиза АТФ.

Каждый из названных классов, в свою очередь, делится на подклассы и имеет свой шифр из четырехзначного числа.

Действие ферментов может усиливаться веществами, которые называются активаторами ( соли, ионы металлов и др.); противоположное, тормозящее влияние оказывают на ферменты ингибиторы. Действия большинства лекарственных препаратов, инсектицидов и гербицидов основано на способности ингибировать (затормаживать) работу клеточных ферментов (обычно какого-то

определенного).

Пример 1. В реакцию вступило 10-6 М фермента, для которого характерно 6·105 с-1 оборотов. Рассчитайте концентрацию образующегося продукта.

Решение: Под числом оборотов понимается число молей субстрата, катализируемой 1 молем фермента.

Значит: 1 моль фермента катализирует образование 6 · 105 моль продукта

10-6 ------- х

х = 10-6 · 6·105/1= 6·10-1.

Ответ: 6·10-1 М.


Пример 2. Относительная молекулярная масса пируваткарбоксилазы (Мr) 183 кДа. Рассчитайте молекулярную активность фермента, если его удельная активность составляет 1,2·103Е.

Решение: Воспользуемся формулой:

Еуд = Емол. · 1000 /Мr ; Значит, Емол =1,2·103 · 1,83·105 / 1·103 = ~2,2·105.

Ответ: 2,2 · 105.

Пример:3. При какой концентрации субстрата фермент для которого максимальная скорость превращения субстрата составляет 40 мкмоль/мин, а величина Км= 0,002М будет работать со скоростью равной 1/8 максимальной.

Решение: Воспользуемся формулой:


V0 = Vmax [S] / Km + S;


Согласно условию V0 = Vmax/8 = 40 мкмоль/мин /8 = 5мкмоль/мин.


Значит: 5мкмоль/мин = 40 мкмоль/мин · [S]/ 0,002М + [S].


[S] = ~ 2,8·10-4 моль.




Для закрепления темы предлагается решение следующих задач:

1. При нагревании раствора содержащим гексокиназу фермент постепенно утрачивает свою каталитическую активность . Почему?

2. Ферментативная активность лизоцима максимальна при рН=5,2 и уменьшается как при снижении, так и при повышения этого количества рН. Объясните почему?


3.Печень крысы гомогенизировали, затем фракционировали на субклеточные фракции путём дифференциального центрифугирования.



Условия опыта

Субклеточные фракции


Ядерная

Митохонд-

риальная

Микро

сомная

Клеточ

ный сок

Количесво превращённого

субстрата (в мкмоль на пробу)

200

500

320

240

Время икубации фермента с

Субстратом (в мин)

5

15

10

8

Объём пробы (в мл)

0,5

1,0

2,0

0,4

Концентрация белка (в мг/мл)

2.5

3,2

0,8

0,8


В каждой фракции определяли активность гистидазы – фермента, катализирующего отщепление аминогруппы от гистидина. Условия для определения активности даны в таблице. Определите локализацию гистидазы. Обоснуйте свой ответ. ( Гистидаза в основном локализована в клеточном соке ).

В таблице представлены данные, характеризующие зависимость ферментативной реакции (V) от концентрации субстрата (S):

S, M

V, мкм/мин

1·10-6

20

2·10-5

32

1·10-4

39

1·10-3

40


Используя данные таблицы, нарисуйте график зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Найдите приблизительные значения Vmах и Km. (Vmах =40 мкм/мин; Km = 1·10-6М).


Рассчитайте удельную активность фермента, если за 30с 1 мг фермента катализирует (при оптимальных условиях) превращает 50 мкмоль пирувата. (мкмоль пирувата · мин-1· мг-1).


3. Сладкий вкус зерён в свежесобранных початках кукурузы обусловлен высоким содержанием в них сахара. Кукуруза, которую продают через несколько дней после сбора, имеет более низкую сахаристость, так как около 50% свободного сахара в зёрнах превращаются в крахмал в течение одного дня хранения. Чтобы сохранить сладкий вкус свежесобранной кукурузы, очищенные початки помещают на несколько минут в кипящую воду («бланшируют»), а затем охлаждают в холодной воде. Кукуруза, обработанная таким образом и хранящаяся в замороженном виде, сохраняет свой сладкий вкус. В чём биологическая основа этой обработки?

4. Активный центр фермента обычно представляет собой «карман» на поверхности фермента, выстланный боковыми цепями аминокислот, необходимыми для связывания субстрата и катализа его химического превращения. Молекула карбоксипептидазы, последовательно отщепляет С-концевые аминокислотные остатки от субстратов (пептидов), состоит из одной полипептидной цепи (307 аминокислотных остатков). Три главные каталитические группы в активном центре –это аргинин 145, тирозин 248 и глутаминовая кислота 270 (номер указывает положение аминокислоты в аимнокислотной последовательности фермента).

а) Если бы карбоксипептидаза представляла собой идеальную α-спираль, то на каком расстоянии в нм друг от друга находились бы аргинин 145 и тирозин 248; аргинин и глутаминовая кислота 270 ? (18,8 нм).

