Ферменты-катализаторы жизни

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Курилова А.А. 1

---

1гимназия №33 города Костромы, 11

Антонова А.А. 1

---

1гимназия №33 города Костромы

Работа в формате PDF

907.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Все ферменты по своей химической природе являются белками. Многие факторы могут вызвать изменение их строения и, тем самым, свести их функциональную значимость к нулю. Прекращение одного химического процесса по цепочке нарушает работу всего органа, системы и жизнедеятельности всего организма. Неблагоприятная экология, вредные привычки, неправильное питание являются мощным фактором на ферментативную систему.

Мною было проведено социальное исследование (приложения 1). Я узнала, что все опрошенные знают о влиянии на здоровье витаминов и стараются включать их в свой пищевой. А вот о роли ферментов слышали только 2 человека. Вы можете иметь все — белки, жиры, углеводы, минералы, витамины, но без рабочих ферментов ваш организм не сможет начать процесс обновления, восстановления, очищения, созидания.

Я решила провести эксперимент и выяснить, какое влияние оказывают ферменты на здоровье человека.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что ввиду неосведомлённости многие люди не совсем правильно оценивают роль ферментов в укреплении и сохранении здоровья.

Цель: выявить значение пищеварительных ферментов для процесса пищеварения путем исследования их биохимических свойств

Задачи:

1.Расширить знания о ферментах, их влиянии на организм человека;

2.Экспериментальным путём доказать, что ферменты – это биологические катализаторы;

3.Изучить влияние различных внешних факторов на активность ферментов;

4.Установить влияние на активность амилазы никотина, спирта и антибиотиков;

Научная гипотеза:

- ферменты, являясь катализаторами, положительно влияют на пищеварение.

- ферментативная система человека подвергается изменениям под действием факторов таких веществ, как никотин, антибиотики, этиловый спирт.

Теоретическая часть

Раздел 1. Ферменты в живых организмах

1.1. История открытия ферментов

Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы.

В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. Василий Валентин (первая половина XVI века) и Андрей Либавий (1550-1616 гг.) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким нематериальным силам. Голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 гг.) охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о ферментациях произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы.

Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К.С.Кирхгофа. В 1836 г. Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 г., А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 г.) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 г. был удостоен Нобелевской премии по химии.

1.2. Природа ферментов

Ферменты (или энзимы) – это катализаторы белковой природы, ускоряющие протекание химических реакций. Это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов.

Чем же эти вещества отличаются от неорганических катализаторов? Во-первых, ферментативные реакции протекают исключительно в физиологических условиях, т.к. требуются чёткие значения температуры, давления и кислотности среды. Например, фермент желудочного сока пепсин способен функционировать только в кислой среде и при 37⁰С. Абсолютно все ферменты являются органическими веществами – белками и соответственно скорость их действия гораздо выше, чем у неорганических катализаторов.

1.3. Классификация ферментов

В настоящее время известно более 3700 ферментов, различающихся по реакциям, которые они катализируют. В 1961 Международный биохимический союз принял единую классификацию ферментов. В соответствии с типом катализируемой реакции ферменты делят на 6 групп:

1.Оксидоредуктазы- ускоряют окислительно-восстановительные реакции (дегидрогеназа, редуктаза, оксидаза, каталаза)

2. Трансферазы- ускоряют процессы переноса групп и молекулярных остатков. Участвуют в реакциях взаимопревращения различных веществ, обезвреживания природных и чужеродных соединений (Гексокиназа, фосфофруктокиназа.)

3. Гидролазы- разрыв внутримолекулярных связей в субстрате путём присоединения молекул воды (Пепсин, трипсин, амилаза).

4. Лиазы-катализируют разрыв С-С, С-О, C-N и других связей, а также обратимые реакции. Отщепления различных групп негидролитическим путём (Декарбоксилазы карбоновых кислот.).

5. Изомеразы- ускоряют процессы внутримолекулярных превращений (перенос атомов водорода, фосфатных групп и ацильных групп, изменение пространственного расположения атомных группировок, перемещение двойных связей и т.п.) (Рацемаза)

6. Лигазы- катализируют присоединение друг к другу двух молекул с использованием молекул АТФ. Лигазам, катализирующим синтез связей С-О, принадлежит важнейшая роль в биосинтезе белков (L-глутамат).

