Лабораторна робота №3 тема: загальні властивості ферментів

МЕТА: Закріпити знання про ферменти. Ознайомитися зі специфічністю дії ферментів, впливу температури, рН, активаторів та інгібіторів на активність ферментів.

Теоретична частина

Ферменти (ензими) – це біологічні каталізатори білкової природи, які синтезуються в живих клітинах і здатні прискорювати хімічні процеси в організмі.

Усі ферменти – білки. Біосинтез молекул ферментів відбувається в кожній клітині, тканині, органі і складається з тих самих етапів, що й біосинтез інших білків.

Ферментами можуть бути прості й складні білки. До ферментів-протеїнів належать переважно ферменти травного каналу. Більшість тканинних ферментів належать до складних – протеїдів. Ферменти-складні білки містять поліпептидні ланцюги (апофермент або білкова частина) і небілкову частину – простетичну групу або кофермент. Якщо при виділенні ферментів зв’язки між поліпептидними ланцюгами апоферменту і небілковою частиною не порушуються і кофермент не вивільняється, такі ферменти називаються холоферментами (холоензимами), а їхній кофермент – простетичною групою. Отже, простетична група – це невідємна частина молекули ферменту. Небілкова група, яка легко відділяється від апоферменту при дисоціації, називається коферментом. Деякі коферменти містять вітаміни В₁, В₂, В₃, В₅, В₆.

Деякі ферменти спочатку перебувають в неактивному стані і тільки після дії активаторів набувають активності.

Біосинтез ферментів в організмі відбувається безперервно. Окремі органи синтезують значну частину ферментів, які каталізують багато реакцій в організмі. Це, в першу чергу, залози – слинні, кишкові, шлункові, підшлункова тощо.

Для ферментів характерна певна клітинна локалізація. Так, у ядрі зосереджені ферменти, що беруть участь в обміні нуклеїнових кислот; у ядерній мембрані – ферменти, що беруть участь у транспортуванні окремих сполук та енергії; ферменти клітинного дихання розміщені в основному в мітохондріях; лізосоми містять ферменти, що каталізують розщеплення багатьох речовин; в рибосомах локалізуються ферменти біосинтезу білка.

Ферменти мають відносну молекулярну масу від десятків тисяч до кількох мільйонів. Понад 400 ферментів одержано в кристалічному стані. Усі вони амфотерні і мають високу хімічну активність.

Білкова природа ферментів зумовлює їх властивості: розчинність, осадження, здатність до електрофорезу, біологічну активність в певних умовах тощо.

Ферменти як і неорганічні каталізатори мають загальні властивості: підвищують швидкість реакції, в малих концентраціях прискорюють перетворення досить великих кількостей речовин, не порушують рівноваги оборотних реакцій, не спричиняють неможливі за термодинамічними умовами реакції тощо. Проте завдяки білковій природі ферменти мають ряд властивостей, якими вони відрізняються від неорганічних каталізаторів. Насамперед, це висока активність при відносно низькій температурі, нормальному тиску і середніх значеннях рН середовища. Крім того, ферменти відрізняються від неорганічних каталізаторів надзвичайно високою специфічністю, вибірковістю дії. Під час виділення з організму ферменти не втрачають каталітичної активності. На цьому ґрунтується їхнє різноманітне застосування в народному господарстві і медицині.

Ферменти – термолабільні сполуки. При дії високих температур вони денатурують, що призводить спочатку до зменшення, а потім і до припинення каталітичної дії. Температурний оптимум дії більшості ферментів знаходиться в межах 37 – 40˚С. При підвищенні температури середовища від 0 до 25˚С швидкість ферментативної реакції різко зростає, потім повільно збільшується і після 40˚С починає зменшуватися. При температурі 80 – 100˚С ферменти втрачають каталітичну активність, оскільки відбувається денатурація білкової молекули. Зі зниженням температури швидкість ферментативних реакцій поступово зменшується і настає мінімум при 0˚С. Деякі ферменти в сухому стані витримують охолодження до мінус 120 – 190˚С. При поступовому підвищенні температури до оптимальних значень їх активність відновлюється.

Кожний фермент впливає на певний субстрат або групу речовин, які схожі за будовою. Специфічність дії ферментів пояснюється тим, що збігаються просторові конфігурації активного центру ферменту і субстрату, їх хімічною спорідненістю, що забезпечує утворення ферментсубстратного комплексу і здійснення каталітичного процесу. Без специфічності ферментів був би неможливий впорядкований ланцюг реакцій обміну речовин.

Розрізняють групову (абсолютну і відносну) та індивідуальну (абсолютну і стереохімічну) специфічність ферментів. Дія пепсину на білки тваринного, рослинного, мікробного походження є прикладом абсолютної групової специфічності. Абсолютну специфічність проявляє уреаза, яка каталізує гідроліз сечовини до амоніаку і вуглекислого газу. Прикладом стереохімічної специфічності може бути фермент фумаратгідратаза, яка каталізує приєднання води до фумарової кислоти (транс-ізомер), але не впливає на малеїнову кислоту (цис-ізомер).

Речовини, які підвищують активність ферментів, називаються активаторами, а ті, що пригнічують дію ферментів, – інгібіторами або паралізаторами. Нерідко одні й ті ж речовини для одних ферментів є активаторами, а для інших – паралізаторами. Активність ферменту зменшується в міру збільшення концентрації продуктів реакції, каталізованої даним ферментом.

Розрізняють специфічні і неспецифічні активатори й інгібітори. Типовими специфічними активаторами є, наприклад, жовчні кислоти, які активізують ліпази. Багато лікарських речовин є специфічними інгібіторами. Вони з’єднуються з ферментами мікроорганізмів і блокують їх.

До неспецифічних активаторів належать різні неорганічні катіони: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, меншою мірою – аніони: Cl^- та інші. Вплив катіонів на ферменти більш специфічний, ніж аніонів.

До неспецифічних інгібіторів належать ферментні отрути (ціаніди), йони важких металів, алкалоїдні речовини, азиди, сульфіди та ін. Інгібітори взаємодіють з активними центрами молекули ферменту, ін активуючи функціональні групи білків. Високі концентрації інгібіторів руйнують четвертинну і третинну структуру молекули ферменту, викликають її денатурацію.

Властивості ферментів можна вивчати на прикладі дії амілази слини. Амілазу слини виявляють за її дією на крохмаль, який розщеплюється до дисахариду мальтози, а потім – до моносахариду глюкози. Про дію амілази роблять висновок за забарвленням крохмалю з йодом або за появою відновних продуктів гідролізу крохмалю.

Щоб добути розчин амілази для проведення дослідів, рот 2 – 3 рази полощуть кип’яченою водою, потім відміряють циліндром 50 мл дистиляту, набирають дистиляту в рот, витримують 2 – 3 хвилини і збирають рідину у підготовлену посудину. Зібрану рідину фільтрують через вату. Фільтрат і є джерелом амілази.