Главная » Двор и сад » Чем отличается действие ферментов от неорганических катализаторов. На чем основан ферментативный катализ? Оборудование и материалы

Чем отличается действие ферментов от неорганических катализаторов. На чем основан ферментативный катализ? Оборудование и материалы

Практикум

По общей и экологической биохимии

«Ферменты. Ферментативная кинетика»

Минск МГЭУ

УДК 577:574 (076.5)

Республики Беларусь по экологическому образованию

Бокуть С.Б., зав. кафедрой биохимии и биофизики, доцент, к.б.н.,

Сяхович В.Э., ст.

Богданова Н.В., преподаватель кафедры биохимии и биофизики,

Докучаева Е.А., преподаватель кафедры биохимии и биофизики,

Дроздов А.С., аспирант кафедры биохимии и биофизики

Рецензенты:

Кафедра клинической лабораторной диагностики Государственного учреждения высшего образования «Белорусская медицинская академия последипломного образования»;

Г.И. Новик, заведующая лабораторией «Коллекция микроорганизмов»

Государственного научного учреждения «Институт микробиологии Национальной академии наук Беларуси», кандидат биологических наук

П69 Практикум по общей и экологической биохимии. Часть II: «Фермен-ты. Ферментативная кинетика» / Бокуть С.Б. и др. – Мн., 2013 – 74 с.

Практикум содержит учебно-методические материалы для проведения лабораторных работ по курсу «Общая и экологическая биохимия» со студентами 2-го курса. Для каждой лабораторной работы приводятся основы теории по определенной теме, контрольные вопросы для подготовки к занятию, список рекомендуемой литературы, перечень заданий к занятию, описание используемых в лабораторной работе приборов, материалов и реактивов. Включены материалы, описывающие классификацию ферментов, принципы методов определения их активности, а также основы кинетики ферментативных реакций.

Соответствует учебной программе курса «Общая и экологическая биохимия» для студентов МГЭУ имени А.Д. Сахарова.

Ó С.Б. Бокуть, В.Э. Сяхович, Н.В. Богданова, Е.А. Докучаева, А.С. Дроздов 2012

Ó Международный государственный экологический университет им. А.Д. Сахарова, 2012

Лабораторная работа № 4

Оборудование и материалы:

· Спектрофотометр Solar PV 1251B

· Термостат

· Плитка электрическая

· Пипетки стеклянные на 1 мл и 5 мл

· Микропипетки автоматические

· Цилиндры мерные на 250 мл и 100 мл

· Стакан на 300 мл

· Пробирки стеклянные

· Штативы для пробирок

· Стеклянные палочки

· Предметные стекла

Реактивы:

· Крахмал, 1% раствор

· Гидроксид натрия (NaOH), 10% раствор

· Сульфат меди (CuSO 4), 1% раствор

· Раствор Люголя (йод, 1% раствор в KJ, 2,5%)

· Соляная кислота (HCl), 10% раствор

· Вода дистиллированная

Теоретическая часть

Ферменты

Живые системы состоят из достаточно ограниченного набора химических элементов, на долю которых (C, H, O, N, P, S) приходится более 99% общей массы клеток. Поскольку химический состав клеток, существенно отличается от химического состава земной коры, это означает, что биологические системы способны осуществлять химические реакции особого рода.

Если не принимать во внимание воду, почти все молекулы клетки относятся к соединениям углерода. Среди химических элементов Земли именно углерод занимает особое место по способности образовывать множество малых и больших молекул (макромолекул ). Из-за малого размера атома и наличия на внешней оболочке четырех электронов атомы углерода могут образовывать прочные ковалентные связи с другими атомами, а также друг с другом, что приводит к формированию колец или длинных цепей и, как следствие, созданию больших и сложных молекул.

Одно из часто встречающихся определений биологических систем сводится к тому, что живые организмы представляют собой автономные самовоспроизводящиеся химические системы, построенные из специфического и вместе с тем достаточно ограниченного набора углеродсодержащих малых молекул и макромолекул .

Итак, основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы особого рода. Практически все реакции в живой клетке протекают с участием высокоэффективных природных биокатализаторов, называемых ферментами , или энзимами . Рассматривая клеточные метаболические пути, может показаться, что клетка обладает возможностью осуществлять любую необходимую ей реакцию, используя для этой цели соответствующий фермент. В действительности это не так. Хотя ферменты и являются мощными катализаторами, они могут ускорять только те реакции, которые «разрешены» с точки зрения термодинамики. Среди множества энергетически возможных реакций ферменты избирательно преобразуют соответствующие «реагенты», называемые субстратами , по физиологически полезному пути. Таким образом, ферменты управляют всеми метаболическими процессами организма.

До недавнего времени считалось, что абсолютно все биокатализаторы являются веществами белковой природы. Однако в 80-е годы ХХ столетия были обнаружены специфические низкомолекулярные РНК, обладающие каталитической активностью. Эти каталитические РНК по аналогии получили название рибозимов . Остальные известные на данный момент биокатализаторы клетки, число которых превышает 2500, имеют белковую природу и характеризуются всеми свойствами белков. К настоящему времени расшифрованы аминокислотные последовательности сотен различных ферментов, многие получены в кристаллическом виде, по данным рентгеноструктурного анализа установлена трехмерная пространственная структура и описаны механизмы их действия и изучается их роль в клеточных метаболических превращениях.

Подобно неорганическим катализаторам, ферменты: не расходуются в процессе реакции, увеличивают скорость как прямой, так и обратной реакции, не изменяют положения равновесия. Однако белковая природа ферментов обусловливает появление у них ряда свойств, в целом нехарактерных для неорганических катализаторов.