б) Объясните каким образом эти три аминокислоты, расположенные так далеко друг от друга в полипептидной цепи, могут катализировать реакцию, участники которой занимают пространство размером в несколько десятых долей нанометра?

в) Если в процессе гидролиза участвуют только эти каталитические группы, для чего ферменту необходимо иметь так много аминокислотных омстатков?

5) Фермент уреаза повышает скорость гидролиза мочевины при рН=8,0 и 20С в 1014 раз. Если данное количество уреазы может полностью гидролизовать данное количество мочевины за 5 мин при рН 8,0 и 20С, сколько времени потребовалось бы для полного гидролиза мочевины в тех же условиях без уреазы? Предполагается, что обе реакции проходят в стерильных условиях без доступа бактерий. (9,5 108).

6. Почему в пробирке, содержащей раствор крахмала и слюны человека, при проведении реакции Троммера наблюдается красное окрашивание?

7. Почему добавление фенолфталеина в раствор, содержащий мочевину и фермент уреазу, вызывает розовое окрашивание?

8.Метанол (древесный спирт), который когда-то использовался как антифриз для автомобилей, очень токсичен; приём внутрь всего лишь 30мл метанола может привести к смерти. Такая необычайно высокая токсичность метанола обусловлена действием не столько самого метанола, сколько продукта его метаболизма – формальдегида. Метанол быстро окисляется до формальдегида под действием фермента печени алкогольдегидрогеназы:

NAD+ + CH3OH NADH + H+ + HCOH

Одним из методов лечения при отравлении этанолом состоит в том, что больному назначается этанол (этиловый спирт) либо внутрь, либо внутривенно в количествах, которые у здорового человека вызывают интоксикацию. Объясните, почему такое лечение оказывается эффективным?

9. Установлено, что 1г гемоглобина соединяется с 1,34мл кислорода при н.у. Гемоглобин содержит 0,335% железа. Используя эти данные, оцените молярные соотношения кислорода и железа в гемоглобине при полном насыщении его кислородом. (1моль Fe соединяется с примерно 1моль 02).

10. Гемоглобин взаимодействует с кислородом с образованием комплекса, в котором на 4 моль кислорода приходится 1 моль гемоглобина. Вычислите число молекул гемоглобина, необходимое для переноса 1мл кислорода (н.у.). (6,71018).

11.Вычислите в нанометрах длину молекулы рибонуклеазы, содержащей 124 аминокислотных остатка, если она а) существует в линейной конфигурации; б) полностью альфа-спирализована (а-44,64нм; б- 18,6нм).

12.Молекула папаина (растительная протениаза) содержит в своём составе 211 аминокислотных остатков. Псевдокристалическая часть молекулы папаина состоит из четырёх коротких -спиралей, каждая из которых содержит 10 аминокислотных остатков, и фрагмента полипептидной цепи из 9 аминокислотных остатков, находящегося в -конформации. Определите количество аминокислотных остатков, составляющих аморфную часть молекулы папаина, и степень спирализации, характерную для данного белка. (162 аминокислотных остатка; 19%).

13. Ренгеноструктурный анализ показал, что в молекуле карбоксипептидазы около 30% аминокислотных остатков включены в состав -спирпалей, а 20% - сосредоточены в зоне, образованной регулярно повторяющимися складками вытянутой полипептидной цепи. Рассчитайте количество аминокислотных остатков, находящихся в аморфной части молекулы, а также в её -спиральной области и складчатой зоне, если общее число аминокислотных остатков в молекуле карбоксипептидазы равно 255. (128-в аморфной; 76-в -спирпальной; 51 - в складчатой -структуре ).

14.Рассчитайте концентрацию меди (%) в медьсодержащем ферменте аскорбатоксидазе (М=150 тыс) если каждая молекула содержит 6 атомов меди. (0,25%).

15.Рассчитайте молекулярную массу протомера кристалическоой каталазы, представляющего протеид с активной группой в виде железо-порфированного комплекса с одним атомом железа, если концентрация железа в кристалической каталазе равна 0,12%. (46780).

16.Рассчитайте молекулярную массу дигидрооратдегидрогеназы, в состав которой входит 2 атома железа при содержании последнего 0,18% . (62200).

17. В состав сукцинатдегидрогеназы сердца входят 8 атомов железа при содержании последнего 0,22%. Рассчитайте молекулярную массу фермента. ( 200тыс).

18. При какой концентрации субстрата фермент, для которого максимальная скорость превращения субстрата представляет 30 мкмоль/минг , а величина Км=0,005М, будет работать со скоростью, равной ¼ максимальной? (1,710-3).

19. Фермент карбоангидраза в концентрации 10-6 М катализирует образование 0,6М Н2СО3 в секунду, согласно реакции: Н2О + СО2 Н2СО3. Определите число оборотов характерное для фермента. (6·105 ).

