Практичне заняття ___

Тема заняття. Принципи дії ферментів, їх роль у життєдіяльності організмів .

Мета: поглибити та закріпити знання про властивості та функції ферментів, розглянути роль травних ферментів

у процесі травлення;

Студенти повинні: знати: особливості будови та властивості ферментів;

вміти: визначати вплив фізичних факторів на властивості ферментів, пояснювати фізико-хімічні властивості

білків у зв’язку з їх будовою

Забезпечення заняття

Роздатковий матеріал: інструктивні картки із завданнями, опорні конспекти з теми

Технічні засоби навчання: мультимедійний проектор

Навчальні ресурси: Біологія і екологія: підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти : рівень стандарту/ О.А.Андерсон,

М.А.Вихренко, А.О.Чернінський. – К. :Школяр, 2018. – 216 с.: іл..

Режим доступу: http://shkolyar.com.ua/pdf/bio/bio_10kl_nk.pdf

https://pidruchniki.com/77201/prirodoznavstvo/fermenti_vlastivosti_riznomanitnist_znachennya

Ключові терміни та поняття: ферменти, ферментативний каталіз, субстрат, кофермент, активний центр

Компетентності, які формуються у студентів: комунікативна, соціальна, загальнокультурна,

здоров’язбережувальна, науково-природнича, екологічна грамотність

Запитання для актуалізації опорних знань

Чому при підвищенні температури білки перестають виконувати свої функції?______________________

_________________________________________________________________________________________

Як ви розумієте поняття «біологічні каталізатори»? ____________________________________________

_________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________ Зміст практичного заняття

Теоретичні відомості

Ферменти — це біологічні каталізатори, які належать до білкової природи та синтезуються в клітинах живих

організмів. Ферменти координують і прискорюють біохімічні реакції, які регулюють обмін речовин. У молекулі

ферменту міститься група особливо активних амінокислот, які утворюють активний центр ферменту, здатний

діяти лише з відповідною речовиною — субстратом. При цьому субстрат є специфічним для певного ферменту і

відповідає за своєю структурою і фізико-хімічними властивостями активного центру як ключ до замка. Тому

перебіг реакції субстрату з ферментом відбувається миттєво. Після реакції такий утворений комплекс

розкладається з утворенням нових продуктів. Речовини, що утворилися, відразу ж відокремлюються від

ферменту, який відновлює свою функції та стає здатним здійснювати ту саму реакцію.

Властивості ферментів : • каталізують тільки енергетично можливі реакції;

• прискорюють пряму і зворотну реакції, не зміщуючи напрямку хімічної рівноваги;

• у ході реакції залишаються незмінними і до складу кінцевого продукту не входять;

• мають високу специфічність дії (зазвичай один фермент каталізує одну реакцію);

• діють у м’яких умовах (фізіологічні значення рН, температура тіла, нормальний атмосферний тиск);

• є каталізаторами, активність яких може регулюватися, тобто збільшуватися або зменшуватися. Функції ферментів: • сприяють перетворенню одних речовин — субстратів — на продукти;

• є каталізаторами в усіх біохімічних реакціях;

• скеровують та регулюють обмін речовин організму;

• знижують енергію активації хімічних процесів у організмі.

Завдання 1. Функціонування ферментів та їх роль в клітині.

Опрацюйте теоретичний матеріал до завдання і дайте відповідь на запитання. Ферменти є біологічними каталізаторами – речовинами, які значно прискорюють швидкість реакцій, не витрачаючись у них.

Тобто ферменти взаємодіють зі сполуками, що є субстратом реакції, змінюють їхню структуру, перетворюючи на продукт

реакції, але самі при цьому не змінюють свого хімічного складу. Назви ферментів зазвичай формуються з назв їхніх

субстратів з додаванням закінчення -аза. Наприклад, фермент лактаза розщеплює молочний цукор лактозу на моносахариди

глюкозу та галактозу. Деякі ферменти мають традиційні назви (без закінчення -аза), наприклад пепсин і трипсин, що

забезпечують процеси травлення людини . Унаслідок зв’язування ферменту із субстратами утворюється тимчасова сполука фермент-субстратний комплекс, який

розпадається з утворенням ферменту та продуктів реакції. Енергетично цей процес є більш вигідним, ніж перетворення

субстрату на продукт без участі ферменту. Без нього реакція може потребувати високих температур, тиску, високої

кислотності середовища тощо, тобто не може ефективно відбуватися в живих клітинах. Функціонування ферменту

визначається просторовою структурою його молекули. Завдяки здатності білків набувати найрізноманітніших третинних і

четвертинних структур ферменти каталізують велику кількість реакцій – міжнародна база даних ферментів налічує близько

7000 назв і постійно поповнюється. Найважливішою для функціонування ферменту є частина молекули, що безпосередньо

зв’язує субстрат і забезпечує його перетворення. Це активний центр. Функціонування деяких ферментів залежить від

наявності додаткових речовин небілкової природи. Сполуки, необхідні для роботи ферментів, називають коферментами.