Отличие ферментов от неорганических катализаторов

1. Ферменты имеют более высокую каталитическую активность (в миллионы раз превышающую действие неорганических катализаторов). Например, гидролиз белка в присутствии неорганических кислот и щелочей протекает при 100°С в течение нескольких десятков часов. При участии ферментов этот процесс сокращается до десятков минут при 30–40°С;

2. Каталитическая активность ферментов проявляется в очень мягких условиях (умеренные температуры 37–40°С, нормальное давление, близкие к нейтральным значения рН среды 6,0–8,0);

3. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, т.е. каждый фермент катализирует в основном только строго определенную химическую реакцию (для сравнения, платина в органическом синтезе катализирует несколько десятков химических превращений);

4. Скорость ферментативных реакций подчиняется определенным кинетическим закономерностям;

5. Ряд ферментов при формировании третичной и четвертичной структуры подвергаются пост-трансляционной модификации;

6. Размеры молекулы ферментов обычно намного превышают размеры их субстратов;

7. Активность ферментов в клетках строго контролируется и регулируется.

Химическая природа ферментов

По строению различают ферменты-протеины, однокомпонентные и ферменты- протеиды, двухкомпонентные.

К группе ферментов-протеинов относят ферменты, построенные по типу простых белков, в отличие от которых фермент имеет активный центр. Наличие в их молекуле активного центра обеспечивает каталитическую активность фермента. К однокомпонентным ферментам относятся почти все ферменты желудочно-кишечного тракта.

Ферменты- протеиды - двухкомпонентные(холоферменты)-сложные белки. Состоят из белковой части(апофермент) и вещества небелковой части(кофермент). У некоторых ферментов апофермент и кофермент соединены так прочно, что при разрыве это связи фермент разрушается. Но есть ферменты, у которых связь непрочная. Роль апофермента и кофермента различна. Белковая часть обуславливает субстратную специфичность фермента, а кофермент, входя в состав каталитического центра фермента, обеспечивает специфичность действия фермента, тип реакции, который ведет фермент. Роль коферментов выполняют производные различный витаминов, металлы(железо, медь).

Строение активного центра фермента, его роль.

Активный центр-это совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, расположенных на поверхности ферментов и строго ориентированных в пространстве за счет третичной и иногда четвертичной структуры ферментов. Акт.центр имеет 2 участка: а) субстратный(контактный или якорная площадка), обуславливающий субстратную специфичность фермента и обеспечивающий его взаимодействие с субстратом; б) каталитический центр, ответственный за химические преобразования субстрата, который обуславливает специфичность действия фермента.

Активный центр имеет форму узкого углубления или щели. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков для связывания или катализа. Актив центры, занимают небольшую часть молекулы фермента. Остальная часть фермента сохраняет актив. Центр от разрушения.

Первоначальная модель акт.центра, предложенная Э.Фишером, трактовала взаимодействие субстрата и фермента по аналогии с системой КЛЮЧ-ЗАМОК , те считалось, что между активным центром фермента и субстратом должно иметься полное соответствие. Эта модель, которую иногда называли модель ЖЕСТКОЙ МАТРИЦЫ . В настоящее время считают, что полного соответствия между субстратом и ферментом нет, оно возникает в процессе взаимодействия субстрата и фермента(теория Кошленда или теория индуцированного соответствия).

Что такое аллостерический центр ферментов, его роль?

У некоторых ферментов имеется так называемый аллостерический центр, участвующий в регуляции активности активного центра. Единого мнения о местонахождении этого центра нет. По некоторым данным аллост.центр располагается неподалеку от активного центра. При действии аллостерических эффекторов на этот центр происходят конформационные изменения молекулы фермента, в том числе изменяется и топография активного центра, в результате чего повышается или уменьшается структурное сродство фермента к субстрату. Аллост. центр характерен только для ферментов, имеющих несколько субъединиц.

Механизм действия ферментов

В механизме ферментативного катализа различают 3 стадии:

1.Образование фермент-субстратного комплекса. Субстрат присоединяется к участку молекулы фермента, который называется активным центром, в нем различают якорные участки. Соединение идет за счет связей, характер которых зависит от химической природы субстрата. Н-р, если в молекуле субстрата имеются заряженные группы, то образование комплекса возможно за счет электростатического взаимодействия. Место, куда прикрепляется субстрат находится на поверхности молекулы фермента. Таких участков может быть 2-3, они находятся на определенном расстоянии друг от друга.

2.Образование комплекса фермент - продукты реакции. Функционально активные группы активного центра фермента действуют на субстрат, дестабилизируя связи. При таком взаимодействии изменяется конфигурация субстрата, происходит его деформация, поляризация молекулы субстрата, растяжение связи между отдельными участками субстрата, перераспределение электронов, что приводит к изменению расположения электрического заряда, к снижению энергии активации, и субстрат распадается.

3.Распад комплекса фермент – продукты реакции с выделением свободного фермента. Третья стадия более медленная и от нее зависит скорость все реакции. Выявлено, что в механизме действия ферментов большое значение имеет изменение структуры субстрата, приводящее к снижению энергии активации. Величина энергии активации у различных субстратов разные.

6. Специфичность ферментов: а)субстратная, б) специфичность действия.

