Įvadas
Fermentai, arba kitaip enzimai, yra baltymai, kurie veikia kaip biologiniai katalizatoriai, pagreitindami biochemines reakcijas organizmuose. Jų aktyvumas priklauso nuo įvairių faktorių, įskaitant temperatūrą. Šiame straipsnyje aptarsime fermento aktyvumo priklausomybę nuo temperatūros, remiantis bulvių fermento katalizės tyrimo pavyzdžiu ir kitais moksliniais duomenimis.
Kas yra fermentai?
Fermentai (lot. fermentum - raugas, gr. en - viduje + zymē - raugas), arba kitaip enzimai, yra biokatalizatoriai, baltymai, katalizuojantys biochemines reakcijas. Žinoma daugiau kaip 3000 fermentų, išskirtų iš įvairių gyvų organizmų. Daugiausia fermentų yra ląstelėse, kai kurių - audinių skystyje, mitybinėje terpėje. Eukariotų ląstelių organoidai turi jiems būdingus fermentų rinkinius, kai kurių fermentų yra tik tam tikruose audiniuose ar organuose. Fermentai atlieka gyvybiškai svarbias funkcijas, užtikrindami medžiagų apykaitą ir genetinės informacijos realizavimą.
Fermentų klasifikacija
Pagal katalizuojamųjų reakcijų tipą skiriamos šešios pagrindinės fermentų klasės:
- Oksidoreduktazės: Katalizuoja oksidacijos-redukcijos reakcijas.
- Transferazės: Katalizuoja funkcinių grupių perkėlimą nuo vienos molekulės kitai.
- Hidrolazės: Katalizuoja hidrolizės reakcijas (junginių skaidymą veikiant vandeniui).
- Liazės: Katalizuoja cheminių ryšių skaidymą nehidrolitiniu būdu, dažnai su dvigubų ryšių susidarymu.
- Izomerazės: Katalizuoja izomerizacijos reakcijas (molekulių pertvarkymą į izomerus).
- Ligazės (sintetazės): Katalizuoja naujų cheminių ryšių susidarymą, naudojant energiją (dažniausiai ATP).
Kiekvienas fermentas turi keturių skaitmenų numerį, kuris nurodo jo klasę, poklasį, popoklasį ir eilės numerį (pvz., alkoholdehidrogenazės numeris yra 1.1.1.1.). Fermentų pavadinimai dažniausiai sudaromi iš substrato lotyniško pavadinimo šaknies ir priesagos -azė (pvz., krakmolą (lot. amylum) skaido fermentas amilazė).
Fermentų veikimo principai
Fermentai padidina katalizuojamųjų cheminių reakcijų greitį, sumažindami energijos kiekį, kurio reikia reaguojančioms molekulėms (substratams) aktyvuoti. Fermentai yra labai specifiški katalizatoriai: konkretaus fermento molekulės sąveikauja tik su tam tikromis substratų molekulėmis ir katalizuoja tik tam tikro tipo chemines reakcijas. Katalizuojamos reakcijos metu fermento molekulės su reaguojančiomis substratų molekulėmis sudaro tarpinius junginius. Substratai prisijungia fermento aktyviajame centre, kur įvyksta cheminė reakcija.
Taip pat skaitykite: Apie bulvių fermentus
Fermento aktyvumo reguliavimas
Fermento aktyvumas ląstelėse yra reguliuojamas alosteriniais reguliatoriais, kovalentinės modifikacijos būdu, prijungiant įvairias chemines grupes (fosfato, acetilo), slopinant arba aktyvinant fermentą koduojančio geno raišką. Daugelio fermentų veiklai reikalingi kofaktoriai - įvairūs kofermentai - vandenyje tirpių vitaminų dariniai, metalų jonai. Organizmuose yra ir izofermentų (skirtingų fermentų molekulių, katalizuojančių tą pačią cheminę reakciją).
Fermentų panaudojimas
Fermentai, išskirti iš gyvųjų organizmų, naudojami įvairiose mokslo ir ūkio šakose: maisto pramonėje - duonai, sūriui, vynui, alui gaminti, medicinoje - įvairių metabolitų (gliukozės, cholesterolio, adenozintrifosfato, arba ATP) kiekiui nustatyti. Fermentų aktyvumo tyrimai svarbūs daugeliui ligų diagnozuoti, kai kurie fermentai yra vaistai (pvz., virškinimo fermentai). Dirvožemio fermentų šaltinis yra augalai, mikroorganizmai, gyvūnai. Fermentai keičia dirvožemio cheminę sudėtį, skatina dirvožemio biologinį aktyvumą, kuris yra dirvožemio derlingumo rodiklis.
