Научная работа "Ферменты"

16

Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

Малая академия наук «Искатель»

г. Судак – 2016

Тезисы

Изучение значения и свойств ферментов

Эмиралиева Мавиле Исметовна

МБОУ «Дачновская средняя

Общеобразовательная школа»

городского округа Судак

11класс

г.Судак, с.Дачное

Руководитель: Раздобурдина

Наталья Николаевна,

учитель географии и биологии.

Современный человек нередко страдает от заболеваний, вызванных ферментной недостаточностью. Причем, с возрастом данная проблема становится все актуальнее. Однако сегодня даже у молодых людей нередко возникают проблемы с недостатком пищевых ферментов (энзимов) в организме. Выход из этой проблемы один – восполнить недостаток, то есть получить ферменты для пищеварения посредством медикаментов или правильного питания, поэтому считаю, что моя работа является актуальной и необходимой.

Поэтому цель моей работы: выяснить значения и свойства ферментов, исходя из цели ставлю перед собой такие задачи:

- знакомство с историей изучения ферментов;

- изучение классификации ферментов;

- исследование свойств ферментов при выполнении практической работы;

- выяснить значение ферментов для человека.

Работая над работой «Изучение значения и свойств ферментов», я поняла, что ферменты биологические катализаторы, которые облегчают протекание химической реакции и за счет этого увеличивается скорость химических реакций. Без ферментов все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно и не могли бы поддерживать его жизнеспособность.

Очень интересной и познавательной оказалась информация об истории изучения ферментов. Оказалось, что ферменты имеют широкое применение. Ферменты используются в различных областях человеческой деятельности.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………. 5-6

РАЗДЕЛ I. История изучения ферментов……………………………… 7

1.1.История изучения…………………………………………………. 7-8

1.2.Наименование ферментов…………………………………………..8-9

РАЗДЕЛ II. Характеристика ферментов …………………………………..10

2.1. Классификация ферментов…………………………………………10-11

2.2. Использование ферментов………………………………………….12-13

2.3. Энзимопатология…………………………………………………….13-14

РАЗДЕЛ III. Практическая часть……………………………………………15-23

Проведение опытов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….24-25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………….…………………...26

Введение

В 10 классе при изучении темы «Ферменты» было выделено достаточно мало времени, а мне захотелось узнать гораздо больше о свойствах и значении ферментов в жизни человека. Для этого я решила написать исследовательскую работу о ферментах.

Ферменты – это белковые молекулы, которые синтезируются живыми клетками. В каждой клетке насчитывается более сотни различных ферментов. Роль ферментов в клетке колоссальна. С их помощью химические реакции идут с высокой скоростью, при температуре, подходящей для данного организма[5].

То есть ферменты – это биологические катализаторы, которые облегчают протекание химической реакции и за счет этого увеличивают её скорость[4]. Как катализаторы они не изменяют направление реакции и не расходуются в процессе реакции. Ферменты-биокатализаторы – вещества, увеличивающие скорость химических реакций.

Всем нам хорошо известны ферменты необходимые для переваривания пищи: амилаза, липаза, протеаза и другие. Многие ферменты начинают вырабатываться в кишечнике, желудке, слюнных железах. Они способны расщеплять органические вещества, что способствует качественному усвоению пищи. Каждый из них предназначен для катализации одной реакции.

Многие люди в наше время нередко страдают от заболеваний, вызванных ферментной недостаточностью. Причем, с возрастом данная проблема становится все актуальнее. Сегодня даже у школьников нередко возникают заболевания, связанные с недостатком пищевых ферментов в организме. Выход из этой проблемы один – восполнить недостаток, то есть получить ферменты для пищеварения посредством медикаментов или правильного питания, поэтому считаю, что моя работа является актуальной и необходимой.

Чем грозит организму недостаток этих важных веществ и как его восполнить? Какую роль они играют в жизни человека? Что такое ферменты? Какую роль они играют в растительных организмах? На эти вопросы стоит ответить и разобраться. Поэтому цель моей работы: выяснить значения и свойства ферментов, исходя из цели ставлю перед собой такие задачи:

- знакомство с историей изучения ферментов;

- изучение классификации ферментов;

- исследование свойств ферментов при выполнении практической работы;

- выяснить значение ферментов для человека.

Объект изучения ферменты, предметом изучения является исследование свойств ферментов.

Для написания работы я пользовалась методом биоиндикации, который помог мне наблюдать за поведением ферментов, практическим методом, позволяющим фиксировать и описывать явления, теоретическим для изучения необходимой литературы по теме. Результат исследований я смогу использовать на уроках биологии, научно-практических конференциях при проведении «Недели биологии» в школе. Апробация работы прошла при выступлении на уроке биологии в 10 и 11 классе.