Ферменты обладают специфичностью, т.е. избирательно действовать на определенный субстрат (субстратная специфичность) и ускорять определенную химическую реакцию (специфичность действия), т.е. специфичность действия – это способность ферментов производить с субстратом лишь одно из возможных химических превращений. Ферменты могут воздействовать на несколько субстратов, но при этом катализировать только одну определенную реакцию. Субстратная специфичность: если фермент катализирует превращение только одного субстрата, то специфичность абсолютная (аргиназа расщепляет аргинин). Если фермент катализирует превращение группы субстратов, объединенных одним типом связи, то такая специфичность называется относительной (пепсин расщепляет жиры и живот. и раст. происхождения). Стереохимическая специфичность обусловлена существованием оптических изомеров L- и D- форм или геометрических изомеров хим. веществ. Так фермент может действовать только на один из изомеров(фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты, но не действует на малеиновую кислоту)

7. Мощность действия ферментов . Большинство реакций, катализируемых ферментами, протекают в 10-100 раз быстрее, чем некатализируемые реакции. Для характеристики мощности действия ферментов введено понятие катал – число молекул субстрата, подвергающееся воздействию одной молекулы фермента в течение 1 минуты. Мощность большинства ферментов равна 1000 каталов, мощность действия каталазы – 1.000.000 каталов, амилазы – 240.000, а ацетилхолинэстеразы – более 1.000.000 каталов. Высокая мощность действия ферментов обуславливает высокую скорость химических процессов в организме.

8. Изоферменты, их диагностическое значение. Изоферменты – молекулярные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию с одним и тем же субстратом, но в различных условиях. Они различаются по строению апофермента, по физико-химическим свойствам, по сродству апофермента к субстрату. Коферменты изоферментов одинаковые, поэтому биологическое действие изоферментов одинаково. Клетки и органы различаются по содержанию тех или иных изоферментов, т.е. изоферменты обладают органотропностью. Это имеет большое диагностическое значение, так как при поражении того или иного органа в кровь выходят преимущественно определенные изоферменты, что позволяет провести органную диагностику. Н-р, лактатдегидрогиназа(ЛДГ), ускоряющая реакцию дегидрирования молочной кислоты, имеет 5 изоферментов с одинаковым коферментом – НАД. В состав апофермента ЛДГ входят 4 полипептидные цепи. Различают Н-цепи (сердце) и М-цепи(мышцы).

ЛДГ 1 – 4 цепи Н-типа, в сердце

ЛДГ 2 – 3 цепи Н-типа и 1 цепь М-типа, в сердце, почках

ЛДГ 3 – 2 цепи Н-типа и 2 цепи М-типа, в легких

ЛДГ 4 – 1 цепь Н-типа и 3 цепи М-типа, в печени

ЛДГ 5 – 4 цепи М-типа, в мышцах и печени.

Декарбоксилазы аминокислот

По химической природе декарбоксилазы аминокислот – это сложные ферменты, коферментами которых могут являться фосфопиридоксаль(вит В6 связанный с фосф.к-той)

И пирролохинолинохинон (PQQ). ДК аминокислот являются ферментами бактерий, например, в толстом отделе кишечника у животных и человека. Эти ферменты в толстом кишечнике вызывают гниение белков, декарбоксилируя аминокислоты. В клетках человека и животных ДК аминокислот мало. Декарбоксилирование аминокислот также происходит при разложении трупа, когда под действием катепсинов белки тканей распадаются до аминокислот, а ДК аминокислот проводят дальнейшие изменения их

Подкласс-гидролиазы

Представитель-карбангидраза- двухкомпонентный фермент, кофермент окончательно не изучен, но известно, что в его состав входит цинк. Фермент ускоряет обратимую реакцию синтеза и распада угольной кислоты Н2О + CO2 = H2CO3

Направление реакции зависит от концентрации СО2, поэтому фермент вызывает удаление избытка угольной кислоты и играет роль в регуляции дыхательного центра.

Декарбоксилазы аминокислот

декарбоксилазы аминокислот- чаще всего бактериального происхождения, играют важную роль при бактериальных инфекциях и в процессе гниения. Набольшое кол-во встречается и в животных тканях, гфе они принимают участие в обмене некоторых аминокислот, способствую образования биогенных аминов(вещества, образующиеся в организме животных или растений из аминокислот при их декарбоксилировании ферментами декарбоксилазами и обладающие высокой биологической активностью.) . По строению это двухкомп. Ферменты, коф-т – фосфопиридоксаль (витамин В6 с H3PO4).

Карбоангидраза.

Карбоангидраза или угольная ангидраза - представитель подкласса гидро-лиазы. Двухкомп. фермент, сост из апофермента и кофермента, в состав кофермента входят ионы цинка. Катализирует р-ю распада и синтеза угольной к-ты. Сод-ся в эритроцитах и играет роль в процессах переноса СО2 от тканей к легким.

Н2О + СО2 ↔ Н2СО3

Направление реакции зависит от конц-ии СО2. Имеет значение в удалении избытка угольной к-ты(СО2) и играет роль в регуляции дыхательного центра.

36 Оксирезуктазы. Классификация. Это большой класс ферментов, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции (реакции отщепления или присоединения водорода или электронов). По химической природе двухкомпонентны, содержатся в клетках. Различают около 90 подклассов. Для удобства изложения и усвоения этого материала по способу окисления можно разделить на 4 группы:

1) дегидролазы (Представители: 1)пиридинферменты; 2) флавинферменты)

Цитохромы,

Каталаза и пероксидаза,

Гидрооксилазы и оксигеназы

Дегидрогеназы, предтавители

К дегидрогеназам относятся ферменты, осуществляющие окисление веществ путем их дегидрирования (отнятия водорода), участвуя в БО и восстановлении, т.е. в реакциях, связанных с процессами тканевого дыхания, гликолиза, брожения. Известно свыше 150 ДГ-аз. Представители: 1)пиридинферменты; 2) флавинферменты

Представители. 1.

