Лабораторне заняття № 7-8

Тема: Вивчення властивостей ферментів і визначення їх активності

Мета заняття: З’ясувати загальні фізико-хімічні властивості ферментів; засвоїти методику визначення активності окремих груп ферментів у рослинному матеріалі

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Ферменти або ензими є біологічними каталізаторами, що забезпечують протікання біохімічних реакцій у живих організмах. Завдяки ферментам швидкість протікання біохімічних процесів зростає в сотні та десятки тисяч раз. Через ферментативний апарат, регуляцію його активності відбувається й регуляція швидкості обміну речовин у цілому та їх спрямованості.

За хімічною природою всі ферменти є простими або складними білками. Вони володіють вузькою специфічністю, вибірково діючи лише на певні субстрати (речовини, що піддаються каталітичному перетворенню).

У випадку ферментів, які представляють собою складні білки, білкова частина називається апоферментом; небілковий компонент таких ферментів називають коферментом або кофактором, якщо він слабо зв’язаний із білковою частиною та легко дисоціює з такого комплексу, або простетичною групою, якщо небілковий компонент міцно зв’язаний із білком і в циклі біохімічних реакцій не від’єднується від нього.

Як правило, каталітичною активністю володіє не вся молекула ферменту, а лише певна його частина, найчастіше досить невелика, що називається активним центром. Саме в активному центрі відбувається контакт між ферментом і субстратом, зв’язування останнього, утворення проміжного фермент-субстратного комплексу та повне перетворення субстрату. Активний центр створюється певними бічними радикалами амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга, а у випадку складних білків до складу активного центру можуть входити групи небілкової частини. Активні центри ферментів розміщені в заглибинах на поверхні білкової макромолекули. Мікросередовище активного центру відрізняється від решти оточення ферменту більш низькою діелектричною провідністю, що близька до такої для деяких органічних розчинників.

Із коферментів і простетичних груп до складу ферментів найчастіше входять: НАД⁺ (нікотинамідаденіндинуклеотид), НАДФ⁺ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат), ФМН (флавінмононукле-отид), ФАД (флавінаденіндинуклеотид), АТФ та інші нуклеозид-трифосфати (ГТФ, УТФ, ЦТФ), кофермент ацетилування – коензим А (КоА-SH).

Завдяки утворенню фермент-субстратного комплексу значно понижується енергія активації взаємодіючих молекул, що й зумовлює зростання швидкості реакції під впливом ферменту.

Ферментативний каталіз має ознаки як гомогенного, так і гетерогенного каталізу, котрий відбувається на межі розподілу двох фаз. У каталітичній дії ферментів можна виділити 3 основні стадії: 1) приєднання молекул субстрату (S) до ферменту (E); 2) перетворення субстрату; 3) від’єднання кінцевих продуктів реакції (P) від ферменту. В найпростішому випадку схема ферментативної реакції буде мати вигляд:

E+S ↔ E'S' ↔ E''P' → E+P

проміжний фермент-

субстратний комплекс

Як правило, найшвидшою є перша стадія реакції, повільною – друга. Утворення проміжного фермент-субстратного комплексу є можливим завдяки певній спорідненості ферменту до свого субстрату. В утворенні цього комплексу беруть участь йонні, водневі зв’язки та гідрофобні взаємодії. При цьому молекули ферменту та субстрату не тільки зближуються, але й певним чином взаємно зорієнтовуються. Між структурою субстрату та структурою активного центру ферменту крім стеричної відповідності існує й топохімічна, при якій забезпечується взаємодія впізнаваючих груп ферменту та груп субстрату, що розпізнаються. Важливою особливістю ферментативних реакцій є те, що перетворення субстрату протікає як поліфункціональний каталіз, який забезпечується різноманітністю амінокислотних залишків білкової частини ферменту та функціональних груп кофакторів у активному центрі.

Для оцінки ферментативної активності згідно останньої міжнародної угоди використовують одиницю, що називається катал (кат). 1 катал – це така кількість ферменту, яка в певних умовах каталізує перетворення субстрату зі швидкістю 1 моль/с. За стандартну одиницю активності (Е) будь-якого ферменту приймається така його кількість, яка каталізує перетворення 1 мікромоль даного субстрату за 1 хв. при оптимальних умовах (звичайно при температурі 30⁰ С, оптимальних для даного ферменту значеннях рН і концентрації субстрату). Якщо реакцію проводять не при температурі 30⁰ С, то слід зазначити фактичну температуру реакції. Чистоту ферментного препарату характеризують величиною питомої активності, що виражається числом одиниць ферменту на 1 мг стандартного зразка. Концентрацію ферменту в розчині виражають числом одиниць активності, що припадають на 1 мл розчину. Іноді використовують й інші вираження одиниць активності ферментів.

Активність ферментів у рослинах непостійна й залежить від виду та органу рослини, часу доби, температури й вологості, при яких вирощується рослина, живлення та від ряду інших чинників. Залежно від зміни активності ферментів змінюється інтенсивність і спрямованість біохімічних процесів, що в кінцевому підсумку призводить до зміни величини врожаю та його хімічного складу.

Для впорядкування значного числа ферментів, які виявлені в живих організмах, у 1961 р. Міжнародна комісія з ферментів прийняла їх класифікацію, згідно якої всі ферменти розподілені на 6 класів у відповідності з характером реакції, що каталізується. Ці класи поділенні на підкласи, а вони, в свою чергу, – на підпідкласи або групи, в межах яких ферментам присвоюється порядковий номер. Таким чином, кожен фермент має свій індивідуальний чотиризначний шифр (наприклад, глюкооксидаза – КФ. 1.1.3.4).

Згідно прийнятої класифікації виділено 6 наступних класів ферментів:

1. оксидоредуктази (каталізують окисно-відновні реакції);

2. трансферази (каталізують реакції переносу груп з однієї речовини на іншу);

3. гідролази (каталізують реакції гідролітичного розщеплення речовин);

4. ліази (каталізують реакції негідролітичного розщеплення речовин із утворенням подвійних зв’язків або з приєднанням за місцем подвійних зв’язків);

5. ізомерази (каталізують реакції ізомеризації речовин);

6. лігази або синтетази (каталізують реакції синтезу нових речовин).

Для вивчення дії ферментів і визначення їхньої активності звичайно використовують якісні або кількісні реакції, що супроводжуються використанням речовин, на які діє фермент (субстратів), або появою продуктів реакції, що утворюються в результаті дії ферменту. Для одержання препаратів ферментів використовують витяжки з рослинних тканин, у яких ферменти знаходяться в розчиненому стані. Для більш детального вивчення дії ферментів їх вилучають із тканин рослин, очищують шляхом фракціонування екстрактів нейтральними солями або органічними розчинниками, йонообмінною хроматографією, гель-фільтрацією або іншими методами. При поєднанні різноманітних методів очищення можна одержати ферменти в кристалічному стані.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА