Роль ферментов в системе дыхания растений

  

   Рисунок 1- Схема  работы фермента

1. фермент; 2-активный центр; 3-субстрат(молекула сахарозы);

4-продукты реакции  (а- молекула глюкозы; б- молекула фруктозы);

А, Б, В, Г- последовательные этапы работы фермента.[19,с10]

  Химической реакции фермент-субстратный комплекс распадается с образованием конечных продуктов и свободного фермента. Освободившийся при этом активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

Регуляция активности ферментов. Некоторые ферменты, помимо активного центра, имеют один или несколько регуляторных центров. С этими участками могут связываться молекулы, регулирующие активность фермента. Они носят название модуляторы. Молекулы некоторых веществ, взаимодействуя с ферментом, снижают или блокируют его активность (рис. 2). Такие вещества называются ингибиторами.

  Скорость  ферментативных реакций зависит от многих факторов: природы и концентрации фермента и субстрата, температуры, давления, реакции среды, наличия ингибиторов и т.д. 

Рисунок 2- Схема ингибирования фермента:

1 — субстрат; 2 — фермент; 3 — активный центр; 4 — место присоединения ингибитора; 5 — ингибитор.[19,с12]

  Несмотря  на те или иные структурные отличия, различную локализацию в клетке и специфику действия, все ферменты объединяются единым принципом строения и общим каталитическим механизмом действия (рис. 3, В). Он сводится к следующему: в начале активный центр молекулы фермента (ф) связывается с молекулой (а) одного из взаимодействующих веществ (субстрат). В результате обе молекулы претерпевают пространственную деформацию и образуют фермент-субстратный комплекс (аф). При этом отдельные связи в молекуле субстрата ослабевают и разрываются, придавая ей тем самым большую реакционную способность (а*ф). Активизированная таким образом молекула субстрата вступает во взаимодействие с другим компонентом реакции (б) и образует с ним единый комплекс, в составе которого до определенного момента остается и фермент (ба*ф). Но как только оба вещества прореагируют и появится продукт реакции (ба), фермент отделяется от этого комплекса, восстанавливает свою первоначальную структуру и снова готов вступить в реакцию.

    Нетрудно  заметить,   что   принципы   протекания химических   реакций    с участием   ферментов   и   без   них несколько различаются. Неферментативные реакции   идут только   тогда,   когда   взаимодействующие молекулы обладают определенным   запасом   энергии.  Чтобы   скорость   их   возросла,   молекулы должны   получить   дополнительное    количество   энергии   (так называемая энергия   активаци и.

Рисунок 3- Ферменты: А- активный центр (заштрихован); Б – мультиферментный комплекс; В- механизм действия.

      Скорость же ферментативных реакций возрастает за счет не повышения, а снижения энергии активации взаимодействующих молекул. Вот почему для химических превращений веществ в живых системах, осуществляющихся с помощью ферментов, не требуются высокие температура, давление, крайние значения рН.

  Таким образом, для ферментного катализа характерны специфичность, большие скорость и производительность, отсутствие необходимости в дополнительной энергии активации и, что особенно важно, способность к саморегуляции активности, обеспечивающая непрерывную настройку метаболизма растений на изменяющиеся внутренние и внешние условия.[11,с165] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                    ВЫВОДЫ 

       Все формы специфичности ферментов определяются пространственной структурой их белковой части, а именно — уникальностью строения ее пептидных цепей и характером, количеством, взаимоположением концевых группировок аминокислот, образующих активный центр.

  В соответствии с характером катализируемых реакций ферменты делятся на 6 классов: оксидазы (ферменты ЭТЦ фотосинтеза  и дыхания, пероксидаза, полифенолоксидазы и др.), трансферазы (фосфокиназы, аминотрансферазы), гидролазы (глюкозидазы, липазы, фосфорилазы, хлорофиллаза, протеазы, протеиназы), лиазы (гидратазы, декарбоксилазы), изомеразы, лигазы (осуществляют синтез сложных молекул из более простых с участием АТФ).

