Експерименти с ензими пероксидаза и оксидаза у домаусловия
В клетките на растенията и животните непрекъснато протичат сложни химични процеси. Те се регулират от белтъчни вещества -ензими, които играят ролята накатализаторина химичните реакции в клетките. За изследване на такива биохимични процеси са необходими сложни инструменти и много реактиви. Някои биохимични явления обаче могат да се наблюдават, както се казва, с просто око.
Да започнем с окислителните ензими - оксидази и пероксидази. Те присъстват в много живи тъкани, тъй като окисляването е в основата на процесите на дишане. Но тези ензими действат по различен начин: оксидазите окисляват органичните вещества с атмосферен кислород, пероксидазите „извличат“ кислород от пероксиди за същата цел. Разбира се, веществата се окисляват бавно дори без помощта на ензими, но ензимите ускоряват реакцията много хиляди пъти.
Когато някои вещества се окисляват, например фенол и хидрохинон, се образуват цветни реакционни продукти. Появата на цвят показва, че ензимът е подействал. И интензивността на цвета ви позволява да прецените количеството продукти на окисляване. Ако цветът изобщо не се появи, тогава ензимът е неактивен. Това може да се случи в среди, които са твърде киселинни или твърде алкални, или ако няма достъп до кислород, или в присъствието на вещества, увреждащи ензима, така нареченитеензимни инхибитори.
След това кратко въведение, самите експерименти. Ще ви трябват: стрък зеле, ябълка, грудка картоф с кълнове, лук с корени, покълнали на тъмно. Реактивите ще бъдат студено преварена и още по-добре дестилирана вода, хидрохинон (от магазин за снимки) и аптечен водороден прекис. Също така се запасете с ренде за зеленчуци, водна баня, епруветки или флаконипод пеницилин, чисти пипети и марля или бяла кърпа.
Да започнем със зелев сок. Смила се парче зелев стрък, около 20 г, получената каша се изстисква през два слоя марля или един слой плат, сокът се събира в чаша и се разрежда с вода десет пъти. Веднага ви предупреждаваме: когато изучавате други растителни обекти, сокът трябва да се разрежда не повече от два до три пъти.
Номер шест чисти, сухи епруветки или флакони. В епруветки № 1, 2, 3 и 4 се налива по 1 мл разреден зелев сок. Поставете епруветки 1 и 2, за да разрушите (инактивирате) ензимите за пет минути във вряща водна баня и след това охладете до стайна температура. Налейте 1 ml вода в епруветки 5 и 6 вместо сок.
Към всичките шест епруветки добавете малко, на върха на ножа, хидрохинон. След това изсипете пет капки вода в епруветки 1, 3 и 5 и пет капки водороден прекис в епруветки 2, 4 и 6. Разбъркайте старателно съдържанието на всяка епруветка.
Може ли водородният прекис да окисли хидрохинон в отсъствието на зелев сок?
Хидрохинонът окислява ли се от зелев сок без водороден пероксид?
Запазва ли се ензимната активност в сока след варене?
Кои окислителни ензими се съдържат в зелевия сок - оксидази или пероксидази?
Въпреки това, въз основа на опита с растения от същия вид, е твърде рано да се правят окончателни заключения. Затова поставете същите експерименти с картофена грудка и нейните кълнове, с пулпа от ябълки, с месестите люспи на лук, както и с дъното и листата („пера“). Напомняме: в тези случаи полученият сок трябва да се разреди с вода 2-3 пъти.
Когато всички експерименти са направени, е възможно да се определи в кой от изследваните материали окислителните ензими са по-активни. Как смятате,Могат ли оксидазите и пероксидазите да присъстват едновременно в растителните тъкани?
Опитайте се да направите свои изводи, без да гледате обяснението. И когато се направят изводите, проверете доколко са верни.
Първо заключение.Водородният пероксид може постепенно да окисли хидрохинона дори без сок: в епруветки 5 и 6 бавно се появява розов цвят. Това означава, че ензимът не е необходим за реакцията. Както всички катализатори, ензимите само ускоряват многократно започналата реакция. Разбира се, забелязахте колко бързо се появи цветът в епруветка 4. Пероксидазите обаче не могат да ускорят реакцията на хидрохинон с атмосферния кислород (цветът в епруветка 3 липсва или се появява много бавно).
Втори извод.Ензимът може да бъде деактивиран дори чрез краткотрайно кипене. В епруветка 2 практически няма цвят. В крайна сметка ензимите са протеини; те коагулират при нагряване - в епруветки 1 и 2 се появиха протеинови люспи.
