Проект ситникова

Синеутесовский филиал МАОУ «Спасская СОШ»
Проект исследовательской направленности
ИЗУЧЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ,
РАСЩЕПЛЯЮЩИХ ПЕРОКСИД ВОДОРОДА
Выполнил: Ситников Серафим,
учащийся 5 класса
МАОУ «Спасская СОШ»
Руководитель: Мочалова Лидия Сосипатровна
учитель химии и биологии высшей категории
МАОУ «Спасская СОШ»
2014 г
п.Синий Утес
Содержание
Введение …………………………………………………………………………. 3
1. Обзор литературы. ………………………………………………………4-6
Краткая характеристика ферментов. ………………………………………...4
Ферменты каталаза и пероксидаза.
Содержание их в растениях …………………………………………...5
Соли тяжелых металлов и ферменты………………………………………...6
2. Методика исследования ………………………………………………...7-9
3. Результаты исследования……………………………………………..10-13
3.1. Изучение изменения активности ферментов сока картофеля………...10
3.2. Изучение изменения активности ферментов сока моркови……….10-11
3.3. Изучение изменения активности ферментов сока капусты…………..11
3.4. Изучение изменения активности ферментов сока свеклы.…………...12
3.5. Изучение изменения активности ферментов сока лука репчатого. ….13
4. Выводы …………………………………………………………………...14
5. Список литературы ………………………………………………………15
6. Приложение ……………………………………………………………...16
Введение.
В процессе окисления органических веществ в организме образуется
продукт - пероксид водорода (Н2О2), который в больших концентрациях
оказывает губительное действие для всего живого. Не случайно пероксид
водорода применяют при дезинфекции ран. Принимая участие в
обезвреживании ряда токсических веществ, он может вызвать
самоотравление
(денатурация
белка,
гемолиз
эритроцитов).
Совершенно ясно, что организм нужно защитить от этого крайне опасного
соединения.
Такая защита есть. Это ферменты каталаза и пероксидаза, распространенные
в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере.
Каталаза препятствует накоплению Н2О2 , расщепляя пероксид водорода на
воду и кислород, и играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует
с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1секунду
40 000 молекул пероксида водорода.
Актуальность нашей работы заключается в том, что изучение активности
каталазы в разных овощах поможет определению наиболее полезных из них
для человека.
Формулировка проблемы и способы её решения.
Мы не знаем, богаты ли наши овощи ферментом каталазой и как влияют на
ее активность различные факторы.
Определение объекта и предмета исследования.
В качестве объектов исследования нами были взяты соки овощей
(картофель, морковь, капуста, свекла, лук).
Предметом исследования явилось изучение активности фермента каталазы в
условиях воздействия на них различными факторами.
Цель работы: изучить изменение активности каталазы при воздействии на
соки растений растворами солей тяжелых металлов и иных факторов
Задачи:
1. освоить методику изучения активности каталазы;
2. исследовать активность каталазы в соках разных овощей;
3. выяснить, какие факторы влияют на изменение активности каталазы ;
4. выяснить, существуют ли активаторы и ингибиторы каталазы?
Гипотеза: так как ферменты являются белками, то активность каталазы
должна изменяться от действия высокой температуры, спирта и солей
тяжелых металлов.
- 41. Обзор литературы.
1.1.Краткая характеристика ферментов.
Ферменты – это биологически активные вещества, ускоряющие
протекание биохимических реакций.
Поскольку все ферменты являются белками, их активность наиболее
велика при физиологически нормальных условиях: [3,9]
1.
Большинство ферментов наиболее активно работает только при
определенной температуре. При повышении температуры до некоторого
значения (в среднем до 50о С) каталитическая активность растет (на каждые
10о С скорость реакции повышается примерно в 2 раза). При t выше 50о С
белок подвергается денатурации и активность фермента падает.
2.
Кроме того, для каждого фермента существует оптимальное
значение pH, при котором он проявляет максимальную активность.
3.
На скорость реакции влияет также концентрация субстрата и
концентрация фермента.
Все ферменты высокоспецифичны к своему субстрату и как правило,
катализируют только одну вполне определенную реакцию. Все ферменты
обладают избирательностью действия на соединения, превращение которых
они катализируют. Так, например, пепсин расщепляет белки животного и
растительного происхождения, хотя они могут существенно отличаться друг
от друга как по химическому строению, аминокислотному составу, так и по
физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет углеводы или
жиры
Скорость ферментативной реакции (равно активность ферментов)
определяется присутствием в среде ингибиторов и активаторов, среди
которых могут быть как посторонние для организма вещества, так и
природные продукты обмена [2].