20.Для карбоангидразы характерно 6·105 с-1 оборотов. Рассчитайте концентрацию фермента (в молях) необходимую для образования 0,6 М Н2СО3 в секунду, согласно реакции Н2О + СО2 Н2СО3. (10-6 М).

21.Рассчитайте концентрацию образующегося продукта (в молях) в ферментативной реакции Н2О + СО2 Н2СО3, катализируемой карбоангидразой, если в реакцию вступило 10-6 фермента. Для карбоангидразы характерно 6·105 с-1 оборотов. (0,6 М).

22. Относительная молекулярная масса пируваткарбоксилазы – Мr = 183тыс., альдолазы - Мr = 142тыс., пируваткиназы - Мr= 237тыс., цитохром – С-редуктазы – М = 75тыс.. Рассчитайте молекулярную активность фермента, если их удельная активность составляет 1,2 · 103 Е; 30 Е; 26Е ; 1,73 · 102 Е соответственно. (2,2 · 105 ; 4,2 · 103 ; 6,0 · 103 ;

1,3 · 104 ).

23. Рассчитайте удельную активность каталазы (Мr=252тыс.), лактатдегидрогеназы (Мr=140тыс.), карбоангидразы (Мr=30тыс.) активность бутирил-СоА-дегидрогеназы (Мr=200тыс.), если их молекулярная активность составляет 5 · 106; 3,7 · 104;0,96 · 108; 1,3 · 104 соответственно. (2,0 · 104 ; 3,2 · 106 ;3,2 · 106; 102).

24.Карбоангидраза эритроцитов, имеющая молекулярную массу 30тыс катализирует обратимую реакцию гидратации СО2:

Н2О + СО2 Н2СО3,

которая играет важную роль в транспорте СО2 из тканей в лёгкие. Рассчитайте число оборотов карбоангидразы, если при оптимальных условиях 10мкг чистой карбоангидразы катализируют гидратацию 0,30г СО2 в 1мин при 37С. (2,0107 мин-1).

25.Укажите какие пептиды получаются при воздействии химотрипсина на полипептид, имеющий первичную структуру: (Н2N) сер-тир-мет-глу-гис-фен-арг-три-гли-лиз-про-вал-гли-(лиз)2-(арг)2-про-вал-лиз-вал-тир-про-асп-гли-ала-глу-асп-глу-лей-ала-глу-ала-фен-про-лей-глу-фен (ОН). (сер-тир; мет-глу-гис-фен; арг-три; гли-лиз-про-вал-гли-(лиз)2-(арг)2-про-вал-лиз-вал-тир; про-асп-гли-ала-глу-асп-глу-лей-ала-глу-ала-фен; про-лей-глу-фен ).




Общая информация

Номер материала: ДВ-027492

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Организация и руководство учебно-исследовательскими проектами учащихся по предмету «Биология» в рамках реализации ФГОС»
Курс повышения квалификации «ФГОС общего образования: формирование универсальных учебных действий на уроке биологии»
Курс повышения квалификации «Медико-биологические основы безопасности жизнедеятельности»
Курс повышения квалификации «Методические аспекты реализации элективного курса «Антропология и этнопсихология» в условиях реализации ФГОС»
Курс повышения квалификации «Государственная итоговая аттестация как средство проверки и оценки компетенций учащихся по биологии»
Курс «Общее садоводство: Стилистика садов. Создание различных стилей с использованием местных и интродуцированных растений»
Курс повышения квалификации «Основы биоэтических знаний и их место в структуре компетенций ФГОС»
Курс «Общее садоводство: Древесные растения для садов средней полосы»
Курс «Общее садоводство:Травянистые растения для садов средней полосы»
Курс повышения квалификации «Гендерные особенности воспитания мальчиков и девочек в рамках образовательных организаций и семейного воспитания»
Курс профессиональной переподготовки «Биология и химия: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Организация производственно-технологической деятельности в области декоративного садоводства»
Курс повышения квалификации «Составление и использование педагогических тестов при обучении биологии»
Курс повышения квалификации «Инновационные технологии обучения биологии как основа реализации ФГОС»
Курс профессиональной переподготовки «Организация и выполнение работ по производству продукции растениеводства»

Благодарность за вклад в развитие крупнейшей онлайн-библиотеки методических разработок для учителей

Опубликуйте минимум 3 материала, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную благодарность

Сертификат о создании сайта

Добавьте минимум пять материалов, чтобы получить сертификат о создании сайта

Грамота за использование ИКТ в работе педагога

Опубликуйте минимум 10 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Свидетельство о представлении обобщённого педагогического опыта на Всероссийском уровне

Опубликуйте минимум 15 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данное cвидетельство

Грамота за высокий профессионализм, проявленный в процессе создания и развития собственного учительского сайта в рамках проекта "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 20 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Грамота за активное участие в работе над повышением качества образования совместно с проектом "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 25 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Почётная грамота за научно-просветительскую и образовательную деятельность в рамках проекта "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 40 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную почётную грамоту

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.