РАЗДЕЛ I

История изучения ферментов

1. История изучения.

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В конце ХVIII — начале XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен[6].

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой (ферментом), находящейся в дрожжевых клетках, причём он считал, что эти «силы» неотделимы от структуры живой клетки дрожжей. Эта точка зрения господствовала в науке в течение длительного времени и шла вразрез с господствовавшей тогда теорией брожения Ю. Либиха, согласно которой все процессы брожения представлялись чисто химическими явлениями каталитического характера. Различные точки зрения о природе спиртового брожения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и механицистов М. Бертло и Ю. Либиха — с другой привели к разделению в научной среде двух соответствующих терминов. Собственно, ферментами (от лат. fermentum — закваска) стали называть «организованные ферменты», то есть сами живые микроорганизмы. В противовес этому подходу в 1876 году В. Кюне предложил термин энзим (от греч. ἐν- — в- и ζύμη — дрожжи, закваска, то есть «в дрожжах») для обозначения «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза)[6].

Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено ещё несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila. Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

1.2.Наименование ферментов.

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название или один и тот же фермент имеет два и более названий. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза). Многие ферменты имеют исторически сложившиеся тривиальные названия, не связанные с названиями их субстратов, например, пепсин и трипсин. Из-за этих и других затруднений, а также вследствие всевозрастающего числа вновь открываемых ферментов было принято международное соглашение о создании систематической номенклатуры и классификации ферментов. Было решено разработать рациональную международную классификацию которой могли бы пользоваться ученые всех стран. Для этой цели в 1956 г. была создана Международная комиссия по ферментам, включающая крупнейших энзимологов мира. От Советского Союза в нее вошли академики А. Е. Браунштейн и В. А. Энгельгардт. Потребовалось несколько лет упорного труда, чтобы выполнить эту задачу. Первый вариант Номенклатуры был опубликован в 1964 г. Он включал список из 874 индивидуальных ферментов. На этом работа не окончилась. После исправлений и дополнений в 1972 г. вышел второй вариант уже с 1770 ферментами, который снова был дополнен. Это объемистая книга – более 300 страниц со списком, в котором перечислено около 2000 ферментов.

Рис.1.1 А.Е. Браунштейн и В.А. Энгельгардт

РАЗДЕЛ II

Характеристика ферментов

2.1. Классификация ферментов.

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — Enzyme Comission code).Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

• КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие перенос электронов, то есть окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.

• КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.

• КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.

• КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов, а также обратные реакции.

• КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата с образованием изомерных форм.

• КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей C—C, C—S, C—O и C—N между субстратами за счёт реакций конденсации, сопряжённых с гидролизом АТФ. Пример: лигаза.

Второе число в наименовании фермента отражает подкласс, третье — подподкласс, а четвёртая — порядковый номер фермента в его подподклассе.

Будучи катализаторами, все ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям[4].

Таблица 2.1

Каждый фермент имеет определенный оптимум pH. Для каждого фермента характерна определенная область оптимальных зна­чений pH (оптимум pH), при которых он проявляет максимальную активность.

Оптимум pH фермента не обя­зательно совпадает со значением pH,

ха­рактерным для нормального внутрикле­точного окружения этого фермента; последнее может быть, как выше, так и ниже оптимума pH. Таким образом,

ка­талитическую активность фермента в клетках можно в какой-то мере

регули­ровать, изменяя pH окружающей среды [2, с.239].

2.2. Значение ферментов

Мне стало известно, что ферменты применяются практически во всех областях человеческой деятельности, и такое широкое применение, в первую очередь, связано с тем, что они сохраняют свои уникальные свойства вне живых клеток. Ферменты групп амилаз, протеаз и липаз применяются в медицине. Они расщепляют крахмал, белки и жиры. Все эти ферменты, как правило, входят в состав комбинированных препаратов, таких как фестал и панзинорм, и используются, в первую очередь, для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта. Ферменты применяют для растворения тромбов в кровеносных сосудах, при лечении гнойных ран.

Особое место занимает энзимотерапия при лечении онкологических заболеваний. Такие ферменты как амилаза расщепляют крахмал и поэтому широко используются в пищевой промышленности. В пищевой и легкой для изготовления сыров, чая, табака, обработка кожи, виноделии, пивоварении, выпечки хлеба.