И н г и б и т о р а м и [5]называют вещества, вызывающие частичное или
полное торможение химических реакций, включая и ферментативные.
Ферменты теряют каталитическую активность при воздействии различных
факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, кислоты, щелочи, соли
тяжелых металлов и другие факторы). Наряду с ингибиторами существует
целый ряд активаторов ферментов.
А к т и в а т о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую
активность ферментов. Среди активаторов встречаются самые разнообразные
вещества. Особенно часто роль активаторов ферментов выполняют ионы
металлов: калия, кальция, магния, цинка, меди, железа, марганца, кобальта, а
из анионов – хлорa.
-51.2. Ферменты каталаза и пероксидаза.. Содержание их в растениях.
Ферменты содержатся в каждой животной и растительной клетках.
Большая часть ферментов связана с определенными клеточными
структурами (ядро, цитоплазма, пластиды, лизосомы и т. д.), где и
осуществляется их функция [3,6].
Каталаза содержится в микротельцах, которые находятся в
цитоплазме. Расщепляя Н2О2, каталаза играет защитную роль. Она
обезвреживает ядовитое вещество (пероксид водорода), которое непрерывно
образуется в клетке в процессе жизнедеятельности. Пероксид водорода
(Н2О2) в больших концентрациях оказывает губительное действие для всего
живого. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, он
может вызвать самоотравление (денатурация белка, гемолиз эритроцитов).
Каталаза препятствует накоплению Н2О2 , расщепляя пероксид водорода на
воду и кислород, и играет защитную роль в клетке.
H2O2 КАТАЛАЗА  2H2 + O2
Активность фермента очень высока: при 0 °С – 1 молекула катализатора
разлагает за 1 секунду до 40 000 молекул Н2О2
Такая высокая скорость реакции необходима для удаления активного
кислорода, чтобы предохранить компоненты клеток от окислительного
действия.
Кроме каталазы пероксид водорода расщепляется также пероксидазой,
но этот фермент «работает» гораздо медленнее. В отличие от каталазы
перкосидаза катализирует не только разложение пероксида водорода, но и
другие реакции. [6]
Таблица 1
Содержание ферментов в клетках растений [8]
№ Растение
1 Свекла
2
3
4
5
Содержание ферментов
Из ферментов в свекле содержатся оксидаза, пероксидаза, инвертаза,
фосфатаза, фосфорилаза, протеиназа, полипептидаза, участвующие в
окислительно-восстановительных реакциях, осуществляющих распад
сахарозы на глюкозу и фруктозу, способствующих гидролизу белковых
веществ
Картофель Содержит в большом количестве фермент каталазу и другие ферменты
Капуста
Содержит углеводы, жиры, сахара (глюкозу и фруктозу). Есть в ней и
минеральные вещества – соли калия (до 375 мг/100 г) и фосфора (до
78мг/100г), кальций, марганец, магний, железо, йод, медь. А кроме этого
в белокочанной капусте содержится клетчатка (1,5 %), фитонциды
(естественные антибиотики), Ферменты лактоза, липаза, протеаза и
другие.
Морковь
Морковь содержит такие ферменты, как каталаза, пероксидаза, и др.
Лук
Лук содержит большое количество полезных и биологически активных
репчатый веществ: витамины Е, С, К, В, РР инулин, белки, ферменты, каротин,
сапонины, минеральные соли, эфирное масло, алкалоиды.
-61.3. Соли тяжелых металлов и ферменты
Ферменты теряют каталитическую активность при воздействии
различных факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, кислоты,
щелочи, соли тяжелых металлов и другие факторы).
Хотя все знают, что такое тяжелые металлы, не все знают какие химические
элементы всё-таки входят в эту категорию[7]. Есть очень много критериев,
по которым разные учёные определяют тяжелые металлы. Известно более 40
элементов, которые относят к тяжелым металлам. Они имеют атомную массу
больше 50 а.е. Именно эти элементы обладают большой токсичностью даже
при малой кумуляции для живых организмов: [2]
V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo...Pb, Hg, U, Th...все они входят в эту
классификацию.
Но даже при их токсичности, многие из них являются важными
микроэлементами, (исключая кадмий, ртуть, свинец и висмут, для которых
не нашли биологическую роль).