Ними можуть бути, наприклад, похідні вітамінів. Для функціонування деяких ферментів необхідна наявність йонів металів

(Цинку, Купруму, Кобальту тощо).

Субстрат реакції це ________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Фермент-субстратний комплекс _____________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Чим визначається функціонування ферменту __________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Коферменти ______________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Завдання 2. Фактори, що впливають на активність ферментів

Опрацюйте теоретичний матеріал до завдання і дайте відповідь на запитання Ферменти дуже чутливі до зміни температури, тобто вони є термолабільними речовинами. Ферментативні процеси (на

відміну від інших хімічних реакцій) не можуть відбуватися при температурі, вищій за 70-80°С. При високій температурі

руйнуються структура та активний центр ферменту, що призводить до втрати його каталітичної активності. При

температурах, нижчих за нуль, вони також втрачають ферментативну активність, але не руйнуються. Тому коли низька

температура перестає діяти, ферменти відновлюють свою активність.

Для ферментів існує певний температурний оптимум, тобто температура, при якій вони виявляють свою максимальну

активність. Температурний оптимум для більшості ферментів, виділених з тваринних організмів, лежить у межах 35-45°С.

До цієї межі з підвищенням температури на 10°С швидкість ферментативних реакцій зростає приблизно у два рази. Вище за

температурний оптимум каталітична активність ферментів зменшується, а при температурі, яка зумовлює денатурацію білка,

зовсім припиняється.

Вплив рН на активність ферментів. Активність ферментів дуже чутлива до зміни рН середовища. Для кожного ферменту

або групи ферментів існує оптимальне значення рН середовища, в якому вони максимально активні. Наприклад, фермент

шлункового соку пепсин діє найкраще в кислому середовищі (рН 1,5-2,5), а трипсин, який є у дванадцятипалій кишці,

максимально активний при рН 7-8. Більшість ферментів виявляє максимальну активність у слабкокислому, нейтральному

або слабколужному середовищі. Зниження або підвищення значення рН середовища, порівняно з оптимальним,

супроводжується зменшенням активності ферменту. Це пов'язано з тим, що функціональні групи ферменту, які взаємодіють

із субстратом, несуть певний заряд лише при відповідному значенні рН середовища, яке визначається як оптимальне. Зміна

реакції середовища призводить до перезарядження функціональних груп, що виключає можливість ферменту взаємодіяти із

субстратом. Крім того, концентрація водневих іонів впливає на іонізацію субстрату, фермент-субстратного комплексу і

продуктів реакції.

Специфічність дії ферментів. Однією з основних властивостей ферментів, на відміну від інших каталізаторів, є їх висока

специфічність. Кожний фермент може каталізувати лише одну або кілька близьких за природою хімічних реакцій.

Специфічність ґрунтується на повній відповідності структури субстрату і активного центру ферменту. За образним

висловлюванням Е.Фішера, фермент повинен підходити до субстрату, як ключ до замка.

Оборотність дії ферментів. Дослідження дії ферментів показало, що вони залежно від умов можуть каталізувати як пряму,

так і оборотну реакції. Наприклад, фермент гліколізу глюкозофосфатізомераза каталізує перетворення глюкозо-6-фосфату в

фруктозо-6-фосфат. За певних умов вона може каталізувати процес перетворення фруктозо-6-фосфату в глюкозо-6-фосфат.

Вперше оборотність дії ферментів виявив ще в 1888р. російський учений О.Я.Данилевський, вивчаючи розщеплення білків

ферментами шлункового соку.

Необхідно зазначити, що оборотність дії властива не всім ферментам. Цілий ряд реакцій синтезу і розпаду однієї й тієї самої

сполуки каталізується різними ферментами.