Ферменты амилазы используются в хлебопечении, виноделии и пивоварении. Протеазы используются для смягчения мяса и при изготовлении готовых каш. Липазы используются в производстве сыра. Они широко используются в бытовой химии. Например, в стиральные порошки добавляют амилазу, которая расщепляет крахмал, протеазы, расщепляющие белки или белковые загрязнения, и липазы, очищающие ткани от жира и масла. Как правило, в состав стирального порошка входит комбинация этих ферментов, то есть ферментные препараты усиливают действие друг друга. Сегодня наиболее изученными ферментами являются протеазы и амилазы. Липазы не всегда стабильны по качеству. Их разработкой занимаются только 10 лет, а амилаза и протеаза существуют на рынке уже более полувека. Сегодня эти две категории ферментов очень хорошо изучены и дают прекрасные результаты, чего пока что нельзя сказать о липазах. Липазы полностью справляются с загрязнениями только после двух-трех стирок, а протеазы и амилазы – за одну. Ученые подсчитали, что добавление ферментов в стиральные порошки на 30-35% увеличивает моющую способность данного порошка.

Круговая диаграмма 2.1

Использование ферментов

2.3. Энзимопатология

Энзимопатология – область энзимологии, которая изучает связь между болезнью и недостаточным синтезом, или отсутствием синтеза какого-либо фермента.

Например, причиной наследственного заболевания – фенилкетонурии, которое сопровождается расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение фенилаланина в тирозин.

В результате в организме накапливаются токсические вещества. Новорожденный ребенок выглядит здоровым, а первые симптомы фенилкетонурии проявляются в возрасте от двух до шести месяцев. Это выраженная вялость, отсутствие интереса к окружающему миру, повышенная раздражительность, а также беспокойство и рвота.

Во втором полугодии жизни у ребенка выражено отставание в психическом развитии. Менее чем в 10% случаев – это слабая степень олигофрении, а у 60% развивается идиотия. При своевременной диагностике патологических изменений можно избежать, если с момента рождения до наступления полового созревания ограничить поступление фенилаланина с пищей.

РАЗДЕЛ III

Практическая часть

Проведение опытов

Опыт 1.

Определение фермента уреазы в различных растительных объектах

Цель работы: Определить наличие фермента уреазы в различных растительных объектах.

Оборудование и реактивы: Фарфоровая ступка и пестик, мерный цилиндр, пробирки (2 шт.); вода дистиллированная, мочевина (1%-й раствор), фенолфталеин (0,1%-й спиртовой раствор), соевые бобы, семена дыни, семена огурцов, семена кабачков, семена арбуза.

Ход работы

1) Разотрите в ступке очищенные от кожуры семечки (бобы или муку) с 5 мл воды до получения однородной суспензии.

2) Перелейте полученную суспензию в пробирку.

3) В пробирку налейте 5 мл раствора мочевины.

4) Добавьте 2–3 капли спиртового раствора фенолфталеина.

5) Содержимое пробирок перемешайте и оставьте при комнатной температуре на 15–20 мин.

6) Отметьте происходящие изменения.

Результаты. Занесите результаты эксперимента в таблицу.

Таблица3.1

Выводы. Данным методом фермент был обнаружен только в арбузных семечках. Розовое окрашивание свидетельствует о том, что прошла реакция гидролиза мочевины, следовательно, содержится уреаза. Уреаза сохраняет свою активную функцию только при комнатной температуре, при нагревании белок сворачивается – денатурируется – и реакция не идет, при охлаждении его активность замедляется. Такими методами, с помощью фермента уреазы, можно определить мочевину в крови и моче человека.

Рис.3.1 Растираем в ступке очищенные от кожуры семечки

Рис.3.2 Добавление фенолфталеина

Рис.3.3 Результаты опыта

Опыт 2.

Роль ферментов в биохимических реакциях.

Цель: выявить каталитическую активность ферментов в живых тканях; показать высокую специфичность, а также наивысшую активность натуральных и повреждённых кипячением тканей; сформировать знания о роли ферментов в клетках.

Оборудование и материалы: микроскоп, микропрепараты клеток листа элодеи (живые), предметные и покровные стекла; гидроген пероксид, кусочки сырого и вареного картофеля, мяса; штатив с пробирками; дистиллированная вода, 0,2%-й раствор хлоридной кислоты, пробирки, пипетки.

Ход работы

1.Приготовьте микропрепараты клеток листа элодеи канадской.

2.С другой стороны, приложите фильтровальную бумагу так, чтобы раствор попал под стекло.

3.Объясните наблюдаемое явление.

4.В пробирках положите по маленькому (величиной с горошину) кусочку сырого и вареного картофеля, мяса (легких, печени) .

5.В каждую пробирку пипеткой добавьте по 8-10 капель раствора гидроген пероксидаза.

6.Наблюдения запишите в таблицу.