Temperatūros įtaka fermentų aktyvumui
Temperatūra yra vienas iš svarbiausių faktorių, veikiančių fermentų aktyvumą. Fermentai, būdami baltymais, yra jautrūs temperatūros pokyčiams.
Temperatūros poveikis reakcijos greičiui
Temperatūra veikia visas chemines reakcijas, nes didina kinetinę molekulių energiją. Savita fermentinių reakcijų greičio priklausomybės nuo temperatūros savybė - didėjant temperatūrai, nuo tam tikros ribos fermentinių reakcijos ima lėtėti. Temperatūra, kuriai esant fermentinės reakcijos greitis didžiausias, vadinama optimalia temperatūra (Topt). Viršijus Topt, fermentų aktyvumas staiga mažėja, nes, didėjant temperatūrai, baltymai denatūruoja. Šiltakraujų gyvūnų fermentai dažniausiai netenka aktyvumo viršijus 50-55 °C temperatūrą.
Termolabilumas
Fermentų termolabilumas paaiškinamas tuo, kad temperatūra veikia fermento baltyminę dalį, kas, esant aukštai temperatūrai lemia baltymo denatūraciją ir katalitinės funkcijos sumažėjimą, bet kita vertus lemia fermentų-substratų komplekso susidarymo reakcijos greitį ir visus sekančius substrato kitimo etapus, kas lemia katalizės sustiprėjimą.
Taip pat skaitykite: Išsamus ADS diagnostikos aprašymas
Fermento katalitinio aktyvumo priklausomybė nuo temperatūros išreiškiama tipine kreive. Iki tam tikros atžymos (vidutiniškai iki 50°C) katalitinis aktyvumas auga, kas 10°C apytikriai 2 kartus išauga substrato kitimo greitis. Tuo tarpu palaipsniui auga inaktyvuoto fermento kiekis, jo baltyminės dalies denatūracijos sąskaita. Esant virš 50°C temperatūrai smarkiai padidėja fermentinio baltymo denatūracija, ir, nors substrato kitimų reakcijų graitis kylia, fermento aktyvumas, išreikštas pakitusio substrato kiekiu, krenta.
Temperatūrinis optimumas
Temperatūra, prie kurios fermento katalitinis aktyvumas yra maksimalus, vadinama temperatūriniu optimumu. Skirtingų fermentų temperatūrinis optimumas yra nevienodas. Gyvulinės kilmės fermentų jis yra 40°-50°C, tačiau egzistuoja ir turintys aukštesnį temperatūrinį optimumą, pvz. papaino (augalinės kilmės fermentas, pagreitinantis baltymo hidrolizę) optimumas yra apie 80°C, o katalazo (fermentas, greitinantis H2O2 skilimą iki H2O ir O2) optimumas yra tarp 0° ir -10°C, o prie aukštesnės temperatūros įvyksta intensyvus fermento oksidavimasis ir jo inaktivacija.
Bulvių fermento katalizės aktyvumo priklausomybės nuo temperatūros tyrimas
Šis tyrimas skirtas ištirti, kaip temperatūra veikia bulvių fermento katalizės aktyvumą.
Tikslas
Nustatyti bulvių fermento katalizės aktyvumo priklausomybę nuo temperatūros.
Priemonės ir medžiagos
- Žalia bulvė
- 30 ml 3% vandenilio peroksido
- 3 mėgintuvėliai ir stovas
- 3 stiklinės
- Kaitinamoji krosnelė
- Skalpelis
- Termometras
- Degtukai
- Liniuotė
Darbo eiga
- Į visus tris mėgintuvėlius įpilkite po 10 ml vandenilio peroksido.
- Nulupkite bulvę ir iš jos išpjaukite tris vienodo dydžio kubelius. Juos susmulkinkite - pažeisite daugiau bulvės ląstelių ir iš jų išsiskirs daugiau fermento katalizės.
- Pamatuokite vandens, kuriame yra pirmas mėgintuvėlis su vandenilio peroksidu, temperatūrą.
- Į pirmą mėgintuvėlį įmeskite vieną susmulkintą bulvės gabalėlį.
- Virš mėgintuvėlio laikykite degantį degtuką ir stebėkite liepsną.
- Į antrą ir trečią mėgintuvėlius įmeskite po vieną susmulkintą bulvės kubelį.
Stebėjimas ir analizė
Stebėkite reakcijos greitį kiekviename mėgintuvėlyje, matuodami deguonies išsiskyrimo greitį. Deguonies išsiskyrimas rodo katalizės aktyvumą.
Taip pat skaitykite: ADHD supratimas
Galimi rezultatai
Tikėtina, kad reakcija bus greičiausia tam tikroje temperatūroje (optimalioje temperatūroje), o per žemoje ar per aukštoje temperatūroje reakcija sulėtės arba sustos dėl fermento denatūracijos.
