Досліди з ферментами пероксидазою та оксидазою у домашніхумовах
У клітинах рослин та тварин безперервно протікають складні хімічні процеси. Вони регулюються білковими речовинами -ферментами, які відіграють ролькаталізаторівхімічних реакцій у клітинах. Для вивчення таких біохімічних процесів потрібні складні прилади та безліч реактивів. Однак деякі біохімічні явища можна спостерігати, як то кажуть, і неозброєним оком.
Почнемо з окисних ферментів - оксидаз та пероксидаз. Вони присутні у багатьох живих тканинах, тому що окислення є основою процесів дихання. Але ці ферменти діють по-різному: оксидази окислюють органічні речовини киснем повітря, пероксидази для тієї ж мети «добувають» кисень з пероксидів. Звичайно, речовини повільно окислюються і без допомоги ферментів, але ферменти прискорюють реакцію у багато тисяч разів.
При окисленні деяких речовин, наприклад, фенолу та гідрохінону, утворюються забарвлені продукти реакції. Поява забарвлення свідчить, що фермент спрацював. А інтенсивність фарбування дозволяє судити про кількість продуктів окиснення. Якщо ж забарвлення взагалі з'являється, отже, фермент неактивний. Це може статися в надто кислому чи надто лужному середовищі, або якщо відсутні постачальники кисню, або в присутності шкідливих для ферментів речовин — так званих інгібіторів ферментів.
Після цього невеликого вступу самі досліди. Вам знадобляться: капустяна качан, яблуко, бульба картоплі з паростками, цибулина з корінцями, що проросла в темряві. Реактивами будуть служити холодна кип'ячена, а ще краще дистильована вода, гідрохінон (з магазину фототоварів) та аптечний перекис водню. Запасіться також теркою для овочів, водяною лазнею, пробірками або флакончиками з-під пеніциліну, чистими піпетками та марлею або білою тканиною.
Почнемо дослідження з капустяного соку. Шматок капустяного качанця, приблизно 20 г, подрібніть на тертці, отриману кашку відіжміть через два шари марлі або один шар тканини, сік зберіть у склянку і розбавте водою в десять разів. Відразу попереджаємо: при дослідженні інших рослинних об'єктів сік потрібно розбавляти не більше ніж у два-три рази.
Шість чистих сухих пробірок або флаконів пронумеруйте. У пробірки № 1, 2, 3 та 4 налийте по 1 мл розведеного капустяного соку. Пробірки 1 і 2 поставте для руйнування (інактивації) ферментів хвилин на п'ять киплячу водяну баню, а потім охолодіть до кімнатної температури. У пробірки 5 та 6 замість соку налийте по 1 мл води.
На всі шість пробірок додайте трохи, на кінчику ножа, гідрохінону. Потім пробірки 1, 3 і 5 налийте по п'ять крапель води, а пробірки 2, 4 і 6 — по п'ять крапель пероксиду водню. Зміст кожної пробірки ретельно перемішайте.
Чи може пероксид водню окислити гідрохінон без капустяного соку?
Чи окислюється гідрохінон під дією соку капусти без пероксиду водню?
Чи зберігається активність ферментів у соку після кип'ятіння?
Які окисні ферменти містяться в капустяному соку - оксидази чи пероксидази?
Однак на підставі досвіду з рослинами одного виду рано робити ще остаточні висновки. Тому поставте такі ж досліди з бульбою картоплі та її паростками, з м'якоттю яблук, з м'ясистими лусками цибулини, а також з її донцем та листям («пір'ям»). Нагадуємо: у цих випадках отриманий сік треба розбавляти водою у 2-3 рази.
Коли всі досліди зроблено, можна визначити, в якому з досліджених матеріалів окислювальні ферменти активніші. Як ви вважаєте,чи можуть одночасно бути присутніми в рослинних тканинах оксидази та пероксидази?
Спробуйте зробити висновки самі, не заглядаючи до пояснення. А коли висновки зроблено, перевірте, наскільки вони є правильними.
Висновок перший.Пероксид водню може поступово окислювати гідрохінон і без соку: у пробірках 5 і 6 повільно з'являється рожеве забарвлення. Отже, фермент необов'язковий реакції. Як і всі каталізатори, ферменти лише прискорюють реакцію, що почалася, у багато разів. Ви помітили, звичайно, як швидко з'явилося фарбування в пробірці 4. Однак пероксидази не можуть прискорити реакцію гідрохінону з киснем повітря (забарвлення в 3 пробірці відсутня або з'являється дуже повільно).