  В зависимости от выполняемой функции  ферменты по-разному локализуются в  компартментах клетки. Одни из них (ферменты ЭТЦ фотосинтеза и дыхания) располагаются упорядоченно в мембранах на определенном расстоянии друг от друга и осуществляют перенос электрона по кратчайшему пути в соответствующем направлении. Другие (ферменты гликолиза, цикла Кальвина и Кребса) сосредоточиваются в водно-коллоидной фазе цитоплазматического матрикса клетки, в строме хлоропластов и в матриксе митохондрий, но тоже вблизи мембран,   которые,   по-видимому,   управляют их деятельностью. Многие из этих ферментов действуют не самостоятельно, а в мультиферментных комплексах, представляющих собой несколько взаимосвязанных пептидных цепей, каждая из которых имеет свой активный центр. Благодаря такой ассоциации субстрат они преобразуют поэтапно.[9,с 34]

  Все ферменты, действующие в пределах клетки, где они образовались, называются эндоферментами. У ряда специализированных клеток (корневые волоски, клетки щитка  в зерновках злаков, ловчих листьев  насекомоядных растений и др.) вырабатываются ферменты, проникающие в другие клетки или в околоклеточную среду и там действующие. Это так называемые экзоферменты. Кроме того, существуют эктоферменты. Они располагаются непосредственно в цитоплазматических мембранах клеток и катализируют превращение веществ на их внешней стороне.

  Все известные в настоящее время  ферменты делятся на однокомпонеитные (простые) и двухкомпонентные (сложные).

  Простые ферменты (уреаза, пепсин и др.) состоят  только из белка. Их каталитические свойства обусловливаются пространственным расположением концевых групп аминокислот, т. е.   особой    конфигурацией молекулы  белка.

     Сложные ферменты (их большинство) состоят из белка и небелковой части, роль которой могут   выполнять  нуклеотиды, порфирины,      атомы    металлов, хиноны и т. д.     Если    небелковая часть прочно связывается с белковой, то ее называют  простетической группой   (например,   ФМН и   ФАД в     молекулах флавопротеидов).   Если   же она  легко   отделяется от белкового компонента и связывается с белковыми частями других ферментов либо находится некоторое время в свободном состоянии, то ее называют коферментом   (НАД+,  НАДФ+, КоА и др.), а белковую часть —апоферментом. В роли кофермеитов и простети-ческих  групп  часто   выступают    витамины, обладающие физиологической активностью, что  и    обусловливает каталитические свойства ферментов. Они определяются также строением белковой части молекулы, но  небелковая часть во много раз усиливает их.[8,с 129] 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И  МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 

2.1. Характеристика объекта  и методика проведения  исследования 

  Каталаза  относится к классу оксидоредуктаз. Это двухкомпонентный фермент, состоящий  из белка и простетической группы, содержащей железо, принадлежит к Fе - порфиринам. Каталаза содержится в  живых клетках всех организмов, кроме  облигатных анаэробов.

  В процессе окисления ряда веществ  в растениях под действием  оксидаз образуется пероксид водорода, повышенные концентрации которого токсичны для организма. Под действием  каталазы происходит обезвреживание пероксида  водорода путем его разложения на воду и молекулярный кислород:

2Н₂О₂  ® 2Н₂О + О₂.

  Для опыта удобно использовать вытяжку  из проросших семян, сок из клубней картофеля , листочки элодеи, раздавленные проростки злаков.

  Цель  работы. Обнаружить каталазу и сравнить ее активность в различных растительных объектах.

  Ход работы. Опыт 1. В две пробирки наливают по 5 мл вытяжки из семян или сока из клубней картофеля, в третью - 5 мл воды. В одной пробирке вытяжку кипятят и охлаждают до комнатной температуры под струей воды. Затем в каждую пробирку добавляют по 2 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода.