Дія на ферменти активаторів та інгібіторів. На активність ферментів часто впливає наявність у розчинах ряду хімічних

сполук. Одні з них підвищують активність ферментів, інші знижують. Перші називаються активаторами, а другі –

інгібіторами (паралізаторами). Охарактеризуйте температурний фактор ______________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Як впливає рН на активність ферментів? _____________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

У чому полягає специфічність дії ферментів? __________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Завдання 3. Ферменти й захворювання.

Опрацюйте теоретичний матеріал до завдання і дайте відповідь на запитання Ферменти забезпечують більшість функцій в організмі – зчитування спадкової інформації, процеси отримання енергії,

синтез необхідних для росту й розвитку речовин, розщеплення проміжних продуктів обміну речовин тощо. Наприклад,

фермент каталаза забезпечує розщеплення до води й кисню отруйного для організму гідроген пероксиду, що утворюється в

клітинах як проміжний продукт окиснення. У випадку, якщо той чи інший фермент не функціонує, контрольована ним

реакція не відбувається, що призводить до захворювання. Наприклад, якщо в організмі людини бракує ферменту лактази, не

розщеплюватиметься молочний цукор. Оскільки лактоза не може всмоктуватися безпосередньо в

кишечнику в кров, вона залишатиметься в порожнині травного тракту, де її використовуватимуть бактерії. Утворені при

цьому продукти обміну речовин (вуглекислий газ, молочна кислота) негативно впливатимуть на функціонування кишечника,

що виявлятиметься як симптоми несприйняття лактози (нудота, здуття, біль, пронос тощо). Багато таких захворювань є

вродженими, тобто зумовлені мутаціями генів, які кодують структуру відповідних ферментів. Ферментативні реакції часто є

послідовними каскадами, коли продукт попередньої реакції стає субстратом наступної . Тож для синтезу або розщеплення

певних сполук потрібна злагоджена послідовна робота кількох (часто десятків) ферментів. Такі складні ланцюжки реакцій

забезпечують процеси отримання клітиною енергії, фотосинтезу тощо. Якщо хоча б один з ферментів каскаду не функціонує,

то розвиваються захворювання. Порушення функціонування багатьох ферментів виникає також унаслідок нестачі в раціоні

вітамінів, незамінних амінокислот, жирних кислот, макро- та мікро елементів. Вітаміни здебільшого не утворюються в

організмі, тому за їх відсутності в харчових продуктах порушується функціонування ферментів, обмін речовин і

розвиваються тяжкі захворювання. Такими захворюваннями людини є, наприклад, рахіт, цинга, куряча сліпота тощо. До

пригнічення активності окремих ферментів можуть призводити також природні компоненти харчових продуктів або

чужорідні речовини, що містяться в них (наприклад пестициди). Тому запорукою запобігання захворюванням, що виникають

унаслідок порушення функціонування ферментів в організмі, є дотримання умов вирощування рослин, правил збереження

вітамінів у продуктах та збалансоване харчування

Функції, дію яких забезпечують ферменти ____________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Які захворювання можуть виникнути якщо не працює той чи інший фермент? _____________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Завдання 4. Пошукове завдання «Використання ферментів у діяльності людини».

Користуючись інтернет - джерелами заповніть таблицю про використання деяких ферментів у практичній

діяльності людини.

Галузь Ферменти Використання

Харчова

промисловість

Пектинази

Глюкооксидаза

Амілази

Пепсин, трипсин

Ренін

Легка

промисловість

Пептигідролази

Фармацевтична

промисловість

Папаїн

Колагенази

Хімічна

промисловість

Бактеріальні протеази

Сільське

господарство

Целюлаза

Бактеріальні протеази

Генна

інженерія

Лігази і рестриктази

Косметична

промисловість

Колагенази

Висновок_________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________________

Домашнє завдання. Підготуйте повідомлення про використання ферментів у практичній діяльності людини

Оцінка____________________

Цю домашню роботу та попередні роботи надсилайте викладачеві

у VIBER (0973637030)

або на електронну пошту dubina.lubov123@gmail.com

Додаток 2

Фактори, що впливають на активність ферментів. Рівень активності ферментів може визначатися

концентрацією продуктів реакції. Зазвичай вони гальмують роботу ферменту: при накопиченні продуктів реакції

швидкість реакції знижується, а отже утворення цих речовин припиняється. У такий спосіб регулюється надмірне

накопичення утворюваних сполук. Важливим фактором є температура: з підвищенням температури на 10 °С

ферментативна активність зростає приблизно у 2–3 рази. Проте, як і всі білки, ферменти можуть денатурувати,

втрачаючи властиву їм природну структуру.