Реакции ЦТК

Пункты сопряжения БО и ОФ

БО имеет 3 пункта,в которых выделяется энергия,достаточная для образования АТФ. Эти пункты называются пунктами сопряжения БО и ОФ,это 2(когда НАДН 2 окисляется ФФ),6(Цхв окисляется,ЦХс1 восстанавливается),9 и 10(в ЦХО,Цха окисляется,ЦХа3 восстанавливается)

Разобщение БО и ОФ

Главная суть в том, что они разрывают связь между БО и ОФ, то есть 3 и 4 стадией энерг. Обмена.

А. 2.4 динитрофенол (принимался против ожирения)

Б. Дикумарол – применяется как антикогулянт в клинич. Практике.

В. Транспорт Са в митохондрии. Не происходит сохранение АТФ и АТФ тратится на захват кальция.

Ферментные ансамбли.

Мембранносвязанные ферменты, участвующие в БО в митохондриях, расположены не линейно, а обьеденены в комплекса:

1. Комплекс ФП(ФМН)

Оксидазное окисление.

ПФ и ФП окисляют субстраты перенося водород, на убихиноне они распадаются на протоны и электроны. Далее электроны транспортируются различными цитохромами, передаваясь на кислород, ионизируя его. Ион кислорода, соедин. С протонами водорода, образует эндогенную воду. В процессе БО выделяется энергия, идущая на образование АТФ 40% и тепла 60%

½ О2 + 2Н+ = энергия + Н2О

61. Оксигеназное окисление, значение, ферменты, конечные продукты. Больше половины оставшегося кислорода используется на оксигеназный тип окисления, который идет по 2 путям – монооксигеназному и диоксигеназному. Монооксигеназный путь происходит в митохондриях и микросомах. В митохондриях происходит гидроксилирование (при участии НАДФН2, ЦхР450). При гидроксилировании образуется окисленный продукт, вода и НАДФ. При диоксигеназном пути оксигеназного типа под влиянием оксигеназ происходит включение обоих атомов кислорода в субстрат. Обычно это происходит с веществами, имеющими ненасыщенные связи по месту их разрыва, например, ненасыщенные ЖК.

62. Пероксидазное окисление . Пероксидазное окисление - побочный путь окисления, обычно наблюдается при выходе из строя цитохромной системы или когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота. Протекает с участием ферментов оксидаз, наиболее активных в пероксисомах.

Пероксисомы – микротельца, обнаруженные в гепотоцитах; окислительные органеллы. Эти микротельца содержат оксидазу мочевой кислоты, оксидазу Д-аминокислот, а также каталазу, которая расщепляет пероксид водорода.

Например: Ксантин + Н2О2 + О2 = (фермент ксантиноксидаза) получается молочная кислота + Н2О2 ; 2 % кислорода в организме идет на окисление восстановленных ФП(ФАД) с образованием перекиси водорода

ФПН2 + О2 = ФП + Н2О2(фермент Каталаза)

Н2О2 = Н2О + О2 (фермент каталаза)

63. Пероксидное окисление. Образование АФК . Пероксидный тип окисления или перекисный, или свободно-радикальный - происходит при одноэлектронном восстановлении О2. Этому типу окисления подвергаются ПНЖК в составе ФЛ мембран. ПОЛ инициируется под действием АФК.АФК делятся на 2 группы: 1 группа – свободные радикалы: супероксиданион радикал, гидроксипероксирадикал (НОО ), гидроксильный радикал, радикал оксида азота, алкилоксирадикал (LO ), липопероксирадикал (LOO ) 2 группа – нерадикальные вещества: гипохлорит-анион, перекись водорода, синглетный кислород (1О2), озон (О3), железокислородный комплекс (Fe++-О2) и ГПЛ (LOOH). АФК в больших количествах опасны для клеток. Так, супероксиданион может вызвать деполимеризацию ГАГ, окисление адреналина и тиолов. Перекись водорода токсична, хотя механизм токсичности не ясен. Известно, что избыток перекиси водорода вызывает окисление тиогрупп белков, может приводить к образованию гидроксильного радикала. Главная опасность АФК – инициация ПОЛ. Свободно-радикальное окисление (СРО) носит цепной характер:

ПНЖК - ДК - ГПЛ - МДА (малоновый диальдегид)

диеновые конъюгаты гидропероксиды

ПОЛ – главный путь использования ПНЖК. Продукты ПОЛ необходимы при синтезе некоторых гормонов и белков (например, в синтезе тироидных гормонов), образования простагландинов (ПРГ), для функционирования фагоцитов, для регуляции проницаемости и состава липидов мембран, скорости пролиферации клеток и их секреторной функции.

Однако следует учесть, что увеличение скорости ПОЛ и концентрации продуктов ПОЛ приводит к повреждению клетки и ее смерти, например, продукты ПОЛ, являясь высокотоксичными повреждают ДНК и РНК, вызывают мутации. Продукты ПОЛ вызывают денатурацию белков, разобщают БО и ОФ, нарушают структуру мембран.

64. Антиоксиданты ферментные и неферментные Скорость ПОЛ контролируется АОС. АОС подразделяется на ферментную и неферментную.