По другой классификации (а именно Н. Реймерса) тяжелые металлы - это
элементы, которые имеют плотность больше 8 г/см3. Таким образом
получится меньше таких элементов: Pb(свинец), Zn(цинк), Bi(висмут),
Sn(олово), Cd(кадмий), Cu (медь), Ni (никель), Co(кобальт), Sb (сурьма). Hg
(ртуть) и другие металлы.
Наряду с ингибиторующими действиями на ферменты, часть этих
металлов выполняет роль активаторов .
А к т и в а т о р а м и называют вещества, увеличивающие каталитическую
активность ферментов. Среди активаторов встречаются самые разнообразные
вещества. Особенно часто роль активаторов ферментов [5]выполняют ионы
металлов: калия, кальция, магния, цинка, меди, железа, марганца, кобальта, а
из анионов – хлорa.
Так, например, кобальт необходим для проявления активности ряда
ферментов .Он влияет на обмен белка и синтез нуклеиновых кислот, на
обмен углеводов. Биологическая активность кобальта определяется его
участием в построении молекулы витамина B12.
-72.Методика исследования
Определение активности ферментов газометрическим методом
Принцип метода определения активности ферментов (каталазы)
основан на учете количества кислорода, выделяющегося при разложении
перексида водорода.
Если непосредственно измеряется объем газа, то такой метод называется газометрическим.[1]
Ход работы:
при определении активности ферментов газометрическим методом нужно
использовать прибор «каталазник». Он состоит из реактора – двух
соединенных пробирок, – где происходит расщепление пероксида водорода
за счет каталазы изучаемого субстрата. Резиновой трубкой реактор
соединяется с цилиндром, наполненным водой. Выделяющийся кислород
вытесняет подкрашенную воду. По вытеснению воды из цилиндра можно
судить о количестве освобождающегося кислорода в реакторе.
Подготовка к работе.
1. Приготовление 2% растворов солей: NaCl, CuSO4, CoSO4, NiSO4,
Pb(NO3)3
Рис.1 Приготовление растворов солей.
-8 2. Сборка прибора и освоение методики
определения
объема
выделяющегося кислорода.
Оборудование:
луковицы лука репчатого, клубни картофеля, корнеплоды моркови, свеклы,
капуста белокочанная; 3%-ый пероксид водорода, терка, пробирки,
спиртовки, колбы, марля, песочные часы.
Ход работы:
 Приготовить вытяжки соков растений.
Натереть на терке образец растения, отжать сок в колбу;
 Одну пробирку с вытяжкой 2 мл прокипятить для проверки активности
каталазы после термической обработки;
 Проверка работы прибора:
в каталазник налить 2 мл вытяжки растения, добавить в нее 2 мл воды
(контроль), в другое колено каталазника налить 2 мл пероксида водорода;
закрыть каталазник газоотводной трубкой и ввести резиновую трубку в
цилиндр с водой. После этого встряхнуть каталазник, поставить песочные
часы, отметить уровень жидкости в цилиндре и в течение 2 мин
регистрировать изменение объема жидкости.
Рис.2. Сборка прибора и проверка его работы.
Все опыты проводить в такой же последовательности (таблица 2)
- 9Таблица 2.
Схема опытов по определению активности ферментов, расщепляющих
пероксид водорода
№ Объект
2 мл
Объем вытесняемой воды при действии факторов
Контроль +2мл
+2мл
+2мл
+2мл
+2мл
+2мл
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2 Этанол
NaCl
вода
1
2
3
4
5
Сок
картофеля
Сок
моркови
Сок
капусты
Сок
свеклы
Сок лука
Рис.3 . Проведение опытов
+2мл
Кипячение
-103. Результаты исследований.
1. Изучение изменения активности ферментов сока картофеля.
Активность каталазы, мл
Изменение активности каталазы сока картофеля
30
25
25
23
20
15
сок картофеля
12
10
6
5
3
5
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Факторы: 1- контроль, 2- NaCl, 3- CuSO4, 4- CoSO4, 5- NiSO4,
6- Pb(NO3)2, 7- этанол, 8- кипячение
Рис. 4. Изменение активности каталазы сока картофеля.
Как видно из рисунка 4, каталаза сока картофеля изменяет свою активность
под влиянием факторов:
по сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все факторы, кроме
поваренной соли (8%), оказали ингибирующее (подавляющее) действие:
Таблица 3.