Це призводить до втрати каталітичної активності, наприклад, в організмі людини білки починають денатурувати

за температури ~40 °С. Такий вплив мож на простежити під час дослідження швидкості розщеплення крохмалю

амілазою . В інших організмів білки залишаються стійкими в більшому інтервалі температур, зокрема, деякі

бактерії живуть у водоймах, температура в яких вища ніж 80 °С, а археї долають межу у 100 °С . Іншим шляхом

регуляції роботи ферментів є приєднання до них певних сполук, наприклад, залишку ортофосфатної кислоти.

Така реакція називається фосфорилюванням. Унаслідок неї неактивний фермент стає активним і починає

виконувати свою функцію. Фосфорилювання може спричиняти й протилежний ефект – змінений білок

переходить з активного стану в неактивний. Такі зміни можуть відбуватися всередині клітин унаслідок дії на них

різноманітних подразників – гормонів, медіаторів тощо. Таким чином, зміна активності ферменту є одним зі

способів регуляції функціонування клітин. Деякі речовини можуть блокувати активний центр ферменту – це

призводить до порушення його функціонування.

Дайте означення поняття ферменти. 2. Наведіть приклади ферментів. 3. Чому наявність ферментів є необхідною умовою життєдіяльності клітини? 4. Опишіть механізм дії ферменту. 5. Які фактори впливають на активність ферментів

2. Ферментативний каталіз: етапи та механізми

У ферментній реакції можна виділити такі етапи:

1) Приєднання субстрату (S) до ферменту (E) з утворенням фермент-субстратного комплексу (E - S).

2) Перетворення фермент-субстратного комплексу на один або кілька перехідних комплексів (E - X) за одну чи кілька стадій.

3) Перетворення перехідного комплексу на комплекс фермент-продукт (E - P).

4) Відділення кінцевих продуктів від ферменту.

Механізми каталізу

1) Кислотно-лужний каталіз: в активному центрі ферменту містяться групи специфічних амінокислотних залишків, які є гарними донорами (-COOH, -NH+

3, -SH, -OH) або акцепторами (-COO-, -NH2, -S-, -O-) електронів. Такі групи є потужними каталізаторами багатьох органічних реакцій.

2) Ковалентний каталіз: ферменти реагують зі своїми субстратами, утворюючи за допомогою ковалентних зв’язків дуже нестабільні фермент-субстратні комплекси, з яких у ході внутрішньомолекулярних перебудов утворюються продукти реакції.

Типи ферментативних реакцій

1) Тип «пінг-понг»: фермент спочатку взаємодіє із субстратом А, відбираючи в нього певні хімічні групи і перетворюючи на відповідний продукт. Потім до ферменту приєднується субстрат Б і отримує ці хімічні групи.

2) Тип послідовний реакції: до ферменту послідовно приєднуються субстрати А та Б, утворюючи «потрійний комплекс». Після цього відбувається каталіз. Продукти реакції також послідовно від’єднуються від ферменту.

3) Тип випадкових взаємодій: субстрати А та Б приєднуються до ферменту в будь-якому порядку, невпорядковано, і після каталізу так само від’єднуються.

IV. УЗАГАЛЬНЕННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ Й КОНТРОЛЬ ЗНАНЬ І ВМІНЬ УЧНІВ

1. Які властивості ферментів допомагають їм виконувати їхні функції?

2. Охарактеризуйте етапи та механізми ферментативного каталізу.

3. Які існують типи ферментних реакцій? У чому особливості кожного з них?

4. Які ви знаєте групи ферментів за дією?

5. Як ви вважаєте, від чого залежить швидкість ферментативних реакцій? Чи впливають ці чинники на перебіг реакцій з неорганічними каталізаторами?

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Опрацювати відповідний параграф у підручнику, підготувати повідомлення про роль вітамінів у обміні речовин на прикладі організму людини.

Яка біологічна роль ферментів?

За біологічним значенням ферменти поділяють на метаболічні, травні й захисні.