К первой относятся: 1)СОД (Супероксиддисмутаза), которая переводит супероксидный радикал в менее токсичную перекись водорода2О2 + 2Н+ = Н2О2 +О2 2)Каталаза, которая разрушает пероксид водорода до воды и молеклярного кислорода; 3) Глутатионпероксидаза (ГПО)окисляет гидрокперекись липидов до легкоокисляемых ЖК 4) Глутатионредуктаза(ГР), восстанавливающая окисленный глутатион. К неферментной АОС относятся жирорастворимые витамины, каротиноиды, витамин С, витамин Р, витамин В2, карнозин (нейтрализует гидроксильный радикал), ферритин (связывает двухвалентное железо, которое является источником электронов для образования АФК), церулоплазмин (связывает двухвалентную медь, что уменьшает возможность ее окисления и образования супероксиданион-радикала, а также окисляет двухвалентное железо, выполняя роль феррооксидазы), металлотионеины (связывают медь и другие металлы, выполняя не только антиоксидантную функцию, но и антитоксическую), таурин (нейтрализует гипохлорит-анион).

Пункты сопряжения БО и ОФ

К ним относятся пункты под № 2,6,9,10

2) 2 пункт - НАДН 2 окисляется ФП. Теряя водороды НАДН 2 окисляется, а флавопротеиды, присоединяя водороды восстанавливается

6) 6 пункт - Происходит ОВР между ферроЦхЬ(окисляется) и ферриЦхс 1 (восстанавливается).

9-10) очень тесно объединены м.у собой, т.к происходят в мультиферментном комплексе - цитохромоксидазе. 2 ферро Цха(Fe2+)передают 2e 2ферриЦха3 (Fe3+).

Цха(Fe2+)-окисляется, Цха3(Fe3+)- восстанавливается

Разобщение БО и ОФ

Некоторые липофильные вещества (2,4-динитрофенол, некоторые лекарства, жирные кислоты) могут переносить ионы водорода через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, минуя канал АТФ-синтазы. В результате этого снижается протонный градиент и прекращается синтез АТФ. Это явление называется разобщением, а вещества - разобщителями дыхания и фосфорилирования.

Прототипы разобщителей ОФ

2,4 –динитрофенол – классический разобщитель ОФ. Токсичен, но одно время использовался как лекарство от ожирения.

Дикумарол – обладает аналогичным действие и используется как антикоагулянт

Транспорт Ca2+ в митохондрии также изменяет взаимоотношения между электронным транспортом и ОФ.

Ферментные ансамбли

Мембранносвязанные ферменты, участвующие в БО в митохондриях, расположены не линейно, а объединены в 4 комплекса: 1 комплекс ФП(ФМН), 2 комплекс ФП(ФАД), 3 комплекс Цхв и Цхс1, 4 – Цха и Цха3

Ферменты,понятие. Сходства в действии ферментов и неорганических катализаторов. Общие свойства ферментов.

Ферменты-это биологические катализаторы белковой природы,ускоряющие биохимические реакции в животных организмах.

Сходства: 1) фермент и неорганический катализатор снижают энергию активации;

2)фермент и неорг. кат. ускоряют только энергетически возможные реакции;

3)фер. и неорг.кат. не изменяют направление реакции, не нарушают равновесия обратимой реакции,а только ускоряют наступление равновесия;

4)фер. и неорг.кат. не расходуются в процессе реакции и не входят в состав конечных продуктов реакции.

Общие свойства: Общие свойства ферментов одновременно являются и отличием ферментов от неор.кат.:

· Ферменты имеют белковую природу, поэтому обладают свойствами, характерными для белков;

· Ферменты имеют сложное строение;

· Ферменты обладают высокой специфичностью, как субстратной,так и специфичностью действия;

· Ферменты имеют высокую биологическую активность, что обусловлено высоким сродством фермента к субстрату, и они гораздо сильнее снижают энергию активации. Ед.измерения активности фермента- катал;

· Ферменты действуют в мягких условиях(при T-37-45,давлении 1 атм.);

· Ферменты- это катализаторы с регулируемой активностью.

Дата создания: 2015/04/30

Материальную основу всех жизненных процессов организма составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов очень правильно и образно определил И. П. Павлов, назвав их «возбудителями жизни». Нарушение синтеза какого-либо фермента в стройной системе обменных реакций в организме приводит к развитию заболеваний, которые часто оканчиваются смертью. Например, недостаток у детей фермента, который превращает галактозу в глюкозу, является причиной галактоземии. При этом заболевании дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. Повышение активности ксантин-оксидазы является причиной подагры. Таких примеров можно привести очень много. Вот почему ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни обмен веществ. Поэтому изучению ферментов придается такое большое значение. Наука о ферментах составляет важный раздел биохимии, а в медицине отчетливо выявляется направление – медицинская ферментология.

Ферментология или, иначе, энзимология является учением о ферментах (энзимах) – биологических катализаторов белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способностью активировать различные химические реакции, происходящие в организме.

Ферменты нашли широкое применение во многих областях науки и промышленности. За последние годы с помощью высокоочищенных препаратов ферментов удалось расшифровать структуру сложных соединений, входящих в состав организма, в том числе некоторых белков и нуклеиновых кислот.

Ферменты имеют большое практическое значение, так как многие области промышленности – виноделие, хлебопечение, производство спирта, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков – основаны на использовании различных ферментативных процессов. Поэтому изучение свойств и механизма действия ферментов позволяет химикам создать новые, более совершенные катализаторы для химической промышленности. Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, - лекарственных веществ, стимуляторов роста растений и др., в конечном счете сводится к тому, что эти вещества активируют или подавляют в организме то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Несомненно, изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов или парализаторов имеет первостепенное значение для медицины и сельского хозяйства.