Влияние различных факторов на подавление (активацию) ферментов,
расщепляющих пероксид водорода сока картофеля (процент )
Сок
картофеля
NaCl
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
8%
88%
52%
80%
92%
76%
100%
2. Изучение изменения активности ферментов сока моркови
Активность каталазы, мл
Изменение активности каталазы сока моркови
35
30
32
27
25
24
25
25
20
сок моркови
15
10
5
5
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Факторы: 1- контроль, 2- NaCl, 3- CuSO4, 4- CoSO4, 5 - NiSO4, 6Pb(NO3)2, 7- этанол, 8- кипячение
Рис.5. Изменение активности каталазы сока моркови.
-11Как видно из рисунка 5, каталаза сока моркови изменяет свою активность
под влиянием факторов:
по сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все факторы оказали
ингибирующее действие в соке моркови, кроме незначительного у кобальта и
никеля(по 7 %) и этанола, который оказал активацию на 18%:
Таблица 4.
Влияние различных факторов на подавление (активацию) ферментов,
расщепляющих пероксид водорода сока моркови (процент )
Сок
моркови
NaCl
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
11%
81%
7%
7%
81%
Активация
на 18%
100%
3. Изучение изменения активности ферментов сока капусты
Активность каталазы, мл
Изменение активности каталазы сока капусты
14
12
13
12
9
10
8
сок капусты
6
4
4
2
2
1
1
4
5
0,5
0
1
2
3
6
7
8
Факторы: 1- контроль, 2- NaCl, 3- CuSO4, 4- CoSO4, 5NiSO4, 6 -Pb(NO3)2, 7- этанол, 8- кипячение
Рис. 6. Изменение активности каталазы сока капусты.
Как видно из рисунка 6, каталаза сока капусты изменяет свою активность под
влиянием факторов:
по сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все факторы (кроме
поваренной соли- активация на 10,8%) оказали ингибирующее действие:
Таблица 5.
Влияние различных факторов на подавление (активацию) ферментов,
расщепляющих пероксид водорода сока капусты (процент )
Сок
капусты
NaCl
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
Активация
на 10,8%
83,3%
91%
91%
66%
25%
95,8%
-124.Изучение изменения активности ферментов сока свеклы
Активность каталазы, мл
Изменение активности каталазы сока свеклы
2,5
2
2
1,5
1
1
1
0,5
1
0
0
1
2
3
1
0
4
5
сок свеклы
0
6
7
8
9
Факторы: 1- контроль, 2- NaCl, 3- CuSO4, 4- CoSO4, 5- NiSO4, 6Pb(NO3)2, 7 -этанол, 8- кипячение
Рис.7. Изменение активности ферментов сока свеклы.
Как видно из рисунка 7, свекла имеет очень низкое значение фермента,
разлагающего пероксид водорода (3,7% от активности ферментов моркови).
Из литературы [8] мы узнали, что в свекле нет фермента каталазы, а есть
пероксидаза, которая работает менее активно.
Таблица 6.
Влияние различных факторов на подавление (активацию) ферментов,
расщепляющих пероксид водорода сока свеклы
(процент )
NaCl
Сок
свеклы
0%
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
100 %
Активация
на 50%
0%
100%
0%
100 %
Из результатов опытов с соком свеклы мы можем предположить, что :
1) каталаза в ней отсутствует, так как очень низкое значение ферментов,
разлагающих пероксид водорода;
2) присутствуют другие ферменты, которые подавляются солями меди и
свинца, но активируются солями кобальта (на 50%),не подавляются
солями натрия, никеля и этанолом.
-135.Изучение изменения активности ферментов сока лука
В опытах с соком лука мы убедились, что он по ферментативной
активности разложения пероксида водорода похож на сок свеклы. Эта
активность мала (составляет 15% от активности сока моркови)
Активность каталазы, мл
Изменение активности каталазы сока лука
5
4
4
4
3
3
2
2
1
2
0,5
сок лука
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Факторы: 1- контроль, 2- NaCl, 3- CuSO4, 4- CoSO4, 5- NiSO4, 6Pb(NO3)2, 7 - этанол, 8- кипячение
Рис. 8. Изменение активности каталазы сока лука.
Как видно из рисунка 8, каталаза сока лука изменяет свою активность под
влиянием факторов:
по сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все факторы (кроме соли
кобальта) оказали ингибирующее действие на сок лука:
Таблица 7.