Метаболічні ферменти — група ферментів, що каталізують анаболічні й катаболічні реакції у

клітинах. Вони можуть міститися в гіалоплазмі (ферменти бродіння), в ядрі (РНК-полімераза, ДНК-

полімераза), в мітохондріях (дегідрогенази й цитохроми дихального ланцюга), на рибосомах

(синтетази білків), у хлоропластах (рибулозобіфосфаткарбоксилаза, або РуБісКо, — фермент

фіксації СО2) та ін. У клітинах метаболічні перетворення субстратів здійснюються послідовно

декількома ферментами. Кожний з цих ферментів каталізує певну ділянку загального

метаболічного шляху. Сукупність ферментів, які каталізують перетворення субстрату через ланцюг

послідовних реакцій, називається мультиферментним комплексом (мультиферментною системою).

Метаболічні ферменти беруть участь у процесах дихання, росту, подразливості, скорочення м'язів

тощо.

Травні ферменти — група ферментів, що розщеплює складні органічні сполуки та їх комплекси до

простіших. Ці ферменти в живій природі спостерігаються в лізосомах твариноподібних організмів,

секреторних міхурцях грибів, травних секретах комахоїдних рослин, травній системі тварин (іл. 69).

Травні ферменти належать до групи гідролаз, що каталізують реакції гідролізу. Так, у травному

тракті хребетних тварин й людини наявні протеази (каталізують розщеплення білків), ліпази

(ферменти розщеплення ліпідів), амілази (ферменти розщеплення вуглеводів), нуклеази

(розщеплюють нуклеїнові кислоти до нуклеотидів).

Іл. 69. Непентес — комахоїдна рослина з травними ферментами у глечиках

Серед ферментів є й такі, що захищають від токсичних речовин (наприклад, антиоксидантні

ферменти пероксидаза, каталаза й супероксиддисмутаза), від втрат крові (наприклад, ферменти

зсідання крові — тромбін, фібрин). Основним захисним ферментом багатьох організмів є лізоцим,

що міститься в лейкоцитах, яєчному білку, шкірі, слизових оболонках і рідинах організму (слини,

слізної рідини). Лізоцим розщеплює речовини, що є основою клітинної оболонки бактерій і захищає

слизові оболонки ока, порожнини рота, кишечнику від інфекцій.

Отже, роль ферментів полягає в забезпеченні метаболізму клітин, перетравлюванні складних

речовин до простіших і забезпеченні захисту від несприятливих чинників.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Пошукове завдання «Характеристика окремих ферментів»

Заповніть таблицю про окремі відкриття у ферментології та підготуйте повідомлення про фермент,

назву якого ви отримаєте після встановлення відповідності між прізвищем науковця і відкриттям.

Науковець Відкриття

1 Я. ван

Гельмонт

Е Довів, що екстракт клітин дріжджів здійснює спиртове бродіння

так само, як і незруйновані дріжджові клітини

2 Е. Бюхнер І Здатність ферментів до кристалізації

3 Г. Е. Фішер Н1 Специфічність ферментів визначається точною відповідністю

між формами ферменту й субстрату

4 А. Д.

Розенфельд Н2 Доведення білкової природи ферментів

5 Д. Б. Самнер Р Запропонований термін «фермент»

Біологія + Медицина. Отрута змій

Отрута гадюки звичайної, на яку в Україні можна натрапити в лісовій, лісостеповій зонах та в

Карпатах, має переважно геморагічний вплив. Чим ближче місце укусу до голови, тим він

небезпечніший. Навесні отрута гадюки є більш токсичною, ніж влітку. Симптоми отруєння: в'ялість,

головний біль, нудота, інколи блювота, пришвидшений пульс, паморочливість. Застосуйте знання

про ферменти й поясніть механізм впливу отрути гадюки звичайної на живі організми.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Харчова промисловість

Сичужний фермент (хімозин) — традиційний продукт для звурдження молока, що широко

використовується в сироварінні. В Італії окрім сичужного хімозину широко застосовують інші

ферменти, що їх виробляють мигдалики телят і ягнят. Це надає специфічного пікантного смаку

італійським сирам. Яке значення цих ферментів у процесах варіння сирів з молока?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке ферменти? 2. Наведіть приклади ферментів. 3. Що таке прості й

складні ферменти? 4. Як класифікують ферменти за біологічним

значенням? 5. Що таке метаболічні ферменти? 6. Що таке травні

ферменти?

7—9 7. Які особливості ферментів зумовлюють їхнє значення? 8. Як ферменти

класифікують? 9. Яка біологічна роль ферментів?

10—

12

10. Яке значення мають знання про ферменти в харчовій промисловості й

медицині?

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка

Зміст