1.4. Ферменты пищеварительной системы человека

Пищеварительные энзимы бывают нескольких типов. В человеческом организме разные виды ферментов содержатся на разных участках пищеварительного тракта.

Ротовая полость. На этом этапе на пищу воздействует альфа-амилаза. Она расщепляет углеводы, крахмалы, которые содержатся в картофеле, фруктах, овощах и других продуктах питания.

Желудок. Здесь пепсин расщепляет белки до состояния пептидов, а желатиназа – желатин и коллаген, содержащиеся в мясе.

Поджелудочна железа. На этом этапе «работают»: трипсин (расщепление белков); альфа-химотрипсин (усвоение протеинов); эластазы (расщепляют некоторые виды белков); нуклеазы (помогают расщеплять нуклеиновые кислоты); стеапсин (усвоению жирной пищи); амилаза (усвоение крахмалов); липаза (расщепляет жиры).

Тонкая кишка. Над пищевыми частицами «работают»: пептидазы (расщепляют пептидные соединения к уровню аминокислот); сахараза (помогает усваивать сложные сахара и крахмалы); мальтаза (расщепляет дисахариды к состоянию моносахаридов); лактаза (расщепляет); липаза (способствует усвоению триглицеридов, жирных кислот); эрепсин (воздействует на протеины); изомальтаза («работает» с мальтозой и изомальтозой).

Толстая кишка. Здесь функции ферментов выполняют: кишечная палочка (за переваривание лактозы); лактобактерии (влияют на лактозу и некоторые другие углеводы.

И множество других ферментов, ускоряющие химические реакции.

1.5. Строение ферментов

По строению ферменты бывают простыми и сложными. В первом случае фермент представлен простым белком, а во втором случае в составе фермента обнаруживается дополнительная группа небелковой природы – кофермент (лабильно связан с белковой частью) или простетическая группа (прочно связана с белком). Примерами простых пищеварительных ферментов являются трипсин и химотрипсин. К сложным ферментам относятся уреаза, каталаза и многие другие.

В простых ферментах биокаталитическую функцию выполняет часть белковой молекулы, получившая название активного центра. Последний представляет собой уникальное сочетание определённых аминокислотных радикалов. Чаще всего в активных центрах ферментов встречаются остатки серина, гистидина, триптофана, аргинина, цистеина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты и тирозина. Аминокислотные остатки, образующие активный центр фермента, расположены в разных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру.

Следовательно, изменение третичной структуры белка-фермента под влиянием тех или иных факторов может привезти к деформации активного центра и существенным образом повлиять на его каталитическую активность.

Раздел 2. Принципы работы и факторы активности ферментов

2.1. Механизм действия

У ферментов имеется свой механизм действия. Его можно разделить на три фазы. На первой фазе ферментативного катализа между субстратом (или субстратами) и ферментом возникает соединение, в котором первые и вторые связаны друг с другом ковалентной или иного типа связью. На второй фазе субстрат под действием присоединенного к нему фермента претерпевает изменение, делающее его более доступным для соответствующей химической реакции. На третьей фазе происходит сама химическая реакция (на поверхности фермента), и, наконец, образовавшиеся продукты реакции освобождаются из ферментов продуктного комплекса.

2.2. Факторы активности ферментов

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы.

Термолабильность ферментов объясняется тем, что температура приводит при слишком высоких значениях к денатурации белка и снижению католических функции, а также оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-субстратного комплекса.

Энзимы действуют при определенной температуре. До некоторого значения температуры каталитическая активность растет, причем на каждые 10^оС примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. При температуре выше 50^оС денатурация ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством превращенного субстрата, падает.

Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем, для ферментов животного происхождения он лежит между 40^о и 50^оС, а растительного – между 50  и 60^оС. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом (папаин).

Зависимость активности фермента от значения pH среды. Для каждого фермента существует оптимальное значение pH среды, при котором он проявляет максимальную активность.

Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне pH среды поблизости от нейтральной точки. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты (пепсин наиболее активен в сильнокислой среде, трипсин имеет оптимум действия в слабощелочной среде, папаин оптимально действует в слабокислой среде).

Переход к большей или меньшей (по сравнению с оптимальной) концентрации водородных ионов сопровождается более или менее равномерным падением активности фермента.

