Практическое задание

Практическое занятие № 2

Тема № 4   Ферменты.
Решение ситуационных задач по теме «Ферменты»
Цель и задачи изучения.
Цель – получение навыков в решении задач по определению зависимости скорости реакции от участия фермента, описанию механизма действия ферментов. .
Задачи: 
1. Освоение теоретических основ ферментативного катализа. 
1.1.Изучите химическую природу ферментов, их сходство и различие с неорганическими катализаторами.
1.2.Изучите структурную организацию энзимов.
1.3.Изучите специфичность ферментов.
1.4.Изучите зависимость ферментативной реакции от температуры.
1.5.Изучите зависимость ферментативной активности от рН среды.
1.6.Изучите современную классификацию и номенклатуру ферментов.
2. Анализ воздействия ферментативных реакций на процессы переработки и хранения сырья и готовой продукции. 
3.Получить навыки расчета  скорости ферментативной реакции.

Алгоритм выполнения практического задания:

1. Изучить теоретический материал по учебникам и учебным пособиям, по краткому курсу лекции
2. Выполнить задание.
3. Задать вопросы преподавателю в форуме

Требования к выполнению задания:
1. Дайте определение понятию «ферменты», перечислите доказательства белковой природы ферментов.
2. Что такое энергия активации? Вспомните, что катализатор приводит к уменьшению энергии активации процесса, в ходе чего скорость биохимической реакции в присутствие фермента возрастает. Заполните таблицу, отражающую сходства и различия ферментов и неорганических катализаторов.

3. Разберите понятия - кофермент, апофермент, холофермент, активный центр, аллостерический центр.
4. Отметьте, чем представлены активные центры ферментов простых и сложных белков.
5. Помимо белков, могут ли обладать ферментативной активностью молекулы других классов биополимеров? 
6.Назовите витамины, активной формой которых является НАД. Назовите витамин, активной формой которого является ФАД. 
7.Выпишите понятия специфичности фермента и подумайте, чем обусловлена специфичность ферментов. Объясните биологический смысл специфичности.
8. Приведите примеры ферментов с абсолютной, групповой и стереохимической специфичностью.
9. Вспомните теории энзим - субстратных взаимодействий Фишера и Кошленда и дайте определение, какая из этих теорий приемлема на современном уровне для объяснения специфичности ферментов.
10. Какое практическое значение имеют знания зависимости активности ферментов от 
температуры.
11. Приведите классификацию ферментов. На чем основана классификация ферментов? 
12. Напишите примеры типов реакций, катализируемых каждым из 6 классов ферментов, дайте ферментам систематические названия.
13. Определите, к какому классу, относятся ферменты: α-амилаза, щелочная фосфатаза, холинэстераза, моноаминооксидаза.

