Лабораторная работа 1 Каталитическая активность ферментов в живых тканях

Определения и обозначения

Фермент — биологический катализатор, который ускоряет химические реакции в клетке. Катализатор влияет на скорость реакции, но сам не становится её продуктом. В опыте фермент нужен для того, чтобы реакция разложения пероксида водорода шла заметно и быстро.

Каталаза — фермент, разлагающий пероксид водорода на воду и кислород. Она есть в клетках многих живых организмов и помогает обезвреживать потенциально вредное соединение. Именно действие каталазы обнаруживают, добавляя пероксид к тканям.

Пероксид водорода — субстрат каталазы, то есть вещество, с которым взаимодействует фермент и которое превращается в продукты реакции. В опыте он служит исходным веществом, по изменению которого судят о работе фермента. Без субстрата проявить активность каталазы этим способом нельзя.

Каталитическая активность — способность фермента ускорять химическую реакцию. В данной работе её оценивают по интенсивности выделения пузырьков кислорода: чем заметнее газообразование при одинаковых условиях, тем активнее идёт реакция. Это сравнительная оценка, а не прямое измерение количества фермента.

Как это устроено

Пероксид водорода используют потому, что он может образовываться в клетках в ходе обмена веществ и при избытке повреждать клеточные структуры. Организму необходимо быстро превращать его в менее опасные вещества. Каталаза ускоряет такое превращение, поэтому контакт ткани с раствором позволяет увидеть работу защитного фермента.

При реакции пероксид водорода превращается в воду и кислород. Кислород — газ, поэтому он отделяется от жидкости и собирается в виде пузырьков на поверхности ткани. Наблюдают не сам фермент, а один из продуктов реакции, по которому можно судить о её протекании.

Ферменты находятся внутри клеток, поэтому ткань, содержащая живые клетки, может ускорять реакцию при соприкосновении с субстратом. Измельчение открывает больше клеточных участков и увеличивает площадь контакта с раствором. Благодаря этому пероксиду легче встретиться с каталазой, и проявление реакции становится заметнее.

Чтобы сравнить активность фермента в разных образцах, необходимо устранить различия, не связанные с видом ткани. Для этого берут одинаковые массы, одинаково измельчают образцы и добавляют равное количество пероксида водорода одной концентрации. Температуру и продолжительность наблюдения также сохраняют одинаковыми, а затем сопоставляют интенсивность выделения пузырьков.

Нагревание может изменить пространственную структуру каталазы — форму белка, необходимую для его работы. При значительном нагреве фермент теряет активность, и разложение пероксида водорода замедляется или прекращается. Поэтому нагретая ткань обычно выделяет меньше кислорода, чем ненагретая, хотя результат зависит от температуры и длительности нагревания.

Каталитическая активность каталазы в разных условиях

В таблице сопоставлены условия опыта, наблюдаемый результат и вывод, который допустимо из него сделать. При сравнении образцов следите, чтобы отличался только проверяемый фактор, например нагревание или вид ткани. Если условия неодинаковы, разница в пузырьках не позволяет уверенно связать результат с активностью каталазы.

Разбор задач

Пузырьки на сырой ткани

Условие. К измельчённому кусочку сырой ткани добавили пероксид водорода. Требуется описать ожидаемое наблюдение и объяснить его. Рассуждение строится от присутствия фермента к появлению продукта реакции.

1. В ткани есть клетки, в которых находится каталаза.
2. Пероксид водорода служит для каталазы субстратом, поэтому фермент ускоряет его разложение.
3. Среди продуктов реакции есть кислород, который выделяется в виде пузырьков.

Ответ. На поверхности измельчённой ткани должны появиться пузырьки газа. Это кислород, образующийся при разложении пероксида водорода под действием каталазы. Чем активнее реакция при прочих равных условиях, тем заметнее выделение пузырьков.

Сравнение нагретой и ненагретой ткани

Условие. В две пробирки поместили одинаковые количества ткани, одну ткань предварительно нагрели, затем в обе пробирки добавили одинаковые количества пероксида водорода. Нужно сравнить ожидаемую интенсивность реакции. Отличие условий — предварительное нагревание одного образца.

1. В ненагретой ткани каталаза обычно сохраняет структуру, необходимую для ускорения реакции.
2. Высокая температура может изменить структуру фермента в нагретой ткани.
3. Поэтому сравнивают количество пузырьков при одинаковых прочих условиях.

Ответ. В пробирке с ненагретой тканью ожидается более интенсивное выделение кислорода. После нагревания каталаза может утратить активность, поэтому пероксид разлагается медленнее. Сила эффекта зависит от того, насколько сильно и долго нагревали ткань.

Сравнение двух видов тканей

Условие. Нужно выяснить, в каком из двух видов тканей каталаза активнее. Для достоверного вывода следует менять только вид ткани, сохраняя остальные условия опыта. Показателем служит выделение кислорода за одинаковое время.

1. Взять равные массы тканей и одинаково измельчить их, чтобы уравнять количество образца и площадь контакта.
2. Добавить одинаковые объёмы пероксида водорода одинаковой концентрации; поддерживать одну температуру.
3. Наблюдать за обоими образцами одинаковое время и сравнить интенсивность выделения пузырьков.

Ответ. Более активной считают каталазу в ткани, где при равных условиях кислород выделяется интенсивнее. Масса и степень измельчения важны, потому что большие или более раздробленные образцы могут давать усиленную реакцию независимо от вида ткани. Контроль условий позволяет связать различие результата именно с образцами.

Типичные ошибки

Пузырьки иногда принимают за сам фермент, потому что именно они становятся заметным признаком реакции. Однако каталаза ускоряет превращение субстрата, а пузырьки состоят из образовавшегося кислорода. Проверьте себя: спросите, какой газ возникает среди продуктов разложения пероксида водорода.

Сравнивать образцы с разной массой ткани или разным количеством субстрата некорректно: интенсивность может различаться из-за условий, а не из-за каталазы. Такую ошибку допускают, когда замечают только количество пузырьков и забывают о контроле опыта. Перед выводом сравните массы и измельчение тканей, объёмы и концентрации растворов.

Слабое выделение пузырьков не доказывает, что в ткани совсем нет каталазы. Реакцию могут ослабить нагревание, состояние образца или неподходящая концентрация пероксида водорода. Проверьте условия опыта и контрольный образец, прежде чем утверждать отсутствие фермента.

Нагревание не всегда ускоряет реакцию, хотя повышение температуры иногда ускоряет химические процессы. Фермент — белок, и при высокой температуре его структура может нарушиться, из-за чего активность снизится. Чтобы проверить вывод, сопоставьте нагретую и ненагретую ткань при одинаковых прочих условиях.

Связь с другими темами

Для выполнения работы нужно знать, что ферменты являются белками-катализаторами, а в химической реакции исходные вещества превращаются в продукты. Опыт связывает обмен веществ с защитой клетки: пероксид водорода может возникать в клетках и повреждать их, а каталаза ускоряет его разложение. Представления о ферментах и влиянии температуры пригодятся при изучении обмена веществ, пищеварения и факторов, меняющих работу белков.

Что запомнить

• Каталаза — фермент, ускоряющий разложение пероксида водорода.
• При реакции образуются вода и кислород.
• Выделение пузырьков кислорода служит признаком реакции.
• Каталитическую активность сравнивают при одинаковых условиях опыта.
• Нагревание может нарушить структуру фермента и снизить его активность.
• Фермент ускоряет реакцию, но сам не является продуктом реакции.