Специфичность – одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. Иногда фермент способен действовать только на один единственный субстрат. Тогда говорят, что он обладает абсолютной специфичностью. Значительно чаще фермент влияет на группу субстратов, имеющих сходное строение. Такую специфичность называют групповой.

Влияние ингибиторов и активаторов. К числу активаторов, повышающих активность ферментов, относятся ионы многих металлов и немногочисленная группа анионов. Особенно часто в качестве активаторов выступают ионы цинка, магния, марганца, калия, кобальта, а из анионов – хлора.

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Механизм ингибирующего действия разнообразен, но в большинстве случаев сводится к двум типам торможения: конкурентному и неконкурентному. При конкурентном торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурируя с ним. Так как часть фермента расходуется на образование комплекса фермент – ингибитор, количество образующегося ферментно-субстратного комплекса снижается.

2.3. Значение ферментов

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. В ядре 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.

Благодаря действию фермента организм запасается железом, кровь свертывается при кровотечениях, мочевая кислота превращается в мочу, удаляется окись углерода из лёгких, ферменты помогают печени, почкам, лёгким, прямой кишке выводить из организма продукты жизнедеятельности и токсины.

2.4. Недостаток фермента-угроза жизни

Согласно статистике, дефицитом тех или иных ферментов страдают около 20% людей. В результате недостаточности определенных пищеварительных ферментов некоторая пища в кишечнике не расщепляется до уровня средних и мелких молекул. Большие частички пищи, находясь в просвете тонкого кишечника, подвергаются гниению и брожению за счет микроорганизмов. Продукты гниения и брожения оказывают повреждающее действие на клетки кишечника, а всасываясь в кровь, вызывают общую интоксикацию организма и ослабляют иммунную систему. Это проявляется в повышенной утомляемости, слабости, нарушении обмена веществ, раздражительности, головных болях, бледности, бессоннице.

Известно, что раковые клетки защищены белковой оболочкой, которая мешает иммунной системе их распознать. Удалить эту оболочку могут только ферменты. Вот почему онкологическим больным в их диете ограничивают мясо или исключают его вовсе: этим самым сберегают ферменты, уходящие на расщепление мяса, дают им возможность участвовать в разоблачении раковых клеток.

III Практическая часть

Лабораторный опыт 1 «Открытие фермента каталазы»

Цель. Доказать присутствие ферментов в животных и растительных клетках.

Оборудование: морковь сырая и варёная, печень сырая и варёная, картофель сырой и варёный, сахарный песок, перекись водорода Н₂О_2, стеклянные стаканчики – 7 шт.

Ход работы. Прилейте по 2 мл Н₂О₂ в семь стеклянных стаканов с сырой морковью, вареной морковью, сырой печенью, вареной печенью, сырым картофелем, вареным картофелем, сахаром песком.

Фото 1. Эксперимент с морковью Фото 2. Эксперимент с печенью

Таблица 1 – Результаты опыта

Объяснение результатов опытов: Фермент каталаза катализирует расщепление пероксида водорода с образованием молекул воды и кислорода: 2 Н₂О₂= 2 Н₂О + О₂ . Расщепляя Н₂О₂, каталаза играет защитную роль. Она обезвреживает ядовитое вещество (пероксид водорода), которое непрерывно образуется в клетке в процессе жизнедеятельности.

Вывод: В тканях и клетках живых организмов присутствуют специальные белки, выполняющие роль биологических катализаторов – ферментов.

В тканях и клетках, подвергнутых термической обработке, белки денатурировали, разрушилась их структура.

Лабораторный опыт 2 «Зависимость активности каталазы от температуры»

Цель. Определить активность каталазыпри различных температурах.

Оборудование: картофельный сок, перекись водорода Н₂О_2, пробирки.

Ход работы:

1.Налила в три пробирки по 5мл Н₂О₂ и 1 мл картофельного сока, содержащего каталазу и поместила эти пробирки в водяные бани с температурой 20⁰С,40⁰С и 80⁰С.

3. Наблюдала за временем и интенсивностью протекания реакции. Окончание реакции – прекращение выделения пузырьков газа.

Таблица 2 – Результаты опыта

Вывод: мы здесь наблюдаем повышение скорости реакции с повышением температуры (пробирка№1, №2), но это возможно здесь лишь до определенного предела. С повышением температуры выше 40⁰ С начинается замедление реакции. Это связано с белковой природой фермента (с повышение температуры начинается процесс денатурации).