Круг вопросов, изучаемых ферментологией, весьма широк. Разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их структуры, исследование процессов образования ферментов в живой клетке, регулирование из действия, роль ферментов в осуществлении различных физиологических функций – вот далеко не полный перечень важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых в настоящее время.

Об истории изучения ферментов

История ферментов уходит в далекое прошлое. Еще на развитии человеческого общества люди сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их в жизни. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение заквасок при приготовлении хлеба, использование сычуга для изготовления сыров и др. – все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.

Одним из первых последователей, занимавшихся изучением ферментативных процессов, были Реомюр и Спалланцани. В своих опытах, по перевариванию мяса в желудке птиц они впервые поставили вопрос о необходимости изучения химического состава пищеварительного сока. Русский ученый К. С. Кирхгоф (1814)

Показал, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким образом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы (фермент, расщепляющий крахмал) и эту дату мы с полным правом можем считать датой возникновения ферментологии. Изучая процессы брожения, голландский ученый Ван Гельмонт впервые ввел в науку термин « ферменты» (fermentum – закваска). Слово «энзим» происходит от древнегреческого слова « эн зюме», что означает в «дрожжах».

К середине 50-хгодов ХIХ века понятие о ферментах как о биологических катализаторах прочно утвердилось в науке. К этому времени и относится большой спор двух крупнейших ученых мира Луи Пастера и Либиха Ю о месте локализации ферментов в клетке - спор, который по своему существу явился борьбой двух мировоззрений в науке-идеализма и материализма и затормозил развитие учения о ферментах без малого на 50 лет. Луи Пастер, доказывая, что деятельность ферментов неотделима от структуры клетки и с ее разрушением прекращается, прочно стоял на позициях вирховианства- одной из разновидностей идеализма в биологии. Либих утверждал, что действие ферментов не связано со структурой клетки. Этот спор практически продолжался более 100 лет и снова, и который раз, утвердил необходимость материалистического подхода к изучению биологических закономерностей. Первой подтвердила правильность точки зрения Ю.Либиха русский исследователь М.М.Манассеина в 1871 г. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком, т.е. полностью разрушая структуру клетки, она доказала, что клеточный сок обладает способностью сбраживать крахмал. Однако, как это очень часто бывало в царской России, исследования М.М.Манассеиной остались без внимания и пальма первенства, в этом вопросе была отдана немецким ученым братьям Бухнер, которые через 26 лет проделали аналогичный опыт (они разрушали клетки путем высокого давления) и получили такие же результаты. В последующем работами А.Н.Лебедева, И.П.Павлова, М.Дюкло, Э.Фишера, Л.Михаэлиса и многих других ученых окончательно была опровергнута точка зрения идеалистов. Именно материалистический подход в научных исследованиях дал возможность Дж. Самнеру в 1927г. впервые получить фермент уреазу, а Дж.Нортропу в 1931г.- кристаллические трипсин и пепсин.

В настоящее время работами большой армии ученых, как в нашей стране, так и за рубежом учение о ферментах успешно развивается. В настоящее время известно около 1000 ферментов. Работы академика А.Е.Браунштейна, В.А.Энгельгарда, А.И.Опарина, С.Е.Северина, В.Н.Ореховича, А.А.Покровского и многих других отечественных ученых в области изучения ферментов в человеческом организме имеют большое значение в медицине. Постановка диагноза, выбор правильного лечения и профилактики, разработка и применение различных лекарственных препаратов и т. д.основываются на изучении ферментов.

Что нам известно о катализе

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции под влиянием различных веществ – катализаторов, участвующих в этом процессе и к концу реакции остающихся химически неизмененными. Если от добавления катализатора происходит ускорение химического процесса, то такое явление называют положительным катализом, а замедление реакции – отрицательным. Чаще всего приходится встречаться с положительным катализом. В зависимости от химической природы катализаторы разделяются на неорганические и органические. К последним относятся и биологические катализаторы – ферменты.

Для понимания действия катализаторов необходимо кратко остановиться на рассмотрении сущности катализа. Скорость любой химической реакции зависит от столкновений активных молекул реагирующих веществ. Активированной называется молекула, которая имеет определенный запас потенциальной энергии. Взаимодействие двух таких молекул произойдет только в том случае, если запас энергии этих молекул будет достаточным для преодоления сил сталкивания между ними – так называемого «энергетического барьера» реакции. Если реагирующие молекулы будут обладать большей величиной энергии, чем энергетический барьер, то реакция произойдет. Если же запаса энергии реагирующих тел недостаточно для преодоления энергобарьера, то они не будут взаимодействовать. В этом случае для протекания реакции необходимо активировать молекулы, т. е. сообщить им дополнительное количество энергии, которое в сумме с имеющейся потенциальной энергией в молекулах будет достаточным для преодоления энергетического барьера. Это дополнительное энергии называется «энергией активации!». Активировать молекулы можно путем нагревания, повышения давления, облучения др.

Сущность действия катализаторов заключается в том, что во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.

Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.

К основным характеристикам катализаторов относятся следующие: а) катализаторы могут ускорять только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам, б) катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.

Отличие ферментов от других видов катализаторов

При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.

Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся «космические» скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.

Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2х1011раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнной железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.

Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками, т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.

При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют, аналогичную белкам сложную структуру, подвергается расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуются и т.д. Молекулярный вес ферментов колеблются в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.

Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12700, пепсина – 35500, катализы крови – 248 000, глютаматдегидрогиназы – 1000000.

По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты ферменты-протеины – состоят только из аминокислот, а сложные ферменты – ферменты-протеиды – в своем составе имеют белковую часть апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть – кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами и витаминами.

