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.
Сравнение неорганических катализаторов ферментов Признаки сравнения Неорганические катализаторы Ферменты 1.Химическая природа 2.Селективность 3. Оптимум pH 4. Интервалы температуры 5.Изменение структуры kat в ходе реакции 6. Увеличение скорости реакции.
Сравнение неорганических катализаторов ферментов Признаки сравнения Неорганические катализаторы Ферменты 1.Химическая природа Низкомолекулярные вещества, образованные 1 или нескольки- ми элементами. Белки – высокомолекуляр- ные полимеры 2.Селективность Низкая, универсальный kat – Pt ускоряет множ. реакций. Высокая. На каждую р-цию нужен свой фермент. 3. Оптимум pH Сильнокислая или щелочнаяНебольшой интервал, у кажд. органа – свой. 4. Интервалы температуры Очень широкие.35 – 42 градуса, затем денатурируют. 5.Изменение структуры kat в ходе реакции Изменяется незначительно, или не изменяется вовсе. Сильно изменяются и восстанавливаются в исходную структуру по окончании реакции. 6. Увеличение скорости реакции. В 100 – раз От 10 в 8 степени до 10 в 12 степени раз.
Общие: способны к растворению в воде и образованию коллоидных растворов; увеличивают скорость реакции; не расходуются в реакции; амфотерны; их присутствие не влияет на свойства продуктов реакции; характерно протекание цветных реакций; изменяют энергию активации, при которой может произойти реакция; не изменяют сколько-нибудь значительно температуру, при которой происходит реакция; способны к денатурации и гидролизу.
Специфические: Сочетание высочайшей активности с соблюдением строгого ряда условий; Специфичность действия по принципу «ключ – замок» или «рука – перчатка»; Стабильность; Обратимость действия: Е + S ES E + P,где Е – энзим; S – субстрат, P – продукт реакции, ES – фермент-субстратный комплекс.
Роль ферментов в жизнедеятельности организмов: Врожденные нарушения обмена; Взаимопревращения веществ; Биохимическая революция; Превращение энергии; Биосинтез; Фармакология; Ультраструктура мембран; Генетический аппарат; Питание; Клеточный метаболизм; Катализ; Физиологическая регуляция; Бактериальное брожение.
Неорганические катализаторы и ферменты (биокатализаторы), не расходуясь сами, ускоряют течение химических реакций и их энергетические возможности. В присутствии любых катализаторов энергия в химической системе сохраняет постоянство. В процессе катализа направление химической реакции остается неизменным.
Что такое ферменты и неорганические катализаторы
Ферменты
являются биологическими катализаторами. Их основа – белок. Активная часть ферментов содержит неорганическое вещество, к примеру, атомы металлов. При этом каталитическая эффективность металлов, включенных в молекулу фермента, увеличивается в миллионы раз. Примечательно то, что органический и неорганический фрагменты фермента не способны по отдельности проявлять свойства катализатора, тогда как в тандеме являются мощными катализаторами.
Неорганические катализаторы
ускоряют всевозможные химические реакции.
Сравнение ферментов и неорганических катализаторов
В чем разница между ферментами и неорганическими катализаторами? Неорганические катализаторы по своей природе – неорганические вещества, а ферменты – белки. В составе неорганических катализаторов нет белка.
Ферменты по сравнению с неорганическими катализаторами обладают специфичностью действия к субстрату и наиболее высокой эффективностью. Благодаря ферментам реакция протекает быстрее в миллионы раз.
Например, перекись 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.
Ферменты способны работать в ограниченном диапазоне температур (как правило, 370 С). Скорость действия неорганических катализаторов с каждым увеличением температуры на 10 градусов повышается в 2-4 раза. Ферменты подвергаются регуляции (существуют ингибиторы и активаторы ферментов). Неорганическим катализаторам свойственна нерегулируемая работа.
Для ферментов характерна конформационная лабильность (их структура подвергается незначительным изменениям, образующимся в процессе разрыва старых связей и образования новых связей, прочность которых слабее). Реакции с участием ферментов протекают лишь в физиологических условиях. Ферменты способны работать внутри организма, его тканей и клеток, где создаются необходимый температурный режим, давление и рН.
TheDifference.ru определил, что отличие ферментов и неорганических катализаторов заключается в следующем:
Ферменты – высокомолекулярные белковые тела, они довольно специфичны. Ферменты способны катализировать всего лишь один-единственный тип реакции. Они являются катализаторами биохимических реакций. Неорганические катализаторы ускоряют разные реакции.
Ферменты могут действовать в конкретном узком температурном интервале, определенном давлении и кислотности среды.
Ферментативные реакции обладают высокой скоростью.
Ферменты и их значение в процессах жизнедеятельности
Из курса химии вам известно, что такое катализатор. Это вещество, которое ускоряет реакцию, оставаясь в конце реакции неизменным (не расходуясь). Биологические катализаторы называются ферментами (от лат. fermentum – брожение, закваска), или энзимами .
Почти все ферменты – это белки (но не все белки – ферменты!). В последние годы стало известно, что и некоторые молекулы РНК имеют свойства ферментов.