Влияние различных факторов на подавление (активацию) ферментов,
расщепляющих пероксид водорода сока лука
(процент )
Сок
лука
NaCl
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
50%
87,5%
0%
25%
87,5%
50%
100%
-144. Выводы:
1. Сок картофеля содержит большое количество каталазы. По сравнению
с контрольной пробой (сок с водой), все факторы оказали
ингибирующее (подавляющее) действие на каталазу картофеля: соли
меди, кобальта, никеля свинца, этанол. Кипячение разрушило каталазу.
2. Сок моркови содержит большое количество каталазы. По сравнению с
контрольной пробой (сок с водой), все факторы оказали ингибирующее
действие на каталазу моркови, кроме незначительного подавления
солями кобальта и никеля (по 7%), а этанол вызвал увеличение на
18%;
3. Сок капусты содержит 44% активных ферментов по сравнению с
морковью. По сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все
факторы (кроме поваренной соли – увеличение на 10,8%) оказали
ингибирующее действие на активность каталазы в соке капусты.
4. Из результатов опытов с соком свеклы мы можем предположить, что :
А) каталаза в ней отсутствует , так как очень низкое значение
ферментов, разлагающих пероксид водорода (3,7% от активности
сока моркови);
Б) присутствуют другие ферменты, которые подавляются солями
меди и свинца, но активируются солями кобальта (на 50%),не
подавляются солями натрия, никеля и этанолом.
5. В опытах с соком лука мы убедились, что он по ферментативной
активности разложения пероксида водорода похож на сок свеклы. Эта
активность мала (составляет 15% от активности сока моркови). По
сравнению с контрольной пробой (сок с водой), все факторы (кроме соли
кобальта) оказали ингибирующее действие на ферменты лука;
6. Наибольшей ферментативной активностью по разложению пероксида
водорода обладают из изученных : морковь, картофель, капуста;
7. Мы убедились, что подавляющее действие на ферменты растений
оказали во всех случаях соли меди и свинца; поваренная соль
незначительно изменяла активность ферментов;
8. Кипячение соков растений во всех экспериментах вызывало
разрушение ферментов
-155. Список литературы :
1.Гольд В.М., Гаевский Н.А., Головина Т.И., Белова Н.П., Горбанева
Т.Б.Электронный УМК . Физиология растений. Определение активности
каталазы газометрическим способом .Красноярск. ИПК
СФУ.2008.files.lib.stu-kras.ru
2. Влияние на каталитическую активность ферментов ингибиторов и
катализаторов
http://biohimist.ru/osnovy-biokhimii/31-vlijanie-nakataliticheskuju-aktivnost-fermentov.html
3.Каталаза - чемпион катализа
http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_medicine/14012
4. Кобальт в организме человека
http://vitameal.ru/food.php?h=mco
5. Общие факты про тяжелые металлы. http://www.netbolezniam.ru/publ/1-1-0-12
6. Опыты с ферментами. http://allforchildren.ru/sci/sci056.php
7. Токсичность тяжелых металлов в с.х. http://www.bestreferat.ru/referat81355.html
8.Химический состав и питательная ценность корнеплодов. Часть 3
http://www.activestudy.info/
9. Ферментативная кинетика каталазы .
http://www.chem.msu.su/rus/olimpiad/olimp38/problem036.html
-16Приложение
1. Сводная таблица ферментативной активности соков растений
№ Объект
2 мл
Объем вытесняемой воды при действии факторов,мл
Контроль +2 мл +2мл
+2мл
+2мл
+2 мл
+2
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2 Этанол
мл NaCl
+2мл
Кипячение
вода
1
2
3
4
5
Сок
картофеля
Сок
моркови
Сок
капусты
Сок
свеклы
Сок лука
25
23
3
12
5
2
6
0
27
24
4
25
25
25
32
0
12
13
2
1
1
4
9
0,5
1
1
0
2
1
0
1
0
4
2
0,5
4
3
0,5
2
0
2. Сводная таблица влияния различных факторов на подавление
(активацию) ферментов, расщепляющих пероксид водорода
NaCl
CuSO4
CoSO4
NiSO4
Pb(NO3)2
Этанол
Кипячение
Сок
картофеля
8%
88%
52%
80%
92%
76%
100%
Сок
моркови
11%
81%
7%
7%
81%
Активация
на 18%
100%
Сок
капусты
Актива
ция на
83,3%
91%
91%
66%
25%
95,8%
100 %
Активац
ия на
50%
0%
100%
0%
100 %
87,5%
0%
25%
87,5%
50%
100%
10,8%
Сок
свеклы
Сок лука
0%
50%