К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с учетом воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.

Афанасьев Илья

Катализаторы и ферменты - вещества ускоряющие химические процессы, но сами при этом не расходуются.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Сравнение неорганических катализаторов и биологических ферментов Презентацию подготовил Ученик 10В класса МАОУ «Лицей №131» Афанасьев Илья Учитель: Сафонова Эльфия Рустямовна

С чего начать? Академик Георгий Константинович Боресков,советский химик и инженер, однажды в полушуточном стиле описал, что было бы, если бы на Земле вдруг исчезли все катализаторы, суть описания сводилась к тому, что наша планета скоро стала бы безжизненной пустыней, омываемой океаном слабой азотной кислоты .

Но о каких именно катализаторах говорил Академик Боресков? Ведь наравне с неорганическими катализаторами, в химии используются и биологические ферменты, без которых существование нашего организма было бы невозможным. Давайте узнаем, что из себя представляют ферменты и неорганические катализаторы, и в чем их отличия Палладий-один из часто используемых катализаторов Биологические Ферменты

Ферменты Ферменты - биологические катализаторы белковой природы. Термин фермент (от лат. fermentum - закваска) был предложен в начале XVII в. голландским ученым Ван Гельмонтом для веществ, влияющих на спиртовое брожение.

История открытия ферментов Человек, на протяжении жизни, замечал, что что-то какие-то вещества оказывают влияние на производство хлеба, создания вина и молочных изделий. Но только в 1833 году из прорастающих зерен ячменя было выделено вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и впоследстивии именуем амилазой. Но только в конце 19 века было доказано,что при растирании дрожжевых клеток образуется сок, который обеспечивает процесс спиртового брожения. Амила́за (др.-греч. άμυλον - крахмал

Функции ферментов Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ и в реализации генетической информации возможность. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря им Ферменты выделяют из легких углекислый газ Повышают уровень выносливости организма Поддерживают работу иммунной системы для борьбы с инфекциями Именно ферменты осуществляют поиск раковых клеток в организме, впоследствии уничтожая их.

Химические свойства ферментов По химическим свойствам ферменты являются амфотерными электролитами. Они обладают высокой молекулярной массой(48000 Д= 7.970544000006 x 1 0 ^ 23 кг) Они очень видоспецифичны (для каждого органа может быть свой фермент Из этого пункта следует, что для каждого органа требуется своя температура, кислотность, давление и т.д

Примеры реакций с участием ферментов Реакции брожения глюкозы с использованием различных ферментов, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.

Н.Клеман, Ш.Дезорм (1806 г.) Оксиды азота – агенты, способные окисляться кислородом воздуха и передавать кислород сернистому газу Неогранические катализаторы

К.Кирхгоф (1811 г.) Работы Клемана, Дезорма и Кирхгофа инициировали поиск таких уникальных веществ. За 20 лет было найдено множество реакций:

Механизм Катализатора

Универсальные катализаторы Никель Ренея Никель Ренея, иначе «скелетный никель» - твёрдый микрокристаллический пористый никелевый катализатор.Представляет собой серый высокодисперсный порошок (размер частиц обычно 400-800 нм), содержащий, помимо никеля, некоторое количество алюминия (до 15 масс.%) и насыщенный водородом (до 33 ат.%). Никель Ренея широко применяется как катализатор разнообразных процессов гидрирования или восстановления водородом органических соединений (например, гидрирования аренов, алкенов, растительных масел и т. п.). Ускоряет также и некоторые процессы окисления кислородом воздуха. Получают никель Ренея сплавлением при 1200 °C никеля с алюминием (20-50 % Ni ; иногда в сплав добавляются незначительные количества цинка или хрома), после чего размолотый сплав для удаления алюминия обрабатывают горячим раствором гидроксида натрия с концентрацией 10 - 35 %; остаток промывают водой в атмосфере водорода. Лежащий в основе приготовления никеля Ренея принцип используется и для получения каталитически активных форм других металлов - кобальта, меди, железа и т. д.

Универсальные Катализаторы Палладий Палладий - переходный металл серебристо-белого цвета с гранецентрированной кубической решёткой типа Cu Палладий часто применяется как катализатор, в основном, в процессе гидрогенизации жиров и крекинге нефти. Хлорид палладия используется как катализатор и для обнаружения микроколичеств угарного газа в воздухе или газовых смесях

Универсальные катализаторы Платина Платина, особенно в мелкодисперсном состоянии, является очень активным катализатором многих химических реакций, в том числе используемых в промышленных масштабах. Например, платина катализирует реакцию присоединения водорода к ароматическим соединениям даже при комнатной температуре и атмосферном давлении водорода. Ещё в 1821 немецкий химик И. В. Дёберейнер обнаружил, что платиновая чернь способствует протеканию ряда химических реакций; при этом сама платина не претерпевала изменений. Так, платиновая чернь окисляла пары винного спирта до уксусной кислоты уже при обычной температуре. Через два года Дёберейнер открыл способность губчатой платины при комнатной температуре воспламенять водород. Если смесь водорода и кислорода (гремучий газ) ввести в соприкосновение с платиновой чернью или с губчатой платиной, то сначала идет сравнительно спокойная реакция горения. Но так как эта реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, платиновая губка раскаляется, и гремучий газ взрывается. На основании своего открытия Дёберейнер сконструировал «водородное огниво» - прибор, широко применявшийся для получения огня до изобретения спичек.