Таблица 3.2

Вывод. В этом опыте мы наблюдали действие фермента каталаза. Каталаза катализирует реакцию расщепления гидроген пероксида с образованием молекулярного кислорода и воды:

2H₂O=2H₂O+O₂

Соединение гидроген пероксида образуется в некоторых растительных и животных клетках в качестве побочного продукта обмена веществ. Соединение — это токсично для клеток, так как обладает высокой окислительной способностью. Каталаза обеспечивает эффективное удаление пероксида, что мы и наблюдали в процессе опыта. Локализуется каталаза в особых органоидах клетки пероксисомах и микротельцах.

Рис.3.4 Подготовка микропрепаратов

Рис.3.5 Подготовка к опыту №2

Рис.3.6 Микропрепарат клеток листа под микроскопом

Рис.3.7Действие фермента каталазы, выделение пузырьков

Опыт 3.

Определение диастазного числа мёда по наличию фермента амилаза.

Цель: Определение по диастазному числу натуральности и зрелости мёда.

Оборудование и материалы: стеклянный сосуд, колба, пробирка, водяная баня, 10% разбавленный мёд, 0,5 чайная ложка воды, кристаллы поваренной соли, щепотка крахмала, капля йода.

Ход работы

1. Налить в стеклянный сосуд, колбу 0,5 чайной ложки 10% разбавленного мёда.

2. Добавить 0,5 чайной ложки воды и пару кристаллов поваренной соли.

3. Щепотку крахмала растворить в воде, 0,5 чайной ложки раствора добавить к предыдущим компонентам.

4. Закрыть горлышко сосуда пробкой и прогреть на водяной бане 60 минут при умеренной температуре.

5. Остудить и добавить каплю йода.

Вывод: Раствор окрасился в слабый желтый цвет, хотя может быть и бесцветным-это означает, что по шкале Готе диастазное число в пределах 11. Это хороший показатель и такой продукт можно длительно хранить.

Рис.3.8 Паровая баня

Рис.3.9 Оборудование и материалы

Рис.3.10 Полученный результат

Заключение

Меня очень заинтересовала эта тема, было интересно узнать о значении и использовании ферментов, особо интересными оказались опыты.

Работая над работой «Изучение значения и свойств ферментов», я поняла, что ферменты биологические катализаторы, которые облегчают протекание химической реакции и за счет этого увеличивается скорость химических реакций. Без ферментов все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно и не могли бы поддерживать его жизнеспособность.

Нехватка важных для организма энзимов приводит к тому, что попавшая в желудок пища попросту не успевает перевариться. А это нарушение пищеварения грозит проблемами с желудком, а затем и заболеваниями поджелудочной железы, печени или желчного пузыря. Распространенным последствием недостатка ферментов является ожирение.

Первыми признаками нехватки этих важных для пищеварения элементов становятся: изжога, отрыжка, газы и метеоризм. Проблемы с ферментами можно определить и по внешнему виду человека: его кожа теряет прежний здоровый цвет и становится серой, волосы тускнеют и становятся ломкими, а ногтевые пластины начинают слоиться. В процессе работы я выяснила, что в случаях, когда обычной пищи не хватает для обеспечения организма энзимами, на помощь приходят медикаменты, содержащие ферменты для пищеварения. При необходимости, врачи могут порекомендовать прием следующих средств: Фестал, Мезим-форте, Панкреатин, Гордокс, Холензим, Креон и другие. Кроме того, фармакология выпускает средства с энзимами растительного происхождения – Бромелайн и Папаин, которые получают из ананаса и папайи.

Очень интересной и познавательной оказалась информация об истории изучения ферментов. Оказалось, что ферменты имеют широкое применение. Ферменты используются в различных областях человеческой деятельности. Они широко используются в пищевой промышленности, в медицине, в косметике и бытовой химии. Например, в стиральные порошки добавляют амилазу, которая расщепляет крахмал, протеазы, расщепляющие белки или белковые загрязнения, и липазы, очищающие ткани от жира и масла. Благодаря опытам мы смогли определить фермент уреазу в различных растительных объектах, изучить белковую природу ферментов, выяснить роль ферментов в биохимических реакциях. Ферменты играют большую роль в жизни человека. Они также могут быть использованы для определения загрязнения. Например, при помощи уреазы можно определить уровень тяжелых металлов в почве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гусева К.Е., Проскурина И.К. Разработка химического эксперимента с экологическим содержанием. Химия в школе, 2002, № 10;

2. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х томах. Том 1. — Москва: Мир, 1985.

3.Кульберг Л.М. Синтезы органических реактивов для неорганического анализа. М.: ГОНТИ, 1947;

4.Шеховцева Т.Н. Ферменты: их использование в химическом анализе. Соросовский образовательный журнал, 2000, т. 6, № 1, с. 44–48.

5.Электронный ресурс: https://ru.wikipedia.