Лабораторный опыт 3 «Влияние концентрации слюны на активность фермента амилазы» (по Вольгемуту).

Цель. Определить активность амилазыот концентрации субстрата

Оборудование: водяная баня, пробирки (6 шт.), пипетка, раствор крахмала, раствор йода, раствор слюны, вода.

Ход работы:

Взяли 6 пробирок. В каждую добавили по 1 мл воды. В первую пробирку добавили 1 мл р-ра слюны. Перемешали и 1 мл данной смеси перевели во 2-ую пробирку и так до последней, а из 6-ой вылили 1 мл смеси. Во все 6 пробирок наливаем по 1 мл воды и по 2 мл 1% раствора крахмала, перемешали и встряхнули. Поместили в водяную баню (t^о 37) на 30 минут. После охладили холодной водой, добавили по 1 капле 0,125% раствора йода и перемешали.

Фото 3. Результаты эксперимента

Результаты наблюдений:

Таблица 3 – Результаты опыта

Вывод: в пробирке, где концентрация воды значительно больше, чем концентрация слюны, расщепление крахмала под действием амилазы идёт очень медленно.

Лабораторный опыт 4 «Влияние никотина на активность фермента амилазы»

Цель: доказательство вредного влияния курения на организм человека через изменение свойств слюны курильщика.

Оборудование: пробирки (2шт), пипетка, водяная баня, 1% р-р крахмала, 0,125 % р-р йода, р-ры слюны курящего и не курящего человека.

Ход работы:

В обе пробирки добавляем по 2 мл 1% р-ра крахмала и по 2 капли 0,125% р-ра йода, встряхиваем и помещаем в водяную баню на 10 мин (t⁰ 37). В первую пробирку добавляем 2 мл р-ра слюны некурящего человека. Во вторую столько же мл р-ра слюны курящего человека.

2

1

Фото 4. Результаты эксперимента

Результаты: в пробирке №1, содержащих слюну (не подвергавшуюся воздействию табачного дыма) синяя окраска растворов быстро исчезает. В пробирке №2, содержащих слюну, обработанную табачным дымом, обесцвечивание раствора происходит медленно, синяя окраска не исчезает, лишь светлеет незначительно

Вывод: Синий цвет во второй пробирке, говорит нам о том, что расщепление крахмала не произошло, а это значит, что никотин угнетающе воздействует на активность амилазы.

Лабораторный опыт 5 «Влияние антибиотиков на активность амилазы»

Цель: доказать угнетающее влияние антибиотиков на активность амилазы.

Оборудование: пробирки (2шт), пипетка, 1% р-р крахмала, 0,125% р-р йода, р-р слюны, антибиотик «Хемомицин».

Ход работы:

В обе пробирки добавляем по 2 мл 1% р-ра крахмала, по 2 капли 0,125% р-ра йода и по 2 мл р-ра слюны. В одну пробирку добавляем 1 каплю антибиотика. В другую пробирку добавляем 1 каплю воды. Встряхиваем.

2

1

2

1

Фото 5 и 6. Результаты эксперимента

Результаты: в пробирке, где есть антибиотик, остаётся синий цвет (пробирка №2), в пробирке (№1), где вместо антибиотика вода, окраска раствора постепенно светлеет.

Вывод: Синий цвет говорит нам о том, что антибиотик угнетающе повлиял на активность амилазы и помешал ей расщепить крахмал.

Лабораторный опыт 6 «Выявление влияния алкоголя на активность ферментов слюны»

Цель: выявить влияние алкоголя на активность амилазы.

Оборудование: штатив с тремя пробирками, стаканы химические, цилиндр мерный, пипетки, термометр лабораторный, спиртовка, жидкий крахмальный клейстер, пробирка со слюной, разведённой 1: 1, слабый раствор йода, горячая и холодная вода.

Ход работы:

1.В пробирку поместила раствор слюны и налила определенное количество крахмального клейстера, а после добавила раствора йода. Раствор стал слабоокрашенным.

2.Во вторую пробирку поместил раствор слюны и прилила к нему раствор этилового спирта. Затем хорошо перемешала, нагрела и прилила крахмальный клейстер. В эту же пробирку добавила несколько капель раствора йода. Раствор сразу же окрашивается.

