XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Уреаза
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Химические реакции, протекающие в организме человека и животных, ускоряются при помощи катализаторов белковой природы – ферментов. Одним из представителей является фермент уреаза, который содержится в семечках некоторых растений [1], а также её выделяют некоторые бактерии.
Цель работы: исследовать особенности работы фермента уреазы.
Задачи работы:
Изучить литературные данные по ферментам и уреазе в частности.
Выделить уреазу из семечек арбуза.
Рассмотреть влияние уреазы в реакции разложения мочевины.
Проверить устойчивость уреазы к нагреванию.
Исследовать субстратную специфичность уреазы.
Актуальность: большинство реакций в организме животных, а также процессы, протекающие в растительных клетках, катализируются ферментами, которых насчитывается великое множество. Изучение особенностей работы ферментов на примере уреазы.
Обзор литературных данных
Ферменты – катализаторы белковой природы. Настоящее время их насчитывается несколько тысяч. Показано, что одна клетка живого организма может содержать до тысячи ферментов, которые катализируют биологические процессы [3].
Наука, изучающая ферменты - энзимология, входит в состав биохимии.
Отличие ферментов от неорганических катализаторов
Для неорганических катализаторов и ферментов выделяют ряд общих свойств:
– катализируют только те реакции, которые энергетически возможны;
– не смещают равновесие химической системы, а лишь ускоряют его достижение;
– не расходуются в процессе химической реакции;
– не входят в состав продуктов реакции.
Также выделяют ряд различий, которые выделяют ферменты в отдельную группу:
– по химическому строению все ферменты являются белками;
–по эффективности ферменты выше, чем небиологические катализаторы);
–более «мягкие» условия «работы» для ферментов в отличие от катализаторов неорганической природы (при атмосферном давлении, при температуре соответствующей внутренней среде организме 30–40°С, при значении рН среды близком к нейтральному или характерному для данного органа или ткани, например, ферменты желудка);
– ферменты высоко специфичны по отношению к субстрату (каждый фермент может катализировать единственную реакцию либо группу реакций определенного типа);
–активность ферментов можно регулировать в отличие от катализаторов иной природы (это уникальное свойство, характерное для ферментов изменяет скорость превращения веществ в организме в зависимости от условий среды, т. е. способствует приспособлению к действию различных факторов);
–процесс работы ферментов можно представить в виде цепочки простых химических реакций, где вещества взаимопревращаются, и это четко запрограммированно во времени и в пространстве.
Строение ферментов
Если добавочная группа прочно связана с белковой частью и не существует самостоятельно, то она носит название простетической группу [5].
Если добавочная группа связана с белковой частью не прочно и может существовать обособленно, то она носит название кофермента.
Рисунок 1. Строение фермента.
Теория Фишера
Специфичность – это основное свойство ферментов, которое характеризует его избирательность по отношению к субстрату (или субстратам). Специфичность ферментов можно объяснить тем, что субстрат подходит к активному центру как «ключ к замку». Именно к этому заключению пришел Э. Фишер в 1894 г [4] (рис. 2).
Рисунок 2. Теория Фишера.
Классификация ферментов
Выделяют 6 классов ферментов [3]:
Оксидоредуктазы
Трансферазы
Гидролазы
Лиазы
Изомеразы
Лигазы (синтетазы)
Фермент уреаза
Систематическое название: уреоамидогидролаза, шифр КФ 3.5.3.1; карбамид-аминогидролаза [1].
Фермент получил свой название от латинского наименования субстрата: «уреа» - мочевина (устаревшее название «карбамид»). Уреаза катализирует реакцию распада мочевины с образованием углекислого газа и аммиака:
Данный фермент участвует в круговороте азота (рис. 3).
Рисунок 3. Круговорот азота в природе.
В состав молекулы фермента входят 2 атома никеля. Уреаза включает в себя 840 аминокислот, в активном центре содержатся остатки лизина, гистидина, аспарагиновой кислоты (рис. 4).
Рисунок 4. Активный центр уреазы.
Материалы и методы
Материалы:
Семечки арбуза,
Мочевина,
Тиомочевина,
Фенолфталеин,
Дистиллированная вода
Рисунок 5. Реактивы и оборудование, использованное в работе
Методика выполнения работы.
Предварительно очищают арбузные семечки от внешнего слоя кожуры (рис. 6).
Рисунок 6. Очищенные семечки и полученный гомогенат.
К смеси добавляют по каплям 1% спиртовой раствор фенолфталеина для определения реакции среды.
Другую пробирку с гомогенатом из арбузных семечек нагревают на спиртовке (рис. 7).
Рисунок 7. Нагревание пробирки с гомогенатом.
В три пробирки (рис. 8) наливают по 1мл гомогената. Первую ставят в холодильник на полчаса, вторую нагревали на водяной бане (рис. 9) в течение 15 минут (температура 60оС), третью оставили при комнатной температуре (температура 22оС).
Рисунок 8. 3 пробирки с гомогенатом.
Рисунок 9. Нагревание пробирки на водяной бане.
В пробирку наливают гомогенат из арбузных семечек и на кончике шпателя вносят пару кристаллов тиомочевины (рис. 10).
Рисунок 10. Мочевина и тиомочевина.
Результаты
Рисунок 11. Пробирки с уреазой, мочевиной и фенолфталеином:
1 – после охлаждения
2 – при комнатной температуре
3 – после нагревания на водяной бане
Рисунок 12. Результат эксперимента:
1 – уреаза+мочевина+фенолфталеин
2 – уреаза (после нагревания) +мочевина+фенолфталеин
3 – уреаза+тиомочевина+фенолфталеин
Выводы
В результате проделанной работы мы пришли к следующим выводам:
В семечках арбуза содержится фермент уреаза, которая катализирует реакцию разложения мочевины с образованием аммиака и углекислого газа.
При кипячении уреаза разлагается, так как устойчива в небольшом диапазоне температур.
Охлаждение или небольшое нагревание влияет на протекание скорости реакции разложения мочевины в присутствии уреазы.
Уреаза является узкоспецифичным ферментом и катализирует только реакцию разложения мочевины.
Заключение
В нашей работе мы показали особенности работы данного фермента, такие как устойчивость в небольшом диапазоне температур, разложение при кипячении и узкую специфичность по отношению к субстрату, так как уреаза не способна катализировать реакцию разложения тиомочевины, которая отличается от мочевины заменой атома кислорода на серу.
Список использованной литературы
Гиззатова Г.Л. Уреаза - ключевой фермент биодеградации мочевины / Г.Л. Гиззатова, Т.А. Шипаева // Международный научно-исследовательский журнал.- 2016. - №3 (45). - URL: https://research-journal.org/archive/3-45-2016-march/ureaza-klyuchevoj-ferment-biodegradacii-mocheviny (дата обращения: 16.02.2023). - doi: 10.18454/IRJ.2016.45.175
Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
Дженкс В. Катализ в химии и энзимологии. М.: Наука, С. 45-73.
Самнер Дж. Б. Химия ферментов и методы их исследований. М.: Химия, 1948.С. 78-109.
Попова Т.Н., Рахманова Т.П., Попов С.С. Медицинская энзимология: Учебное пособие. — Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2008. — 64 с.
https://research-journal.org/archive/3-45-2016-march/ureaza-klyuchevoj-ferment-biodegradacii-mocheviny
Приложение