Трето заключение.В епруветка 3 не се появи цвят. Това означава, че зелевият сок съдържа само пероксидази, които ускоряват окисляването на хидрохинона само в присъствието на водороден прекис. Въпреки това, при опити с картофени клубени и ябълки, цветът се появява и особено бързо при разклащане на флакона, когато разтворът е обогатен с атмосферен кислород. Това означава, че в картофите и ябълките има оксидази (по-специално фенолоксидаза), които допринасят за окисляването на хидрохинона с кислород. Следователно нарязаните картофени клубени и ябълки потъмняват на въздуха - те съдържат вещества, свързани с хидрохинона. Оксидазата също губи активност при нагряване. Помнете дали варените картофи потъмняват?
И накрая,четвърти изход. В картофите и ябълките също има оксидази - когато се добави пероксид в епруветка 4, цветът се появява по-рано. И в месести люспибез оксидаза от лук. Те не потъмняват на въздух дори с хидрохинон.
Между другото, забелязали ли сте, че окислителните ензими са особено активни при подготовката за растеж или отглеждане на растителни органи - в дъното на луковицата и нейните корени, в кълновете на картофените клубени? Там метаболизмът протича най-интензивно.
Така открихме, че не всички условия на околната среда са благоприятни за действието на ензимите. Ако силната топлина инактивира ензимите, може би те са по-активни при ниски температури? Нека проверим и това. За експеримента ще ви трябват допълнителни четири стъклени или метални кутии с вместимост около един литър и лед или сняг (около 1 кг). Нека експериментираме със зелев стрък.
Пънчето се настъргва, сокът се изстисква, както преди, през марля или плат и се разрежда с вода двадесет пъти. Преномерирайте епруветките, ако старата номерация е била изтрита по някакъв начин, и налейте 1 ml разреден зелев сок в епруветки 1, 2, 3 и 4 и след това добавете хидрохинон на върха на ножа. В епруветки 5 и 6, вместо сок, налейте 1 ml вода и също добавете хидрохинон. И след това подредете епруветките по следния начин: 1 - в буркан със сняг или лед; 2 - в буркан с топла вода (40°C); 3 - в буркан с гореща вода (60°C); 4 - оставете на масата при стайна температура; 5 - в буркан с вряща вода; 6 - оставете на стайна температура.
5 минути след началото на експеримента налейте пет капки водороден прекис във всички епруветки, като започнете от по-студените. Разклатете внимателно сместа и отбележете началния час на реакцията. След още 5 минути извадете епруветките от бурканите и запишете резултатите от експеримента под формата на таблица, приблизително същата като последния път. Когато таблицата е попълнена, можете да започнете да анализирате получените данни.
Опитайте се да си направите изводите, като отговорите първина следните въпроси.
Реакцията на окисление ускорява ли се с повишаване на температурата без добавяне на ензим?
Може ли да се каже, че ензимите работят по-добре, когато са охладени?
Каква температура е най-благоприятна за действието на пероксидазите?
Защо храната издържа по-дълго в хладилника?
Защо да варя мляко?
Защо топлокръвните животни – бозайници и птици – са най-развитите и жизнеспособни животни на Земята?
Отговорихте ли на всички тези въпроси? След това – нашите обяснения.
Вероятно сте забелязали, че скоростта на окисление на хидрохинона с водороден прекис не е еднаква при ниски и високи температури. При високи температури скоростта на окисление естествено е по-висока. Пероксидазите улесняват взаимодействието на хидрохинон с пероксид. В присъствието на ензим реакцията протича дори при ниски температури, но колкото по-висока е температурата, толкова по-лесно е за ензима да активира молекулите на реагентите.
Но не трябва да забравяме, че протеините коагулират при високи температури, скоростта на реакцията намалява. Има концепция за оптималната температура за действие на ензимите, при която те проявяват най-голяма активност. Тази температура варира за различните ензими, но много ензими, включително пероксидазите, имат температурен оптимум от 40–50°C.
Хранителните продукти се развалят от действието на ензими, съдържащи се в тях или отделяни от микроорганизми. В студа ензимната активност намалява - затова храната се разваля по-малко в хладилника.
Топлокръвните животни са се издигнали до горния етап на еволюцията, който може да поддържа телесна температура, която е оптимална за активността на ензимите.
О. Олгин. "Опити без експлозии" М., "Химия", 1986 г