2

1

Фото 7. Результаты эксперимента

Результаты: реакция йода на крахмальный клейстер является качественной реакцией на углеводы. В первой пробирке №1 раствор был окрашен слабо, что доказывает, что ферменты слюны расщепляют углеводы.

Вывод: Синий цвет в пробирке № 3 доказывает, что этиловый спирт понижает активность амилазы слюны.

Выводы

В результате исследования гипотеза о том, что ферменты, являясь катализаторами, положительно влияют на пищеварение человека подтвердилась.

Гипотеза о том, что различные вещества (никотин, антибиотики, этиловый спирт) угнетающе влияют на активность ферментов, так же подтвердилась.

В ходе этой работы было изучено достаточное количество литературы по данной проблеме; выбрана и освоена методика определения активности ферментов каталазы и амилазы. Выявлено значение пищеварительных ферментов для процесса пищеварения путем исследования их биохимических свойств. В работе ставились определенные задачи, которые выполнены в полной мере.

На основе экспериментов можно сделать следующие выводы:

1.Подтверждением того, что ферменты имеют белковую природу, служит отсутствие «вскипания» на поверхности вареных овощей и печени, так как при варке под влиянием высокой температуры происходит денатурация белков и ферменты, как и другие белки, теряют свою активность.

2.На примере амилазы и каталазы были рассмотрены разнообразные свойства ферментов.

3.Никотин, этиловый спирт и антибиотики снижают активность фермента амилазы.

Заключение

Ферменты постоянно работают в организме: без них не совершается ни один процесс. Они расщепляют пищу на клеточном уровне, создают из белков мышцы, выделяют из легких углекислый газ, поддерживают работу иммунной системы в ее борьбе с инфекцией, повышают уровень выносливости организма, помогают пищеварительной системе правильно функционировать. Только «живая», естественная, натуральная пища богата ферментами, приготовленными из растений, выращенных на органических почвах без всяких химических удобрений.

Полученные знания в ходе исследования убедили меня в этом, а значимость таких знаний для человека огромна - этозалогом нашего здоровья и долголетия.

Литература и информационные источники

Биологический энциклопедический словарь. Под ред. Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987 г.

Воронин Л. Г., Маш Р.Д. Методика проведения опытов и наблюдений по анатомии, физиологии и гигиене человека: КН. для учителя. – М.: Просвещение, 1983

Внеклассная работа по биологии. Пособиемдля учителей. М., Просвещение, 1974.

Гусева К. Е., Проскурина И. К. Разработка химического эксперимента с экологическим содержанием // Химия в школе. – 2002. №10. – С. 72–74.

Физиология человека: Учебное пособие по факультативному курсу учащихся IX-X кл. / Хрипкова А.Г., Колесов Д.В., Миронов В.С., Шепило И.Н.- 3-е изд. – М.: Просвещение, 1982. – 160с.

Уроки биологии: лабораторная работа. Наличие ферментов в растительных клетках. [Электронный ресурс]. URLhttp://369bio.blogspot.ru/2013/11/blog-post_9.html (дата обращения: 13.01.2022)

Краткая история открытия и изучения ферментов [Электронный ресурс]. URL: http://www.studfiles.ru/preview/5615017/ (дата обращения: 05.12.2021)

Ферменты пищеварительные: функции, действие и состав препаратов [Электронный ресурс]. URL: http://herbhelp.ru/fermenty/ (дата обращения: 05.12.2021)

Медицинский портал: все о здоровье человека, клиники, болезни, врачи. MedPortal.md Ферменты. [Электронный ресурс]. URL: http://medportal.md/detail_news.php?detail_news=612&id=612(дата обращения: 05.12.2021)

Приложение 1

Результаты анкетирования

В анкетирование принимало участие 50 человек в возрасте от 12 до 59 лет.

Результат оказался следующим: 100% опрошенных знают о том, что правильное питание – залог здоровья (1), но вот придерживаются правильного питания всего лишь 32% (2).

68% (3) готовят и едят традиционные блюда – супы, жаренный картофель, котлеты, колбасы, макароны. Все анкетируемые ежедневно употребляют овощи и фрукты (4), но только 40% (5) едят овощи в сыром виде. Все (6) знают о влиянии на здоровье витаминов и стараются включать в пищевой рацион продукты, содержащие витамины. А вот о роли ферментов слышали только 2 человека (7).

Рисунок 3 – Результаты анкетирования