Висновок другий.Фермент можна вивести з ладу навіть короткочасним кип'ятінням. У пробірці 2 фарбування практично немає. Адже ферменти – це білки; вони згортаються при нагріванні - у пробірках 1 і 2 з'явилися білкові пластівці.
Висновок третій.У пробірці 3 забарвлення не з'явилося. Значить, у капустяному соку містяться тільки пероксидази, що прискорюють окислення гідрохінону лише при пероксиду водню. Однак у дослідах з картопляними бульбами та яблуком забарвлення з'являється, і особливо швидко при струшуванні флакона, коли розчин збагачується киснем повітря. Отже, у картоплі та яблуку є оксидази (конкретніше — фенолоксидаза), що сприяють окисленню гідрохінону киснем. Тому й темніють на повітрі розрізані бульби картоплі та яблука — вони містять речовини, споріднені з гідрохіноном. Оксидаза також втрачає активність при нагріванні. Згадайте, чи темніє варена картопля?
Нарешті,четвертий висновок. У картоплі та яблуку є також оксидази - при додаванні пероксиду в пробірку 4 забарвлення з'являється швидше. А в м'ясистих лускахцибулі оксидази немає. Вони не темніють на повітрі навіть із гідрохіноном.
До речі, ви звернули увагу на те, що окислювальні ферменти особливо активні в рослинах, що готуються до росту або ростуть — у донці цибулини та її корінцях, у паростках бульб картоплі? Обмін речовин відбувається там найінтенсивніше.
Отже, ми з'ясували, що не всі умови середовища є сприятливими для дії ферментів. Якщо сильне нагрівання інактивує ферменти, то, можливо, вони активніші за низької температури? Перевіримо це. Для досвіду потрібні будуть додатково чотири скляні або металеві банки ємністю близько одного літра та лід або сніг (приблизно 1 кг). Досвід поставимо з капустяною качаном.
Натріть качан на тертці, сік, як і раніше, відіжміть через марлю або тканину і розбавте водою в двадцять разів. Пронумеруйте пробірки, якщо стара нумерація чомусь стерлася, і налийте в пробірки 1, 2, 3 і 4 по 1 мл розведеного капустяного соку, а потім додайте гідрохінон на кінчику ножа. У пробірки 5 і 6 замість соку налийте по 1 мл води і також насипте гідрохінон. А потім розставте пробірки наступним чином: 1 - у банку зі снігом або льодом; 2 - у банку з теплою водою (40 ° С); 3 - у банку з гарячою водою (60 ° С); 4 - залиште на столі за кімнатної температури; 5 - у банку з киплячою водою; 6 – залиште при кімнатній температурі.
Через 5 хв після початку досвіду у всі пробірки, починаючи з холодніших, влийте по п'ять крапель пероксиду водню. Суміш обережно збовтайте та помітте час початку реакції. Ще через 5 хв вийміть пробірки з банок і запишіть результати досвіду у вигляді таблиці приблизно такої ж, як і минулого разу. Коли таблиця заповнена, можна зайнятися аналізом даних.
Спробуйте зробити висновки самостійно, відповівши спочаткуна такі питання.
Чи прискорюється реакція окиснення при підвищенні температури без додавання ферменту?
Чи можна сказати, що ферменти краще діють при охолодженні?
Яка температура є найбільш сприятливою для дії пероксидаз?
Чому харчові продукти довше зберігаються у холодильнику?
Навіщо кип'ятять молоко?
Чому теплокровні тварини - ссавці та птиці - найбільш розвинені та життєздатні тварини на Землі?
Ви відповіли на ці запитання? Тоді наші пояснення.
Ви, ймовірно, помітили, що швидкість окислення гідрохінону пероксидом водню неоднакова за низької та високої температури. За високої температури швидкість окислення, природно, вище. Пероксидази полегшують взаємодію гідрохінону з пероксидом. У присутності ферменту реакція проходить навіть при низькій температурі, проте чим вище температура, тим легше активувати ферменту молекули реагуючих речовин.
Але не можна забувати, що білки за високої температури згортаються, швидкість реакції знижується. Існує поняття оптимальної температури дії ферментів, коли вони виявляють найбільшу активність. Для різних ферментів ця температура неоднакова, але багато ферментів, зокрема і пероксидази, мають температурний оптимум 40—50°С.
Харчові продукти псуються під дією ферментів, що містяться в них або виділяються мікроорганізмами. На холоді активність ферментів знижується - ось чому в холодильнику продукти псуються менше.
На верхній ступінь еволюції піднялися теплокровні тварини, які можуть підтримувати температуру тіла, оптимальну для ферментів.
О. Ольгін. "Досліди без вибухів" М., "Хімія", 1986