Впервые высокоочищенный кристаллический фермент был выделен в 1926 г. американским биохимиком Дж.Самнером. Этим ферментом была уреаза , которая катализирует расщепление мочевины. К настоящему времени известно более 2 тыс. ферментов, и их количество продолжает расти. Многие из них выделены из живых клеток и получены в чистом виде.
В клетке постоянно идут тысячи реакций. Если смешать в пробирке органические и неорганические вещества точно в тех же соотношениях, что и в живой клетке, но без ферментов, то почти никаких реакций с заметной скоростью идти не будет. Именно благодаря ферментам реализуется генетическая информация и осуществляется весь обмен веществ.
Для названия большинства ферментов характерен суффикс -аза, который чаще всего прибавляется к названию субстрата – вещества, с которым взаимодействует фермент.
Строение ферментов
По сравнению с молекулярной массой субстрата ферменты имеют гораздо большую массу. Такое несоответствие наводит на мысль, что не вся молекула фермента участвует в катализе. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо познакомиться со строением ферментов.
По строению ферменты могут быть простыми и сложными белками. Во втором случае в составе фермента кроме белковой части (апофермент ) имеется добавочная группа небелковой природы – активатор (кофактор , или кофермент ), вследствие чего образуется активный голофермент . Активаторами ферментов выступают:
1) неорганические ионы (например, для активации фермента амилазы, находящегося в слюне, необходимы ионы хлора (Сl–);
2) простетические группы (ФАД, биотин), прочно связанные с субстратом;
3) коферменты (НАД, НАДФ, кофермент А), непрочно связанные с субстратом.
Белковая часть и небелковый компонент в отдельности лишены ферментативной активности, но, соединившись вместе, приобретают характерные свойства фермента.
В белковой части ферментов содержатся уникальные по своей структуре активные центры, представляющие собой сочетание определенных аминокислотных остатков, строго ориентированных по отношению друг к другу (в настоящее время структура активных центров ряда ферментов расшифрована). Активный центр взаимодействует с молекулой субстрата с образованием «фермент-субстратного комплекса». Затем «фермент-субстратный комплекс» распадается на фермент и продукт или продукты реакции.
Согласно гипотезе, выдвинутой в 1890 г. Э.Фишером, субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку , т.е. пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата точно соответствуют (комплементарны ) друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», который подходит к «замку» – ферменту. Так, активный центр лизоцима (фермента слюны) имеет вид щели и по форме точно соответствует фрагменту молекулы сложного углевода бактериальной палочки, которая расщепляется под действием этого фермента.
В 1959 г. Д. Кошланд выдвинул гипотезу, по которой пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу назвали гипотезой «руки и перчатки» (гипотеза индуцированного взаимодействия). Этот процесс «динамического узнавания» – на сегодня наиболее распространенная гипотеза.
Отличия ферментов от небиологических катализаторов
Ферменты во многом отличаются от небиологических катализаторов.
1. Ферменты значительно эффективнее (в 10 4 –10 9 раз). Так, единственная молекула фермента каталазы может расщепить за одну секунду 10 тыс. молекул токсичной для клетки перекиси водорода:
2Н 2 О 2 ––> 2H 2 O + O 2 ,
которая возникает при окислении в организме различных соединений. Или еще один пример, подтверждающий высокую эффективность действия ферментов: при комнатной температуре одна молекула уреазы способна за за одну секунду расщепить до 30 тыс. молекул мочевины:
H 2 N–CO–NH 2 + Н 2 О ––> СО 2 + 2NН 3 .
Не будь катализатора, на это потребовалось бы около 3 млн лет.
2. Высокая специфичность действия ферментов. Большинство ферментов действуют лишь на один или очень небольшое число «своих» природных соединений (субстратов). Специфичность ферментов отражает формула «один фермент – один субстрат» . Благодаря этому в живых организмах множество реакций катализируется независимо.
3. Ферменты доступны тонкой и точной регуляции. Активность фермента может увеличиваться или уменьшаться при незначительном изменении условий, в которых он «работает».
4. Небиологические катализаторы в большинстве случаев хорошо работают лишь при высокой температуре. Ферменты же, присутствуя в клетках в малых количествах, работают при обычной температуре и давлении (хотя рамки действия ферментов ограничены, так как высокая температура вызывает денатурацию). Поскольку большинство ферментов являются белками, их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: t=35–45 °C; слабощелочная среда (хотя для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН).
5. Ферменты образуют комплексы – так называемые биологические конвейеры. Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.
6. Ферменты способны регулироваться, т.е. «включаться» и «выключаться» (правда, это относится не ко всем ферментам, например, не регулируется амилаза слюны и ряд других пищеварительных ферментов). В большинстве молекул апоферментов есть участки, которые узнают еще и конечный продукт, «сходящий» с полиферментного конвейера. Если такого продукта слишком много, то активность самого начального фермента тормозится им, и наоборот, если продукта мало, то фермент активизируется. Так регулируется множество биохимических процессов.
Таким образом, ферменты обладают целым рядом преимуществ по сравнению с небиологическими катализаторами.