Kiti tyrimai
Amilazės aktyvumo priklausomybė nuo temperatūros tyrimas
Šiame tyrime siekiama nustatyti fermento α-amilazės aktyvumo priklausomybę nuo temperatūros.
Medžiagos ir metodai:
- Paruošiamas krakmolo tirpalas: 1 g krakmolo suplakama su nedideliu kiekiu (30 ml) šalto distiliuoto vandens. Mišinys plona srovele supilamas į 70 ml karšto distiliuoto vandens, kuriame ištirpinta 0,3 g NaCl, gerai sumaišomas ir 1-2 min. pavirinamas. Tirpalas ataušinamas iki kambario temperatūros.
- Paruošiamas seilių preparatas: į mažą švarią stiklinę arba mėgintuvėlį surenkama 1 ml seilių.
- Į keturis mėgintuvėlius įpilama po 5 ml 1 % krakmolo tirpalo.
- Pirmas mėgintuvėlis įdedamas į 37 °C vandens vonią, antras į - kambario temperatūros, trečias į - 70 °C, o ketvirtas - į 0 °C (į ledus).
- Į kitus keturis švarius mėgintuvėlius įpilama po 5 ml paruošto seilių tirpalo. Šie po vieną įmerkiami į skirtingų temperatūrų vandens vonias ir paliekami, kol tirpalas juose taps vonios temperatūros.
- Abiejų 37 °C temperatūros vonioje esančių mėgintuvėlių turinys supilamas į vieną, gerai sumaišomas ir vėl įmerkiamas į vandens vonią. Tas pats atliekama ir su 70 °C mėginiais.
- Procedūra aprašyta 6 punkte pakartojama kas 3 min.
- Apie hidrolizės eigą galima spręsti atliekant reakciją su jodo tirpalu. Krakmolas, reaguodamas su jodo tirpalu, sudaro mėlynos spalvos junginius (spalvos intensyvumas priklauso nuo krakmolo koncentracijos). Dekstrinai, priklausomai nuo jų ilgio, su jodo tirpalu sudaro violetinės ar raudonai rudos spalvos junginius.
Rezultatai:
Šis tyrimas parodys, kuriai temperatūrai esant fermentinė reakcija greičiausia.
Fermentinės reakcijos greičio priklausomybės nuo fermento kiekio tyrimas
Šis tyrimas skirtas nustatyti fermentinės reakcijos greičio priklausomybę nuo fermento kiekio.
Medžiagos ir metodai:
- Paruošiamas seilių preparatas: į mažą švarią stiklinę arba mėgintuvėlį surenkama 1 ml seilių.
- Mišinys pirmame mėgintuvėlyje sumaišomas (tirpalas keliskart pipete įtraukiamas ir vėl išpilamas).
- Antro mėgintuvėlio tirpalas taip pat sumaišomas, pipete keliskart įtraukiant ir išpilant tirpalą.
- 1 ml gauto mišinio ta pačia pipete perpilamas į trečią mėgintuvėlį, iš šio - į ketvirtą ir t.t.
- Iš septinto mėgintuvėlio 1 ml mišinio išpilamas.
- Išimti iš vonios, mėgintuvėliai greitai atšaldomi šalto vandens srove.
- Į kiekvieną mėgintuvėlį įlašinama po 2 lašus jodo tirpalo, sumaišoma ir stebima, kaip keičiasi spalva (nuo geltonos iki mėlynos).
- Apskaičiuojamas tiriamų seilių aktyvumas.
Rezultatai:
Šis tyrimas parodys, kaip fermento kiekis veikia reakcijos greitį.
Fermentacijos bandymas
Fermentacijos procesas
Anaerobinis (be deguonies) fermentinis angliavandenių skaidymas vadinamas rūgimu arba fermentacija. Fermentacijos metu gali susidaryti organinės rūgštys, etanolis. Fermentacija naudojama maisto produktų gamybai ir konservavimui, duonos pramonėje, jogurtų, kefyro, sūrių, alkoholinių gėrimų gamybai. Gliukozės virtimas etanoliu, kuris vyksta mielėse yra vadinamas spiritiniu rūgimu. Mielės yra vienaląsčiai organizmai, priskiriami grybams.
Bandymo eiga
- Kai tirpalas ir mielės yra gerai sumaišyti, užpildykite mėgintuvėlį gliukozės ar sacharozės tirpalu pilnai iki krašto ir uždėkite filtrinio popieriaus skridinėlį (dėkite atsargiai stumdami iš šono, kad filtrinis popierius „priliptų“).
- Apžiūrėkite mėgintuvėlius po 15 min.
Rezultatai
Bandymo metu susidaro dujos, kurios yra anglies dioksidas (CO2).
tags: #fermento #aktyvumo #priklausomybe #nuo #temperaturos