Теоретический материал
Ферменты – это синтезирующиеся живыми клетками белковые молекулы. Их более сотни насчитывается в каждой клетке. Роль этих веществ колоссальна. Они влияют на течение скорости химических реакций при температуре, которая подходит для данного организма. Другое название ферментов – биологические катализаторы. Увеличение скорости химической реакции происходит за счет облегчения ее протекания. Как катализаторы, они не расходуются в процессе реакции и не изменяют ее направления. Главные функции ферментов заключаются в том, что без них очень медленно в живых организмах протекали бы все реакции, а это бы заметно сказывалось на жизнеспособности. Например, при пережевывании продуктов, которые содержат крахмал (картофель, рис), во рту появляется сладковатый привкус, что связано с работой амилазы – фермента для расщепления крахмала, присутствующего в слюне. Сам по себе крахмал безвкусный, так как является полисахаридом. Сладкий вкус имеют продукты его расщепления (моносахариды): глюкоза, мальтоза, декстрины. Все ферменты белков делятся на простые и сложные. Первые состоят только из белка, а вторые – из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Коферментами могут быть витамины групп В, Е, К. Классы ферментов 
Традиционно эти вещества разделены на шесть групп. Название им первоначально давали в зависимости от субстрата, на который действует определенный фермент, путем добавления к его корню окончания –аза. Так, те ферменты, что гидролизируют белки (протеины) стали называть протеиназами, жиры (липос) – липазами, крахмал (амилон) – амилазами. Потом ферменты, катализирующие сходные реакции, получили названия, которые указывают на тип соответствующей реакции – ацилазы, декарбоксилазы, оксидазы, дегидрогеназы и другие. Большинство этих названий и сегодня используется.
Позже Международный биохимический союз ввел номенклатуру, согласно которой название и классификация ферментов должны соответствовать типу и механизму 
катализируемой химической реакции. Данный шаг принес облегчение в систематизации данных, что относятся к различным аспектам метаболизма. Реакции и катализирующие их ферменты делятся на шесть классов. Каждый класс состоит из нескольких подклассов (4-13). Первая часть названия фермента отвечает названию субстрата, вторая – типу катализируемой реакции с окончанием –аза. У каждого фермента по классификации (КФ) есть свой кодовый номер. Первой цифре отвечает класс реакции, следующей – подкласс и третьей – подподкласс. Четвертой цифрой обозначен номер фермента по порядку в его подподклассе. Например, если КФ 2.7.1.1, то фермент принадлежит ко 2-му классу, 7-му подклассу, 1-му подподклассу. Последней цифрой обозначается фермент гексокиназа.- 
Роль ферментов в организме 
Два процесса отвечают в организме человека за обмен веществ: анаболизм и катаболизм. Первый обеспечивает усвоение энергии и необходимых веществ, второй – распад продуктов жизнедеятельности. Постоянное взаимодействие этих процессов влияет на усвоение углеводов, белков и жиров и поддержание жизнедеятельности организма. Обменные процессы регулируются тремя системами: нервной, эндокринной и кровеносной. Они могут нормально функционировать с помощью цепи ферментов, которые в свою очередь обеспечивают адаптацию человека к изменениям условий внешней и внутренней среды. В состав ферментов входит как белковая, так и небелковая продукция. В процессе биохимических реакций в организме, в протекании которых принимают участие ферменты, сами они не расходуются. У каждого из них своя химическая структура и своя уникальная роль, поэтому каждый инициирует только определенную реакцию. Биохимические катализаторы помогают прямой кишке, легким, почкам, печени выводить токсины и продукты жизнедеятельности из организма. Также они способствуют построению кожи, костей, нервных клеток, мышечных тканей. Специфические ферменты используются для окисления глюкозы.- 
се ферменты в организме делятся на метаболические и пищеварительные. Метаболические участвуют в нейтрализации токсинов, производстве белков и энергии, ускоряют в клетках биохимические процессы. 
Активность ферментов 
Для того чтобы данные вещества полностью выполняли свои функции, необходимы определенные условия. На их активность влияет в первую очередь температура. При повышенной возрастает скорость химических реакций. В результате увеличения скорости 
молекул у них появляется больше шансов на столкновение друг с другом, и возможность протекания реакции, следовательно, увеличивается. Оптимальная температура обеспечивает наибольшую активность. Вследствие денатурации белков, которая происходит при отклонении оптимальной температуры от нормы, снижается скорость химической реакции. При достижении температуры точки замерзания фермент не денатурирует, но инактивируется. Способ быстрого замораживания, который широко используют для длительного хранения продуктов, останавливает рост и развитие микроорганизмов с последующей инактивацией ферментов, которые находятся внутри. Как результат, продукты питания не разлагаются. На активность ферментов также влияет кислотность окружающей среды. Работают они при нейтральном рН. Только некоторые из ферментов работают в щелочной, сильнощелочной, кислой или сильнокислой среде. Например, сычужный фермент расщепляет белки в сильнокислой среде в желудке человека. На фермент могут действовать ингибиторы и активаторы. Активируют их некоторые ионы, например, металлов. Другие ионы оказывают подавляющее действие на активность ферментов. 
Пищеварительные ферменты 
От процесса приема пищи человек получает удовольствие и иногда игнорирует то, что главная задача пищеварения – это превращение продуктов питания в вещества, способные стать источником энергии и строительным материалом для тела, всасываясь в кишечник. Ферменты белков способствуют этому процессу. Пищеварительные вещества вырабатываются органами пищеварения, принимающими участие в процессе расщепления пищи. Действие ферментов нужно для того, чтобы получать необходимые углеводы, жиры, аминокислоты из пищи, что составляет необходимые питательные вещества и энергию для нормальной жизнедеятельности организма 
Примеры решения задач
Студент получил задание – охарактеризовать активный центр 3 ферментов Е1, Е2, Е3. Для этого он использовал вещества: диизопропилфторфосфат(ДФФ, специфический необратимый ингибитор «сериновых» ферментов) и монойодуксусную кислоту (необратимый неспецифический ингибитор ферментов), а также субстраты этих ферментов. Проведя свои опыты, студент сделал вывод, что Сер присутствует в активном центре ферментов Е1и Е2, а в активном центре Е1, Е3и Е2 он определил наличие аминокислотного остатка Цис.
          Оцените достоверность результатов, полученных студентом. 
          Для ответа на вопрос:
          а) укажите, почему в работе студент использовал ДФФ и монойодуксусную кислоту; представьте схемы, объясняющие механизм их взаимодействия с ферментом;
          б) опишите, как студент мог определить активность ферментов; укажите, в каких единицах измеряется активность ферментов.
Решение 
   а) ДФФ относится к специфическим необратимым ингибиторам «сериновых» ферментов, т.к. он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина в активном центре фермента при условии определенного окружения радикала серина – Асп, Сер, Глу. Вывод, сделанный студентом, о наличии в активном центре ферментов Е1и Е2серина, правильный.

Использовать монойодуксусную кислоту для установления структуры функциональных групп активного центра фермента нельзя. Это вещество относится к необратимым неспецифическим ингибиторам ферментов и образует ковалентные связи со свободными SH-группами цистеина, занимающими любое положение в молекуле белков. Вывод студента о наличии SH-группы в активном центре ферментов Е1, Е2и Е3 необходимо проверить, применяя специфические ингибиторы;

     б) Добавляя субстрат в реакционную смесь, уже содержащую фермент и ДФФ или монойодуксусную кислоту, он смог оценить ингибирующее действие этих веществ по снижению скорости расходования субстрата или образования продукта. Результаты опытов показали снижение активности всех ферментов (Е1, Е2, Е3).
          Удельная активность фермента = S (мкмоль) /τ (мин) · m (мг).