  Под действием каталазы пероксид водорода разлагается, выделяющийся кислород вспенивает жидкость. По количеству образующейся в пробирке пены можно судить об активности фермента. Отсутствие пены указывает на инактивирование или  отсутствие каталазы.

  Опыт 2. В сухую пробирку помещают 1-2 слегка раздавленных проросших зерна пшеницы или ячменя и приливают 3 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода. От зерна и проростка будут струйками отходить пузырьки кислорода, указывающие на действие фермента.

  Опыт 3. На предметное стекло в каплю 3 %-ного раствора пероксида водорода помещают листочки элодеи. В микроскоп при малом увеличении наблюдают выделение пузырьков кислорода.  

2.2 Методика проведения исследования

  Материалы и оборудование:   3 %-ный   раствор    пероксида  водорода, зеленые и этиолированные семена пшеницы,   ростки    и   мякоть      клубня картофеля,    листочки  элодеи,    дрожжи, листья и цветочная стрелкак лука,   ступка, пробирки в штативе, скальпель, мерный цилиндр на 10 мл, пипетки на 5-10 мл, мензурка   на 25 мл, спиртовка, микроскоп,  предметные    стекла, каталазник, порошок мела, каучуковая трубка, зажим.

  Приготовление ферментативных вытяжек.

1. Отвешивают 5г проросших семян,      растирают   в ступке, приливают 15 мл воды и настаивают 5-7 минут. Затем растертую массу фильтруют через вату, вытяжку переливают в центрифужные пробирки и центрифугируют при 3000 об/мин 3 минут. Надосадочную жидкость сливают в чистую сухую пробирку и используют для опыта.
2. Клубни картофеля измельчают на терке, отжимают сок через марлю.   После осаждения крахмала центрифугированием вытяжку используют для анализа.
3. Корнеплоды редьки , репы, хрена измельчают на терке, отвешивают    5 г измельченной массы, добавляют 15 мл воды и настаивают 10-20 мин. Затем массу фильтруют через вату и вытяжку используют для анализа.

      В процессе окисления водород и кислород могут превратиться в воду или перекись водорода. Даже небольшие количества перекиси вредны клетке, так как может начаться процесс самопроизвольного окисления вещества. Поэтому в клетке имеется ряд ферментов, в том числе каталаза, которые расщепляют перекись на воду и молекулярный кислород, тем самым регулируя дыхание организма.

  Ход работы. 2 г растительного материала растирают в фарфоровой ступке вместе с кварцевым песком, прибавляя щепотку мела для создания щелочной реакции ( рН 7,7 оптимален для данного фермента).

  Во  время растирания вливают небольшими порциями воду общим объемом 20 мл. В одно колено каталазника вносят полученную смесь, в другое — 5 мл 3%-ной перекиси водорода. Соединяют каталазиик с каучуковой трубкой, стараясь избежать преждевременного смешения жидкостей. Открывают зажим и перемещением воронки устанавливают уровень воды в бюретке на нуль, Закрывают зажим, быстрым изменением положения каталазника смешивают жидкости в обоих коленах, тотчас отмечают время, пользуясь часами или секундомером.

  Левой рукой держат каталазник, встряхивая его все 
время, отмечают объем выделенного кислорода в течение 3 мин понижению воды в бюретке.    При отсчете вода и круглой воронке и бюретке должна быть на одном уровне

В работе определяют активность каталазы:

1) у зеленых     и   этиолироваиных  растений;

2) у зеленых  и бесхлорофилльных растений;

3) в различных  частях растений. 
 
 

       
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ 

3.1Ферментативная активность каталазы

       Пероксид водорода – ядовитое вещество, образующееся в клетке в процессе жизнедеятельности. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, он может вызвать самоотравление (денатурацию белков, в частности, ферментов). Накоплению Н₂О₂ препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н₂О₂ на воду и кислород, играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1с 200 000 молекул Н₂О₂: 2 Н₂О₂ 2 Н₂О₂ + О₂