Сравнение Неорганических Катализаторов и Биологических ферментов Общее между ферментами и неорганическими катализаторами: 1. Увеличивают скорость химических реакций, при этом сами не расходуются. 2. Ферменты и неорганические катализаторы ускоряют энергетически возможные реакции. 3. Энергия химической системы остается постоянной. 4. В ходе катализа направление реакции не изменяется.

Ферменты обладают конформационной лабильностью - способностью к небольшим изменениям своей структуры за счет разрыва и образования новых слабых связей, не обладают неорганические катализаторы

Сравнение Неорганических Катализаторов и Биологических ферментов Признаки Сравнения Неорганические катализаторы Ферменты Химическая природа Низкомолекулярные вещества, образованные одним или несколькими элементами Белки-высокомолекулярные полимеры Видоспецифичность Универсальные катализаторы На каждую реакцию нужен свой фермент Кислотная среда Сильнокислая или щелочная У каждого органа своя кислотная среда Интервалы t Очень широкие 35-42 градуса Цельсия,затем денатурируют Увеличение скорости реакций От 10 ^2 до 10^6 раз От 10^8 до 10^12 раз Стабильность Могут быть побочные эффекты(70%) Почти 100% выход продуктов.

П ерекись водорода без присутствия катализаторов разлагается довольно медленно. При наличии неорганического катализатора (обычно солей железа) реакция несколько убыстряется. А при добавлении фермента каталазы пероксид разлагается с невообразимой скоростью. MnO2+H2O2=>O2+H2O+MnO

В отличие от катализаторов неорганической природы ферменты "работают" в "мягких" условиях: при атмосферном давлении, при температуре 30 - 40°С, при значении рН-среды близком к нейтральному. Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Единственная молекула фермента может катализировать от тысячи до миллиона молекул субстрата за 1 минуту. Такая скорость недостижима для катализаторов неорганической природы.

Итог Несмотря на то, что и ферменты, и неорганические катализаторы используются для одной цели-ускорять вещества, они обладают довольно разными свойствами. Но не стоит забывать, что без них люди не смогли достичь успехов не только в химии, но и в других науках. Не нужно искать золотую середину в поиске идеального, нужно использовать их для своего случае, где смогут себя проявить по максимуму.

При растворении в воде молекулы белка приобретают положительный заряд.

Как это свойство белка выразить с помощью значения рI ?

+ а. рI > 7 г. pI < 3

б. pI = 7 д. по знаку заряда нельзя судить об

в. pI< 7 интервале значения рI.

3. При растворении в воде белка, содержащего аминокислоты глутамат, аргинин, валин, молекулы белка приобрели положительный заряд. Что можно сказать о аминокислотном составе белка?

а. глутамата больше, чем аргинина + г. аргинина больше, чем глутамата

б. валина меньше, чем глутамата д. аргинина и глутамата одинаковое

в. валина больше, чем глутамата количество

4 . У белка крови альбумина значение величины рI равно 4,6. Это означает, что в водном растворе

+ а. белок заряжен отрицательно г. знак заряда может быть любой

б. белок заряжен положительно д. знак заряда определить невозможно

в. белок не имеет заряда

Сходство ферментов с неорганическими катализаторами заключается в том,

а. фермент обладает высокой специфичностью

б. скорость ферментативной реакции регулируется

+ г. в ходе катализа энергия системы остается постоянной

Отличие ферментов от неорганических катализаторов заключается в том, что

(2 ответа):

+ а. фермент обладает высокой специфичностью

+ б. скорость ферментативной реакции регулируется

в. в ходе катализа энергия химической системы изменяется

г. ферменты катализируют энергетически невозможные реакции

д. в ходе катализа направление химической реакции изменяется

7. Объясняя строение фермента, упомянули термины « кофактор и кофермент».

Следует уточнить:

+а. кофактор и кофермент находятся вне активного центра

б. только кофактор находится в активном центре

в. только кофермент находится в активном центре

г. кофактор и кофермент находятся в активном центре

д. кофермент находится вне активного центра

8. По определению: «Денатурация белка-это

а. потеря растворимости г. изменение пространственной

б. гидролиз всех пептидных связей структуры

в. частичный протеолиз +д. потеря природных свойств белка.

9. Обсуждая функции белка, применили термин «апофермент». Что имели ввиду:

а. сложный белок-фермент + г. белковую часть фермента

б. простой белок-фермент д. инактивированный белок-фермент.

в. небелковую часть фермента

10. Активный центр сложного белка-фермента включает в себя участки:

а. только каталитический г. субстратный и аллостерический

б. только субстратный д. каталитический и аллостерический

+ в. субстратный и каталитический

11. В основу понятия «специфичность» фермента положены:

а. тип реакции г. строение продукта реакции

б. строение субстрата д. тип реакции, строение субстрата

+в. тип реакции и строение субстрата и продукта реакции.

12. При изучении свойств фермента обнаружили, что он действует на субстраты одного химического класса, имеющие сходное пространственное строение. Как определить вид возможной специфичности:

а. абсолютная + г. групповая, стереоспецифичность

б. группова я (относительная) д. абсолютная, стероспецифичность

в.стереоспецифичность

13. Теория « индуцированного изменения пространственной конфигурации фермента и субстрата» в процессе их взаимодействия выдвинута ученым

+ а . Кошландом г. Ментен

б. Лоури д. Фишером

в. Михаэлисом

14. Характеризуя белок, применили термин «холофермент». Что имели ввиду: это

+ а. сложный белок-фермент г. белковую часть фермента

б. простой белок-фермент д. инактивированный белок-фермент

в. небелковую часть фермента

15. Деление ферментов на классы основано на: